Miglioramento del suolo sabbioso attraverso la precipitazione calcittica indotta microbica (MICP) per immersione

Riepilogo

Qui, la tecnologia di precipitazione di calcite microbicamente indotta (MICP) viene presentata per migliorare le proprietà del suolo per immersione.

Abstract

L'obiettivo di questo articolo è quello di sviluppare un metodo di immersione per migliorare i campioni trattati con precipitazioni di calcite microbicamente indotte (MICP). È stato assemblato un reattore a lotti per immergere i campioni di suolo in supporti di cementazione. I mezzi di cementazione possono diffondersi liberamente nei campioni del suolo nel reattore a lotti invece di iniettare i supporti di cementazione. Uno stampo flessibile a contatto completo, uno stampo rigido a contatto completo e uno stampo in mattoni a corone sono stati utilizzati per preparare diversi portacampioni del suolo. Sono state selezionate fibre sintetiche e fibre naturali per rinforzare i campioni di suolo trattati con MICP. È stato misurato il CaCO₃ precipitato in diverse aree dei campioni trattati con MICP. I risultati della distribuzione di CaCO₃ hanno dimostrato che il CaCO₃ precipitato è stato distribuito uniformemente nel campione del suolo con il metodo di immersione.

Introduzione

Come tecnologia biologica di miglioramento del suolo, la precipitazione di calcite microbicamente indotta (MICP) è in grado di migliorare le proprietà ingegneristiche del suolo. È stato utilizzato per migliorare la forza, rigidità, e permeabilità del suolo. La tecnica MICP ha guadagnato molta attenzione per il miglioramento del suolo in tutto il mondo^1,2,3,4. Le precipitazioni carboniate avvengono naturalmente e possono essere indotte da organismi non patogeni nativi dell'ambiente del suolo⁵. La reazione biogeochimica MICP è guidata dall'esistenza di batteri ureolitici, urea e una soluzione ricca di calcio^5,6. Sporosarcina pasteurii è un enzima uretra altamente attivo che catalizza la rete di reazione verso la precipitazione di calcite^7,8. Il processo di idrolisi dell'urea produce ammonio disciolto (NH⁴⁾e carbonato inorganico (CO₃^2-). Gli ioni carbonati reagiscono con gli ioni di calcio per precipitare come cristalli di carbonato di calcio. Le reazioni di idrolisi dell'urea sono mostrate qui:

Il CaCO₃ precipitato può legare le particelle di sabbia insieme per migliorare le proprietà ingegneristiche del suolo trattato con MICP. La tecnica MICP è stata applicata in varie applicazioni, come il miglioramento della resistenza e della rigidità del suolo, la riparazione del calcestruzzo e la bonifica ambientale^{9,10,11,12, 13} del sistema ^{, 14} Del sistema ^{, 15}.

Il sistema di installazione ha^sviluppato un metodo di immersione per preparare campioni trattati con MICP. In questo metodo è stato utilizzato uno stampo flessibile a contatto completo in geotessile. Il CaCO₃ precipitato distribuito uniformemente in tutti i campioni trattati con MICP. 17 ha sviluppato uno stampo rigido a contatto completo per preparare campioni di fascio trattati con MICP con un metodo di immersione. Il campione trattato con MICP preparato con questo metodo utilizzando uno stampo rigido a contatto completo può formare la forma appropriata del fascio. Il campione trattato con MICP è stato diviso in quattro e il contenuto di CaCO₃ è stato misurato. Il contenuto di CaCO₃ variava da 8,4 x 1,5% a 9,4 x 1,2% in peso, il che indicava che la CaCO₃ si distribuiva uniformemente nei campioni trattati con MICP con il metodo di immersione. Questi campioni trattati con MICP hanno anche ottenuto migliori proprietà meccaniche. Questi biocampioni trattati con MICP hanno raggiunto una resistenza alla flessione di 950 kPa, simile a quella di 20- 25% di campioni trattati con cemento (600- 1300 kPa). Li et al.¹⁰ aggiunto casualmente distribuito fibra discreta nel terreno sabbioso e trattato il terreno con il metodo di immersione MICP. Hanno scoperto che la forza di taglio, la duttilità e il ceppo di guasto del suolo trattato con MICP sono stati migliorati ovviamente con l'aggiunta di fibra appropriata.

Il metodo di immersione per MICP è stato continuamente migliorato^10,16,17. Questo metodo può essere utilizzato per preparare campioni di suolo trattati con MICP e materiali da costruzione prefabbricati trattati con MICP, come mattoni e travi. Sono state sviluppate diverse dimensioni geometriche dello stampo di preparazione del campione. Le fibre sono state aggiunte nei campioni trattati con MICP per migliorare le loro proprietà. Questo protocollo dettagliato era destinato a documentare i metodi di immersione per il trattamento MICP.

