שיפור הקרקע החולית באמצעות Microbially המושרה הקלציט משקעים (MICP) על ידי הטבילה

Summary

כאן, המושרה באופן מיקרוביאלי משקעים (MICP) טכנולוגיה מוצגת כדי לשפר את תכונות הקרקע על ידי טבילה.

Abstract

המטרה של מאמר זה היא לפתח שיטת טבילה כדי לשפר את משקעים מיקרו הקלציט המושרה (MICP) התייחס דגימות. כור אצווה הורכב לטבול דגימות הקרקע לתוך מדיה ציפוי בצמנט. התקשורת ציפוי בצמנט יכול לפזר בחופשיות לתוך דגימות הקרקע במחולל אצווה במקום ציפוי בצמנט מדיה להיות מוזרק. תבנית מלאה של מגע גמיש, עובש מגע קשיח מלא, ותבנית לבנה מקורחת שימשו להכנת מחזיקי קרקע שונים. סיבים סינתטיים וסיבים טבעיים נבחרו כדי לחזק את דגימות הקרקע מטופלים MICP. _{באזורים} שונים של הדגימות. שטופלו ב-micp נמדדו תוצאות ההפצה CaCO₃ הראו כי הזירז caco₃ הופץ בצורה אחידה בדגימת הקרקע על ידי שיטת טבילה.

Introduction

כטכנולוגיה לשיפור הקרקע הביולוגית, התוצאה הנגרמת באמצעות קלציט משקעים (MICP) מסוגלת לשפר את תכונות ההנדסה של הקרקע. הוא שימש להגברת החוזק, הנוקשות והחדירות של הקרקע. טכניקת micp צברה תשומת לב רבה לשיפור הקרקע ברחבי העולם^1,2,3,4. משקעים באופן טבעי מתרחשים ויכולים להיגרם על ידי אורגניזמים שאינם פתוגניים הילידים לסביבה הקרקע⁵. התגובה הביוגיאוכימית micp מונעת על ידי קיומו של חיידקים ureolytic, אוריאה ופתרון עשיר בסידן^5,6. Sporosarcina מפוסטר הוא אנזים האוראז פעיל מאוד המזרז את רשת התגובה כלפי משקעים של הקלציט^7,8. תהליך של אוריאה הידרוליזה מייצרת אמוניום מומס (NH^{4 +}) ו קרבונט אורגניים (CO₃^2-). יוני קרבונט מגיבים עם יוני סידן כדי לזרז כגבישי סידן פחמתי. תגובות אוריאה הידרוליזה מוצגות כאן:

הזירז CaCO₃ יכול קשר את חלקיקי החול יחד כדי לשפר את המאפיינים הנדסיים של הקרקע מטופלים micp. טכניקת ה-micp הוחלה ביישומים שונים, כגון שיפור החוזק והנוקשות של הקרקע, תיקון הבטון והשיקום הסביבתי^9,10,11,12, מיכל ^{בן 13 ,} מיכל ^{בן 14 ,} . ^{חמש עשרה}

ז'או ואח '¹⁶ פיתח שיטת טבילה כדי להכין דגימות מטפל micp. עובש גמיש למגע מלא עשוי מאריג שימוש בשיטה זו. את הזירז CaCO₃ מופץ בצורה אחידה לאורך דגימות micp שלהם מטופלים. Bu et al.¹⁷ פיתח עובש נוקשה למגע מלא כדי להכין דגימות קרן מטופלים micp על ידי שיטת טבילה. המדגם מטופל MICP שהוכנו על ידי שיטה זו באמצעות עובש המגע נוקשה מלא יכול ליצור את צורת הקורה המתאימה. המדגם מטופל MICP חולקו לארבעה ו CaCO₃ התוכן נמדדו. התוכן CaCO₃ נע בין 8.4 ± 1.5% ל 9.4 ± 1.2% לפי משקל, אשר ציין כי caco₃ מופץ בצורה אחידה בדגימות micp שטופלו על ידי שיטת טבילה. דגימות מיקרו-מטופלים אלה גם השיגו תכונות מכניות טובות יותר. הביו-דגימות של מיקרו-מטופלים אלה הגיעו לחוזק של 950 kPa, שהיה דומה לזה של 20-25% דגימות מלט שטופלו (600-1300 kPa). לי ואח '¹⁰ נוסף מופץ באופן אקראי סיבים דיסקרטית לתוך הקרקע החולית וטיפל בקרקע על ידי שיטת טבילה micp. הם מצאו כי כוח ההטיה, ductility, ואת המתח הכישלון של הקרקע מטופלים MICP היו משופרים ברור על ידי הוספת סיבים מתאימים.

