بررسی استفاده از ترسیب میکروبی کلسیم‌کربنات در ترمیم سنگ‌های ساختمانی

نوع مقاله : علمی - پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد مهندسی معدن، مکانیک سنگ، دانشکده مهندسی، دانشگاه زنجان

2 دانشیار گروه مهندسی معدن، دانشکده مهندسی، دانشگاه زنجان

چکیده

حفظ و ترمیم بناهای تاریخی و سنگ‌های ساختمانی همواره از چالش‌های قابل توجه مهندسین معدن بوده‌است. یکی از روش‌های مفید جهت ترمیم نقاط ضعف سنگ‌ها، استفاده از تکنیک نوین رسوب‌گذاری میکروبی کلسیم‌کربنات (دوغاب زیستی) در پر کردن فضاهای خالی سنگ‌ها می‌باشد. در این مقاله، تأثیر شرایط مختلف در استفاده بهینه از دوغاب زیستی با انجام آزمون‌های آزمایشگاهی مورد بررسی قرار می‌گیرد. برای انجام آزمون‌ها از نمونه‌های سنگ تراورتن با شرایط کانی‌ و سنگ‌شناسی یکسان استفاده گردید. الگوی آزمایش‌ها با دو متغیر میزان مواد اولیه تولید (غلظت‌های کلسیم‌کلرید و اوره در محلول سیمان‌ساز) و دو متغیر محیطی (pH محلول شست و شو و دمای محیطی ترسیب) هر کدام در پنج سطح و پاسخ سنگ به عملیات بهسازی (نسبت تغییر سرعت موج) بر اساس روش سطح پاسخ طراحی شد که منجر به اجرای 31 آزمایش گردید. نتیجه انجام پژوهش حاکی از آن است که به‌کارگیری غلظت‌های مساوی کلسیم‌کلرید و اوره ( هر کدام به میزان حدوداً 1 مولار) برای انجام عملیات ترسیب میکروبی مناسب‌تر است. تنظیم pH محلول شست و شو در حدود 7 و دمای محیطی 15 درجه سلسیوس، سبب دست‌یابی به مقادیر بهینه رسوب کربنات کلسیم شده و در نتیجه ترمیم بهتر سنگ را به همراه خواهد داشت. افزایش pH از 7 به 11 سبب کاهش 35 درصدی نسبت سرعت موج و نیز کاهش pH از 7 به 3 سبب کاهش 40 درصدی نسبت سرعت موج می‌شود. همچنین، افزایش دمای محیط از 15 به 30 درجه سلسیوس و نیز کاهش دمای محیط از 15 به 0 درجه سلسیوس سبب کاهش 15 درصدی نسبت سرعت موج می‌شود. نتایج فوق نشا‌ن می‌دهند که محیط‌های خیلی اسیدی یا بازی و دماهای خیلی سرد یا گرم، برای انجام عملیات ترسیب میکروبی چندان مناسب نیستند و به طور کلی تاثیر باران‌های اسیدی در تخریب رسوب ترمیم‌کننده در مقایسه با باران‌های قلیایی بیشتر است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

INVESTIGATION OF MICROBIAL PRECIPITATION OF CALCIUM CARBONATE IN REMEDIATION OF BUILDING STONE

نویسندگان [English]

  • Aref Fayyazi 1
  • Ramin Doostmohammadi 2
1 Department of Mining Engineering , University of Zanjan
2 Department of Mining Engineering, University of Zanjan, Zanjan, Iran
چکیده [English]

