Amélioration du sol sablonneux par les précipitations de calcite induites par la microbienne (MICP) par immersion

Résumé

Ici, la technologie des précipitations de calcite induites par la microbienne (MICP) est présentée pour améliorer les propriétés du sol par immersion.

Résumé

Le but de cet article est de développer une méthode d'immersion pour améliorer les précipitations de calcite induites par la microbienne (MICP) échantillons traités. Un réacteur par lots a été assemblé pour immerger des échantillons de sol dans des supports de cimentation. Le support de cimentation peut librement se diffuser dans les échantillons de sol dans le réacteur de lot au lieu du support de cimentation étant injecté. Un moule flexible de contact complet, un moule rigide de contact complet, et un moule de brique noyaulé ont été employés pour préparer différents supports d'échantillon de sol. Des fibres synthétiques et des fibres naturelles ont été sélectionnées pour renforcer les échantillons de sol traités par le MICP. Le CaCO₃ précipité dans différentes zones des échantillons traités par le MICP a été mesuré. Les résultats de distribution de CaCO₃ ont démontré que le CaCO₃ précipité était distribué uniformément dans l'échantillon de sol par la méthode d'immersion.

Introduction

En tant que technologie biologique d'amélioration du sol, les précipitations de calcite induites par les microbiens (MICP) sont capables d'améliorer les propriétés techniques du sol. Il a été utilisé pour améliorer la force, la rigidité et la perméabilité du sol. La technique MICP a gagné beaucoup d'attention pour l'amélioration du sol dans le monde entier^1,2,3,4. Les précipitations de carbonate se produisent naturellement et peuvent être induites par des organismes non pathogènes qui sont indigènes à l'environnement du sol⁵. La réaction biogéochimique MICP est entraînée par l'existence de bactéries uréolytiques, l'urée et une solution riche en calcium^5,6. Sporosarcina pasteurii est une enzyme urease très active qui catalyse le réseau de réaction vers la précipitation de la calcite^7,8. Le processus d'hydrolyse de l'urée produit de l'ammonium dissous (NH⁴⁾et du carbonate inorganique (CO₃^2-). Les ions carbonateux réagissent avec les ions de calcium pour précipiter les cristaux de carbonate de calcium. Les réactions d'hydrolyse d'urée sont montrées ici :

Le CaCO₃ précipité peut lier les particules de sable ensemble pour améliorer les propriétés d'ingénierie du sol traité par le MICP. La technique MICP a été appliquée dans diverses applications, telles que l'amélioration de la résistance et la rigidité du sol, la réparation du béton, et l'assainissement de l'environnement^{9,10,11,12, 13 (en) , 14 (en) , 15}.

Zhao et coll.¹⁶ ont mis au point une méthode d'immersion pour préparer des échantillons traités par le MICP. Un moule flexible de contact complet fait de géotextile a été employé dans cette méthode. Le CaCO₃ précipité a distribué uniformément dans leurs échantillons traités par le MICP. Bu et coll.¹⁷ ont mis au point un moule rigide à contact complet pour préparer des échantillons de faisceautraités par MICP par une méthode d'immersion. L'échantillon traité par LE MICP préparé par cette méthode à l'aide d'un moule rigide de contact complet peut former la forme de faisceau appropriée. L'échantillon traité par le MICP a été divisé en quatre et le contenu de CaCO₃ a été mesuré. La teneur en CaCO₃ variait de 8,4 à 1,5 % à 9,4 % et 1,2 % en poids, ce qui indique que le CaCO₃ a été distribué uniformément dans les échantillons traités par le MICP selon la méthode d'immersion. Ces échantillons traités par le MICP ont également obtenu de meilleures propriétés mécaniques. Ces biospécimens traités par le MICP ont atteint une résistance de flexion de 950 kPa, qui était semblable à celle des échantillons traités au ciment de 20 à 25 % (600- 1300 kPa). Li et coll.¹⁰ ont ajouté des fibres discrètes distribuées au hasard dans le sol sablonneux et ont traité le sol par la méthode d'immersion du MICP. Ils ont constaté que la force de cisaillement, la ductilité, et la contrainte de défaillance du sol MICP-traité ont été augmentées évidemment par l'ajout de fibre appropriée.

