24041

سنجش خصوصيات ژئوتكنيكي مصالح سيماني‌شده با استفاده از رسوب ميكروبي القايي كربنات‌كلسيم

دكتري

عمران

1393

1399/12/03

دكتر صابرماهاني

عمران

ستون سنگي به‌عنوان يكي از روش‌هاي مرسوم و ارزان در بهسازي خاك به‌شمار مي‌آيد. در اين روش، مصالح سنگي با استفاده از تكنيك‌هايي در ميان پروفيل خاك متراكم شده و به‌صورت ستوني در درون خاك شكل مي‌گيرد كه در نتيجه، باعث افزايش ظرفيت باربري و كاهش نشست مي‌گردد. براي اجراي اين ستون‌ها، معمولاً از مصالح سنگي طبيعي استفاده مي‌شود. همچنين در ساختگاههايي كه فشار محصوركننده خاك كافي نمي‌باشد، ستونسنگي سيمانيشده (صلب) به‌كار گرفته ميشود. عامل سيمانيكننده مورد استفاده در ستونسنگي سيمانيشده، معمولاً سيمان پرتلند و يا آهك است. اين تحقيق امكانسنجي استفاده از رسوب القايي ميكروبي كربناتكلسيم (به‌عنوان عامل سيماني‌كننده) براي ساخت ستونسنگي سيماني با استفاده از سنگدانههاي بتن بازيافتي است؛ اما به‌علت ماهيت بين رشتهاي، اين موضوع در چهار گام تحقيقاتي مورد بررسي قرار گرفته است. اولين گام، تعيين نوع ميكروارگانيزم مورد استفاده و كارايي آن مي‌باشد. به اين دليل كه پروژههاي بهسازي خاك در مكان‌هاي جغرافيايي گوناگوني و نيز با شرايط زيستمحيطي متفاوتي انجام مي‌پذيرد و امكان دارد كه استفاده از يك ميكروارگانيزم غيربومي، باعث تغيير در فلور طبيعي خاك شود. لذا در اولين گام، امكان استفاده از يك ميكروارگانيزم بومي در سيماني‌سازي ماسه ريز و مدت زماني كه مي‌تواند پس از سيماني‌سازي زنده بماند، مورد تحقيق قرار گرفته است؛ يعني بقا و مقاومت مكانيكي ايجادشده در خاك توسط ميكروارگانيزم بومي و ميكروارگانيزم معمول موجود در تحقيقات ساير محققين ارزيابي شده است. نتايج نشان مي‌دهد كه ميكروارگانيزم بومي، قابليت خوبي در بهسازي خاك (ايجاد مقاومتي تا حدود 5/2 مگاپاسكال در خاك ماسهاي ريزدانه) و نيز بقاي كمتري پس از سيماني‌سازي دارد (ميكروارگانيزم بومي بر اساس آزمون بقا طراحي شده 7 روز زنده ماند). دومين گام، بررسي خصوصيات مكانيكي و دوام سنگدانههاي طبيعي و بتن بازيافتي سيماني‌شده با رسوب القاي ميكروبي بود. در اين راستا، مقاومت فشاري تك‌محوري، پايداري دمايي، جذب آب، سيكل ذوب و يخ‌زدگي مصالح سيماني‌شده كه به شكل مكعبهايي به ابعاد 10×10×10 سانتي‌متر ساخته شده بودند، سنجش گرديد. نتايج مقاومت فشاري اين مصالح (سنگدانههاي بتن بازيافتي سيماني‌شده با رسوب القايي ميكروبي) نشان مي‌داد كه مصالح ساخته شده، قابل مقايسه با برخي مصالح موجود در صنعت ساختمان است و مقاومت فشاري تك‌محوري بيشينه آنها به 33/9 مگاپاسكال رسيد. مدول الاستيسيته (E) ستونسنگي از جمله پارامترهاي مهم طراحي (محاسبات نشست) مي‌باشد و ستونسنگي سيماني (صلب) به‌طور معمول با سيمان پرتلند ساخته مي‌شود و از آنجا كه به‌دليل حفظ نفوذپذيري اين ستون‌ها، اخيراً از بتن تراوا به جاي ستونسنگي استفاده مي‌گردد، در سومين گام، تخلخل كل و مؤثر، مقاومت فشاري تك‌محوري و مدول الاستيسيته مصالح سيمانيشده متخلخل (با ساخت بتن تراوا در سه سطح تخلخل 42، 40 و 45 درصد) توسط سيمان پرتلند و رسوب القايي ميكروبي كربناتكلسيم ارزيابي گرديد. نتايج مقاومت فشاري نشان مي‌داد كه در اندازه ذرات بين 75/4 و 7/2 ميليمتر، براي دستيابي به بتن متخلخلي با تخلخل 42% و مقاومت فشاري تقريباً 3/2 مگاپاسكال، به 113 كيلوگرم رسوب ميكروبي و يا 250 كيلوگرم سيمان پرتلند در مترمكعب نياز است. با بررسي مدول الاستيسيته (E) مصالح سيماني‌شده، نتايج نشان مي‌داد كه مصالح سيماني‌شده با رسوب ميكروبي، داراي مدول الاستيسيته بزرگتري نسبت به مصالح سيماني‌شده با سيمان پرتلند است و رفتار تردي دارند. نهايتاً با توجه به اينكه بخش قابل توجه خصوصيات مكانيكي مصالح سيماني‌شده، به خصويات ريزساختار ماده سيمانيساز و ناحيه اتصال اين ماده به سنگدانه مربوط مي‌گردد، در گام چهارم با بهرهگيري از آزمون دندانهگذاري در مقياس نانو توسط نوك بركوويچ، ريزساختار خمير سيمان پرتلند، رسوب خالص ميكروبي و خصوصيات ناحيه انتقالي سنگدانه و ماده سيمانيساز، ارزيابي شدهاست. نتايج اين آزمون‌ها نشان مي‌داد كه رسوب ميكروبي، برخلاف سيمان پرتلند، فازهاي تشكيل‌دهنده متفاوتي ندارد و مدول الاستيسيته رسوب ميكروبي (69 گيگاپاسكال) به‌طور متوسط، دو برابر مدول الاستيسيته فاز سيليكات كلسيم هيدراته خمير سيمان پرتلند (34 گيگاپاسكال) است. از طرف ديگر، طبق نتايج به‌دست آمده، مشخص شد كه در سيماني شدن با استفاده از رسوب ميكروبي، ناحيهاي به‌عنوان ناحيهي انتقالي با آن ماهيتي كه در مورد خمير سيمان پرتلند مطرح است، وجود ندارد.

