一种基于钙木质素磺酸盐强化、酶诱导碳酸盐沉淀的生物混合矿化策略，用于提高黄土路基的渗透阻力

《Sustainable Materials and Technologies》：A biohybrid mineralization strategy based on calcium lignosulfonate–reinforced enzyme-induced carbonate precipitation for improving loess roadbed permeability resistance

黄土路床水侵蚀控制中生物杂交矿物化策略的优化与机制研究，通过钙 lignosulfonate（CLS）与酶促碳酸沉淀（EICP）协同作用，显著提升渗透稳定性达200%以上，并揭示孔隙结构优化与离子交换协同增强的机理。

　　本研究探讨了一种新的生物杂交矿物化处理方法，以增强黄土的渗透性抵抗能力。黄土由于其多孔和弱胶结的结构，极易受到水引发的破坏。传统使用水泥或石灰的稳定方法虽然可以改善短期性能，但往往成本较高、对环境有负面影响，并且会破坏自然土壤结构。酶诱导碳酸钙沉淀（EICP）作为一种更可持续的替代方法，虽然具有潜力，但仍然存在碳酸钙分布不均、与细粒土的兼容性差、成核效率低以及潜在的环境问题。为了解决这些限制，本研究提出了一种结合钙木质素磺酸盐（CLS）与EICP的可持续生物杂交矿物化策略。通过系统实验，不仅提高了黄土的渗透性抵抗能力，还揭示了其作用机制。研究结果表明，最佳的处理参数为尿素和氯化钙浓度分别为1.00 mol/L和6 g/L，CLS的最佳剂量为6 g/L，反应温度为30 °C。宏观测试显示，生物杂交处理显著提高了黄土的水稳定性，并将渗透性降低了超过200%。微观结构分析表明，孔隙数量减少了33%，最大孔隙面积减少了90%，孔隙曲折度增加。CLS通过提供钙离子并引导沉淀，同时EICP促进了碳酸钙矿物化的高效，从而在凝聚力、孔隙细化和结构完整性方面产生协同效应。总体而言，生物杂交矿物化提供了双重优势：通过钠抑制和碳酸钙形成实现化学稳定，同时通过孔隙调控和有机-无机键合实现微观结构强化。这些发现突显了CLS-EICP作为可持续和环保技术在构建耐久、防渗黄土路基方面的巨大潜力。

黄土作为一种广泛分布于中国北方的沉积物，其结构特征和物理性质决定了其在道路工程中的特殊挑战。黄土的主要特点包括颗粒细小、孔隙度高以及胶结性弱，这些特性使其在遇水后极易发生崩解和侵蚀。黄土路基在道路建设中发挥着重要作用，但其脆弱性也给长期使用带来了隐患。因此，研究如何有效增强黄土的水稳定性，对于提高道路工程的耐久性和减少环境影响具有重要意义。

传统的土壤稳定方法通常依赖于有机添加剂和无机粘结剂。有机添加剂包括固化剂和木质素基材料，而无机粘结剂则包括水泥、石灰或纳米二氧化硅。这些方法虽然可以有效降低渗透性并改善短期稳定性，但往往会对土壤结构造成破坏，引入二次污染，并带来较高的材料和处理成本。因此，开发更加环保和可持续的土壤强化技术成为迫切需求，以提升黄土路基的耐久性，减少环境影响，并推动绿色道路工程的发展。

近年来，生物技术方法因其可持续性和环保性而受到越来越多的关注，成为传统土壤改良方法的有力替代。微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）是一种特别有前景的技术。该方法通过利用微生物活动在土壤孔隙中诱导碳酸钙沉淀，从而有效增强颗粒间的结合力并降低渗透性。MICP在基础加固、沙漠化控制、边坡稳定和侵蚀防治等方面已显示出巨大潜力。然而，MICP在实际应用中常受到细菌泄漏、渗透效率低以及沉淀物分布不均等问题的限制，这些问题限制了其在工程中的广泛应用。

为了解决MICP技术的不足，酶诱导碳酸钙沉淀（EICP）作为一种有前景的替代方法，显示出巨大的潜力。与MICP不同，EICP利用植物来源的纳米级游离脲酶，从而消除了对细菌培养的需求，提高了可控性，并提供了更好的可扩展性。在这一过程中，脲酶酶催化尿素（CH?N?O）的水解，生成铵（NH??）和碳酸根离子（CO?2?）。随后，碳酸根离子与钙离子（Ca2?）反应形成碳酸钙（CaCO?），并在土壤基质中沉淀，将颗粒结合在一起，填充颗粒间空隙，并显著降低其渗透性。尽管具有这些优势，EICP也存在一些局限性。脲酶分子量小，导致成核位点密度较低，通常会导致沉淀有限，碳酸钙分布不均。因此，开发有效的增强策略对于提高基于EICP的土壤改良技术的效率、均匀性和可靠性至关重要。