La méthode d'immersion pour MICP a été continuellement améliorée^10,16,17. Cette méthode peut être utilisée pour préparer des échantillons de sol traités par le MICP et des matériaux de construction préfabriqués traités par le MICP, comme des briques et des poutres. Différentes dimensions géométriques du moule de préparation d'échantillon ont été développées. Des fibres ont été ajoutées dans les échantillons traités par le MICP pour améliorer leurs propriétés. Ce protocole détaillé était destiné à documenter les méthodes d'immersion pour le traitement MICP.

Protocole

REMARQUE : Tous les documents pertinents utilisés dans les procédures suivantes ne sont pas dangereux. Des équipements de protection individuelle (lunettes de sécurité, gants, blouse de laboratoire, pantalons pleine longueur, chaussures à bout fermé) sont toujours nécessaires.

1. Préparation de la solution de bactéries

1. Préparation du milieu de croissance (NH₄-YE medium)
   REMARQUE : Les composants des supports de croissance par litre d'eau déionisée sont : 20 g d'extrait de levure ; 10 g de (NH₄)₂SO₄; et 0,13 M Tris buffer (pH 9.0).
   1. Ingrédients Autoclave séparément.
   2. Dissoudre 20 g d'extrait de levure, et 10 g de (NH₄)₂SO₄ en 1 L d'eau déionisée contenant 0,13 M de tampon Tris.
   3. Mélanger les composants à l'aide d'un agitateur magnétique après la stérilisation.
2. Procédure de propagation de Sporosarcina pasteurii
   REMARQUE : Utilisez des tubes centrifugeuses de 50 ml dans cette expérience.
   1. Décongeler les bactéries congelées dans un flacon.
   2. Ouvrez la fiole.
   3. Transférer 0,1 ml de suspension bactérienne dans un tube de centrifugeuse avec 10 ml de milieu de croissance frais. Bien mélanger à la main (taux d'inoculation est de 1:100). Répétez 5 suspensions bactériennes de plus avec un milieu de croissance. Préparer un tube de commande seulement avec 10 de milieu de croissance frais à l'intérieur.
      REMARQUE : Le cryoprotecteur utilisé dans la procédure de gel/séchage peut inhiber la croissance du tube primaire. Les couvercles des tubes ont été serrés lâchement afin de maintenir l'état aérobie.
   4. Incuber tous les tubes dans un shaker à 200 tr/min à 30 oC pendant 48 à 72 heures. Arrêter l'incubation si le milieu de croissance devient turbide après 48 h. Sinon, étendre l'incubation jusqu'à 72 h.
   5. Centrifuger les tubes avec des bactéries et le milieu de croissance à 4000 x g pendant 20 min.
   6. Retirer le supernatant, remplacer par 25 ml de milieu de croissance frais et bien mélanger à l'aide d'une machine à vortex.
   7. Répétez les étapes 1.2.3-1.2.6 deux fois pour stimuler pleinement l'activité des bactéries.
   8. Utilisez la suspension des tubes à l'étape 1.2.7 pour inoculer plus de tubes avec 25 ml de milieu de croissance pour améliorer la culture des bactéries (le taux d'inoculation est de 1:100).
   9. Incuber tous les tubes dans un shaker à 200 tr/min à 30 oC pendant 48 heures.
   10. Centrifuger les tubes avec des bactéries et le milieu de croissance à 4000 x g pendant 20 min.
   11. Retirer le supernatant, remplacer par un milieu de croissance frais et bien mélanger à l'aide d'une machine à vortex.
   12. Ajuster la concentration des bactéries à l'aide d'un milieu de croissance frais avant les expériences MICP. Calculer la concentration des bactéries par densité optique de la suspension à 600 nm, qui a été mesurée à l'aide d'un spectrophotomètre. L'OD₆₀₀ dans cette expérience était de 0,6.