Preservation and remediation of historic buildings and building Stones have always been significant challenges for mining engineers. One of the useful methods to prevent stone decade is filling the pores using microbial induced calcium precipitation (as known bio-grouting). In this paper, the effects of different conditions on the optimal use of bio-grouting are investigated by performing laboratory tests. Unprocessed travertine samples with the same mineralogical and lithological conditions were selected. Experimental pattern with four variables (concentrations of calcium chloride and urea in cemention solution, pH of washing solution and ambient temperature) were designed to determine the wave velocity ratio (as a remediation sign) at samples. The input variables were selected in 5 levels using response surface designing method and 31 laboratory tests were performed. The results indicate that the use of equal concentrations of calcium chloride and urea (about 1 M) in the cementation solution is more effective for microbial precipitation. Adjusting the pH of the washing solution about 7 and the ambient temperature about 15 Celsius degrees will lead to optimal amount of calcium carbonate precipitatation, resulting in better rock remediation. Increasing the pH from 7 to 11, reduces the wave velocity ratio by 35% and decreasing the pH from 7 to 3 reduces the wave velocity ratio by 40%. Also, increasing and decreasing the ambient temperature from 15 to 30 and 15 to 0 Centigrade degrees, respectively, reduces the wave velocity ratio by 15%. The above results show that very acidic or alkaline environments and very cold or warm temperatures are not suitable for microbial precipitation operation and the effect of acidic rains on the degradation of remediating precipitations is more than alkaline rains.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Rock Remediation
  • Biogrouting
  • Laboratory Tests
  • Respone Surface Method
#1. Al-Salloum, Y., Hadi, S., Abbas, H., Almusallam, T., Moslem, M.A.; 2017; “Bio-induction and bioremediation of cementitious composites using microbial mineral precipitation – A review”,https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2017.07.203, Engineering Geology, pp. 23-30.# #2. Wu, C., Chu, J., Wu, S., Guo, W.; 2018; “Quantifying the Permeability Reduction of Biogrouted Rock Fracture”, https://doi.org/10.1007/978-981-10-1445-1, Springer Singapore, pp. 947–954.# #3. Jongvivatsakul, P., Janprasit, K., Nuaklong, P., Pungrasmi, W.; 2019; “Investigation of the crack healing performance in mortar using microbially induced calcium carbonate precipitation (MICP) method”,https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2019.04.035, Construction and Building Materials, pp. 737-744.# #4. Morales, L., Garzón, E., Romero, E., Sánchez-Soto, P.J.; 2019; “Microbiological induced carbonate (CaCO3) precipitation using clay”, https://doi.org/10.1016/j.clay.2019.03.018, Applied Clay Science, pp. 1–24.# 5. Wu, C., Chu, J., Wu, S., Hong, Y.; 2018; “3D characterization of microbially induced carbonate precipitation in rock fracture and the resulted permeability reduction”, https://doi.org/10.1016/j.enggeo.2018.12.07, Construction and Building Materials, pp. 857-876. #6. Silva, F., Boon, N., De-Belie, N., Verstraete, W; 2015; “Industrial Application of Biological Self-healing Concrete: Challenges and Economical Feasibility” ,https://doi.org/10.5912/jcb662, Journal of Commercial Biotechnology, pp. 31–38.# #7. Whiffin, V.S., van-Paassen, L.A., Harkes, M.P.; 2007; “Microbial Carbonate Precipitation as a Soil Improvement Technique”, http://dx.doi.org/10.1080/01490450701436505, Geomicrobiology Journal, pp. 417–423.# #8. Stabnikov, V., Naeimi, M., Ivanov, V., Chu, J.; 2011; “Formation of water-impermeable crust on sand surface using biocement”, https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2011.06.017, Cement and Concrete Research, pp. 1143–1149.# #9. Chu, J., Stabnikov, V., Ivanov, V.; 2012; “Microbially Induced Calcium Carbonate Precipitation on Surface or in the Bulk of Soil”, https://doi.org/10.1080/01490451.2011.592929, Geomicrobiology Journal, pp. 544–549.# #10. Liu, B., Zhu, C., Tang, C.S., Xie, Y.H., Yin, L.Y., Cheng, Q., Shi, B.; 2019; “Bio-remediation of desiccation cracking in clayey soils through microbially induced calcite precipitation (MICP)” ,https://doi.org/10.1016/j.enggeo.2019.105389 ,Engineering Geology, pp. 1-55.