Microbiologically induced calcite precipitation as a method for ground improvement in granular and cohesive soils

Abstract

Indusert mikrobiologisk utfelling av kalsiumkarbonat (MICP) har potensiale til å bli en alternativ og mer bære-kraftig metode for grunnforsterkning som kan redusere bruken av sementbaserte bindemidler, er mindre for-styrrende for grunnen og har et lettere avtrykk på terrenget. MICP anvender bio-mineralisering gjennom hydro-lyse av urea som leder til utfelling av kalsiumkarbonat (CaCO3), som oftest i form av kalkstein som binder jordpartiklene sammen og øker skjærfastheten og stivheten eller reduserer porøsiteten og permeabiliteten, i den behandlede jorden. Majoriteten av forskningen på MICP er utført med hensyn på friksjonsjordarter, og et mindretall på kohesjonsjordarter. Arbeidet med denne studien har blitt utført som et omfattende litteraturstudie av tilgjengelig forskning relatert til MICP, med det forskningsmål å evaluere egnetheten til MICP med S. pas-teurii som metode for grunnforsterkning, inkludert anvendelse av metoden under grunnforhold i kaldt klima. Evalueringen er utført på basis av objektivene i denne studien, som er å undersøke S. pasteurii sin egnethet som utøvende bakterie i MICP, de påvirkende og drivende faktorene i MICP prosessen, oppnådd skjærfasthet i MICP-behandlede friksjons- og kohesjonsjordarter samt reduksjon av permeabilitet i MICP-behandlede frik-sjonsjordarter.

Resultatene i denne studien viser at hydrolyse av urea med S. pasteurii og påføl gende utfelling av CaCO3 kan skje ved 4-50ᵒC under forhold med tilgjengelig oksy gen i både friksjons- og kohesjonsjordarter. For MICP-behandlet sand og kohesjonsjord så øker skjærfastheten betraktelig med økende konsentrasjon av (CCC), hvor økningen er eksponentiell for sand. Graden av reduksjon i permeabilitet for MICP-behandlet sand øker med økende CCC, kornstørrelse og porøsitet, mens det observeres økende sprøhet ved lav tøyning og økende dilatans med økende CCC. For MICP-behandlet leire så observeres økende kontrak tant oppførsel og skjærfasthet ved økende CCC, mens MICP-behandlet siltig leire viser økende sprøhet med økende CCC. Funnene i denne studien tilsier at imple mentering av MICP in situ står ovenfor noen utfordringer. For friksj-onsjordarter så indikerer forskningen mulige løsninger og gjennomførbarhet for uniform distribusjon av CaCO3, fjerning av NH4+ etter behandling og kontroll av utfellingsraten som er styrende for mønsteret på se-menteringen i.e restpermeabiliteten. Det bør noteres at det er funnet indikasjoner på at mønsteret på semen-teringen kan påvirkes av graden av vannmetning, uavhengig av faktorene som kontrollerer utfellingsraten. Det er ikke funnet noen indikasjoner i forskningen på gjennomførbarhet for hydrolyse av urea eller cellevekst under forhold med begrenset tilgang til oksygen, fjerning av NH4+ i kohesjonsjordarter, injeksjon og distribu-sjon av bakterie- og sementeringsløsning i kohesjonsjordarter eller distribusjon av CaCO3 på tvers av lag med lav permeabilitet i lagdelte masser med varierende permeabilitet.

Konklusjonene er at MICP med S. pasteurii er evaluert til å være egnet i friksjonsjordarter som ikke er gjen-stand for sykliske fryse og tine (FT) prosesser under forhold med tilgang til oksygen. Det er behov for videre undersøkelser rundt effekten av syklisk FT over tid på CaCO3 for evaluering av egnetheten til MICP i kaldt klima. På nåværende tidspunkt i utviklingen, så er MICP evaluert til å være uegnet i fin silt og leire grunnet mangel på tilnærminger som kan realisere distribusjon av flytende løsninger ved injeksjoner under lavt trykk i jord med lav permeabilitet samt fjerning av NH4 + etter behandling i jord med lav permeabilitet. Denne stud-ien foreslår en evaluering av to tilnærminger som muligens kan løse utfordringer ved uniform distribusjon av CaCO3 i friksjonsjord samt injeksjon og distribusjon i kohesjonsjord.

Microbiologically induced carbonate precipitation (MICP) have the potential to be an alternative and more sustainable method for ground improvement, which can reduce the use of cement products, is less intrusive to the soil and have a lighter footprint on the terrain. MICP uses bio-mineralization induced by ureolytic bacteria through ureolysis which leads to precipitation of calcium carbonate (CaCO3) usually in the form of calcite. This mineral act as a binder that cement the particle contacts and increase the shear strength and stiffness of the soil or reduce the porosity and permeability of the soil. The major part of the studies on MICP have been con-ducted on granular soils, while a smaller number on cohesive soils. The work of this thesis have been conduc-ted as an extensive litterature review on MICP, where the research aim is to evaluate the viability of MICP with S. pasteurii as a method for ground improvements including its viability in cold climate ground conditions. The evaluation is conducted on the basis of the research objectives, which are to research S. pasteuriis suitability for MICP in soils, the factors affecting the MICP process, the acheived enhancement of shear strength in MICP-treated granular and cohesive soils, the resulting residual permeability in MICP-treated granular soil and the challenges facing the in situ implementation of MICP.

The findings show that ureolysis by S. pasteurii and consequent precipitation is viable in both granular and cohesive soils under oxic conditions and at temperatures in the range 4-50oC. For MICP-treated granular and cohesive soils, the shear strength is significantly increased with increasing calcium carbonate concentration (CCC), where the relation is exponential in MICP-treated sands. The degree of reduction in permeability of MICP-treated sands increases with increasing CCC, particle size and porosity, while dilatancy and brittleness at low strain increases with increasing CCC. Strain-hardening behaviour in MICP-treated clay increases with increasing CCC, while brittleness increases with increasing CCC in silty clay. The research show that the implementation of MICP in situ faces some challenges, where potential solutions are indicated for uniform spatial distribution of CaCO3 binder, removal of NH4+ in granular soils and controllability of the precipitation rate, which govern the cementation pattern and hence the residual permeability post-treatment in granular soils. The cementation pattern is however indicated to be affected by degree of saturation, independent of the precipitation rate. The research do not provide indications on viability for precipitation or cell growth under anoxic conditions, removal of NH4+ through rinsing or low pressure injections incohesive soils or distribution of CaCO3 binder across low permeability layers in stratified deposits with varying permeability. Further studies on the long-term durability of CaCO3 binder under cyclic FT is needed for a proper evaluation of the viability of MICP in cold climate ground conditions.

This thesis conclude that MICP is evaluated to be viable using S. pasteurii in regions without cyclic FT under oxic conditions in granular soils. Ureolytic activity and consequent precipitation under oxic conditions is found to be viable in cohesive soils, while MICP at the current stage of development, is evaluated to not be viable in cohesive soils such as fine silt and clay. This is due to the lack of strategies that can enable distribution of fluids through low pressure injections in low permeability soils nor rinsing of NH4 + through injection and ex-traction of rinse solution in low permeability soils. This thesis suggests an evaluation of two proposed approa-ches to adress uniform distribution of binder in MICP-treated granular soil and injection and distribution of bin-der in cohesive soils.