Прочность на сжатие связного грунта, укрепленного с помощью цементации микробиологическим методом

ВВЕДЕНИЕ

Грунт вдоль трассы будущего строительства автомагистрали имеет разные характеристики. Поэтому несущая способность грунтового основания неодинакова вдоль трассы. При этом не все типы грунтов в принципе могут быть использованы в качестве основания, земляного полотна и насыпи при строительстве дорог (или других сооружений). При планировании и проведении таких работ необходимо принимать во внимание свойства и поведение грунта. И здесь очень важным стал учет возможности улучшения свойств грунтов, поскольку из-за увеличения темпов роста численности населения и соответствующего строительства разных объектов становится все труднее находить подходящие грунтовые основания и грунты для создания земляного полотна и насыпи при дорожном строительстве.

Когда замена материалов или использование химикатов для усиления грунтового основания, земляного полотна или насыпи неэффективны, необходимо использовать другие методы улучшения качества имеющегося грунта без необходимости его замены и без нанесения ущерба окружающей среде.

Необходимо продолжать попытки использования биологических процессов для изменения свойств грунта – бактерий, способных вызывать биоцементацию (карбонатную биоминерализацию) благодаря выделению такого продукта метаболизма, как карбонат кальция (CaCO₃), который откладывается в порах грунта в виде кальцита [1]. Использование микроорганизмов рассматривается как альтернатива в условиях распространенного применения химических веществ и синтетических материалов в гражданском строительстве [2]. Эффективное образование CaCO₃ повысит прочность и жесткость слоев земляного полотна и насыпи при сохранении характеристик проницаемости грунта [3].

Карбонатная биоминерализация возможна благодаря способности некоторых бактерий, которые в естественных условиях живут в почвах, вырабатывать фермент уреазу и выделять карбонат кальция. Благодаря этому, например, материал, оставшийся в отвалах после добычи полезных ископаемых, после цементации микробиологическим методом с использованием культуры бактерий Bacillus subtilis (сенной палочки) может быть использован в том числе в дорожном строительстве [4].

При исследовании [5] добавление культуры этих бактерий для укрепления супеси методом биоцементации позволило увеличить несущую способность данного грунта.

В работе [6] прочность на одноосное сжатие песка, смешанного с тропической почвой с большим количеством органики (и с живущими там бактериями, способными вызывать биоцементацию), после выдержки в течение 3 дней также увеличилась.

В соответствии с критериями диапазона значений калифорнийского коэффициента несущей способности (CBR) 20%≤CBR<40%, применяемого в дорожном строительстве, добавление от 3,5 до 6% раствора бактериальной культуры Bacillus subtilis от массы грунта с оптимальной влажностью для укрепления подстилающего слоя глинистого грунта оказалось технически оправданным – получился материал с коэффициентом постели от 68 до 110 кН/м²/мм [7]. Эти результаты показали важную роль использования бактерий Bacillus subtilis в качестве биотехнологического стабилизирующего материала для повышения несущей способности и коэффициента постели такого грунта, как высокопластичная глина [7].

В работе [8] изучалась трансформация структуры песчаного грунта после биоцементации с выдержкой 14 дней при варьировании применявшихся бактерий.

В исследовании, представленном в настоящей статье, в отличие от предыдущих работ использовали разное количество вводившейся в грунт бактериальной культуры (4, 6, 8% от массы грунта с оптимальной влажностью), разный возраст этой культуры с момента посева в жидкую питательную среду (2, 4, 6 суток) и разное время выдержки смеси грунта с бактериями (3, 7, 14, 28 суток) в поисках оптимальных условий для получения наилучшей  прочности на одноосное сжатие.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Приготовление материала

Материал, использованный при исследовании, был взят на территории города Макассар (провинция Южный Сулавеси, Индонезия). Отбор проб (рис. 1) производился с помощью мотыги и лопаты Затем образцы помещались в специальные пакеты, заворачивались в пластик для сохранения исходной влажности и маркировались в соответствии с местом отбора.

Рис. 1. Образец грунта

Вторым этапом было проведение лабораторных исследований отобранного грунта: определение его влажности, плотности, пределов Аттерберга (предела пластичности и предела текучести), гранулометрического состава, проведение стандартного испытания на уплотнение по Проктору для определения оптимальной влажности, испытание на одноосное сжатие.

