PA辅助MICP加固砂在海洋环境中的耐久性

《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》：Durability of PA-assisted MICP-reinforced sand in marine environment

　　

海岸侵蚀导致土地流失，并会随着时间的推移显著改变海岸线。微生物诱导碳酸钙沉淀（microbially induced calcite precipitation, MICP）技术通过利用微生物代谢沉淀碳酸钙，提供了一种生态友好的加固方法，从而提高土壤对海岸侵蚀的抵抗力。然而，长期暴露于海洋环境可能会降低加固效果。本研究引入聚羧酸（polycarboxylic acid, PA）作为添加剂，并研究其对MICP加固砂耐久性的影响。制备了一系列不同PA浓度的样品，并进行原位海洋暴露试验，以评估强度、质量和碳酸钙含量（calcium carbonate content, CCC）的变化。结果表明，添加10%的PA显著提高了砂样的抗压强度和耐久性。海水浸泡21天后，含10% PA的组的强度和CCC保持在暴露前强度的74.24%。二次加固试验进一步表明，遭受侵蚀的样品在重新处理后有效恢复了强度，最大恢复量超过暴露后初始强度4807 kPa。PA不仅增加了碳酸钙的总量，还改善了其在砂中的分布均匀性，从而减少了局部磨损。总体而言，PA的使用显示出增强MICP加固砂耐久性的巨大潜力，而二次加固为延长工程应用的使用寿命提供了一种有效手段。

**论文解读：PA辅助MICP加固砂在海洋环境中的耐久性研究**

**研究背景与意义**
全球海岸侵蚀问题严重，波浪潮汐等自然作用导致沙滩后退、土地流失和基础设施破坏。传统防护措施如抛石、海堤、海滩养护等成本高且可能引起二次侵蚀，而红树林种植生长周期长。微生物诱导碳酸钙沉淀（microbially induced calcite precipitation, MICP）技术通过产脲酶微生物分解尿素生成碳酸根离子（CO₃^2-），与钙离子（Ca²⁺）反应形成碳酸钙（CaCO₃）晶体，胶结土壤颗粒，是一种环保的加固方法。已有实验室研究证实MICP能提升砂土抗侵蚀能力，但多数试验仅考虑单一环境因子，缺乏真实海洋环境（海水浸泡、水动力、温度湿度波动同时作用）下的耐久性评估。此外，为提高耐久性，研究人员提出重复处理和纤维加固等方法，但仍主要在实验室评估。聚羧酸（polycarboxylic acid, PA）作为一种梳状聚合物，含大量羧基，能与钙离子络合、调控沉淀动力学、提供成核位点，因此可能提升MICP效率。本研究旨在真实海洋条件下评估PA辅助MICP处理砂的耐久性和可修复性，重点关注PA添加对耐久性的影响、二次加固的可行性以及微观机制。论文发表在《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》。

**主要关键技术方法**
研究人员采用三亚潮间带采集的海洋砂，去除大于2 mm颗粒后制样。菌种为*Sporosarcina pasteurii*（CGMCC 1.3687），菌悬液脲酶活性约25 kU/L。样品通过浸泡法制备成直径38 mm、高78 mm的砂柱，相对密度50%。胶结液含1 M尿素、1 M CaCl₂及不同浓度PA（0%、5%、10%、15%），并通入空气增强反应。样品在三亚海洋研究站进行原位暴露试验，浸没在海水下2–4 m，分别暴露7、14、21 d。暴露后部分样品进行二次加固：再次浸泡菌液和相同PA浓度的胶结液，继续通氧气3 d。评估指标包括无侧限抗压强度（unconfined compressive strength, UCS）、碳酸钙含量（calcium carbonate content, CCC）、质量损失率，并采用扫描电子显微镜（scanning electron microscopy, SEM）和X射线衍射（X-ray diffraction, XRD）进行微观分析。