1400/04/20

Assessment of geotechnical properties of cemented material by microbially induced carbonate precipitation

1/1/1900 12:00:00 AM

The stone column is considered a common and low-cost technique in soil improvement. In this technique, aggregates are compacted within the soil profile using several methods and formed as a column into the soil, leading to the enhanced load-bearing capacity and the reduced settlement. The natural aggregates are usually used to construct these columns. Also, cemented stone columns (rigid columns) are used in sites that the confinement pressure of soil is not sufficient. The cementing agents used in cemented stone columns are usually Portland cement and or lime. This research has considered the possibility of using the microbially induced calcium carbonate precipitation (as cementing agent) for the construction of cemented stone column using recycled aggregates; but because of Interdisciplinary nature, this object has been considered in four researching steps. The first step is the determination of the type of applied microorganism and its performance because the soil improvement projects are performed in various geographical locations and different environmental conditions and the use of a non-native (or non-indigenous) microorganism may change the normal flora of the soil. So, in the first step, the possibility of using an indigenous microorganism in fine aggregate cementation and also its survival time after cementation have been considered. Indeed, the survival and mechanical resistance induced in the soil using indigenous microorganisms in comparison to common microorganisms applied in other researches have been assayed. The results indicate the indigenous microorganism has a good ability in soil improvement (the created resistance was about 2.5 Mega Pascal (MPa) in fine aggregate) and less survival after cementation (the indigenous microorganism survived seven days according to the survival test). The second step was the investigation of mechanical properties and durability of the natural aggregates and recycled concrete through microbially induced precipitation. For this purpose, unconfirmed compressive strength, thermal resistance, water absorbance, and the freeze-thaw cycle of cemented aggregates constructed in the shape of cubes with dimensions 10×10×10 cm, have been assayed. The results of compressive strength of these aggregates (cemented recycled concrete aggregates through microbially induced precipitation) indicate that constructed aggregates are comparable with some aggregates in the building industry and their maximum unconfirmed compressive strength reached 9.33 MPa. Elastic modulus (E) of the stone column is one of the important parameters in design (settlement calculation) and cemented stone columns (rigid columns) are usually constructed with Portland cement and because to preserve the permeability of these columns, the permeable concretes are recently used instead of stone columns, in the third step, the effective and total porosity, unconfirmed compressive strength and Elastic modulus of porous cemented aggregates (by the construction of permeable concrete in three levels of porosity:40, 42 and 45%) have been assayed using Portland cement and microbially induced calcium carbonate precipitation. The results of compressive strength show that in the range of particle sizes between 2.7 and 4.75 mm, 113 Kg microbial precipitation and or 250 Kg Portland cement in m3 is required to achieve the porous concrete with a porosity of 42% and compressive strength of about 2.3 MPa. The results of Elastic modulus (E) investigations show that cemented aggregates through microbial precipitation possess the bigger Elastic modulus than cemented aggregates through Portland cement and microbial precipitation and have brittle behavior. Finally, according to this fact that the considerable part of mechanical properties of cemented aggregates is related to the properties of the microstructure of cementing agent and its connection zone to aggregates, in the fourth step, the microstructure of Portland cement paste, pure microbial precipitation, properties of the transition zone of aggregates and the cementing agent have been assayed by applying nano-scale indentation test used Berkovich tip. The results of these tests show that unlike Portland cement, microbial precipitation doesn't have different constituent phases, and the elastic modulus of microbial precipitation (69 GPa), on average, is twice as big as the elastic modulus of the hydrated calcium silicate phase of Portland cement paste (34 GPa). On the other hand, the obtained results demonstrate that in the cementation through microbial precipitation, there is no transition zone with such a nature defined for Portland cement.

،سيماني سازي بيولوژيك، , سنگدانه هاي بازيافتي , مقاومت فشاري , مدول الاستيك , ريزساختار

Biocementation , Recycled aggregate , Compressive strength , Elastic modulus , Microstructure