Protocollo

NOTA: Tutto il materiale pertinente utilizzato nelle seguenti procedure non è pericoloso. Sono ancora necessari dispositivi di protezione personale (occhiali di sicurezza, guanti, camice da laboratorio, pantaloni a figura intera, scarpe chiuse).

1. Preparazione della soluzione batterica

1. Preparazione del mezzo di crescita (NH₄-YE medio)
   NOTA: I componenti dei mezzi di crescita per litro di acqua deionizzata sono: 20 g di estratto di lievito; 10 g di (NH₄)₂SO₄; e 0,13 M Buffer Tris (pH 9.0).
   1. Ingredienti autoclavi separatamente.
   2. Sciogliere 20 g di estratto di lievito e 10 g di (NH₄)₂SO₄ in 1 L di acqua deionizzata contenente 0,13 M Tris tampone.
   3. Mescolare i componenti utilizzando agitatore magnetico post-sterilizzazione.
2. Procedura di propagazione di Sporosarcina pasteurii
   NOTA: utilizzare tubi di centrifuga di 50 mL in questo esperimento.
   1. Scongelare i batteri congelati in una fiala.
   2. Aprire la fiala.
   3. Trasferire 0,1 mL di sospensione batterica in un tubo di centrifuga con 10 mL di mezzo di crescita fresco. Mescolare bene a mano (il tasso di inoculazione è 1:100). Ripetere altre 5 sospensioni batteriche con mezzo di crescita. Preparare un tubo di controllo solo con 10 di mezzo di crescita fresco all'interno.
      NOTA: Il crioprotettore utilizzato nella procedura di congelamento/essiccazione può inibire la crescita nel tubo primario. I coperchi dei tubi sono stati serrati liberamente al fine di mantenere la condizione aerobica.
   4. Incubare tutti i tubi in uno shaker a 200 giri/min a 30 gradi centigradi per 48-72 ore. Fermare l'incubazione se il mezzo di crescita diventa torbido dopo 48 h. Altrimenti, estendere l'incubazione fino a un massimo di 72 h.
   5. Centrifugare i tubi con batteri e mezzo di crescita a 4.000 x g per 20 min.
   6. Rimuovere il supernatante, sostituire con 25 mL di mezzo di crescita fresco, e mescolare bene utilizzando una macchina vortice.
   7. Ripetere i passaggi 1.2.3-1.2.6 due volte per stimolare completamente l'attività dei batteri.
   8. Utilizzare la sospensione dai tubi nel passaggio 1.2.7 per inoculare più tubi con 25 mL di mezzo di crescita per migliorare la coltura dei batteri (tasso di inoculazione è 1:100).
   9. Incubare tutti i tubi in uno shaker a 200 giri/min a 30 gradi centigradi per 48 ore.
   10. Centrifugare i tubi con batteri e mezzo di crescita a 4.000 x g per 20 min.
   11. Rimuovere il supernatante, sostituire con un mezzo di crescita fresco e mescolare bene con una macchina a vortice.
   12. Regolare la concentrazione batterica utilizzando un mezzo di crescita fresco prima degli esperimenti MICP. Calcolare la concentrazione di batteri per densità ottica della sospensione a 600 nm, che è stato misurato utilizzando uno spettrofotometro. L'OD₆₀₀ in questo esperimento era 0.6.

2. Preparazione dei mezzi di cementazione

NOTA: I supporti di cementazione vengono utilizzati per fornire sostanze chimiche per indurre la precipitazione di calcite durante il trattamento MICP. Il rapporto urea-Ca^{2 molare} è 1:1. I componenti chimici dei supporti di cementazione sono riportati nella Tabella 1. La seguente procedura è per 20 L di supporti di cementazione con 0,5 M Ca.

1. Preparare 20 L di acqua in una scatola di plastica.
2. Sciogliere 200 g di NH₄Cl, 60 g di brodo nutritivo, 42,4 g di NaHCO₃, 600 g di urea e 1470 g di CaCl_{2x2H O}nei 20 L di acqua distillata. Mescolare bene con asta di agitazione.