שיטת הטבילה עבור micp השתפרה ללא הרף^10,16,17. שיטה זו יכולה לשמש כדי להכין דגימות הקרקע מטופלים MICP ו-MICP מטופלים חומרי בנייה טרומיים, כגון לבנים וקורות. מידות גיאומטריה שונות של עובש הכנה לדוגמה פותחו. סיבים נוספו דגימות מטופל MICP כדי לשפר את המאפיינים שלהם. פרוטוקול מפורט זה נועד לתעד את שיטות טבילה עבור טיפול MICP.

Protocol

הערה: כל החומרים הרלוונטיים המשמשים בהליכים הבאים אינם מסוכנים. ציוד הגנה אישי (כוסות בטיחות, כפפות, מעיל מעבדה, מכנסי אורך מלא, נעלי הבוהן סגורות) עדיין נדרשים.

1. הכנת תמיסת בקטריה

1. הכנת בינוני גדילה (NH₄-YE בינוני)
   הערה: מרכיבי מדיית הצמיחה לליטר מים מוהים הם: 20 גר' תמצית שמרים; 10 גר' (NH₄)₂SO₄; ו 0.13 מאגר טריס M (pH 9.0).
   1. מרכיבים אוטוקלב בנפרד.
   2. התמוססות 20 גרם של תמצית שמרים, ו 10 גרם של (NH₄)₂כך₄ ב 1 L של מים מוהים המכילים 0.13 M Tris מאגר.
   3. מערבבים יחד את הרכיבים בעזרת משטירר מגנטיים שלאחר עיקור.
2. הליך ההפצה של Sporosarcina מפוסטר
   הערה: השתמש בצינורות צנטריפוגה 50 mL בניסוי זה.
   1. . להפשיר את החיידקים הקפואים בבקבוקון
   2. . פתח את הבקבוקון
   3. העברת 0.1 mL של חיידקים הבולם שפופרת צנטריפוגה עם 10 מ ל של מדיום גדילה טריים. מערבבים היטב ביד (קצב החיסונים הוא 1:100). חזור על 5 השעיות בקטריאלי עם גידול בינוני. הכינו צינורית שליטה רק עם 10 מדיום גידול טרי בפנים.
      הערה: הכימיות המשמשים בתהליך ההקפאה/ייבוש עלולה לעכב את הצמיחה בצינור הראשי. עפעפיו של הצינורות התהדקו בצורה רופפת כדי לשמור על המצב האירובי.
   4. דגירה כל הצינורות בשייקר ב 200 rpm ב 30 ° צ' עבור 48 כדי 72 שעות. להפסיק את הדגירה אם מדיום הגידול הופך נחל דלוח אחרי 48 h. אחרת, להאריך את הדגירה עד למקסימום של 72 h.
   5. צנטריפוגה את הצינורות עם חיידקים ובינוני גדילה ב 4,000 x g עבור 20 דקות.
   6. הסר את supernatant, להחליף עם 25 מ ל של בינוני גדילה טריים, ולערבב היטב באמצעות מכונת מערבולת.
   7. חזור על שלבים 1.2.3-1.2.6 פעמיים כדי לגרות באופן מלא את הפעילות של חיידקים.
   8. השתמש ההשעיה מן הצינורות בשלב 1.2.7 כדי לחסן צינורות נוספים עם 25 מ ל של בינוני גדילה כדי לשפר את התרבות של חיידקים (שיעור חיסונים הוא 1:100).
   9. דגירה כל הצינורות בשייקר ב 200 rpm ב 30 ° צ' עבור 48 שעות.
   10. צנטריפוגה את הצינורות עם חיידקים ובינוני גדילה ב 4,000 x g עבור 20 דקות.
   11. הסירו את סופרנטאנט, החליפו באמצעי צמיחה טריים, וערבבו היטב בעזרת מכונת מערבולת.
   12. להתאים את הריכוז חיידקים באמצעות גידול טרי בינוני לפני ניסויים MICP. לחשב את הריכוז חיידקים על ידי צפיפות אופטית של ההשעיה ב 600 ננומטר, אשר נמדד באמצעות ספקטרוסקופיה. ה-OD₆₀₀ בניסוי זה היה 0.6.

