增强水洗再生砂力学性能：酶诱导碳酸盐沉淀（EICP）与土工格栅加固的协同效应

《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》：Enhancing the mechanical properties of washed recycled sand: Synergistic effects of EICP and geogrid reinforcement

　　

研究人员针对水洗再生砂低黏聚力与抗侵蚀性差导致的工程风险，提出将酶诱导碳酸盐沉淀（Enzyme-Induced Carbonate Precipitation, EICP）技术与土工格栅加固相结合的复合增强策略。研究采用响应面法（Response Surface Methodology, RSM）分析胶结剂-酶比（CER, X1）、中值粒径D50（X2）及格栅埋置深度（DG, X3）对EICP-格栅联合处理砂（Sand Treated with both EICP and Geogrid, STEG）力学性能的交互影响，并以无侧限抗压强度（UCS）、碳酸钙含量（Calcium Carbonate Content, CCC）、波速、渗透系数及表面裂缝形态为核心评价指标。结果表明，三因素均显著影响STEG强度且存在显著交互作用；最优参数为CER=1:2.01、D50=1.149 mm、DG=2.817 cm，对应最大UCS达4.59 MPa。EICP生成的碳酸钙晶体有效填充孔隙，提升波速与强度并降低渗透性；粒子图像测速（Particle Image Velocimetry, PIV）证实格栅通过抑制裂缝扩展与侧向变形，显著提高峰值强度与韧性。该协同机制为提升砂土力学性能和建筑垃圾资源化提供了新思路。

研究背景与意义

水洗再生砂源自建筑垃圾回收，因低黏聚力与抗侵蚀性差，在工程应用中存在风险，限制了其资源化利用。传统单一加固技术中，土工格栅在低黏聚力砂土中因界面互锁不足难以充分发挥抗拉强度；酶诱导碳酸盐沉淀（EICP）虽能通过碳酸钙胶结提升砂土强度，但存在脆性大、延性不足的缺陷。因此，研究人员提出将EICP与土工格栅结合，利用EICP填充孔隙以增强砂-格栅界面摩擦，同时借助格栅约束抑制EICP固化砂的脆性破坏，旨在解决两类技术的局限性，为水洗再生砂的工程应用提供高效复合加固方案。该研究成果发表于《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》。

关键技术方法

研究人员以福建某洗砂厂产水洗再生砂（石英占比约95%）为对象，制备5种中值粒径D₅₀（0.4–2.0 mm）的样本；采用大豆粗脲酶提取液与胶结液（CaCl₂与尿素摩尔比1:1）按不同体积比配置EICP处理液；通过湿捣法制备直径50 mm、高100 mm的砂柱，内置双向玻纤土工格栅（网格尺寸12.7×12.7 mm，抗拉强度30 kN/股），采用单阶段灌浆法实施EICP处理；运用中心复合设计（Central Composite Design, CCD）响应面法优化CER、D₅₀、DG三因素；结合无侧限压缩试验、粒子图像测速（PIV）、超声波脉冲速度（Ultrasonic Pulse Velocity, UPV）测试、渗透试验、碳酸钙含量（CCC）酸洗测定及扫描电镜（Scanning Electron Microscopy, SEM）微观表征，系统评价STEG的宏观性能与细观机制。

研究结果

3. 响应面法（RSM）结果

回归模型经方差分析（ANOVA）验证具高度显著性（P<0.0001），R²达96%（10次灌浆）与99%（15次灌浆），预测值与实测值相对误差低于2.2%。单因素影响表明：UCS随CER增大呈先升后降趋势，峰值位于1:2；随D₅₀增加亦呈先升后降，最优值为1.2 mm；随DG增大在0–30 mm区间上升，30 mm达峰值后下降。响应面交互分析显示三因素间存在显著非线性交互作用，共同决定STEG强度。优化参数下，15次灌浆后预测UCS为4.59 MPa，实测值4.66 MPa，误差仅1.57%。

4. EICP胶结砂的物理力学性能

4.1 碳酸钙含量（CCC）

CCC随D₅₀增大而增加（0.4 mm时为9.36%，2.0 mm时为14.23%），因大粒径砂孔隙率高利于溶液渗透；随CER呈先增后减趋势，1:2时最高，过高或过低的CER均抑制脲酶活性或钙源供给。CCC与UCS总体正相关，但其空间分布均匀性亦显著影响强度。

4.2 超声波波速

波速变化规律与CCC一致，10次与15次灌浆均在CER=1:2时达峰值；15次灌浆后D₅₀=1.2 mm样本波速最高，细颗粒样本（0.4 mm）因孔隙小、溶液渗透受限导致波速增幅仅5.43%，粗颗粒样本（2.0 mm）则因孔隙发达、渗透充分致波速提升50%。

4.3 渗透性

渗透系数随灌浆次数增加而降低，CER对其影响较小；随D₅₀增大而升高，因大粒径砂残留孔隙更多。10至15次灌浆间，D₅₀=2.0 mm样本渗透系数降幅7.9%，D₅₀=0.4 mm样本仅降2.5%。

4.4 应力-应变行为

格栅加固样本峰值强度较未加固组提高40%以上，轴向应变达峰值时的变形能力显著增强，15次灌浆后呈现渐进式峰后软化，脆性明显改善。格栅在轴向应变超过1.6%后开始发挥抗拉作用，可补偿灌浆次数不足导致的强度缺口。

4.5 破坏模式

PIV分析显示，未加固样本呈中部剪切裂缝快速发展、脆性共轭破坏；加固样本裂缝集中于中上部且扩展受格栅限制，破坏模式转为剪切膨胀型，结构完整性得以保持。格栅表面附着碳酸钙晶体，增强了与砂粒的机械互锁。

4.6 微观结果

SEM观测表明，CER影响碳酸钙晶型与尺寸：CER=1:5时以球状球霰石为主，CER=1:2时以菱形方解石为主，后者晶间结合力更强，对强度贡献更大；D₅₀=1.2 mm时碳酸钙在颗粒接触点形成有效桥接，D₅₀=2.0 mm时则多为无效堆积。

4.7 加固机制讨论

EICP通过碳酸钙填充将砂-格栅点接触转化为面接触，提升界面摩擦；格栅网格为碳酸钙沉积提供成核位点，增强化学胶结与表面粗糙度；玻纤格栅表面溶出硅离子进一步强化与砂基的键合。三者协同实现“胶结增强界面摩擦-格栅约束变形-裂缝扩展抑制”的复合加固效应。

结论

研究证实EICP与土工格栅协同加固水洗再生砂具有显著增强效应：响应面模型可靠预测最优参数（CER=1:2.01、D₅₀=1.149 mm、DG=2.817 cm），对应UCS达4.59 MPa；EICP提升密实度与波速并降低渗透性，格栅通过抑制侧向变形与裂缝扩展改善延性；微观上碳酸钙晶型与分布控制胶结效率，砂-格栅界面互锁机制因碳酸钙填充而充分激活。该技术为建筑垃圾资源化与路基加固提供了兼具高强度与高韧性的创新解决方案。