Estabilización de suelos con bacterias Sporosarcina pasteurii

Abstract

This thesis has been focused on optimizing the resistent capacity and reducing the permeability of fine and clay granular soils through the MICP (Microbiologically induced calcite precipitation). MICP is a natural biological process that induces calcium carbonate in the soil through the hydrolysis of urea by bacteria. In addition, it has several applications in the stabilization and restoration of various construction materials. Furthermore allows a high amount of CaCO3 production in a short time. The bacteria chosen to carry out the tests is Sporosarcina Pasteurii, because of its properties that favor these processes. In order to characterize the different parameters that allow optimizing bio stabilization, first several experimental studies have been carried out to determine the characteristics of the culture of the bacteria Sporosarcina Pasteurii and its application to the bio stabilization process. Secondly, unconfined uniaxial compression tests have been carried out on cylindrical soil specimens treated with MICP to assess three different experimental procedures: The first procedure consisted of subjecting the specimens to stabilization treatments with different bacterial concentrations. In the second experimental procedure, the specimens were subjected to freeze - thaw cycle and in the third, the compaction process was incorporated before or after the MICP treatment. Thirdly, direct cutting resistance according to the UNE 103-401-98 standard has been determined from cubic soil test specimens, treated with MICP and different concentrations of bacteria.Fourth, bio stabilization technology has been applied in larger specimens and has been validated through the determination of its bearing capacity. Finally, the influence of bio-stabilization on the permeability of soils has been studied with two experimental approaches. The results show that in the case of controlling the concentration of bacteria and the source and concentration of calcium, the final morphology of the obtained calcium carbonate crystal can be influenced; controlling the amount of unitary crystals, the size of the crystal and the formation of conglomerates may be modified. The treatments and optimum bacterial concentrations for each type of soil are also described. Increases of unconfined uniaxial compression strength reach values up to 790% and 900% for fine sand and coarse sand soils, respectively. On the other hand, the method of determination of the moisture content by means of ultrasounds is especially useful and allows distinguishing the moment in which the test pieces reach the hygrometric equilibrium. To conclude, the obtained results have been tabulated and allowed to know the optimal procedures and parameters that allow maximizing the performance of the bio stabilization depending on the properties of each one of the different types of soils studied.

La presente tesis se ha centrado en optimizar la capacidad resistente y reducir la permeabilidad de suelos granulares finos y arcillosos mediante la MICP (precipitación de carbonato de calcio inducida por bacterias). La MICP es un proceso biológico natural que induce carbonato cálcico en el suelo a través de la hidrólisis de urea por las bacterias. Además, tiene varias aplicaciones en la estabilización y la restauración de diversos materiales en la construcción y permite una alta cantidad de producción de CaCO3 en poco tiempo. La bacteria elegida para la realización de los ensayos ha sido la Sporosarcina pasteurii, debido a que sus propiedades favorecen éstos procesos. Para conseguir caracterizar los diferentes parámetros que nos permiten optimizar la bioestabilización, en primer lugar se han realizado diversos estudios experimentales para determinar las características del cultivo de la bacteria Sporosarcina pasteurii y su aplicación en el proceso de bioestabilización. En segundo lugar, se han llevado a cabo ensayos a compresión uniaxial no confinada sobre probetas cilíndricas de tamaño reducido, tratadas con MICP y realizadas con tres procedimientos experimentales diferentes. El primer procedimiento ha consistido en someter las probetas a tratamientos de estabilización con concentraciones bacterianas diferentes. En el segundo procedimiento experimental, las probetas se han realizado con el ciclo hielo-deshielo y en el tercero, se ha incorporado el proceso de compactación antes o después del tratamiento con MICP. En tercer lugar, se ha determinado la resistencia a corte directo conforme la norma UNE 103-401-98 de probetas cúbicas de suelo que permitieron realizar los ensayos y que habían sido tratadas con MICP y diferentes concentraciones de bacterias. En cuarto lugar, la tecnología de bioestabilización ha sido desarrollada en moldes de mayores dimensiones y ha sido validada a través de la determinación de su capacidad portante. Por último, se ha estudiado la influencia a la permeabilidad de los suelos bioestabilizados, realizados con dos estudios experimentales. Los resultados muestran que en el caso de controlar la concentración de bacterias y también la fuente y la concentración de calcio, se puede influir en la morfología final del cristal de carbonato cálcico obtenido; controlando la cantidad de cristales unitarios, el tamaño del cristal y la formación de conglomerados. También se describen los tratamientos y las concentraciones de bacterias óptimas para cada tipo de suelo. Se consiguen aumentos de resistencia a compresión uniaxial no confinada de hasta 790% y 900% para suelos de arena fina y arena gruesa, respectivamente. Por otra parte, el método de determinación de la humedad mediante ultrasonidos se muestra especialmente útil y permite distinguir el momento en el que las probetas alcanzan el equilibrio higrométrico. Finalmente, se han tabulado los resultados obtenidos, permitiendo conocer los procedimientos y parámetros óptimos que permiten maximizar el rendimiento de la bioestabilización en función de cada uno de los diferentes tipos de suelos estudiados.