3. Preparazione degli stampi

1. Preparazione dello stampo flessibile a contatto completo (FCFM)
   NOTA: La muffa flessibile a contatto completo è fatta di geotessile. Il geotessile ha una resistenza di tenuta di presa di 1.689 N, una forza di lacrima trapezoidale di 667 N, una dimensione di apertura apparente di 0,15 mm, una portata d'acqua di 34 mm / s, uno spessore di 1,51 mm, e una massa unitaria di 200 g/m². La dimensione dello stampo può essere variata per preparare diverse dimensioni del campione (ad esempio, un campione di prova di compressione non confinato o un campione di prova di taglio diretto).
   1. Poiché l'FCFM è costituito da una parte anulare, un fondo e una copertura, tagliare il geotessile in parti costitutive di FCFM.
   2. Cucire insieme le tre parti di FCFM, come illustrato nella Figura 1.
2. Preparazione di stampi a contatto completo rigidi (RFCM) per bio-mattoni
   NOTA: Lo stampo rigido a contatto completo è costituito da uno strato flessibile e da un supporto rigido. Lo strato flessibile è fatto dello stesso geotessile del FCFM. Il supporto rigido è costituito da un foglio perforato in polipropilene con fori sfalsati di 6,35 mm di diametro distribuiti sul foglio forgiato in polipropilene e la distanza di distanza tra fori adiacenti è di 9,53 mm. Uno stampo è costituito da tre camere e la dimensione di ogni camera è 177,8 mm di lunghezza, 76,2 mm di larghezza e 38,1 mm di altezza. La dimensione del modello RFCM può essere variata per preparare diverse dimensioni del campione. I fori nel supporto rigido consentono il flusso del supporto di cementazione attraverso lo strato flessibile liberamente.
   1. Preparare il foglio perforato in polipropilene per i pezzi costitutivi del supporto rigido.
   2. Assemblare i pezzi di supporto rigido con viti di plastica e dadi.
   3. Preparare le parti costitutive dello strato geotessile flessibile. Lo strato flessibile è costituito da un fondo e una copertura.
   4. Racchiudere la parte inferiore dello strato flessibile nel supporto rigido.
   5. Una volta che la sabbia viene aggiunta nello stampo, posizionare il coperchio dello strato flessibile e fissare cucendo sulla parte superiore del campione di sabbia, come mostrato nella Figura 2.
3. Preparazione di stampo in mattoni cavi
   NOTA: Lo stampo in mattoni cavi include un supporto rigido, uno strato flessibile e tubi di cartone. La dimensione del tubo di cartone è 60 mm x 140 mm x 60 mm. Tre camere sono incluse in uno stampo e la dimensione di ogni camera di stampo è 177,8 mm di lunghezza, 76,2 mm di larghezza e 38,1 mm di altezza in questa procedura.
   1. Preparare il foglio perforato in polipropilene per i pezzi costitutivi del supporto rigido.
   2. Forare fori sul fondo del pezzo di supporto rigido. La dimensione dei fori è di 61 mm di diametro. La posizione dei fori in ogni camera è mostrata nella Figura 3a.
   3. Assemblare i pezzi del supporto rigido con viti e dadi di plastica.
   4. Assemblare i tubi di cartone nei fori sul fondo del supporto rigido.
   5. Preparare le parti costitutive dello strato geotessile flessibile. Lo strato flessibile è costituito da un fondo e una copertura. Sono necessari anche fori sullo strato flessibile nella stessa posizione dei tubi di cartone.
   6. Una volta che la sabbia viene aggiunta nello stampo, posizionare il coperchio dello strato flessibile e fissare cucendo sulla parte superiore del campione di sabbia come mostrato nella Figura 3b.

4. Preparazione del reattore a lotti

NOTA: Il reattore illustrato nella Figura 4 è costituito da una scatola di plastica, supporti di cementazione, un scaffale di supporto campione e pompe ad aria. I campioni di terreno possono immergersi completamente nel supporto di cementazione, mentre i supporti di cementazione possono diffondersi liberamente nei campioni del suolo con questo metodo. La pompa dell'aria nel reattore fornisce ossigeno per i batteri. Per determinare gli effetti di diversi effetti di approvvigionamento di ossigeno sul trattamento MICP catalizzato da Sporosarcina pasteurii, Li et al. 2017¹⁸ hanno condotto test di contrasto in tre condizioni diverse: una condizione aerata, una condizione di all'aperto. Hanno scoperto che una condizione ben ossigenata è essenziale per migliorare i processi MICP catalizzati dai batteri aerobici.

1. Collegare la pompa dell'aria con l'alimentazione dell'aria utilizzando un tubo di plastica.
2. Posizionare la pompa dell'aria nella scatola di plastica.
3. Versare i mezzi di cementazione nella scatola di plastica.