2. Préparation des supports de cimentation

REMARQUE : Les supports de cimentation sont utilisés pour fournir des produits chimiques pour induire les précipitations de calcite pendant le traitement du MICP. Le rapport de molaire de l'urée-Ca^{2 est} de 1:1. Les composants chimiques des supports de cimentation sont indiqués dans le tableau 1. La procédure suivante est pour 20 L de supports de cimentation avec 0,5 M Ca.

1. Préparer 20 L d'eau dans une boîte en plastique.
2. Dissoudre 200 g de NH₄Cl, 60 g de bouillon nutritif, 42,4 g de NaHCO₃, 600 g d'urée, et 1470 g de CaCl_{2 à}2H₂O dans les 20 L d'eau distillée. Bien mélanger à l'aide d'une tige remuante.

3. Préparation des moules

1. Préparation du moule flexible de contact complet (FCFM)
   REMARQUE : Le moule flexible de contact complet est fait de géotextile. Le géotextile a une résistance de 1 689 N, une force de déchirure trapézoïdale de 667 N, une taille d'ouverture apparente de 0,15 mm, un débit d'eau de 34 mm/s, une épaisseur de 1,51 mm et une masse unitaire de 200 g/m². La taille de la moisissure peut être modifiée pour préparer différentes tailles d'échantillon (par exemple, échantillon d'essai de compression non confiné ou échantillon d'essai de cisaillement direct).
   1. Comme le FCFM se compose d'une partie annulaire, un fond, et une couverture, couper le géotextile en parties constitutives de FCFM.
   2. Coudre les trois parties de FCFM ensemble comme indiqué dans la figure 1.
2. Préparation de moule de contact complet rigide (RFCM) pour les bio-briques
   REMARQUE : Le moule rigide de contact complet se compose d'une couche flexible et d'un support rigide. La couche flexible est faite du même géotextile que le FCFM. Le support rigide est fait d'une feuille perforée en polypropylène avec des trous décalés de 6,35 mm de diamètre répartis sur la feuille perforée en polypropylène et la distance de dégagement entre les trous adjacents est de 9,53 mm. Un moule se compose de trois chambres et la taille de chaque chambre est de 177,8 mm de longueur, 76,2 mm de largeur et 38,1 mm de hauteur. La taille de RFCM peut être modifiée pour préparer la taille différente de l'échantillon. Les trous dans le support rigide permettent le flux de support de cimentation à travers la couche flexible librement.
   1. Préparer la feuille perforée en polypropylène pour les pièces constitutives du support rigide.
   2. Assembler les morceaux de support rigide à l'aide de vis et de noix en plastique.
   3. Préparer les parties constitutives de la couche flexible géotextile. La couche flexible se compose d'un fond et d'un couvercle.
   4. Enfermer le bas de la couche flexible dans le support rigide.
   5. Une fois que le sable est ajouté dans le moule, placez le couvercle de la couche flexible et fixez en cousant sur le dessus de l'échantillon de sable comme indiqué dans la figure 2.
3. Préparation du moule de brique creux
   REMARQUE : Le moule en brique creux comprend un support rigide, une couche flexible et des tubes en carton. La taille du tube en carton est de 60 mm x 140 mm x 60 mm. Trois chambres sont incluses dans un moule et la taille de chaque chambre de moule est 177.8 mm de longueur, 76.2 millimètres de largeur et 38.1 millimètres de hauteur dans cette procédure.
   1. Préparer la feuille perforée en polypropylène pour les pièces constitutives du support rigide.
   2. Percer des trous sur le fond de la pièce rigide de support. La taille des trous est de 61 mm de diamètre. L'emplacement des trous dans chaque chambre est indiqué dans la figure 3a.
   3. Assembler les morceaux du support rigide à l'aide de vis et de noix en plastique.
   4. Assembler les tubes en carton dans les trous percés sur le fond du support rigide.
   5. Préparer les parties constitutives de la couche flexible géotextile. La couche flexible se compose d'un fond et d'un couvercle. Des trous sont également nécessaires sur la couche flexible au même endroit que les tubes en carton.
   6. Une fois que le sable est ajouté dans le moule, placez le couvercle de la couche flexible et fixez en cousant sur le dessus de l'échantillon de sable comme indiqué dans la figure 3b.

