[논문 리뷰] Enhancing strength of MICP-treated sandy soils: from micro to macro scale

Wang Yu-ze, Charalampos Konstantinou외 4명|arXiv (Cornell University)|2020. 06. 29.

Microbial Applications in Construction Materials참고 문헌 14인용 수 10

한 줄 요약

이 연구는 MICP 처리된 모래 토양에서 미세 척도의 결정 성장 역학과 거시 척도의 토양 보강 간의 다리를 놓는다. 미세 유체 실험에서 관찰된 Ostwald ripening 현상을 활용하여, 더 긴 주입 간격이 더 큰 CaCO3 결정을 촉진한다는 점을 규명함으로써 MICP 처리 프로토콜을 최적화한다. 그 결과, 0.25M, 0.5M, 1.0M 농도로 조절된 주입 간격(12시간, 24시간, 48시간)을 가진 6일간의 처리가 강도 향상을 최대화하며, 6일을 초과하여도 추가 향상이 없음을 입증한다.

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.

연구 동기 및 목표

• MICP 처리된 토양에서 미세 척도의 결정 성장 메커니즘이 거시 척도의 토양 강도에 미치는 영향을 이해하는 것.
• 효과적인 CaCO3 침전을 위한 최적의 주입 간격과 시멘테이션 용액 농도를 규명하는 것.
• 미세 척도의 결정 진화(크기, 분포)와 거시 척도의 지기계학적 성능 간의 관계를 설정하는 것.
• 모래 토양에서 상당한 강도 향상을 위한 최소한의 처리 기간을 규명하는 것.
• 통제된 거시 척도 모래 컬럼 실험을 통해 미세 척도의 발견을 검증하는 것.

제안 방법

• 다양한 주입 간격과 용액 농도에서 CaCO3 결정 핵형성과 성장을 관찰하기 위해 미세 척도의 미세 유체 실험을 수행하였다.
• 결정 크기의 시간에 따른 진화를 설명하기 위해 Ostwald ripening 원리를 적용하였다.
• 3일, 6일, 12일 동안 주입 스케줄(12시간, 24시간, 48시간)과 용액 농도(0.25M, 0.5M, 1.0M)를 통제한 거시 척도의 모래 컬럼 실험을 설계하였다.
• 삼축 압축 시험을 통해 토양 강도를 측정하여 처리 효과를 평가하였다.
• SEM 영상에서 확보한 결정 크기 및 분포를 거시 척도의 강도 결과와 연관지어 분석하였다.
• 다양한 처리 기간과 프로토콜 간의 강도 향상 정도를 비교하기 위해 통계 분석을 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 주입 간격과 시멘테이션 용액 농도가 미세 척도에서 CaCO3 결정의 크기와 분포에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 Ostwald ripening은 MICP 처리 중 결정 성장에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ3 미세 척도에서의 결정 진화 관찰 결과를 바탕으로 거시 척도의 토양 강도 향상 예측 및 최적화가 가능한가?
• RQ4 MICP 처리된 모래 토양에서 강도를 최대화하기 위한 최적의 처리 기간은 무엇인가?
• RQ5 일정 기간을 초과해 처리를 연장할 경우 토양 강도 향상에 대한 수익 감소 현상이 발생하는가?

주요 결과

• Ostwald ripening 덕분에, 시멘테이션 용액 농도와 관계없이 주입 간격을 48시간까지 연장할수록 더 큰 CaCO3 결정이 형성됨을 확인함.
• 6일간의 처리 기간은 3일보다 훨씬 높은 토양 강도와 더 큰 결정 크기를 기록하여, 효과적인 결정 성장과 침전이 이루어졌음을 시사함.
• 6일에서 12일로 처리 기간을 연장해도 강도나 결정 크기에 유의미한 증가가 관찰되지 않아, 이 시점 이후로는 강도 향상의 포화 상태에 도달함을 시사함.
• 1.0 M의 시멘테이션 용액과 48시간의 주입 간격 조합에서 가장 높은 강도 향상이 달성되었으며, 이는 최적의 결정 성장 조건과 일치함.
• 미세 척도에서의 결정 진화 발견이 성공적으로 거시 척도 성능으로 이식되었으며, 다중 척도 최적화 접근법의 타당성을 검증함.
• 이 연구는 처리 기간이 강도 향상에 결정적인 영향을 미치며, 시험 조건 하에서는 6일이 최대 강도 향상을 위한 충분한 시간임을 입증함.