砂烧磷石膏（CPG）生物矿化过程的力学性能及机制研究

《Biogeotechnics》：Investigation of Mechanical Properties and Mechanisms of Sand-Calcined Phosphogypsum (CPG) Biomineralization

磷酸石膏作为工业废渣，其酶诱导碳酸沉淀（EICP）改性砂土工程特性研究显示，3% CPG含量时抗压强度提升最高（46.7%），而6%、9%含量时强度下降。微观分析表明，适量CPG作为晶核促进碳酸钙沉积，形成更细小致密的晶体结构；过量CPG导致孔隙堵塞，降低胶结效果。EICP技术结合3% CPG可使水稳定性系数（WRC）保持在0.9以上，优于纯EICP处理。该研究为工业固废资源化利用提供了新思路。

　　在现代土木工程和环境治理领域，钙碳化生物矿化技术（Enzyme Induced Carbonate Precipitation, EICP）作为一种环保且高效的土壤改良手段，逐渐受到广泛关注。EICP技术通过利用尿素酶将尿素水解为碳酸盐离子，并在钙离子等阳离子的存在下诱导碳酸钙沉淀，从而实现土壤颗粒间的胶结，提升土壤的力学性能和稳定性。然而，随着EICP技术的推广，其应用成本和效率问题逐渐显现，尤其是对于钙离子浓度的控制和反应速率的优化。在此背景下，研究人员开始探索将工业废料——钙化磷石膏（Calcined Phosphogypsum, CPG）引入EICP技术中，以期通过其在土壤中的应用，既实现废料的资源化利用，又进一步提升土壤的工程性能。

磷石膏是一种在湿法磷酸生产过程中产生的常见工业副产品，全球范围内已积累了超过60亿吨的磷石膏，其大量堆积不仅占用大量土地，还可能对环境造成潜在威胁。因此，如何有效利用磷石膏成为当前研究的重要课题。通过高温煅烧处理，磷石膏可以转化为CPG，其物理化学性质发生变化，成为一种可作为土壤改良材料的资源。CPG中含有大量的硫酸钙和部分硫酸钙半水合物，这些物质在EICP过程中可以作为钙离子的来源，促进碳酸钙的生成。然而，CPG的添加量对EICP过程中的碳酸钙沉积速率和土壤的最终性能具有显著影响，这种影响既包括对反应速率的促进作用，也包括对土壤结构和强度的抑制效应。

在本研究中，研究人员通过一系列实验室测试，系统分析了CPG对EICP处理后土壤性能的影响。实验设计考虑了不同CPG含量（0%、3%、6%、9%）以及不同浓度的钙盐溶液（0.5 M、0.75 M、1.0 M）对EICP反应过程的影响。通过静态多光散射（Static Multiple Light Scattering, SMLS）技术、无侧限抗压强度测试（Unconfined Compression, UC）、水浸试验、扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscopy, SEM）和X射线衍射（X-ray Diffraction, XRD）等手段，研究团队全面评估了CPG对生物矿化过程及土壤性能的影响。实验结果显示，CPG在一定范围内可以加快碳酸钙的沉积速率，从而提升土壤的强度和稳定性。然而，随着CPG含量的增加，其对碳酸钙沉积的促进作用逐渐减弱，甚至出现抑制效应。这表明，CPG的添加需要在一定限度内，才能达到最佳的土壤改良效果。

具体而言，当CPG含量较低时，其作为钙离子来源的作用较为显著，有助于提高EICP反应的效率，进而增强土壤的强度。例如，在3%的CPG含量下，土壤的无侧限抗压强度达到最高值，表明这一比例的CPG在EICP处理过程中具有最佳的协同效应。然而，当CPG含量增加至6%或9%时，其对土壤强度的提升作用逐渐减弱，甚至导致强度下降。这种现象可能与CPG对土壤孔隙结构的改变有关。随着CPG含量的增加，其在土壤颗粒之间的填充作用增强，部分阻断了EICP溶液在孔隙中的迁移路径，从而影响了碳酸钙的沉积效果。此外，CPG中含有的酸性物质，如磷酸和氟化氢，可能在EICP过程中与钙离子发生反应，改变溶液的pH值，进而影响碳酸钙的生成速率和晶体形态。

在微观层面，SEM和XRD分析进一步揭示了CPG对生物矿化过程中碳酸钙晶体形态、尺寸和分布的影响。研究发现，当CPG含量较低时，碳酸钙主要以球形的水合碳酸钙（vaterite）形式沉积，而随着CPG含量的增加，碳酸钙逐渐转变为棱形的方解石（calcite）。这种晶体形态的变化可能与EICP反应的速率和溶液的饱和度有关。在低CPG含量条件下，EICP反应速率较高，导致更多的碳酸钙晶体形成，且这些晶体的尺寸较小，能够有效填充土壤颗粒之间的微小孔隙，从而增强土壤的密实度和强度。然而，当CPG含量较高时，溶液的饱和度增加，反应速率下降，导致碳酸钙晶体的形成减少，同时其尺寸增大，从而影响了晶体在土壤颗粒之间的有效沉积和胶结。

此外，CPG的添加对土壤的水稳定性也有一定影响。研究发现，随着CPG含量的增加，土壤的水浸强度系数（Water Resistance Coefficient, WRC）逐渐降低。这表明，CPG在一定程度上降低了土壤对水浸的抵抗能力，可能与其在水中的溶解性和膨胀性有关。CPG具有一定的吸水性和膨胀性，当其在土壤中吸水膨胀时，会占据原本由碳酸钙沉积填充的孔隙空间，从而削弱了土壤的结构稳定性。然而，当CPG含量较低时，其对水浸强度的影响较小，土壤的水稳定性与纯EICP处理后的土壤相当。

综上所述，CPG作为一种工业废料，在EICP处理土壤的过程中具有双重作用。一方面，适量的CPG可以作为钙离子的来源，促进碳酸钙的生成，提高土壤的强度和密实度；另一方面，过量的CPG则可能由于其吸水膨胀性和对EICP溶液迁移路径的阻隔作用，导致碳酸钙沉积不足，从而降低土壤的性能。因此，在实际应用中，需要根据具体的工程需求和土壤特性，合理控制CPG的添加量，以达到最佳的土壤改良效果。此外，研究还指出，未来需要进一步探讨CPG在EICP处理过程中对重金属等杂质的迁移特性，以确保其在土壤改良中的安全性。

从技术应用的角度来看，EICP技术与CPG的结合不仅有助于解决工业废料的处理问题，还为土壤改良提供了新的思路。通过优化CPG的添加比例和EICP溶液的浓度，可以实现对土壤性能的精确调控，从而满足不同工程场景的需求。例如，在需要较高强度的工程中，选择3%的CPG含量可以达到最佳的性能提升效果；而在对水稳定性要求较高的场景中，则需要进一步评估CPG对土壤结构的长期影响。同时，研究还表明，EICP技术在土壤改良中的应用潜力巨大，尤其是在减少碳排放和提高资源利用效率方面，具有显著的环境和经济效益。

因此，未来的研究方向应包括对CPG在EICP处理过程中的长期稳定性、环境影响以及对不同土壤类型的适应性等方面进行深入探讨。此外，探索CPG与其他添加剂（如聚乙烯醇、亲水性胶体等）的协同作用，也可能是提升EICP土壤改良效果的重要途径。通过这些研究，不仅可以进一步完善EICP技术的应用体系，还能为磷石膏的资源化利用提供更加科学和可行的解决方案。