2. הכנת אמצעי תקשורת ציפוי בצמנט

הערה: התקשורת הציפוי בצמנט משמשת לאספקת כימיקלים להקלציטים במהלך הטיפול MICP. שתנן-Ca^{2 +} היחס הטוחנת הוא 1:1. הרכיבים הכימיים של המדיה הציפוי בצמנט מוצגים בטבלה 1. ההליך הבא הוא עבור 20 L של ציפוי בצמנט מדיה עם 0.5 M Ca.

1. הכינו 20 ליטר מים בקופסת פלסטיק.
2. לפזר 200 g של NH₄Cl, 60 g של ציר מזינים, 42.4 g של נחקו₃, 600 g של אוריאה, ו 1470 g של cacl_{2 ∙}2H₂O ב 20 L של מים מזוקקים. מערבבים היטב באמצעות המוט ערבוב.

3. הכנת תבניות

1. הכנת עובש גמיש למגע מלא (FCFM)
   הערה: עובש גמיש ליצירת קשר מלאה עשוי גיאוטקסטיל. נלוף יש חוזק מתיחה לתפוס של 1,689 n, כוחה של הטרפז מפני כוחו של 667 n, גודל פתיחה לכאורה של 0.15 מ"מ, שיעור זרימת מים של 34 mm/s, עובי של 1.51 מ"מ, ו מסה יחידה של 200 g/m². גודל העובש יכול להיות מגוון כדי להכין מידות מדגם שונות (לדוגמה, בדיקת דחיסה בלתי מוגבלת או מדגם גזירה בדיקה ישירה).
   1. כמו fcfm מורכב מחלק טבעתי, תחתון, וכיסוי, לחתוך את נלוף לחלקים המרכיבים של fcfm.
   2. לתפור את שלושת החלקים של FCFM יחד כמוצג באיור 1.
2. הכנת תבנית נוקשה למגע מלא (RFCM) עבור ביו-לבנים
   הערה: תבנית המגע הנוקשה המלאה כוללת שכבה גמישה ומחזיק נוקשה. השכבה הגמישה מורכבת מאותו גיאוטקסטיל כמו ה-FCFM. המחזיק נוקשה מורכב גיליון פוליפרופילן מחורר עם קוטר 6.35 מ"מ החורים המפוזרים מפוזרים על גיליון פוליפרופילן מחורר ומרחק הסיווג בין חורים סמוכים הוא 9.53 מ"מ. עובש אחד מורכב משלושה תאים והגודל של כל חדר הוא 177.8 מ"מ באורך, 76.2 מ"מ רוחב ו 38.1 מ"מ בגובה. הגודל של RFCM יכול להיות מגוון כדי להכין גודל דגימה שונה. החורים במחזיק נוקשה לאפשר זרימת התקשורת ציפוי בצמנט דרך השכבה גמיש בחופשיות.
   1. הכן את גיליון פוליפרופילן מחורר עבור פיסות המרכיבים של המחזיק נוקשה.
   2. להרכיב את חתיכות של בעל נוקשה באמצעות ברגים ואגוזים פלסטיק.
   3. הכינו את החלקים המרכיבים של השכבה הגמישה של הגיאוטקסטיל. השכבה הגמישה מורכבת מתחתית וכיסוי.
   4. הקף את החלק התחתון של השכבה הגמישה במחזיק נוקשה.
   5. ברגע שחול נוסף לתוך העובש, מניחים את העטיפה של שכבה גמישה ולתקן על ידי תפירה על גבי החלק העליון של דגימת חול כפי שמוצג באיור 2.
3. הכנת עובש לבנים חלול
   הערה: תבנית הלבנה החלולה כוללת בעל נוקשה, שכבה גמישה ושפופרות קרטון. הגודל של שפופרת קרטון הוא 60 mm x 140 mm x 60 mm. שלושה תאים נכללים עובש אחד בגודל של כל חדר עובש הוא 177.8 מ"מ באורך, 76.2 מ"מ רוחב ו 38.1 mm בגובה בהליך זה.
   1. הכן את יריעות פוליפרופילן מחורר עבור פיסות המרכיבים של המחזיק נוקשה.
   2. מקדחה חורים בתחתית פיסת מחזיק נוקשה. גודל החורים הוא 61 מ"מ בקוטר. מיקום החורים בכל חדר מוצג באיור 3א.
   3. להרכיב את פיסות המחזיק נוקשה באמצעות ברגים ואגוזים פלסטיק.
   4. להרכיב את צינורות קרטון בחורים מקדח בתחתית המחזיק נוקשה.
   5. הכינו את החלקים המרכיבים של השכבה הגמישה של הגיאוטקסטיל. השכבה הגמישה מורכבת מתחתית וכיסוי. יש צורך בחורים גם על השכבה הגמישה באותו מיקום של צינורות קרטון.
   6. ברגע שחול נוסף לתוך העובש, מניחים את העטיפה של שכבה גמישה ולתקן על ידי תפירה על גבי מדגם החול כפי שמוצג באיור 3ב.

