《Processes》：Mechanical Enhancement of Silt for Subgrade Filler Using Non-Fat Milk Powder-Assisted Enzyme-Induced Calcium Carbonate Precipitation
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摘要：由于粉土（silt）抗剪强度和抗变形能力低，通常不宜直接用作路基填筑材料。本研究提出一种利用添加脱脂奶粉（non-fat milk powder）的酶诱导碳酸钙沉淀（Enzyme-Induced Calcium Carbonate Precipitati
摘要：由于粉土（silt）抗剪强度和抗变形能力低，通常不宜直接用作路基填筑材料。本研究提出一种利用添加脱脂奶粉（non-fat milk powder）的酶诱导碳酸钙沉淀（Enzyme-Induced Calcium Carbonate Precipitation, EICP）技术改良粉土，以提升其作为路基填料的力学性能。研究人员通过固结不排水（Consolidated Undrained, CU）三轴剪切试验考察了EICP处理对粉土内摩擦角和抗剪强度等力学性质的影响。结果表明，掺入脱脂奶粉的EICP技术因改善了粉土颗粒间的胶结能力，显著增强了粉土的力学行为。此外，推荐脱脂奶粉最佳掺量为6 g/L以提升力学性能。与单独EICP处理相比，在6 g/L脱脂奶粉及养护14 d的最优条件下，抗剪强度、黏聚力和内摩擦角分别提高了44.1%、51.86%和31.4%。最后，研究人员利用扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscopy, SEM）和X射线衍射（X-ray Diffraction, XRD）进行微观分析，阐明了粉土改良的作用机理。本研究结果为采用脱脂奶粉辅助EICP技术改良粉土的应用提供了指导。
论文解读：脱脂奶粉辅助EICP技术改良粉土及其路基工程应用研究
一、研究背景与目的
黄河泛滥区粉土（silt）颗粒级配不良、饱和状态下易受动载作用丧失强度，直接导致路基失稳与塌陷等工程病害。传统土壤加固含物理、化学及生物法，其中微生物诱导碳酸钙沉淀（Microbially Induced Calcite Precipitation, MICP）虽环保但因培养复杂受限。酶诱导碳酸钙沉淀（Enzyme-Induced Calcium Carbonate Precipitation, EICP）利用植物源脲酶催化尿素水解产碳酸钙胶结土颗粒，具操作简、环境影响小及利于细粒土溶液运移等优势，但其常因无定形晶体生成及脲酶活性不稳定导致胶结产物脆、加固效果不及MICP。脱脂奶粉（non-fat milk powder）富含酪蛋白（casein），可提供成核位点、调控方解石结晶与聚集。本研究引入脱脂奶粉辅助EICP处理粉土，旨在通过实验室试验明确其对粉土力学增强效应及微观机理，确定适宜脱脂奶粉掺量与养护龄期，为路基工程应用提供参考。《Processes》刊载的此研究填补了廉价蛋白添加剂改善EICP加固粉土效果的实验空白。
二、主要关键技术方法
研究人员采集河南开封黄河泛滥区粉土（最优含水率15.6%，压实度95%），以大豆提取脲酶（soybean-extracted urease）与0.8 mol/L醋酸钙—尿素（摩尔比1:1）反应液制备EICP溶液，按0、2、4、6、8、10 g/L掺入脱脂奶粉完全替代拌合水制样。试样制成Φ38 mm×75 mm圆柱体，恒温恒湿养护后真空饱和8 h，开展不同围压（30、60、90 kPa）固结不排水（Consolidated Undrained, CU）三轴剪切试验获取抗剪强度参数；反应后依国标EDTA滴定法测碳酸钙含量；选取典型试样以扫描电镜（Scanning Electron Microscopy, SEM）观测晶体形貌、X射线衍射（X-ray Diffraction, XRD）鉴定晶型。
三、研究结果
3. Results and Analysis（结果与分折）
研究人员对不同脱脂奶粉掺量及养护龄期试样做CU试验发现：各养护龄期下，随脱脂奶粉掺量增加粉土抗剪强度先升后趋平缓；以7 d养护为例，0~6 g/L区间强度上升，超6 g/L后基本不增，故判定6 g/L为提升EICP处理粉土抗剪强度的有利掺量。选6 g/L组考察养护龄期影响，不同围压下改良粉土抗剪强度随养护龄期延长先明显增长后趋缓；7 d增至14 d时抗剪强度最大增幅24.8%，14 d增至28 d仅最大增幅8%，表明主要强度增益发生于前14 d，14 d养护兼顾强度与工期。
4. Discussion（讨论）
4.1. Micro Analysis（微观分析）
SEM显示单独EICP生成的碳酸钙多为棱角状、团聚体间存孔隙；掺脱脂奶粉后碳酸钙呈球状、表面光滑且紧密搭接土颗粒形成胶凝。单独EICP产物为方解石加少量球霰石（vaterite），掺脱脂奶粉后XRD表明方解石（calcite）为主晶型、球霰石峰减弱，说明脱脂奶粉中酪蛋白促碳酸钙更稳定晶型与球形密实堆积，非单纯增量而是改晶体形貌与聚集模式增强颗粒间键合。
4.2. Cohesion（黏聚力）
由Mohr—Coulomb强度包络线得：改良粉土黏聚力随脱脂奶粉掺量0~6 g/L持续增大，超6 g/L后基本不变；6 g/L掺量养护7、14、28 d黏聚力分别为26.04、33.82、34.04 kPa，较单独EICP提高28.21%、51.86%、43.69%。选6 g/L考察龄期影响，黏聚力7~14 d显著增长、14~28 d基本稳定，表明脱脂奶粉加速早期胶结发育。与文献对比，未处理粉土初始黏聚力极低，EICP使其28 d提高97.6%，脱脂奶粉辅助EICP使其提高达177.1%，证实脱脂奶粉强化了碳酸钙对土颗粒的胶结。
4.3. Internal Friction Angle（内摩擦角）
内摩擦角反映颗粒间摩阻力与嵌锁。掺脱脂奶粉使碳酸钙填充孔隙并改变接触状态，随掺量增内摩擦角持续升但增速递减；28 d养护时超6 g/L后增幅受限。6 g/L组内摩擦角随养护龄期7~28 d缓慢上升，表明颗粒接触渐改善。碳酸钙总量检测为0.71%~0.82%且各组差异不大，证明强度参数提升非碳酸钙产量增加，而是脱脂奶粉提供成核位点促球形方解石密实聚集、优化胶结形态所致。
四、结论总结（翻译自Conclusions）
(1) 添加脱脂奶粉可改善EICP处理粉土加固效果。相较于单独EICP，在6 g/L脱脂奶粉及养护14 d有利条件下，粉土抗剪强度、黏聚力及内摩擦角分别提升44.1%、51.86%及31.4%。
(2) SEM观察显示EICP单独生成的碳酸钙多呈汉堡状或椭球状伴部分棱角；添加脱脂奶粉后碳酸钙晶体更趋球形且表面光滑。XRD定性表明脱脂奶粉加入后方解石成为主导晶型，球霰石相关峰减弱。
(3) 抗剪强度、黏聚力及内摩擦角在养护前14 d内显著增长，14 d后增幅有限。脱脂奶粉掺量超6 g/L后三项指标无明显进一步改善，故本实验室条件下推荐6 g/L脱脂奶粉掺量配合14 d养护为有利处理条件。
本研究基于室内拌合试验，后续需定量图像分析、晶粒径测量及孔隙结构表征深化机理验证，该方法在现场路基处理中的施工可行性与长期性能尚待进一步研究。
