[論文レビュー] Enhancing strength of MICP-treated sandy soils: from micro to macro scale

Wang Yu-ze, Charalampos Konstantinou+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 29, 2020

Microbial Applications in Construction Materials参考文献 14被引用数 10

ひとこと要約

本研究は、MICP処理された砂質土壌におけるマイクロスケールの結晶成長ダイナミクスとマクロスケールの土壌強靭化を橋渡しする。マイクロフラウド実験で観察されたオストワルド・リピンギング—長時間の注入インターバルがより大きなCaCO3結晶を促進する—を活用し、MICP処理プロトコルを最適化した。12時間、24時間、48時間のインターバルと0.25M、0.5M、1.0Mの濃度を組み合わせた6日間の処理が、強度増加を最大にすることが示され、6日を過ぎてもさらなる向上は認められなかった。

ABSTRACT

Microbial-Induced Calcium carbonate (CaCO3) Precipitation (MICP) has been extensively studied for soil improvement in geotechnical engineering. The properties of calcium carbonate crystals such as size and quantity affect the strength of MICP-treated soil. This study demonstrates how the data from micro-scale microfluidic experiments that examine the effects of injection intervals and concentration of cementation solution on the properties of calcium carbonate crystals can be used to optimise the MICP treatment of macro-scale sand soil column experiments for effective strength enhancement. The micro-scale experiments reveal that, due to Ostwald ripening, longer injection intervals allow smaller crystals to dissolve and reprecipitate into larger crystals regardless of the concentration of cementation solution. By applying this finding in the macro-scale experiments, a treatment duration of 6 days, where injection intervals were 12 h, 24 h, and 48 h for cementation solution concentration of 0.25 M, 0.5 M and 1.0 M, respectively, was long enough to precipitate crystals large enough for effective strength enhancement. This was indicated by the fact that significantly higher soil strength and larger crystals were produced when treatment duration increased from 3 days to 6 days, but not when it increased from 6 days to 12 days.

研究の動機と目的

• MICP処理土壌におけるマイクロスケールの結晶成長メカニズムがマクロスケールの土壌強度に与える影響を理解すること。
• 効果的なCaCO3析出を実現するための最適な注入インターバルおよびセメント化溶液濃度を特定すること。
• マイクロスケールの結晶進化（結晶サイズ、分布）とマクロスケールの地工学的性能を結びつけること。
• 砂質土壌における顕著な強度増強を達成するための最小処理期間を特定すること。
• 制御されたマクロスケールの砂シリンダー実験でマイクロスケールの発見を検証すること。

提案手法

• 異なる注入インターバルおよび溶液濃度下でのCaCO3結晶核生成および成長を観察するマイクロスケールのマイクロフラウド実験を実施した。
• 結晶サイズの時間的変化を説明するためにオストワルド・リピンギングの原則を適用した。
• 3日、6日、12日間の期間にわたり、12時間、24時間、48時間の制御された注入スケジュールと0.25M、0.5M、1.0Mの溶液濃度を用いたマクロスケールの砂シリンダー実験を設計した。
• 三軸圧縮試験を用いて土壌強度を測定し、処理効果を評価した。
• SEM画像による結晶サイズおよび分布とマクロスケールの強度結果を相関させた。
• 異なる処理期間およびプロトコル間での強度増加を比較するために統計解析を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 注入インターバルおよびセメント化溶液濃度がマイクロスケールでのCaCO3結晶サイズおよび分布に与える影響は何か？
• RQ2 オストワルド・リピンギングはMICP処理中の結晶成長にどの程度影響を及えるか？
• RQ3 結晶進化のマイクロスケール観察を、マクロスケールの土壌強度増強の予測および最適化に応用できるか？
• RQ4 MICP処理された砂質土壌における強度を最大にする最適な処理期間は何か？
• RQ5 一定期間を超えて処理を延長しても、土壌強度に増加効果が得られるか、それとも限界に達するか？

主な発見

• オストワルド・リピンギングの影響により、0.25M、0.5M、1.0Mの溶液濃度に関わらず、48時間までの長時間の注入インターバルがより大きなCaCO3結晶を促進した。
• 6日間の処理期間は3日間よりも顕著に高い土壌強度とより大きな結晶サイズをもたらし、効果的な結晶成長および析出を示した。
• 6日から12日へと処理期間を延長しても、強度や結晶サイズに顕著な増加は認められず、この時点を過ぎると強度増強が飽和していることが示唆された。
• 最高の強度増加は1.0Mのセメント化溶液と48時間の注入インターバルで達成され、最適な結晶成長条件と整合した。
• マイクロスケールでの結晶進化に関する発見が、マクロスケールの性能に成功裏に応用され、マルチスケール最適化アプローチの妥当性が裏付けられた。
• 本研究は、処理期間が強度増強の重要な要因であることを示し、試験条件下では6日間の処理で最大の強度増強が達成可能であることを明らかにした。