В этом исследовании использовался раствор культуры бактерий Bacillus subtilis (рис. 2). Причина выбора именно этих микроорганизмов заключалась в том, что они, как уже указывалось, в естественных условиях обитают в почве, образуют эндоспоры (которые дают возможность выживания в случае экстремальных температурных условий окружающей среды), а в активированном состоянии продуцируют кальцит.

Рис. 2. Раствор культуры бактерий Bacillus subtilis

Испытания на рост бактерий

Для размножения бактерий использовалась культуральная жидкость (среда B4), включавшая 20 г мочевины, 3 г сухого питательного бульона, 2,12 г NaHCO₃, 4,14 г CaCl₂, 10 г NH₄Cl и 1 л воды. Эти компоненты смешивались в определенном порядке и при определенных условиях по специальной методике.

В эту культуральную жидкость при комнатной температуре добавляли активированную культуру бактерий Bacillus subtilis. Затем делили полученную смесь на три части и оставляли их на шейкере в инкубаторе (при 30 °С) на 2, 4 и 6 дней. Все эти процессы проводились в стерильных условиях.

Характеристики роста бактерий определялись по кривой, построенной по измеренной мутности жидкой среды с микроорганизмами. Полученная кривая подтвердила известные фазы роста числа бактерий (латентную, экспоненциальную, стационарную, отмирания) (рис. 3).

Рис. 3. Изменения числа бактерий в процессе культивирования в жидкой питательной среде

Латентная фаза (лаг-фаза) – это период задержки размножения клеток, пока идет их адаптация к новой питательной среде после посева.

Фаза экспоненциального (логарифмического) роста характеризуется самой высокой скоростью размножения бактерий, когда каждая клетка в популяции делится на две наиболее часто. (Обычно в конце предыдущего этапа выделяют еще фазу замедления роста, когда увеличение количества клеток замедляется из-за постепенного исчерпания питательных веществ в среде и/или отравления микроорганизмов продуктами их же жизнедеятельности. – Ред.).

Во время стационарной фазы размножение клеток почти полностью прекращается, но число живых клеток остается максимальным.

Во время фазы отмирания становится больше скорость гибели бактерий и количество живых клеток экспоненциально (логарифмичемки) уменьшается.

Определение физических и механических свойств грунта

Из физических свойств исходного грунта определили влажность (содержание воды), пределы Аттерберга (предел пластичности и предел текучести), гранулометрический состав и плотность, а также провели стандартное испытание на уплотнение по Проктору для нахождения оптимальной влажности. Для определения механических свойств выполнили испытание этого грунта, доведенного до оптимальной влажности и сформованного нужным образом (контрольного образца), на одноосное сжатие в соответствии со стандартом ASTM D2166-06.

С оставшейся частью грунта, доведенной до оптимальной влажности, выполнили следующие процедуры. Смешивали грунт с культурами бактерий возрастом (после посева) 2, 4 и 6 суток в количестве 4, 6 и 8% от массы грунта с оптимальной влажностью. Затем из этих смесей формовали образцы диаметром 5,5 см и высотой 11 см и выдерживали их в течение 3, 7, 14 и 28 дней для ожидаемого увеличения прочности грунта с помощью жизнедеятельности бактерий Bacillus subtilis. Поверхность образцов с бактериями после выдерживания в течение нескольких дней выглядела беловатой (рис. 4). Затем образцы измеряли, взвешивали (рис. 5) и проводили с ними испытания на прочность при одноосном сжатии (рис. 6).

Рис. 5. Поверхность образца с бактериями через несколько дней выглядит слегка беловатой

Рис. 5. Образец грунта перед испытанием на одноосное сжатие

Рис. 6. Испытание образца грунта на одноосное сжатие

Использовавшиеся в исследовании приборы были предварительно проверены на предмет их состояния, возможностей, а также откалиброваны.

