ASSESSMENT OF DIFFERENT TREATMENT METHODS BY MICROBIAL-INDUCED CALCITE PRECIPITATION FOR CLAYEY SOIL IMPROVEMENT

Mohamed Shahin, Liang Cheng

In the proceedings of: GeoQuébec 2015: 68th Canadian Geotechnical Conference & 7th Canadian Permafrost Conference

Session: Problematic Soils and Ground Improvement II / Sols problématiques et amélioration du comportement II

ABSTRACT: Microbial-induced calcite precipitation (MICP) utilises the metabolic pathway of ureolytic bacteria to form calcium carbonate precipitation throughout the soil matrix, leading to increased soil strength and stiffness. MICP has proved to be an efficient technique for treatment of clean sand; however, there is lack of knowledge for MICP treatment of clayey soils. This paper assesses three different MICP methods including injection, premixing and diffusion, for treatment of clayey sand containing up to 20% clay content. The results indicate that the injection method is applicable only of treating sand columns that contain < 5% clay content, with an exponential relationship between the unconfined compressive strength (UCS) and calcite content similar to that of treated pure sand samples. The premixing method, on the other hand, allowed a homogeneous placement of the bacteria cells in the sand columns and the subsequent injection of cementation solution under low pressure of 100 kPa enabled an adequate bio-cementation along specimens that contain up to 10% clay content, resulting in up to 150% increase in the UCS values. The results also show that sand columns with 20% clay content can be treated using the diffusion method, leading to increased UCS values of up to 200% depending on the treatment duration. The overall conclusion of this study is that bio-cementation of clayey soils is a tremendous challenge and requires further investigation on the ureolytic bacteria placement and supply of cementation solution at large scale before field application.

RÉSUMÉ: La précipitation de la calcite par les microbes (MICP) utilise la voie métabolique des bactéries uréolytiques pour former un précipité de carbonate de calcium à travers la matrice du sol, conduisant à une augmentation de la résistance et de la rigidité du sol. La technique MICP s™est avérée efficace pour le traitement d™un sable propre. Cependant, les connaissances sur le traitement des sols argileux par cette technique sont limitées. Cet article étudie trois méthodes différentes de traitement MICP (l'injection, le pré-mélange, et la diffusion) et ce, pour les sables argileux qui contiennent jusqu'à 20% d™argile. Les résultats indiquent que le procédé par injection est applicable seulement à des colonnes de sable contenant moins de 5% de teneur en argile, avec une relation exponentielle entre la résistance à la compression non confinée (UCS) et la teneur en calcite comme c™est le cas pour les échantillons de sable pur traités. D'autre part, le procédé de pré-mélange a permis une mise en place homogène des cellules bactériennes dans les colonnes de sable. L'injection de solution de cimentation sous basse pression de 100 kPa qui s™en suit, permet une bio-cimentation adéquate le long des échantillons qui contiennent jusqu'à 10% d'argile, aboutissant à une augmentation de 150% des valeurs UCS. Les résultats montrent également que les colonnes de sable avec 20% de teneur en argile peuvent être traitées selon la méthode de diffusion, conduisant à une augmentation des valeurs UCS jusqu'à 200% en fonction de la durée du traitement. La conclusion générale de cette étude est que la bio-cimentation des sols argileux est un énorme défi et nécessite une recherche plus approfondie sur la mise en place des bactéries uréolytiques et l™approvisionnement d'une solution de cimentation à grande échelle avant l'application in situ. .

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