Mejora de los suelos compactados mediante herramientas biotecnológicas (improvement of compacted soils by biotechnological tools)

The present research focuses on the use of microorganisms as a biotechnological tool in earthworks to improve the hydro-mechanical behaviour of compacted soils. Increasing attention to environmental problems and to the reduction of CO2 emissions are promoting this type of research for alternative construction materials and procedures in geotechnical engineering, to reduce energetic costs and environmental impact to a minimum. The investigation has been developed within the research project entitled BIOLIN, conducted by the University of Almeria and an industrial partner ACCIONA Infraestructuras, allowing a transfer of knowledge to the business field. This fact determines the thesis structure, which is divided into two main parts: a "preliminary study" marked by the industrial partner concerns and a "comprehensive study" conducted in accordance with the results obtained in the previous part. From these results, modifications arise that extend the scope of the thesis. The study relies on the capacity of some bacteria to precipitate substances with stabilizing properties, in particular calcium carbonate (CaCO3). The application of this type of microbiological treatment has been widely used in natural sandy soils, but it has not been tested on compacted soils, which are often used in earthworks where the treatment has not been studied in a comprehensive way. To this end, this thesis analyses the changes undergone on the physico-chemical and hydro-mechanical properties of compacted soils when this biotechnological tool is used. After a comprehensive state of the art review on the use of microbiological treatment for geotechnical purposes, three different soils typically used in earthworks were characterized and studied. In all soils, the microbiological treatment reduced the initial percentage of fines, by inducing aggregation, although this effect was masked by subsequent compaction. This post-ageing compaction resulted in the breakage of some aggregates, which required higher compaction energy on treated samples compared to untreated samples to obtain equivalent void ratios. Therefore, the CaCO3 formed during treatment prior to compaction, acted as a filler material rather than a cementing agent. Mercury intrusion porosimetry tests suggested that this fill material affects a certain range of pores, limited by the size of the microorganisms. Although part of the CaCO3 is destroyed during compaction, treated soils showed some increase in the shear strength (increase in friction angle), lower collapse deformation on wetting, reduced water permeability and some increase in the small-strain stiffness. After this initial study, two improved protocols were defined in the second part of the thesis. One of the proposed protocols considered compacting before ageing. The inoculated soil was immediately compacted to allow bioclogging and biocementation processes to take place, since CaCO3 precipitated were not destroyed during compaction. The behaviour of treated samples with the new protocol was then compared to the response of the samples treated with the original protocol and to the behaviour of untreated samples. Mercury intrusion porosimetry tests performed along the ageing process showed a different behavioural pattern compared to the previous results, in which a consistent increase in the micropore volume was detected. The results also showed a clear increase in the small-strain stiffness during ageing, which required considering the parallel effects of suction changes induced by evaporation and the water consumption required by the microbiological activity. Resumen El presente trabajo de investigacion se centra en el uso de microorganismos como futura herramienta biotecnologica para mejorar el comportamiento hidro-mecanico de los suelos. La creciente preocupacion por los problemas ambientales y los compromisos adquiridos para reducir las emisiones de CO2 han promovido la investigacion en materiales y procedimientos constructivos alternativos, para reducir los costes energeticos y el impacto ambiental al minimo. La investigacion se ha desarrollado dentro del proyecto de investigacion BIOLIN, llevado a cabo por la Universidad de Almeria y ACCIONA Infraestructuras, permitiendo una transferencia del conocimiento al campo empresarial. Este hecho determina la estructura de la tesis que se divide en dos grandes bloques: un ?estudio preliminar? marcado por las preocupaciones de la empresa y un ?estudio exhaustivo?, llevado a cabo en funcion de los resultados obtenidos en el bloque anterior, a partir de los cuales se plantean modificaciones que amplian el alcance de la tesis. El estudio se basa en la capacidad que tienen algunas bacterias para precipitar sustancias con propiedades estabilizantes, en particular, carbonato calcico (CaCO3). La aplicacion de este tipo de tratamiento microbiologico ha sido ampliamente usado en suelos arenosos naturales, pero no ha sido probado en suelos compactados, que se utilizan a menudo en movimientos de tierra, donde el tratamiento no se ha estudiado de forma exhaustiva. Para este fin, la presente tesis analiza los cambios experimentados en las propiedades fisico-quimicas y hidro-mecanicas de los suelos compactados cuando se utiliza este tipo de herramienta biotecnologica. Despues de una revision exhaustiva del estado del arte sobre el uso de tratamientos microbiologicos para fines geotecnicos, tres suelos diferentes utilizados tipicamente en movimientos de tierra se caracterizaron y se estudiaron. En todos los suelos, el tratamiento microbiologico redujo el porcentaje inicial de finos, favoreciendo la formacion de agregados, aunque este efecto fue enmascarado por la posterior compactacion. Esta compactacion post-envejecimiento dio lugar a la rotura de algunos agregados, los cuales requieren una mayor energia de compactacion en las muestras tratadas, para obtener indices de vacio equivalentes a las muestras sin tratar. Por lo tanto, el CaCO3 formado durante el tratamiento antes de la compactacion, actuo como un material de relleno en lugar de un agente cementante. Los ensayos de porosimetria por intrusion de mercurio, mostraron como este material de relleno afecta a un determinado rango de poros, limitado por el tamano de los microorganismos. A pesar de que parte del CaCO3 se destruye durante la compactacion, los suelos tratados mostraron cierto incremento en la resistencia a la cizalladura (aumento del angulo de friccion), una menor deformacion por colapso durante el humedecimiento de la muestra, una reduccion en la permeabilidad al agua y cierto aumento en la rigidez a pequenas deformaciones. Despues de este estudio inicial, se definieron dos protocolos mejorados, en la segunda parte de la tesis. Uno de los protocolos propuestos considera la compactacion antes del envejecimiento del suelo. El suelo inoculado se compacto inmediatamente para permitir que los procesos de bioclogging y biocementation tuvieran lugar, ya que el CaCO3 precipitado no se destruye durante la compactacion. A continuacion, el comportamiento de las muestras tratadas con el nuevo protocolo se comparo con la respuesta de las muestras tratadas con el protocolo original y con el comportamiento de las muestras no tratadas. Los ensayos de porosimetria por intrusion de mercurio, realizados a lo largo del proceso de envejecimiento, mostraron un patron de comportamiento diferente en comparacion con los resultados anteriores, en los que se detecto un aumento constante en el volumen de microporos. Los resultados tambien mostraron un claro incremento en la rigidez a pequenas deformaciones durante el envejecimiento, que requirio considerar de forma paralela, el efecto de la succion inducida por la evaporacion y el consumo de agua requerido por la actividad microbiologica.