แนวทางใหม่ในการปรับปรุงคุณภาพดินสำหรับงานวิศวกรรมโยธา

November 28, 2016February 23, 2017 rdiwan 5664 Views ปรับปรุงดินเพื่อการก่อสร้าง, ผศ.ดร.บารเมศ วรรธนะภูติ, มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์, วิศวกรรมโยธา, แคลเซียมคาร์บอเนต จากกระบวนการย่อยสลายยูเรีย

ประยุกต์ใช้กระบวนการทางชีวภาพ โดยจุลินทรีย์กระตุ้นปฏิกิริยาทางชีวเคมีในดินให้เกิดการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติทางวิศวกรรมของดิน เป็นแนวทางใหม่ในการปรับปรุงคุณภาพดินเพื่อประโยชน์ในการก่อสร้าง

ภาพจาก Scanning Electron Microscope (ก) เม็ดทรายตัวอย่างก่อนปรับปรุงโดย MICP กำลังขยาย x90, (ข) ผิวเม็ดทรายก่อนปรับปรุงโดย MICP กำลังขยาย x350, (ค) เม็ดทรายตัวอย่างที่ปรับปรุงโดย MICP ซึ่งมี Calcite ยึดเกาะ และ (ง) ผลึกของ Calcite บนเม็ดทราย

ดินในหลายพื้นที่ มีคุณสมบัติด้อยทางวิศวกรรม ส่งผลกระทบต่อการก่อสร้าง และเป็นปัญหาในการบำรุงรักษา การปรับปรุงคุณภาพดินที่มีคุณสมบัติด้อยทางวิศวกรรม เป็นสิ่งจำเป็นเพื่อเพิ่มคุณสมบัติด้านต่างๆทางวิศวกรรมปฐพี ได้แก่ การลดปริมาณน้ำซึ่งอยู่ในช่องว่าง ความสามารถในการรับน้ำหนักบรรทุก กำลังรับแรงเฉือน ความซึมน้ำ เป็นต้น ในปัจจุบันเทคนิคการปรับปรุงคุณภาพดินที่นิยมใช้นั้น ประกอบด้วยกรรมวิธีเชิงกล และทางเคมี เพื่อให้อนุภาคดินเคลื่อนตัวแน่นขึ้น และอนุภาคดินประสานกัน เช่น การบดอัด การลดปริมาณน้ำซึ่งอยู่ในช่องว่างมวลดิน การใช้ปูนซีเมนต์ผสมหรือฉีดลงในดิน รวมทั้งการใส่วัสดุเสริมกำลังในดิน เป็นต้น

อย่างไรก็ตาม กระบวนการปรับปรุงคุณภาพดินสามารถเกิดขึ้นเองตามธรรมชาติ โดยตะกอนดินแปรสภาพเป็นหิน เช่น การทับถมของตะกอนทำให้ดินมีความหนาแน่นมากขึ้น การเชื่อมประสานระหว่างอนุภาคดินจากแร่ธาตุในน้ำใต้ดิน โดยทั่วไปแล้วการเปลี่ยนสภาพดินนี้เกิดขึ้นอย่างช้าๆ แต่ก็อาจสามารถกระตุ้นให้เกิดขึ้นได้อย่างรวดเร็วโดยกระบวนการทางชีวเคมี เร่งให้เกิดการละลายของแร่ธาตุ เกิดการตกตะกอนและการเชื่อมประสานของอนุภาคดิน เช่น ในสภาวะที่เหมาะสม จุลินทรีย์สามารถกระตุ้นปฏิกิริยาทางเคมีในดิน ทำให้เกิดการละลายและตกตะกอนของแคลเซียมคาร์บอเนต หรือเรียกว่า Microbially Induced Carbonate Precipitation (MICP) และเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติทางวิศวกรรมของดินได้

ชุดอุปกรณ์เตรียมตัวอย่าง (ก) ดินทรายตัวอย่างบรรจุในกระบอกขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง 5.4 cm และ สูง 12 cm (ข) อุปกรณ์ประกอบด้วยถังบรรจุเชื้อแบคทีเรีย ถังบรรจุสารละลาย CaCl2 ปั๊มควบคุมอัตราการไหล และ ดินตัวอย่าง

ผศ.ดร.บารเมศ วรรธนะภูติ อาจารย์ประจำภาควิชาวิศวกรรมโยธา คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ ได้ทำการศึกษาเทคนิคชีวภาพ ในการปรับปรุงคุณภาพดินทราย โดยกระบวนการทำให้เกิดการละลายและตกตะกอนของแคลเซียมคาร์บอเนต ซึ่งเกิดจากกระบวนการย่อยสลายยูเรีย (Urea Hydrolysis) และเป็นแนวทางใหม่ในการปรับปรุงคุณภาพดินสำหรับงานวิศวกรรมโยธาที่ไม่ทำลายสิ่งแวดล้อม ซึ่งนับว่าเป็นเทคโนโลยีสะอาดอีกด้วย

