Utilização da biotecnologia para a estabilização de solos: Precipitação de CaCO3 por via enzimática

Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Civil apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de CoimbraA utilização de solos com fracas propriedades geotécnicas geralmente requer a melhoria das suas características naturais. Uma das técnicas de melhoramento de solos mais promissoras num futuro próximo é a sua estabilização através da precipitação do carbonato de cálcio (CaCO3), designada também por biocalcificação ou bioestabilização. Este processo é normalmente efetuado com a introdução exógena da bactéria Sporosarcina pasteurri de maneira a promover a hidrólise da ureia por via da enzima urease. De maneira a contornar a complexidade do processo de cultivação e armazenamento de bactérias, que habitualmente necessita de condições ambientais especiais, neste estudo utiliza-se um método alternativo para promover a precipitação do carbonato e cálcio. Assim, é feita a precipitação de CaCO3 por via enzimática, onde se mistura o solo com uma solução aquosa que contém os reagentes ureia e cloreto de cálcio e a enzima urease. Este trabalho visa estudar o efeito da combinação de diversas quantidades da enzima urease e dos reagentes no processo de biocalcificação de um saibro recolhido na cidade de Leiria. Numa primeira fase, este método é experimentado em tubos de ensaio, na ausência de solo, de maneira a quantificar a precipitação de CaCO3, fazendo variar a dosagem de enzima urease, a concentração de ureia-CaCl2 e o tempo de reação de precipitação, por forma a definir o ensaio base para a aplicação em provetes de solo. O material precipitado é ainda sujeito a testes XRD. Posteriormente, o processo repete-se com a inclusão do solo, num meio poroso, onde os parâmetros objeto de estudo são a dosagem de enzima urease, a concentração de ureia-CaCl2, o tempo de cura, o teor em solução estabilizadora, e as condições de cura (câmara termohigrométrica e ambiente). O fortalecimento do solo bioestabilizado é avaliado através de ensaios de compressão simples não confinados. Nesta fase foram também realizados testes SEM e XRD em amostras de solo bioestabilizado. Assim, adicionando aos provetes de solo 4 kU/L de urease, 0,75 mol/L de ureia-CaCl2, num volume de solução equivalente ao teor ótimo do ensaio Proctor normal, e com 28 dias de cura em câmara húmida, observa-se uma duplicação da resistência e rigidez do solo, através do processo de biocalcificação, face ao material não estabilizadoSoils with poor geotechnical properties generally require the improvement of their natural characteristics. One of the most promising future techniques to improve the characteristics of natural soils is the microbial induced calcium carbonate precipitation (CaCO3), also known as biocalcification or biostabilization. The microbial induced CaCO3 precipitation in porous soils usually occurs by adding the exogenous bacterium Sporosarcina pasteurii to promote urea hydrolysis via the enzyme urease. In order to avoid the complex process of the cultivation and storage of bacteria, which frequently requires special environments, an alternative method to promote the CaCO3 precipitation in a porous medium, is the enzymatic CaCO3 precipitation, which is performed by mixing the soil with an aqueous solution containing urea, calcium chloride and the urease enzyme. This study discusses the effect of combining different amounts of urease enzyme and reagents in biocalcification process of a sandy soil collected in the city of Leiria. In a first step, this method has been carried in test tubes, without soil, in order to quantify the precipitation of CaCO3 by varying the amount of urease enzyme, concentration of urea CaCl2 and the reaction time, with development of the test model for the soil specimen. The precipitated material is analyzed using XRD technique. Afterwards the process is repeated with the soil, a porous medium, where the parameters under study are the amount of urease enzyme, the concentration of urea CaCl2, the curing time, the concentration of stabilizer solution and the curing conditions (hygrothermal chamber and ambient). The strengthening of biostabilized soil is evaluated by unconfined compressive tests. At this stage, SEM and XRD tests were performed on the biostabilized soil samples. It has been observed that by adding to the soil samples 4 kU/L urease, 0,75 mol/L urea-CaCl2, in a volume of solution equal to the optimal moisture content determined by normal Proctor test, and 28 curing days in a hygrothermal chamber, is possible to obtain the doubling of the strength and stiffness of the soil ocurred, through biocalcification process when compared with the unstabilized material