5. Preparazione di campioni di suolo

1. Preparazione del campione di terreno trattato con MICP
   NOTA: la sabbia di Ottawa (99,7% di quarzo) viene utilizzata negli esperimenti. La sabbia è uniforme con una dimensione mediana delle particelle di 0,46 mm e non sono incluse multe. È classificato come sabbia scarsamente graduata sulla base del sistema classificato del suolo unificato (USCS).
   1. Aggiungere sabbia secca negli stampi con il metodo di pluviazione dell'aria (FCFM, RFCM, stampo in mattoni cavi) per raggiungere una condizione densa mediana (D_r nell'intervallo di circa 42-55%, e densità secca di sabbia nell'intervallo di 1,58–1,64^g/3cm ).
      NOTA: Il peso della sabbia varia a seconda dei diversi tipi di stampi: sabbia di 145 x 5 g per il campione di prova UCS, che ha un diametro di 38,6 mm e un'altezza di 76,2 mm.
   2. Posizionare il coperchio sulla parte superiore dei campioni e fissarlo cucendo.
   3. Versare la soluzione batterica con un valore di densità ottica fissa attraverso la copertura geotessile permeabile nei campioni e assicurarsi che siano saturi.
      NOTA: La soluzione della quantità di batteri variava in base a diversi campioni: soluzione di 50 mL di batteri per un campione di prova UCS, che ha un diametro di 38,6 mm e 76,2 mm di altezza.
   4. Inserire i campioni sullo scaffale supportato di esempio, come illustrato nella Figura 5a.
   5. Immergere l'intero scaffale nel reattore a lotti pieno di supporti di cementazione.
   6. Accendere l'alimentazione dell'aria e regolare l'uscita dell'aria per mantenere la saturazione dell'aria al 100%. Attendere 7 giorni di reazione MICP.
   7. Estrarre i campioni dal reattore come illustrato nella Figura 5b.
   8. Rimuovere i campioni tagliando lo stampo flessibile a contatto completo o smascherando il supporto rigido e quindi tagliando lo strato flessibile.
   9. Lavare i campioni con acqua per rimuovere la soluzione residua nello spazio dei pori.
   10. Mettete i campioni nel forno a 105 gradi centigradi per 48 ore fino a quando i loro pesi rimangono costanti. I campioni possono essere testati o trattati anche dopo l'essiccazione del forno.
2. Preparazione del campione di terreno trattato con MICP rinforzato in fibra
   NOTA: in queste procedure vengono utilizzate le fibre sintetiche (vedere Tabella dei materiali) e la fibra di palma naturale, come illustrato nella Figura 6.
   1. Per la fibra sintetica, mescolare il contenuto proposto di fibre e 900 g di sabbia secca in piccoli incrementi a mano per ottenere una miscela uniforme. Il contenuto di fibre in questo esperimento è fissato come 0.3% in peso della sabbia secca.
   2. Per la fibra di palma naturale, distribuire 760 g di sabbia in quattro parti uguali. Aggiungere queste quattro parti di sabbia e tre strati di fibra in RFCM a intervalli.
   3. Ripetere la stessa procedura dei passaggi 5.1.2-5.1.10 per ottenere il campione trattato con MICP.
3. Preparazione di mattoni trattati in cemento con trattamento bio-superficie
   NOTA: il cemento di Portland (TIPO I/II) con gravità specifica di 3.15 viene utilizzato come agente di cementazione per i campioni trattati con cemento in questo esperimento. Il guadagno precoce di questo cemento ha permesso ai vari tempi di stagionatura variando da 7 a 21 giorni. La percentuale di cemento aggiunto in questa procedura è del 10% in peso di sabbia secca.
   1. Mescolare 900 g di sabbia, 90 g di cemento e 200 mL di acqua per ottenere una miscela uniforme.
   2. Aggiungere il composto allo stampo rigido. La dimensione dello stampo rigido è 177,8 mm di lunghezza, 76,2 mm di larghezza e 38,1 mm di altezza.
   3. Curare per 7 giorni con un'umidità costante del 100% e una temperatura costante di 25 gradi centigradi.
   4. Mettere i campioni nel forno a 105 gradi centigradi per 48 ore fino a quando i loro pesi rimangono costanti.
   5. Ripetere la stessa procedura dei passaggi 5.1.3-5.1.8.
   6. Mettere i campioni nel forno a 105 gradi centigradi per 48 ore fino a quando i loro pesi rimangono costanti. I campioni possono essere testati o trattati anche dopo l'essiccazione del forno.

Risultati

La figura 7 mostra la distribuzione del CaCO₃ precipitato in tutto il campione trattato con MICP. Il campione trattato con MICP è stato suddiviso in tre aree diverse. Il contenuto di CaCO₃ in ogni area è stato testato dal metodo di lavaggio acido. Per sciogliere i carbonati precipitati, i campioni secchi trattati con MICP sono stati lavati in una soluzione HCl (0,1 M), quindi sciacquati, drenati e essiccati a forno per 48 ore. Il valore di differenza tra le masse di c...

Discussione

La tecnica MICP per immersione è stata presentata in questo documento. I campioni di suolo sono stati immersi nel reattore a lotti per essere completamente penetrati dai supporti di cementazione nel processo MICP. In questo metodo, sono stati applicati uno stampo flessibile a contatto completo a contatto completo, uno stampo rigido a contatto completo e uno stampo in mattoni cored per preparare campioni trattati con MICP.

Diversi stampi possono essere progettati per diversi requisiti di geome...

Materiali

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)