近年来的研究表明，将纤维引入EICP系统可以增强处理效果，通过提供异质成核位点，促进碳酸钙晶体的形成，从而加速沉淀并提高矿物化均匀性。然而，传统的合成纤维在细粒土如黄土中的应用往往受到限制。纤维的较大尺寸和较差的分散性阻碍了孔隙尺度的均匀性，同时其有限的化学反应性提供了较少的活性位点，难以促进受控的矿物成核。除了纤维，高分子量聚合物如聚丙烯酰胺（PAM）和胶质也被广泛用于土壤稳定，因其具有絮凝和颗粒结合能力。然而，PAM不易降解，可能会释放残留的丙烯酰胺单体，引发环境问题，而胶质则表现出较差的热稳定性和较高的成本。这些不足促使人们关注生物来源的替代材料，这些材料能够将生态可持续性与工程有效性相结合。

钙木质素磺酸盐（CLS）是一种主要来源于硫酸盐制浆和生物质精炼过程的固体废弃物，可以被用于建筑材料、土壤稳定和吸附应用。过去的研究证明，CLS可以通过螯合和表面吸附与土壤结合，增强颗粒聚集，减少淋溶，并提高机械稳定性。此外，CLS具有丰富的官能团、高分散性、结合能力和钙含量，可以作为EICP的有效促进剂。它不仅有助于高效的成核，还能调控尿素水解和碳酸钙沉淀的反应动力学，抑制不受控制的晶体生长，并促进形成更致密和机械强度更高的碳酸钙基质。

尽管EICP在土壤稳定和改良方面受到越来越多的关注，但目前的方法仍然面临诸多挑战，包括碳酸钙沉淀的不均匀性、纤维与细粒土的兼容性差、成核效率低以及非生物降解添加剂可能带来的环境影响。这些挑战限制了黄土渗透性抵抗能力增强的有效性和可持续性。为了解决这些问题，本研究探讨了一种生物杂交策略，该策略结合了天然、可生物降解的添加剂，以提高黄土对水侵蚀的抵抗能力，同时减少对环境的影响。具体而言，首先研究了生物杂交处理的最佳反应参数。基于此，进行了崩解测试和渗透系数测试，以表征不同处理后试样的水稳定性。通过扫描电子显微镜（SEM）、汞渗透孔测量（MIP）和交换性钠百分比（ESP）测试，从孔隙结构和阳离子交换的角度揭示了微观作用机制。这些研究结果有望提高黄土的渗透性抵抗能力，为耐久、防渗黄土路基的建设提供绿色生物杂交策略。

黄土的结构和成分特征是其物理性质的基础。在本研究中，黄土试样是从内蒙古鄂尔多斯地区采集的。这种黄土被描述为一种浅黄色的钙质壤土，有机质含量较低，主要矿物成分包括石英、长石和高岭石。通过X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和扫描电子显微镜（SEM）分析，对天然黄土的微观结构和成分进行了研究，如图1(a)所示。天然黄土的含水量为6.57%，表观密度为1.43 g/cm3。这些基本参数为后续的实验提供了重要的基础。

钙木质素磺酸盐（CLS）是一种水溶性物质，其化学特性使其在土壤稳定和改良中具有独特的应用价值。CLS的分子结构中含有丰富的官能团，这些官能团能够与土壤颗粒发生相互作用，促进其结合和稳定。此外，CLS的高分散性和高结合能力使其能够作为EICP的有效促进剂，提高成核效率并调控反应过程。CLS还能够抑制不受控制的晶体生长，促进形成更致密和机械强度更高的碳酸钙基质，从而显著提高黄土的水稳定性。

在EICP诱导的矿物化过程中，尿素的水解是关键步骤。脲酶催化尿素分解为氨和二氧化碳，这些产物进一步与水反应生成铵离子和氢氧根离子，使溶液呈现弱碱性。这种碱性环境有助于二氧化碳的溶解，并促使其转化为碳酸氢根离子，随后与氢氧根离子反应生成碳酸根离子。最终，钙离子与碳酸根离子结合形成碳酸钙晶体，沉积在土壤基质中，从而增强颗粒间的结合力，减少孔隙，并提高黄土的水稳定性。这一过程不仅提高了黄土的抗渗能力，还改善了其整体结构稳定性。