กระบวนการผลิตคาร์บอเนตจากจุลินทรีย์ สามารถเร่งให้เกิดขึ้นอย่างรวดเร็วเพื่อปรับปรุงดินทรายให้มีคุณสมบัติทางวิศวกรรมที่ดีขึ้นได้ งานวิจัยจึงได้ทำการคัดแยกและศึกษากระบวนการย่อยสลายยูเรียและการตกตะกอนของแคลเซียมคาร์บอเนต จากแบคทีเรียจำนวน 260 ไอโซเลท ที่มีอยู่ตามธรรมชาติในประเทศไทย เช่น ดิน และ ปูนซีเมนต์

ผลการวิเคราะห์ Energy Dispersive X-ray Spectrometer Analysis (EDX/EDS) (ก) บริเวณผิวเม็นทรายก่อนปรับปรุงโดย MICP และ (ข) ผิวเม็ดทรายหลังปรับปรุงโดย MICP

ความสัมพันธ์ระหว่าง Norma Stress และ Shear Stress ของดินทรายตัวอย่างก่อนและหลังการปรับปรุงโดย MICP

ผลการศึกษาทางจุลชีววิทยาพบว่า Lysinibacillus sp.201 ซึ่งเป็นแบคทีเรียประเภทแอโรบิค มีศักยภาพสูงในการสร้างแคลเซียมคาร์บอเนตจากกระบวนการย่อยสลายยูเรีย โดยดินทรายตัวอย่างที่ใช้ในการศึกษานี้ เป็นดินทรายสำหรับงานก่อสร้างทั่วไป มีส่วนประกอบของแร่ควอทซ์เป็นหลัก นำมาปรับปรุงโดยให้ไหลผ่านเชื้อจุลินทรีย์ดังกล่าว และสารละลายแคลเซียมคอลไรด์ ที่ความเข้มข้น 0.2 โมล่าห์ เป็นระยะเวลา 5 วัน โดยนำดินทรายตัวอย่างใส่ในกระบอกให้มีสภาพแน่นปานกลาง บริเวณด้านบนและด้านล่างของตัวอย่างมีแผ่นกรอง เพื่อไม่ให้ทรายตัวอย่างหลุดออก และนำไปติดตั้งกับชุดเตรียมตัวอย่าง ซึ่งประกอบด้วย ถังบรรจุเชื้อแบคทีเรีย ถังบรรจุสารละลาย CaCl2 และ ปั๊มควบคุมอัตราการไหล ขั้นตอนการปรับปรุงดินตัวอย่าง เริ่มจากการไหลผ่านของน้ำสะอาดประมาณ 30 นาที เพื่อไล่อากาศออกจากดินตัวอย่างและทำให้ดินตัวอย่างมีสภาพอิ่มตัว จากนั้น ทำการเติมเชื้อแบคทีเรียและสารละลาย CaCl2 ไปพร้อมกัน ที่อัตราการไหล ประมาณ 1.5 ml/min เป็นระยเวลา 5 วัน เพื่อสร้าง CaCO3 ในดินตัวอย่างโดยกระบวนการ MICP ทำการล้างสารละลายตกค้างในดินตัวอย่างออกโดยการไหลผ่านของน้ำสะอาด ประมาณ 30 นาที นำดินตัวอย่างในกระบอกที่ผ่านการล้างสารละลายตกค้างไปผึ่งให้แห้งในอุณหภูมิและความชื้นปกติ เป็นเวลา 1 วัน และนำไปอบที่อุณหภูมิ 60 องศาเซลเซียส เป็นเวลา 1 วัน จากนั้น จึงถอดแบบตัวอย่างออก

ทำการทดสอบคุณสมบัติของทรายตัวอย่างหลังจากกระบวนการ MICP โดยการทดสอบคุณสมบัติทางด้านกายภาพ การทดสอบหาปริมาณแคลเซียมคาร์บอเนตที่เกิดขึ้นในดินตัวอย่างโดยการชั่งน้ำหนัก และการวิเคราะห์อัตราส่วนช่องว่างระหว่างเม็ดดิน และค่าความหนาแน่น ทำการทดสอบคุณสมบัติทางด้านวิศวกรรม ประกอบด้วย การทดสอบหาค่าความซึมน้ำ การทดสอบแรงอัดแกนเดียว การทดสอบแรงเฉือนตรง นอกจากนี้ยังมีการสังเกตผลึกของเม็ดดินและแคลเซียมคาร์บอเนต ของดินที่ผ่านกระบวนการ MICP ด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด และการวิเคราะห์ธาตุประกอบของตัวอย่างดิน

ผลวิเคราะห์ พบว่าเกิดผลึกแคลไซท์ประมาณ 7.7 % ถึง 10 % โดยน้ำหนัก ยึดเกาะที่ผิวเม็ดทราย ส่งผลให้เม็ดดินทรายเชื่อมประสานกัน และช่องว่างลดลง จากการทดสอบคุณสมบัติของดินทรายตัวอย่างที่ปรับปรุงโดยจุลินทรีย์พบว่ามีคุณสมบัติทางวิศวกรรมดีขึ้น มีค่าความซึมน้ำลดลง 12 เท่า พัฒนาค่ากำลังรับแรงกดได้ 59 ถึง 97 kPa และการทดสอบทดสอบหากำลังรับแรงเฉือนมีค่าเพิ่มขึ้น