Enligt EU Science Hub, allt oftare extrema väderhändelser kommer att orsaka allt större skador på infrastrukturen, med förluster som beräknas uppgå till 20 miljarder euro årligen till 2030. Dessa påträngande hot sätter skarpt fokus på behovet av nya svar på problemet med markstabilisering.

Forskare vid EPFL:s Laboratory of Soil Mechanics (LMS) har utvecklat ett antal hållbara lösningar, inklusive en som använder enzymmetabolism. Även om dessa metoder fungerar för ett brett spektrum av jordtyper, de är betydligt mindre effektiva när det gäller lerjordar. I en artikel publicerad idag Vetenskapliga rapporter , teamet visar hur kemiska reaktioner kan förbättras genom att använda ett batteriliknande system för att applicera elektrisk ström.

En ny typ av biocement – ​​producerad in situ och vid omgivningstemperatur – har nyligen föreslagits som en lovande metod för att stabilisera olika jordtyper. Metoden utnyttjar bakteriens metabolism för att producera kalcitkristaller som varaktigt binder samman jordpartiklar. Denna biogeokemiska process är energieffektiv och kostnadseffektiv, och kan rullas ut snabbt under de kommande åren. Men eftersom marken behöver impregneras för att metoden ska fungera, den är mindre lämpad för lågpermeabilitet lerjord. Nu, LMS-teamet har utvecklat och framgångsrikt testat ett hållbart alternativ, vilket innebär att man applicerar elektrisk ström med hjälp av nedsänkta elektroder.

"Våra resultat visar att detta geoelektrokemiska system verkligen påverkar nyckelstadier i förkalkningsprocessen, speciellt bildandet och tillväxten av kristallerna som binder samman jorden och förbättrar dess beteende, "säger Dimitrios Terzis, en forskare vid LMS och en av medförfattarna till artikeln.

Biocementet bildas genom att kemiska arter förs in i jorden. Dessa inkluderar lösta karbonat- och kalciumjoner, som har motsatta avgifter. Nedsänkta anoder och katoder används för att skapa ett elektriskt fält, ungefär på samma sätt som ett gigantiskt batteri. Strömmen tvingar jonerna att röra sig över mediet med låg permeabilitet, där de skär varandra, blanda ihop och så småningom interagera med jordpartiklar. Resultatet är tillväxten av karbonatmineraler, som fungerar som länkar eller "broar" som förbättrar jordens mekaniska prestanda och motståndskraft.

Pappret, som anger lagets resultat från att observera och mäta kvaliteten på dessa mineralbroar, banar väg för framtida utveckling inom området. Ytterligare tester, i olika skalor, behövs innan tekniken kan tillämpas i den verkliga världen. Forskningen utfördes under ett 2018-2023 European Research Council (ERC) Advanced-anslag som tilldelades Prof. Lyesse Laloui, som leder LMS och är medförfattare till tidningen. Projektet har tre vertikaler, inrikta sig på förståelsen av de grundläggande mekanismer som förekommer i jord-partikelskalan (mikroskala), avancerad karakterisering av mekaniska beteenden i laboratorieskala, och storskalig utveckling och demonstration av innovativa system i naturliga miljöer. I juli 2020, samma forskargrupp erhöll ytterligare ett ERC Proof of Concept -bidrag för att påskynda tekniköverföring till industriella applikationer.

Förr, jordar behandlades enbart som en blandning av fast jord, luft och vatten. Enligt medförfattarna, denna forskning belyser hur tvärvetenskapliga tillvägagångssätt – dvs. att dra på begrepp från biologi och elektrokemi och införliva framsteg och mekanismer från andra vetenskapliga områden – kan öppna spännande nya vägar och ge betydande fördelar.