为了进一步验证生物杂交处理的效果，本研究进行了系统的实验，包括不同处理条件下的崩解测试和渗透系数测试。这些测试旨在评估不同处理方式对黄土水稳定性的影响。实验结果表明，加入CLS的生物杂交处理显著提高了黄土的水稳定性，并有效降低了其渗透性。此外，通过扫描电子显微镜（SEM）和汞渗透孔测量（MIP）等微观结构分析手段，揭示了处理后黄土的孔隙结构变化。结果显示，处理后的黄土孔隙数量减少了33%，最大孔隙面积减少了90%，孔隙曲折度增加。这些变化表明，生物杂交处理在改善黄土微观结构方面具有显著效果。

在阳离子交换方面，交换性钠百分比（ESP）测试进一步揭示了CLS对黄土阳离子交换行为的影响。实验结果表明，CLS能够有效抑制钠离子的释放，提高黄土的稳定性。这种钠抑制作用与碳酸钙的形成共同作用，进一步增强了黄土的抗渗能力。此外，CLS还能够通过其官能团与土壤颗粒发生结合，促进形成更致密的结构，从而提高黄土的机械性能。

为了进一步优化生物杂交处理的效果，本研究还探讨了不同处理参数对黄土水稳定性的影响。实验结果表明，尿素和氯化钙的浓度对碳酸钙沉淀的形成和分布具有重要影响。当尿素和氯化钙的浓度分别为1.00 mol/L和6 g/L时，碳酸钙的沉淀量达到最大值，同时沉淀的均匀性也得到显著改善。反应温度对碳酸钙沉淀的形成也具有显著影响，当反应温度为30 °C时，沉淀效果最佳。这些参数的优化不仅提高了处理效率，还确保了处理后黄土的稳定性。

在实际应用中，生物杂交处理的优势在于其环境友好性和可持续性。与传统方法相比，CLS-EICP处理不会引入二次污染，且能够有效减少对自然土壤结构的破坏。此外，CLS的使用降低了处理成本，并提高了处理的可扩展性。这些优势使得CLS-EICP成为一种有前景的土壤稳定方法，尤其适用于黄土路基的建设。

此外，生物杂交处理还能够通过调控孔隙结构和促进有机-无机键合，提高黄土的机械性能。CLS的加入不仅提高了钙离子的供应，还通过其官能团与土壤颗粒发生结合，形成更稳定的结构。同时，EICP通过促进碳酸钙的形成，进一步增强了颗粒间的结合力。这种协同效应使得生物杂交处理在提高黄土的抗渗能力和机械稳定性方面具有显著优势。

本研究的结果表明，通过结合CLS和EICP，可以有效提高黄土的水稳定性，同时减少其渗透性。这种处理方法不仅在宏观上显示出显著效果，还在微观结构上带来了明显改善。通过系统的实验和分析，本研究为黄土路基的建设提供了一种绿色、可持续的解决方案，具有重要的工程应用价值。

在实际应用中，生物杂交处理的推广需要考虑多个因素，包括处理成本、环境影响以及技术可行性。CLS-EICP处理作为一种新型方法，虽然在实验室条件下显示出良好效果，但在实际工程中的应用仍需进一步验证。此外，该处理方法的实施需要合理的工艺设计，以确保处理效果的稳定性和可持续性。

为了推动生物杂交处理技术的广泛应用，还需要进一步研究其在不同土壤条件下的适用性。黄土的物理性质和化学成分决定了其在处理过程中的反应特性，因此，针对不同类型的黄土，可能需要调整处理参数。此外，CLS-EICP处理的实施还需要考虑环境因素，如处理过程中的碳排放和能源消耗，以确保其真正符合绿色工程的要求。

在未来的研究中，可以进一步探索CLS-EICP处理与其他土壤改良技术的结合，以提高处理效果。例如，将CLS-EICP与纤维或高分子聚合物结合，可能会进一步增强处理效果，提高黄土的抗渗能力和机械性能。此外，还可以研究不同处理参数对黄土微观结构的影响，以优化处理效果并提高其应用价值。

总的来说，本研究通过系统的实验和分析，揭示了CLS-EICP生物杂交处理在提高黄土水稳定性和抗渗能力方面的显著效果。该处理方法不仅在宏观上显示出良好的工程性能，还在微观结构上带来了明显改善。这些结果为黄土路基的建设提供了一种绿色、可持续的解决方案，具有重要的应用前景。