4. Préparation du réacteur par lots

REMARQUE : Le réacteur présenté à la figure 4 se compose d'une boîte en plastique, d'un support de cimentation, d'une étagère supportée par un échantillon et de pompes à air. Les échantillons de sol peuvent s'immerger complètement dans le support de cimentation tandis que le support de cimentation peut librement se diffuser dans les échantillons de sol par cette méthode. La pompe à air du réacteur fournit de l'oxygène aux bactéries. Pour déterminer les effets de l'approvisionnement en oxygène différent sur le traitement MICP catalysé par Sporosarcina pasteurii, Li et al. 2017¹⁸ ont effectué des tests de contraste dans trois conditions différentes : une condition aérée, une condition d'air restreint, et un conditions de l'air libre. Ils ont constaté qu'une condition bien oxygénée est essentielle pour améliorer les processus MICP catalysés par des bactéries aérobies.

1. Connectez la pompe à air avec l'approvisionnement en air à l'aide d'un tuyau en plastique.
2. Placez la pompe à air dans la boîte en plastique.
3. Verser le support de cimentation dans la boîte en plastique.

5. Préparation d'échantillons de sol

1. Préparation de l'échantillon de sol traité par le MICP
   REMARQUE : Le sable d'Ottawa (99,7 % de quartz) est utilisé dans les expériences. Le sable est uniforme avec une taille médiane de particules de 0,46 mm et aucune amende n'est incluse. Il est classé comme sable mal classé selon le système unifié classé des sols (USCS).
   1. Ajouter du sable sec dans les moules par la méthode de pluviation de l'air (FCFM, RFCM, moule en briques creuses) pour atteindre une condition médiane dense(D_r dans la gamme d'environ 42-55%, et la densité sèche du sable dans la gamme de 1,58 -1,64 g/cm³).
      REMARQUE : Le poids du sable varie selon les différents types de moisissures : 145 à 5 g de sable pour l'échantillon d'essai ucS, soit 38,6 mm de diamètre et 76,2 mm de hauteur.
   2. Placez le couvercle sur le dessus des échantillons et fixez-le en les coudant.
   3. Versez la solution de bactéries avec une valeur de densité optique fixe à travers la couverture géotextile perméable dans les échantillons et assurez-vous qu'ils sont saturés.
      REMARQUE : La quantité de solution bactérienne variait selon les différents échantillons : 50 ml de solution bactérienne pour un échantillon d'essai UCS, soit 38,6 mm de diamètre et 76,2 mm de hauteur.
   4. Placez les échantillons sur l'étagère supportée par l'échantillon, comme le montre la figure 5a.
   5. Immerger toute l'étagère dans le réacteur de lot rempli de supports de cimentation.
   6. Allumez l'alimentation en air et ajustez la sortie d'air pour maintenir la saturation de l'air à 100 %. Attendez 7 jours de réaction MICP.
   7. Sortir les échantillons du réacteur comme le montre la figure 5b.
   8. Retirez les échantillons en coupant le moule flexible de contact complet ou en déminant le support rigide, puis en coupant la couche flexible.
   9. Laver les échantillons avec de l'eau pour enlever la solution résiduelle dans l'espace des pores.
   10. Placer les échantillons dans le four à 105 oC pendant 48 h jusqu'à ce que leur poids reste constant. Les échantillons peuvent être testés ou traités en plus après le séchage au four.
2. Préparation de l'échantillon de sol renforcé par la fibre
