《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Shear Strength and Solidification Mechanism of EICP-Solidified Waste Sand to Improve Loess
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植物源脲酶诱导碳酸钙沉淀（EICP）技术处理含废砂膨胀型黄土，通过28天养护发现2mol/L溶液浓度可使峰值强度提升182.38%，弹性模量提高60.19%，并显著改善微观结构。研究揭示了溶液浓度与养护时间对力学性能及孔隙结构演化的控制规律。
裴帅|杨俊元|刘光宇|张浩然|倪文波|范恒辉|孟敏强
中国陕西省杨凌市西北农林科技大学教育部农业土壤与水工程重点实验室，邮编712100
摘要：
黄土由于胶结力较弱且易受水作用而发生坍塌，对工程安全构成重大威胁。为了提高黄土的抗剪性能，本研究利用植物来源的尿素酶诱导碳酸钙沉淀（EICP）技术来稳定改良后的废砂黄土（WSIL）。通过一系列固结不排水（CU）三轴剪切试验、扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）和能量分散光谱（EDS）分析，系统研究了胶结液浓度和养护时间对EICP固化WSIL的抗剪强度特性和微观结构的影响。结果表明，在CU试验中，EICP固化WSIL的偏应力-应变曲线在塑性硬化范围内表现出较弱的硬化行为。峰值强度、弹性模量、总能量和内聚力与胶结液浓度和养护时间呈正相关。经过28天的养护后，对于胶结液浓度为2mol/L的样品，与未添加胶结剂的样品相比，峰值强度提高了182.38%，弹性模量提高了60.19%，总能量提高了50.60%，内聚力提高了76.88%。随着胶结液浓度的增加，混合物中的孔隙缺陷面积逐渐减少，土壤中的球形碳酸钙晶体从局部覆盖转变为孔隙填充和颗粒胶结。这些发现对于促进可持续的岩土工程实践和增强黄土基础加固具有重要意义。
引言
黄土广泛分布于全球的干旱和半干旱地区，覆盖了全球陆地面积的9%以上[1]、[2]、[3]。在中国，黄土分布广泛且厚度较大，占全国陆地总面积的6.3%[4]。然而，由于其独特的性质，如胶结力弱、孔隙空间大以及吸水后易变形[5]、[6]，在黄土基础上进行工程建设时常面临稳定性问题。这些问题可能导致建筑物开裂、倾斜甚至倒塌，从而造成严重后果[7]、[8]。因此，对黄土基础进行适当的处理对于将其转化为稳定可靠的建筑场地至关重要，以确保人们生命和财产的安全以及设施和设备的长期稳定性。
传统的地基处理方法技术成熟且应用广泛，但存在施工周期长、成本高和浪费土壤资源等问题。随着各学科的交叉发展，微生物诱导的碳酸钙沉淀（MICP）技术作为一种有前景的土壤稳定化技术得到了广泛研究[9]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]。尽管MICP在土壤稳定化方面表现良好，但由于微生物的好氧特性，其应用深度受到限制，难以应用于粉粒土（如淤泥或粘土）[21]。张等人[22]还指出，传统的细菌悬浮液存在保持力差、修复效率低和温度敏感度高的问题，因此提出了高性能细菌乳液（BE）来修复混凝土裂缝。研究结果表明，BE灌浆剂是一种高效、耐久且适应温度范围广的绿色修复材料，适用于混凝土结构。针对MICP的局限性，一种更具实际应用潜力的技术——植物来源的尿素酶诱导碳酸钙沉淀（EICP）引起了全球研究人员的广泛关注[23]、[24]、[25]、[26]、[27]、[28]。与MICP技术相比，EICP在粉粒土（如黄土）中的适用性更强。与EICP技术不同，MICP的反应过程与细菌活性密切相关。常用的巴氏杆菌是好氧细菌，在应用于细粒土时无法获得足够的氧气来维持其生命活动。此外，细菌的胞外聚合物具有负电性，容易吸附在细粒土孔隙中的颗粒表面，导致胶结不均匀。