废弃碳纤维引导的酶诱导碳酸盐沉淀技术：黄土可持续加固的靶向生物矿化策略

为解决黄土因胶结弱、强度低导致的侵蚀和结构失稳问题，研究人员创新性地将酶诱导碳酸盐沉淀（EICP）技术与回收碳纤维结合，开发了一种可持续加固方法。通过直接剪切试验和崩解实验证实，0.1%纤维含量与1.5 mol/L胶结浓度下，协同形成“纤维-CaCO3-土壤”复合网络，使剪切强度提升57.3%，水稳定性显著增强。该研究为黄土高原生态工程和碳纤维废弃物资源化提供了新思路。

　　

黄土，这种覆盖中国黄土高原的风成沉积物，以其疏松多孔的结构和遇水易塌陷的特性闻名。每当雨季来临，黄土边坡常像融化的冰淇淋般迅速崩塌，引发严重的水土流失和地质灾害。传统加固方法如水泥灌浆虽有效，却像给土壤“打石膏”般笨重——不仅破坏原有生态，还会释放大量二氧化碳。更棘手的是，航空航天产业每年产生数万吨碳纤维废弃物，这些轻如羽毛却坚如钢铁的材料往往被填埋处理，造成资源浪费。如何让黄土“强筋健骨”的同时实现绿色循环？这成为摆在研究者面前的重大课题。

来自内蒙古鄂尔多斯市的研究团队独辟蹊径，将目光投向自然界的智慧——生物矿化。他们借鉴贝壳形成原理，通过酶诱导碳酸盐沉淀（Enzyme-Induced Carbonate Precipitation, EICP）技术，利用大豆提取的脲酶催化生成碳酸钙（CaCO₃）胶结土壤颗粒。更巧妙的是，团队引入工业废弃碳纤维作为“脚手架”，这些表面布满纳米级孔隙的纤维不仅物理填充土壤空隙，还像磁铁般吸引钙离子，引导碳酸钙晶体定向生长。这项创新研究发表在《Materials Today Sustainability》上，为黄土加固与固废利用开辟了新路径。

研究团队采用多尺度验证策略：通过直接剪切仪量化力学性能，自制崩解装置模拟水侵蚀过程，结合扫描电镜（SEM）和压汞测孔（MIP）揭示微观机制。实验设计涵盖5组纤维含量（0-0.8%）和5种胶结浓度（0-2.0 mol/L）的交叉组合，所有土样均取自内蒙古准格尔旗自然边坡。

机械强度提升显著
应力-应变曲线显示，0.1%纤维与1.5 mol/L胶结液处理的土样（F-EICP组）表现最优，在200 kPa法向应力下剪切强度达57.3%增幅，远超单独处理组（EICP组48.2%，纤维组38.5%）。微观分析发现，纤维表面密集覆盖着“雪花状”碳酸钙晶体，形成三维增强网络。有趣的是，过量纤维（>0.4%）反而会因团聚效应降低性能，这为工程配比提供了精确指导。

水稳定性突破
崩解实验中，未处理土样5分钟内即“土崩瓦解”，浊度计读数飙升；而F-EICP组如“磐石”般保持完整，60分钟后崩解率仅14.5%。SEM显示其内部形成“钢筋-混凝土”结构：纤维骨架抵抗水流冲刷，碳酸钙填充的微孔（<100 nm）则像防水涂层般阻隔水分渗透。这种协同效应使工程寿命显著延长。

微观机制解密
压汞数据揭示，纤维主要填充2000-10000 nm大孔（相当于“拓宽道路”），而EICP专注200-1000 nm小孔（“修补坑洼”）。电镜观察到碳酸钙优先沿纤维轴向结晶，形成“藤蔓缠绕钢筋”的独特形貌。团队提出“静电引导”假说：带负电的碳纤维表面吸引Ca²⁺，局部高浓度促使CO₃^2-快速沉积，这种靶向矿化效率比随机沉淀高3倍。

该研究证实，0.1%废碳纤维与1.5 mol/L EICP的黄金组合，可使黄土凝聚力提升25倍，内摩擦角增加7.5%。这种“变废为宝”的策略兼具环境与经济价值：按2030年碳纤维废料预测量计算，可满足2.6万平方公里黄土加固需求。尽管长期耐久性、大规模施工工艺仍需验证，但这项技术已为生态脆弱区边坡治理提供了新范式，更启示我们：工业废弃物或许正是破解地质难题的“金钥匙”。