   REMARQUE : La fibre synthétique (voir tableau des matériaux)et la fibre naturelle de palmier comme indiqué dans la figure 6 sont utilisées dans ces procédures.
   1. Pour la fibre synthétique, mélanger la teneur proposée en fibres et 900 g de sable sec par petites incréments à la main pour obtenir un mélange uniforme. La teneur en fibres de cette expérience est fixée à 0,3% par le poids du sable sec.
   2. Pour la fibre de palmier naturelle, répartir 760 g de sable en quatre parties égales. Ajouter ces quatre parties de sable et trois couches de fibres dans RFCM à intervalles réguliers.
   3. Répétez la même procédure que les étapes 5.1.2—5.1.10 pour obtenir l'échantillon traité par le MICP.
3. Préparation de briques traitées au ciment avec traitement bio-surface
   REMARQUE : Le ciment Portland (TYPE I/II) avec une gravité spécifique de 3,15 est utilisé comme agent de ciment pour les échantillons traités au ciment dans cette expérience. Le gain de force précoce de ce ciment a permis les différents temps de durcissement variaient de 7 à 21 jours. La proportion de ciment ajouté dans cette procédure est de 10% par poids de sable sec.
   1. Mélanger 900 g de sable, 90 g de ciment et 200 ml d'eau pour obtenir un mélange uniforme.
   2. Ajouter le mélange au moule rigide. La taille du moule rigide est de 177,8 mm de longueur, 76,2 mm de largeur et 38,1 mm de hauteur.
   3. Cure pendant 7 jours à une humidité constante de 100% et une température constante de 25 oC.
   4. Placer les échantillons dans le four à 105 oC pendant 48 heures jusqu'à ce que leur poids reste constant.
   5. Répétez la même procédure que les étapes 5.1.3—5.1.8.
   6. Placer les échantillons dans le four à 105 oC pendant 48 heures jusqu'à ce que leur poids reste constant. Les échantillons peuvent être testés ou traités en plus après le séchage au four.

Résultats

La figure 7 montre la répartition du CaCO₃ précipité dans l'échantillon traité par le MICP. L'échantillon traité par le MICP a été divisé en trois zones différentes. La teneur en CaCO₃ dans chaque zone a été testée par la méthode de lavage à l'acide. Pour dissoudre les carbonates précipités, les échantillons secs traités par le MICP ont été lavés dans une solution HCl (0,1 M), puis rincés, égouttés et séchés au four pendant 48 heures. La vale...

Discussion

La technique MICP par immersion a été présentée dans cet article. Des échantillons de sol ont été immergés dans le réacteur de lot pour être entièrement pénétrés par les supports de cimentation dans le processus MICP. Dans cette méthode, un moule flexible de contact complet, un moule rigide de contact complet, et un moule de brique noyauté ont été appliqués pour préparer des échantillons MICP-traités.

Différents moules peuvent être conçus pour différentes exigences de...

matériels

Name	Company	Catalog Number	Comments
Ammonium Chloride, >99%	Bio-world	40100196-3 (705033)
Ammonium Sulfate	Bio-world	30635330-3
Calcium Chloride Dihydrate, >99%	Bio-world	40300016-3 (705111)
Nutrient Broth	Bio-world	30620056-3
Sodium Bicarbonate, >99%	Bio-world	41900068-3 (705727)
Sporosarcina pasteurii	American Type Culture Collection	ATCC 11859
Synthetic fiber	FIBERMESH	Fibermesh 150e3
Tris-Base, Biotechnology Grade, >99.7%	Bio-world	42020309-2 (730205)
Urea, USP Grade, >99%	Bio-world	42100008-2 (705986)
Yeast Extract	Bio-world	30620096-3 (760095)