بخشی از مقاله
خلاصه
امروزه به منظور بهبود مشخصات فیزیکی خاک از قبیل افزایش مقاومت خاک، نفوذپذیری و ... روشهای متفاوتی پیشنهاد و اجرا شده است. از سویی مسائلی همانند آلودگی محیط زیست و مسائل اقتصادی باعث شده که مهندسان در سدد ابداع روشهای جدیدی برای بهتر کردن مشخصات مکانیکی خاک باشند. روش کشت باکتری به منظور بهبود خاک از جمله روشهای نوینی است که در دهه اخیر مطرح گردیده و با توجه به مزیتهای آن نسبت به سایر روشها زمینهی رشد فراوانی نسبت به سایر روشها دارد.
از ویژگیهای این روش میتوان به کم خرج بودن و همچنین حفظ محیط زیست اشاره کرد. در این روش با کشت باکتری در محیط کشت مخصوص به خود باکتری و اضافه کردن آن، به همراه محلول کلسیم کلرید و اوره به خاک، شرایط لازم برای تولید کلسیم کربنات محیا می شود. در واقع کلسیم کربنات حاصله از واکنش اخیر به عنوان نوعی چسب برای پایداری خاک عمل کرده و خواص فیزیکی خاک بهبود مییابد.
1. مقدمه
امروزه روش جدیدی به منظور بهسازی خاک به خصوص در خاکهای ماسهای با نام بیوگروت - دوغاب زیستی - ارائه شده است.در این روش با استفاده از میکروارگانیسمهای فعال و محلول مغذی - حاوی اوره و کلسیم کلرید - رسوب کلسیم کربنات در میان دانههای خاک رسوب میکند.[1] به همین دلیل با توجه به استفاده گسترده از مواد سمی و شیمیایی مضر برای بهسازی زمین، این روش به یکی از گزینههای مطرح در زمینه بهبود خواص مکانیکی خاک تبدیل شده است.
یکی از روشهایی که به تازگی با ادغام چند رشته مهندسی از قبیل عمران، بیوشیمی و میکروبیولوژی به وجود آمده است رسوب میکروبی کربنات کلسیم - Microbial Induced Carbonate Precipitation - MICP - نام دارد. در این روش که الهام گرفته از فرآیند تولید ماسه سنگ از ماسه در طبیعت می باشد، از گونه خاص باکتریهای اسپوردار که به صورت طبیعی در داخل خاک زندگی می کنند و خاصیت رسوب زایی دارند استفاده شده و با استفاده از مواد افزودنی دیگر شامل اوره و کلرید کلسیم، این باکتری ها با انجام واکنشهای شیمیایی در خاک باعث ایجاد رسوب در بین ذرات خاک شده و دانههای خاک را به هم متصل مینمایند.
با بهرهگیری از روش کشت باکتری میتوان در آزمایشگاه باکتری Bacillus Pasteurri را تکثیر کرد. این نوع باکتری حاوی آنزیم اورهآزی میباشد که در حضور آن اوره با سرعت بیشتری هیدرولیز شده و زمینه را برای تشکیل رسوب کلسیم کربنات مهیا میکند.[3] این نوع باکتری به طور طبیعی در خاک وجود دارد، ولی با استفاده از روش کشت و تکثیر آن تعداد آنها در محیط خاک افزایش مییابد. با تزریق باکتری و اتصال آنها به دانههای خاک شرایط لازم جهت انجام واکنش ایجاد میشود و با تزریق محلول سمانتاسیون که حاوی کلسیم کلرید و اوره میباشد، فرآیند تشکیل رسوب کامل میگردد.
در این فرآیند اوره توسط آنزیم اورهآزِ تولید شده توسط باکتری به آمونیوم و کربنات هیدرولیز میشود و با یون کلسیم محلول در محلول سمانتایسون واکنش داده و به کلسیم کربنات تبدیل میگردد. آمونیم کلرید باقی مانده به عنوان محصول اضافی در واکنش شناخته میشود و بایستی آن را از محیط پاک کرد.
نوع دیگری از افزایش تجمع باکتری در خاک وجود دارد که در آن بدون نیاز به کشت آزمایشگاهی باکتری، میتوان با اضافه کردن مواد مغذی و ایجاد شرایط مناسب در خاک محل، مقدار و فعالیت باکتریهای موجود در خود خاک را افزایش داد.
در روش MICP - Microbially Induced Calcite Precipitation - واکنش ارائه شده طی فعالیت اورهآزی، اروه توسط آنزیم اورهآز شکسته شده و در حضوریون کلسیم منجر به تولید کلسیم کربنات میگردد.
در مطالعات پیشین استفاده از روش بیوگروت برای یک دانه بندی مشخص از خاک توصیه شده است، طوری که خاکهای ریزدانه - رس و سیلت - به دلیل ریز بودن فضای بین دانهها و قطبی بودن آنها مانع حرکت باکتری تا اعماق مورد نظر میشود و باعث انسداد در لایههای بالایی موجود در محل تزریق میگردد.