**研究结果**

**3.1 强度与质量损失**
通过UCS测试发现，随着PA浓度增加，UCS先升后降，10% PA组达到最大值2942 kPa，为无PA组的9.1倍。海水浸泡后各组UCS均下降，21 d后15% PA组强度损失最大，10% PA组损失最小（残余强度为暴露前的74.24%）。质量损失随浸泡时间增加，0% PA组损失最高达6.58%，所有组均表现出初期快速损失后速率减缓的趋势，15% PA组损失更平缓稳定。

**3.2 二次加固效果**
二次加固后所有样品UCS显著提升，超过暴露前水平。14 d浸泡后10% PA组达到最高UCS 6613 kPa。对于给定浸泡时长，UCS随PA浓度先升后降，7 d组最优浓度为5%，14 d和21 d组为10%。应力-应变曲线显示二次加固后强度和刚度增加，但脆性也增大。

**3.3 破坏模式**
通过观察破坏形态，0% PA组出现顶部剪切破坏，端部砂粒流失严重；5% PA组中部易完全断裂；10% PA组表面呈现蜂窝状剥蚀，局部弱区随浸泡时间扩大；15% PA组在与样品篮接触面出现显著侵蚀，归因于低碳酸钙产量和分布均匀但总量不足。

**3.4 碳酸钙含量与分布**
CCC测量显示10% PA组含量最高，0%和15%组相近，浸泡期间各组CCC基本稳定。通过分区（外部、内部、截面）CCC分析，PA改善了空间均匀性，10% PA组均匀性最优（变异系数最低）。无PA组外部CCC可达内部的三倍。浸泡时间对CCC空间分布比例影响较小。

**3.5 微观分析**
SEM图像显示，21 d海水浸泡后无PA组颗粒接触处的碳酸钙部分被冲刷脱落，而10% PA组内部和外部碳酸钙更多、晶体更大，二次加固后颗粒间碳酸钙显著增加。XRD结果表明所有PA浓度下碳酸钙主要以方解石（calcite）晶型存在，方解石稳定性高、强度好，有利于加固。

**讨论与结论**
**讨论总结**：PA通过增加碳酸钙总量和改善分布均匀性提升耐久性。在5% PA时产量增加但分布仍不均，导致脆性断裂；10% PA时产量和均匀性均最优，形成蜂窝状局部损伤；15% PA时过量PA与Ca²⁺过度络合抑制沉淀，导致保护不足。二次加固可有效恢复并增强强度，由于初始阶段弱区优先侵蚀但内部完整，建议二次加固间隔期为7–14 d，此时强度尚未显著下降，而加固过早会增加成本。通过对比质量损失与强度损失关系，发现本研究中强度损失远大于质量损失，表明关键结构区域损伤主导性能退化，而非整体质量损失。

**研究结论翻译**：为评估PA辅助MICP处理砂在海水浸泡下的耐久性和修复能力，研究人员制备了不同PA浓度的系列样品，并进行原位海洋暴露试验，系统评价了强度、质量损失和CCC的变化。主要结论如下：（1）在胶结液浓度和菌活性恒定时，砂柱抗压强度随PA浓度先升后降，10% PA时达到最大值2942 kPa，随后在15% PA时骤降至332 kPa，该趋势主要由CCC变化决定，凸显碳酸钙产量在PA辅助MICP处理砂力学性能中的关键作用。（2）随着海洋暴露时间延长，加固砂柱逐渐劣化，强度持续下降，最终发生局部或整体破坏。颗粒接触处较高的CCC增强了胶结和荷载传递，从而缓解结构劣化，降低海洋条件下破坏的可能性。（3）二次加固被证明是恢复和提升MICP处理砂柱在海洋环境中抗压强度和抗侵蚀能力的有效策略。这些结果表明，通过二次加固进行常规维护可显著提高生物胶结土在海岸和近海应用中的长期强度和耐久性。尽管如此，本研究存在局限性：暴露时间较短无法全面反映长期退化行为；实验采用实验室制备的样品而非原位加固沙滩砂，结果的可迁移性有限；UCS测试仅提供简化的力学评估，未能充分代表海洋环境中的复杂应力状态。未来研究应结合三轴和循环加载试验以更好地模拟实际海洋荷载条件，并进一步评估PA辅助MICP在野外场景下的长期性能。