Испытания на одноосное сжатие выполняли для получения значений относительной осевой деформации ε, конечной средней площади поперечного сечения A и на этой основе – предела прочности образца при сжатии q_u:

(где L₀, L – начальная и конечная высота образца cсоответственно; ΔL – изменение высоты образца; A₀, A – начальная и средняя конечная площадь поперечного сечения образца соответственно; R – максимальная нагрузка при разрушении; K – безразмерный коэффициент, связанный с высотой образца. – Ред.).

ПОЛУЧЕНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Были получены следующие результаты лабораторных исследований физических свойств исходного грунта:

• исходная влажность W – 12,92% (в тексте у авторов указано также 12,12%. – Ред.);
• оптимальная влажность W_с (по результатам стандартного испытания на уплотнение по Проктору) – 32,19%;
• плотность ρ – 2,63 г/см³;
• максимальная плотность в сухом состоянии ρ_d – 1,36 г/см³;
• предел текучести LL – 46,89%;
• предел пластичности PL – 31,94%;
• число пластичности PI (I_p) – 14,96%;
• предел усадки SL – 7,49%;
• угол внутреннего трения φ – 33°;
• удельное сцепление с – 0,65 кПа;
• группа при классификации по системе AASHTO – A-7-5 (глинистый грунт с умеренной и средней пластичностью);
• группа при классификации по системе USCS – ML (в основном пылеватый и мелкозернистый неорганический грунт с низкой пластичностью).

В том числе гранулометрический состав:

• гравий – 3,2%;
• песок – 21,6%;
• пылеватые частицы – 38,32%;
• глинистые частицы – 36,88%.

Пригодность такого грунта для дорожного строительства – от средней до плохой.

Отметим, что для определения места исследовавшегося грунта в Унифицированной системе классификации грунтов (USCS – Unified Soil Classification System) использовалась диаграмма пластичности USCS. В зависимости от предела теучести LL грунты можно разделить на высокопластичные (LL более 50%) и низкопластичные (LL менее 50%) (рис. 7).

Рис. 7. Диаграмма пластичности по Унифицированной системе классификации грунтов (USCS – Unified Soil Classification System)

Результаты испытаний на одноосное сжатие

Грунт, не усиленный с помощью бактерий, но также доведенный до оптимальной влажности в результате добавления воды и уплотнения по Проктору (контрольный образец), при испытании на одноосное сжатие показал прочность 3,02 кгс/см².

На рисунке 8 в графическом виде показаны результаты испытаний на одноосное сжатие образцов грунта, полученных при смешивании с раствором культуры бактерий возрастом 2 суток (после посева в свежую питательную среду) в количестве 4, 6 и 8% от массы грунта с оптимальной влажностью и при последующем выдерживания смеси в течение 3, 7, 14 и 28 суток. Видно, что во всех случаях после выдерживания с бактериями прочность грунта повысилась по сравнению с необработанным контрольным образцом, при этом наиболее сильно – через 28 суток выдерживания после добавления культуры бактерий в количестве 6% по массе (18,46 кгс/см²).

Рис. 8. Результаты испытаний на одноосное сжатие образцов грунта, обработанных раствором культуры бактерий возрастом 2 суток

На рисунке 9 представлены результаты для аналогичных случаев при использовании раствора бактериальной культуры возрастом 4 суток. Здесь также во всех случаях после выдерживания с бактериями прочность грунта повысилась по сравнению с контрольным образцом. Самую большую прочность набрал образец, обработанный раствором культуры бактерий в количестве 6% по массе через 28 суток выдерживания (19,96 кг/см²). 

Рис. 9. Результаты испытаний на одноосное сжатие образцов грунта, обработанных раствором культуры бактерий возрастом 4 суток

На рисунке 10 показаны результаты для аналогичных случаев при использовании раствора бактериальной культуры возрастом 6 суток. Видно, что во всех случаях после выдерживания с бактериями прочность грунта повысилась по сравнению с контрольным образцом, но после выдерживания с бактериями более 3 суток она уже не становилась выше или даже немного снижалась. Самая высокая прочность (чуть меньше 17 кгс/см²) была у образца, обработанного раствором бактериальной культуры в количестве 8% по массе через 3 суток выдерживания.