4. הכנת הכור לאצווה

הערה: הכור המוצג באיור 4 מורכב מקופסת פלסטיק, מדיה ציפוי בצמנט, מדף נתמך לדוגמה ומשאבות אוויר. דגימות הקרקע יכול לטבול באופן מלא לתוך התקשורת ציפוי בצמנט בעוד התקשורת הציפוי בצמנט יכול בחופשיות לפזר לתוך דגימות הקרקע על ידי שיטה זו. משאבת האוויר בכור מספקת חמצן לחיידקים. כדי לקבוע את ההשפעות של אספקת חמצן שונים על הטיפול micp מזרז על ידי Sporosarcina מפוסטר, לי ואח '. 2017¹⁸ ניצח בדיקות בניגוד בשלושה תנאים שונים: מצב גז, מצב מוגבל האוויר, ומ מצב באוויר הפתוח. הם מצאו כי מצב החמצן הוא חיוני כדי לשפר את תהליכי MICP לזרז על ידי חיידקים אירוביים.

1. חבר את משאבת האוויר עם אספקת האוויר באמצעות צינור פלסטיק.
2. הניחו את משאבת האוויר בקופסת הפלסטיק.
3. יוצקים ציפוי בצמנט מדיה לתוך תיבת פלסטיק.

5. הכנת דגימות קרקע

1. הכנת דגימת אדמה שטופלה על-ידי MICP
   הערה: אוטווה חול (99.7% קוורץ) משמש בניסויים. החול הוא אחיד עם גודל החלקיק החציוני של 0.46 מ"מ ולא קנסות כלולים. זה מסווג כמו חול מדורגים גרוע מבוסס על מערכת מסווגת קרקע מאוחדת (USCS).
   1. הוסף חול יבש לתוך תבניות על ידי שיטת האוורור האוויר (FCFM, RFCM, עובש לבנים חלול) כדי להגיע למצב צפוף החציוני (D_r בטווח של כ 42-55%, ודחיסות יבשה של חול בטווח של 1.58 – 1.64 g/cm³).
      הערה: משקל החול משתנה בהתאם לסוגים שונים של תבניות: 145 ± 5 גרם חול למדגם UCS בדיקה, שהוא 38.6 mm קוטר 76.2 מ"מ בגובה.
   2. מניחים את המכסה על החלק העליון של דגימות ולתקן אותו על ידי תפירה.
   3. יוצקים את הפתרון חיידקים עם ערך צפיפות אופטי קבוע באמצעות כיסוי מחלחל הגיאוגרפיה לתוך הדגימות וודא כי הם רוויים.
      הערה: כמות החיידקים פתרון מגוונת לפי דגימות שונות: 50 mL של הפתרון חיידקים למדגם UCS בדיקה, שהוא 38.6 mm קוטר 76.2 מ"מ בגובה.
   4. מניחים דגימות על המדף הנתמך לדוגמה כמוצג באיור 5א.
   5. לטבול את המדף כולו לתוך הכור אצווה מלא במדיה ציפוי בצמנט.
   6. הפעל את אספקת האוויר ולהתאים את פלט האוויר כדי לשמור על 100% האוויר רוויה. המתן 7 ימים של תגובת MICP.
   7. להוציא את הדגימות מתוך הכור כפי שמוצג באיור 5ב.
   8. הסר את הדגימות על ידי חיתוך עובש גמיש למגע מלא או demolding המחזיק נוקשה ולאחר מכן חיתוך שכבה גמישה.
   9. לשטוף את הדגימות עם מים כדי להסיר את התמיסה שיורית בחלל הנקבוביות.