# #11. Zhong, L., Islam, M.R.; 1995; “A New Microbial Plugging Process and Its Impact on Fracture Remediation” ,https://doi.org/10.2118/30519-MS , Society of Petroleum Engineers, pp. 1-13.# #12. Castanier, S., Me´tayer-Levrel, G.L., Perthuisot, J.P.; 1999; “Ca-carbonates precipitation and limestone genesis — the microbiogeologist point of view”, https://doi.org/10.1016/S0037-0738(99)00028-7, Sedimentary Geology, pp. 9–23.# #13. Tiano, P., Biagiotti, L., Mastromei, G.; 1999; “Bacterial bio-mediated calcite precipitation for monumental stones conservation: methods of evaluation”, https://doi.org/10.1016/S0167-7012(99)00019-6 , Journal of Microbiological Methods, pp. 139–145.# #14. Richardson, A., Coventry, K., Mark-Forste, A., Jamison, C.; 2014; “Surface consolidation of natural stone materials using microbial induced calcite precipitation” ,https://doi.org/10.1108/SS-07-2013-0028, tructural Survey, pp. 265–278.# #15. Dick, J., De-Windt, W., De-Graef, B, Saveyn, H., Van-der-Meeren, P., De-Belie, N., Verstraete, W.; 2006; “Bio-deposition of a calcium carbonate layer on degraded limestone by Bacillus species”, https://doi.org/10.1007/s10532-005-9006-x, Biodegradation, pp. 357–367.# #16. Lo-Bianco, A., Madonia, G.; 2007; “B.U.L.M. technique for increase of the bearing capacity in the pavement layers subjected to biological treatment”, http://hdl.handle.net/10447/27960, conference, pp. 1-16.# #17. De-Belie, N.; 2010; “Microorganisms versus stony materials: a love–hate Relationship” ,https://doi.org/10.1617/s11527-010-9654-0, Springer Nature, pp. 1191–1202.# #18. Minto, J.M., MacLachlan, E., El-Mountassir, G., Lunn, R. J.; 2016; “Rock fracture grouting with microbially induced carbonate precipitation”, https://doi.org/10.1002/2016WR018884 , Water Resour. Res., pp. 1-18.# #19. Kumar, J., Babu, B., Nadhagopal, G., Ragumaran, S., Ramakritinan, C.M., Ravichandran, V.; 2019; “In vitro synthesis of bio-brick using locally isolated marine ureolytic bacteria, a comparison with natural calcareous rock”, https://doi.org/10.1016/j.ecoleng.2019.07.017 ,Ecological Engineering, pp. 97-105.# #20. Li, Y., Gou, Z., Wang, L., Li, Y, Liu, Z.; 2020; “Shear resistance of MICP cementing material at the interface between calcareous sand and steel” ,https://doi.org/10.1016/j.matlet.2020.128009 ,Materials Letters, pp. 1-4.# #21. Mahawish, A., Bouazza, A., Gates, W.P.; 2016; “Biogrouting Coarse Materials Using Soil-Lift Treatment Strategy” ,https://doi.org/ 10.1139/cgj-2016-0167, Canadian Geotechnical Journal, pp. 53-65.# #22. Qabany, A.A., Mortensen, B, Martinez, B., Soga, K. DeJong, J.; 2011; “Microbial Carbonate Precipitation: Correlation of S-Wave Velocity with Calcite Precipitation” ,https://doi.org/ 10.1061/41165(397)408, Geo-Frontiers Congress 2011, pp. 1-9.# #23. Phillips, A., Cunningham, A.B., Gerlach, R., Hiebert, R., Hwang, C., Lomans, B.P., Westrich, J., Mantilla, C., Kirksey, J., Esposito, R., Spangler, L.; 2016; “Fracture Sealing with Microbially-Induced Calcium Carbonate Precipitation: A Field Study” ,https://doi.org/10.1021/acs.est.5b05559, Environ. Sci. Technol., pp. 1-8.# #24. Mahawish, A., Bouazza, A., Gates, W.P.; 2018; “Strengthening crushed coarse aggregates using bio-grouting” ,https://doi.org/10.1080/17486025.2018.1521999, Geomechanics and Geoengineering, pp. 59-70.# #25. Bernardi, D., DeJong, J.T., Montoya, B.M., Martinez, B.C.; 2014; “Bio-bricks: Biologically cemented sandstone bricks”, https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2014.01.019, Nature, pp. 462–469.# #26. Kim, G., Kim, J., Youn, H.; 2018; “Effect of Temperature, pH, and Reaction Duration on Microbially Induced Calcite Precipitation” ,https://doi.org/10.3390/app8081277, Appl. Sci., pp. 1-10.# #27. Tobler, D.J., Cuthbert, M.O., Phoenix, V.R.; 2014; “Transport of Sporosarcina pasteurii in sandstone and its significance for subsurface engineering technologies” ,https://doi.org/10.1016/j.apgeochem.2014.01.004, Applied Geochemistry, pp. 38–44.# #28. Myers, R. H., Montgomery, D. C., Geoffrey, V. G., Borror C. M. & Kowalski S. M.; 2004; “Response Surface Methodology: A Retrospective and Literature Survey”, https://doi.org/10.1080/00224065.2004.11980252, Journal of Quality Technology, pp. 53-77.#