Рис. 10. Результаты испытаний на одноосное сжатие образцов грунта, обработанных раствором культуры бактерий возрастом 6 суток

Таким образом, результаты испытаний показали, что оптимальным для усиления грунта является добавление 4-дневной культуры бактерий в количестве 6% от массы грунта с оптимальной влажностью и выдерживание в течение 28 дней. В этом случае прочность грунта на одноосное сжатие повысилась примерно в 6 раз по сравнению с необработанным бактериями грунтом.

Объяснить оптимальность использования 4-дневной культуры можно просто. Через 4 суток после посева наступает высшая (стационарная) фаза развития бактериальной культуры (см. рис. 3), поэтому уровень продукции кальцита в это время больше по сравнению с 6-дневной культурой, уже вступившей в фазу отмирания (и уж тем более по сравнению с 8-дневной).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По результатам испытаний, самая высокая прочность грунта на одноосное сжатие (19,96 кгс/см²) получилась при добавлении раствора 4-дневной культуры бактерий Bacillus subtilis в количестве 6% от массы грунта с оптимальной влажностью при 28 сутках выдерживания. Ее значение увеличилось в 6 раз по сравнению с необработанным бактериями грунтом (прочность которого была всего 3,02 кгс/см²).

Следует подчеркнуть, что данное исследование проводилось в лабораторных условиях. Далее следует провести полномасштабные исследования в обозначенном направлении в полевых условиях, где, кроме того, надо будет проверить воздействие жизнедеятельности бактерий Bacillus subtilis на грунт при разных природных условиях (прохладных, жарких, сухих, влажных, дождливых), а также при динамично изменяющихся условиях.

ИСТОЧНИК ДЛЯ ПЕРЕВОДА

Alkadri, Djamaluddin A.R., Harianto T., Arsyad A. The compressive strength of cohesive soil stabilized with microbial induced cementation // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2022. Vol. 1117. 4th International Conference on Civil and Environmental Engineering 03.08.2022–05.08.2022, Kuta, Bali, Indonesia. Article № 012045. DOI: 10.1088/1755-1315/1117/1/012045. URL: https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1755-1315/1117/1/012045.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ, ИСПОЛЬЗОВАННОЙ АВТОРАМИ ПЕРЕВЕДЕННОЙ СТАТЬИ

1. DeJong J.T., Mortensen B.M., Martinez B.C., Nelson D.C. Bio-mediated soil improvement // Ecol. Eng. 2010. Vol. 36. № 2. P. 197–210.
2. Oliveira P.J.V., Freitas L.D., Carmona J.P.S.F. Effect of soil type on the enzymatic calcium carbonate precipitation process used for soil improvement // J. Mater. Civ. Eng. 2017. Vol. 29. № 4. P. 1–7.
3. Mujah D., Cheng L., Shahin M.A. Microstructural and geomechanical study on biocemented sand for optimization of MICP process // J. Mater. Civ. Eng. 2019. Vol. 31. № 4. P. 1–10.
4. Indriani A.M., Harianto T., Djamaluddin A.R., Arsyad A. Bioremediation of coal contaminated soil as the road foundations layer // Int. J. GEOMATE. 2021. Vol. 21. № 84. P. 76–84.
5. Harianto T., Hamzah S., Nur S.H., Abdurrahman M.A., Latief R.U., Fadliah I., et al. Biogrouting stabilization on marine sandy clay soil // Proc. 7th Int. Conf. Asian Pacific Coasts. (APAC 2020). 2020. P. 848–852.
6. Phang I.R.K., Wong K.S., Chan Y.S., Lau S.Y. Effect of microbial-induced calcite precipitation towards tropical organic soil // Proc. AIP Conf., 2018. 2020. P. 1–6.
7. Hasriana, Samang L., Djide M.N., Harianto T. A study on clay soil improvement with Bacillus subtilis bacteria as the road subbase layer // Int. J. GEOMATE. 2018. Vol. 15. № 52. P. 114–120.
8. Mwandira W., Nakashima K., Kawasaki S. Bioremediation of lead-contaminated mine waste by Pararhodobacter sp. based on the microbially induced calcium carbonate precipitation technique and its effects on strength of coarse and fine grained sand // Ecol. Eng. 2017. Vol. 109. P. 57–64. URL: http://dx.doi.org/10.1016/j.ecoleng.2017.09.011.