   10. מניחים את הדגימות בתנור של 105 ° c עבור 48 h עד שמשניהם יישארו קבועים. ניתן לבדוק את הדגימות או לטפל בהן בנוסף לאחר ייבוש התנור.
2. הכנת סיבים מחוזקים מחוזק לדגימת אדמה
   הערה: סיבים סינתטיים (ראה טבלת חומרים) וסיבי דקל טבעי כפי שמוצג באיור 6 משמשים בהליכים אלה.
   1. עבור סיבים סינתטיים, לערבב את התוכן המוצע של סיבים ו 900 גרם של חול יבש במרווחים קטנים על ידי יד כדי לקבל תערובת אחידה. תכולת הסיבים בניסוי זה תוקנה כ-0.3% על-ידי משקל החול היבש.
   2. עבור סיבי דקל טבעי, הפץ 760 גרם של חול לארבעה חלקים שווים. הוסיפו את ארבעת החלקים האלה של חול ושלוש שכבות של סיבים ב-RFCM במרווחי זמן.
   3. חזור על אותו ההליך כמו שלבים 5.1.2-5.1.10 כדי לקבל את הדוגמה שטופלה ב-MICP.
3. הכנת הלבנים שטופלו בבטון עם טיפול ביו-משטח
   הערה: צמנט פורטלנד (סוג I/II) עם כבידה ספציפית של 3.15 משמש כסוכן המלט עבור דגימות בטון שטופלו בניסוי זה. הרווח הכוח המוקדם של מלט זה איפשר את זמני הריפוי השונים נע בין 7 עד 21 ימים. החלק של המלט הוסיף בהליך זה הוא 10% על ידי משקל של חול יבש.
   1. מערבבים 900 גרם של חול, 90 g של מלט, ו 200 mL של מים כדי להשיג תערובת אחידה.
   2. הוסיפו את התערובת לעובש הנוקשה. גודל של עובש נוקשה הוא 177.8 מ"מ באורך, 76.2 מ"מ רוחב ו 38.1 mm בגובה.
   3. מרפא למשך 7 ימים בלחות מתמדת של 100% וטמפרטורה קבועה של 25 ° c.
   4. מניחים דגימות בתנור של 105 ° c במשך 48 שעות עד שמשניהם יישארו קבועים.
   5. חזור על אותו ההליך כמו שלבים 5.1.3-5.1.8.
   6. מניחים דגימות בתנור של 105 ° c במשך 48 שעות עד שמשניהם יישארו קבועים. ניתן לבדוק את הדגימות או לטפל בהן בנוסף לאחר ייבוש התנור.

תוצאות

איור 7 מראה את הפצת הזירז caco₃ בכל המדגם מטפל micp. הדגימה שטופלה על-ידי MICP חולקה לשלושה תחומים שונים. התוכן CaCO₃ בכל אזור נבדק על ידי שיטת כביסה חומצה. כדי לפזר את הזירז קרבונטים, מטופלים יבשים דגימות שנשטפו בתמיסה HCl (0.1 M), ולאחר מכן שטף, רוקן, ותנור מיובש עבור 48 שעות. ער...

Discussion

טכניקת ה-MICP באמצעות טבילה הוצגה בעיתון זה. דגימות הקרקע שקועים לתוך הכור אצווה לקבל חדרו לחלוטין על ידי מדיה ציפוי בצמנט בתהליך MICP. בשיטה זו, תבנית מלאה גמיש ליצירת קשר, תבנית מלאה נוקשה של מגע, ותבנית לבנים מקורחת הוחלו על מנת להכין דגימות שטופלו על-ידי MICP.

תבניות שונות יכולו...

Materials

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)