[论文解读] 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 10

一句话总结

本研究将微尺度晶体生长动力学与MICP处理砂质土的宏观土体强化效应相连接。通过利用微流体实验中观察到的Ostwald熟化现象——较长的注液间隔促进形成更大的CaCO3晶体——优化了MICP处理工艺，表明采用定制化间隔与浓度（0.25M、0.5M、1.0M分别对应12小时、24小时、48小时）的6天处理可实现最大强度提升，超过6天后无进一步改善。

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.

研究动机与目标

• 理解微尺度晶体生长机制如何影响MICP处理土壤的宏观土体强度。
• 识别实现有效CaCO3沉淀的最佳注液间隔与胶结溶液浓度。
• 建立微尺度晶体演化（尺寸、分布）与宏观土力学性能之间的关联。
• 确定在砂质土中实现显著强度增强所需的最短处理时长。
• 在受控的宏观砂柱实验中验证微尺度研究结果。

提出的方法

• 开展微尺度微流体实验，观察在不同注液间隔与溶液浓度下CaCO3晶体成核与生长过程。
• 应用Ostwald熟化原理解释晶体尺寸随时间的演化规律。
• 设计宏观砂柱实验，控制注液时间表（12小时、24小时、48小时）与溶液浓度（0.25M、0.5M、1.0M），处理时长分别为3天、6天与12天。
• 通过三轴压缩试验测量土体强度，评估处理效果。
• 将SEM成像获得的晶体尺寸与分布结果与宏观强度数据进行关联分析。
• 采用统计分析方法比较不同处理时长与工艺下的强度增益差异。

实验结果

研究问题

• RQ1 注液间隔与胶结溶液浓度在微尺度上如何影响CaCO3晶体的尺寸与分布？
• RQ2 Ostwald熟化在MICP处理过程中对晶体生长的影响程度如何？
• RQ3 能否基于微尺度晶体演化的观测结果，预测并优化宏观土体强度的提升？
• RQ4 MICP处理砂质土以实现最大强度提升的最优处理时长是多少？
• RQ5 将处理时间延长至某一临界点后，是否会导致土体强度提升出现边际递减？

主要发现

• 无论胶结溶液浓度如何，较长的注液间隔（最长48小时）均因Ostwald熟化而促进形成更大的CaCO3晶体。
• 6天处理相比3天处理显著提高了土体强度与晶体尺寸，表明晶体生长与沉淀过程有效进行。
• 当处理时间从6天延长至12天时，未观察到强度或晶体尺寸的显著增加，表明在此之后强度增强达到饱和。
• 在1.0 M胶结溶液与48小时注液间隔条件下实现了最高的强度增益，与最优晶体生长条件一致。
• 微尺度晶体演化研究结果成功外推至宏观性能表现，验证了多尺度优化方法的有效性。
• 本研究表明，处理时长是关键影响因素，在测试条件下6天即足以实现最大强度增强。