而在工程应用中，外来微生物的引入会影响本土微生物群和土壤的物理化学性质，引发环境安全问题。相比之下，EICP使用的是自由态尿素酶，其体积比细菌小，在微小孔隙中的迁移阻力更低，从而显著提高灌浆效果和加固均匀性[29]。此外，EICP无需考虑细菌的生存和繁殖问题，尿素酶的分子尺寸仅为几纳米，反应条件更为宽松可控，且不会造成环境安全问题，因此更适合用于细粒土的胶结和加固。现有研究表明，EICP中使用的植物来源尿素酶可以有效替代商业尿素酶，降低成本并提高竞争力[30]、[31]、[32]、[33]、[34]、[35]、[36]、[37]、[38]、[39]。吴等人[40]使用粗大豆尿素酶与不同钙盐进行土壤生物矿化实验，发现CaCl?具有最佳的生物矿化效果。张等人[41]表明，在相似的胶结条件下，低尿素活性的沙子经过EICP处理后强度和碳酸钙生成效率更高。张等人[42]发现EICP技术可以在沙粒间形成良好的胶结结构。苗等人[43]证明基于生物矿化的沙子固定技术具有优异的稳定效果，并促进了沙漠环境中的植物生长。孙等人[44]在实地试验中应用EICP处理风积沙，有效减缓了沙漠化进程[45]。黄等人[46]报告称EICP技术改善了回填层的压实度和强度。张等人[47]发现将EICP与木质素结合使用能有效增强黄河淤泥的力学性能。Martin等人[48]观察到添加脱脂奶粉后，土壤颗粒接触点的碳酸钙沉淀量增加。这些研究表明，EICP技术显著提高了土壤的工程性能，增强了土壤强度，并有潜力替代传统的地基处理方法[49]、[50]、[51]，是一种具有良好应用前景的岩土加固技术[52]、[53]、[54]、[55]、[56]、[57]。
EICP技术对土壤的固化效果受多种因素影响，已有大量研究关注温度、pH值、尿素酶浓度和类型等因素[58]、[59]、[60]、[61]。然而，关于养护时间和胶结液浓度影响的研究相对较少。此外，现有关于EICP固化砂土力学性能的实验主要集中在单轴压缩条件下。在实际工程中，土壤通常受到三轴应力状态的影响。因此，本研究探讨了使用EICP技术对废砂加固黄土的固化处理效果。通过进行固结不排水三轴剪切试验，系统揭示了养护时间和胶结液浓度对抗剪强度性能的影响。同时，我们利用扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射（XRD）技术从微观层面分析了固化机制。本研究的结果不仅有助于废砂的高效回收和利用，还为推广和应用EICP技术加固黄土基础提供了理论支持和科学依据。
材料与方法
实验所用土壤取自西安咸阳国际机场T5航站楼新建通道下方2-3米深处。土壤呈黄褐色，经过2mm筛网筛选后用于实验。颗粒大小分布测试按照GB/T 50123-2019标准进行（地质测试方法标准）。颗粒大小分布曲线如下所示
应力-应变关系
围压是决定土壤强度和变形行为的关键因素之一[65]。随着深度的增加，土壤的围压也随之增加。不同围压下试样的偏应力-应变关系如图2所示。
如图2所示，所有试样的偏应力随轴向应变持续增加，但增长速率逐渐减缓。本文第3.2.1节中的SEM分析进一步说明了这一现象
结论
本研究通过CU三轴试验、SEM、XRD和EDS分析，研究了EICP固化WSIL的力学行为和微观结构演变。主要结论如下：
（1）所有试样的偏应力-应变曲线均表现出弱应变硬化特性，与双曲线模型吻合度较高（R2 > 0.95）。峰值偏应力随围压、胶结液浓度和养护时间的增加而显著提高，表明
作者贡献声明
杨俊元：撰写——审稿与编辑，数据整理。裴帅：撰写——初稿，概念构思。张浩然：方法学研究，数据整理。刘光宇：撰写——审稿与编辑，方法学研究。范恒辉：可视化处理，监督。倪文波：数据分析，数据整理。孟敏强：方法学研究，数据分析。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢国家自然科学基金（项目编号52578432）和陕西省教育厅地方专项服务项目（项目编号24JE024）的支持。