تاثیر دانه بندی بر روی این نوع بهسازی از طریق مقاومت تک محوری نمونههای بهسازی شده مورد بررسی قرار گرفته است. در سال 2012 نمونههایی جهت بررسی تاثیر بیوگروت بر روی شن انجام گرفت و رابطه بین میزان کلسیم کربنات رسوبی و مقاومت برشی نمونههای شنی بهسازی شده ارائه گردید.[8] رفتار ماسه سمنته شده تحت مسیرهای تنش مختلف و همچنین بررسی سختی نمونههای بهسازی شده توسط آزمایش سه محوری مطالعه شد.
در مطالعه حاضر نحوه تاثیر دانه بندی بر روی مقاومت برش مستقیم نمونههای بهسازی شده توسط بیوگروت مورد بررسی قرار گرفته است. به منظور بررسی پارامترهای مقاومتی نمونههای مکعبی جهت آزمایش برش مستقیم آماده سازی شدند. برای تزریق محلول باکتری و محلول سمانتاسیون از روش جذب سطحی - Percolation - بهره گرفته شد.
2. دانه بندی و مشخصات ماسه
در مطالعه حاضر از ماسه استخراجی از معدن استفاده شد، که بعد از چند بار شستن از الکهای متعدد جهت دانه بندی و همچنین تفکیک دانه بندی برای مطالعه مورد استفاده قرار گرفت. مقدار دانسیته ی نسبی ماسه برابر Gs=2,57 می باشد، که در جدول1 نام نمونه بر حسب دانه بندی آورده شده است. تمامی دانه بندیها کاملا یکنواخت بوده و نوع ماسه بر اساس آییننامه ASTM-2487 جزء SP محسوب میشود.
جدول-1 مشخصات نمونههای مورد آزمایش
3. نوع قالب و نحوه پر کردن آنها
به منظور ایجاد نمونه های مشابه و همچنین یکسان بودن شرایط تزریق در نمونه برای نمونه های مکعبی از قالب های گالوانیزه آماده شده در کارگاه ورق کاری دانشگاه تبریز استفاده گردید. با توجه به جعبه برش دستگاه برش مستقیم، این قالب ها در ابعاد 60*60 میلی متر و ارتفاع 60 میلی متر تهیه شدند. در انتهای هر قالب یک خروجی تعبیه شد تا با استفاده از آن محلولهای خروجی کنترل گردد. روزنهی تمامی قالبها با تور پارچهای که نقش فیلتر را داشت، گرفته شد. یک لایه فیلتر ماسهای از مصالح درشتتر در کف قالب و همچنین یک لایه از همین ماسه در لایه بالایی ریخته شد تا یکنواختی ماسه بهسازی شده حفظ شود.
جهت یکسان بودن شرایط تعداد قالبهای ساخته شده به تعداد آزمایش مورد نیاز جهت بررسی تهیه شد. از سویی بعد از پر کردن قالب ها جهت رسیدن به تراکم یکسان همه قالب ها در سه لایه پر شدند و در آزمایشگاه بتن توسط میز ویبره برای هر لایه 10 ثانیه ویبره زده شد تا تخلخل نمونهها در تمامی قالبها یکسان باشد.
4. نحوه کشت باکتری
در فرآیندهای MICP، از باکتری Sporosarcina pasteurii - PTCC 1645 - به عنوان باکتری تولیدکنندهی اورهآز استفاده شد. کشت میکروارگانیسم در محیط حاوی 10 گرم بر لیتر عصاره مخمر، 10 گرم بر لیتر کلرید آمونیوم و 0/024 گرم بر لیتر کلرید نیکل در pH برابر 8/5 انجام گردید. S. Pasteurii تحت شرایط هوازی، در یک شیکر انکوباتور DR 3020 - ، شرکت فن آوران سهند آذر ایران - با 200 دور در دقیقه کشت داده شد. محلول سمانتاسیون MICP نیز شامل کلسیم کلرید و اوره بود. همهی آزمایشها در دمای 25 ± 2 درجه سانتیگراد صورت گرفت.
5.نحوه تزریق
به منظور تزریق محلول باکتری و سمنتاسیون از روش جذب سطحی استفاده شده است. مزیت این روش در عدم نیاز به هیچ ابزاری جهت ایجاد فشار برای تزریق میباشد. در واقع گرانش زمین باعث جریان محلول های حاوی باکتری و محلول سمنتاسیون در درون خاک می شود. در این روش محلول بر روی نمونه ریخته شده و با گذشت زمان، محلول در میان فضای خالی دانه های خاک نفوذ میکند.
مقادیر محلولهای تزریقی - سمنتاسیون و باکتری - هر کدام به اندازه نصف فضای خالی میان دانهها میباشد. جدول2 نحوه کامل تزریق و تعداد دفعات تزریق را نشان میدهد. تمامی نمونهها طی سه روز متوالی با سه بار تزریق کلی به حالت سمنته تبدیل شدند. بعد از تزریق نهایی نمونهها در داخل آون قرار گرفتند.
جدول-2 روند تزریق و حجم تزریقی به هر نمونه
