砂性土可持续生物胶结：偏高岭土与废轮胎纺织纤维协同提升微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）性能

《Journal of Hazardous Materials Advances》：Sustainable Biocementation of Sandy Soils: Boosting MICP Performance with Metakaolin and Waste Tire Textile Fibers

　　

由于砂土黏聚力低、抗压强度不足，其稳定化一直是岩土工程（geotechnical engineering）中的关键挑战。微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）作为一种前景良好的生物基（bio-based）技术已受到广泛关注，但其有效性常受脆性大和抗拉能力低的限制。本研究考察了通过联合掺入偏高岭土（MK）与废轮胎纺织纤维（WTTFs）来改善MICP处理砂土性能的效果。研究人员采用不同MK掺量（0%、3%、6%、9%和12%）以及不同摩尔浓度的胶结液（1.5、2.0、2.5和3.0 M）对砂土试样实施MICP处理，并分别养护3 d和7 d。所有结果仅代表处理后3 d和7 d的短期力学改善，未开展长期耐久性试验。结果表明，3% MK与2.5 M胶结液、作用7 d的最优组合可获得最高无侧限抗压强度（UCS）、刚度及吸能能力。在此基础上进一步掺入质量分数为0.5%、0.75%和1.0%、长度为10 mm的WTTF进行增强。其中，0.75%纤维掺量可显著提高UCS、间接抗拉强度（ITS）和超声脉冲波速（UPV），且不会损害延性。采用扫描电子显微镜（SEM）与X射线衍射（XRD）进行的微观结构分析证实，联合掺入后方解石晶体形成得到改善，颗粒间胶结更致密，且表面晶体分布更均匀。MK与WTTF的协同使用通过MK的物理填充与成核效应，以及WTTF的纤维桥联作用，加速了方解石沉淀并改善了力学行为。与单独MICP相比，经优化的2.5 M与7次注入组合可使UCS最高提高655%，UPV提高176%。上述发现表明，将工业废弃材料整合至生物胶结过程中，有望提升级配不良砂土的强度；但在推广应用前，仍需在其他土类上进一步验证。本研究首次证明了MK与WTTF在MICP处理砂土中的联合应用潜力。

该文发表于《Journal of Hazardous Materials Advances》，聚焦于可持续岩土加固与生物矿化材料利用的交叉领域。研究背景在于，砂土虽广泛用于工程建设，但其天然黏聚力低、渗透性高、抗压与抗拉承载能力有限，在地震区或强降雨环境中易发生侵蚀、位移与失稳。传统土体稳定化方法常伴随较高环境负荷，因此以微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP，利用产脲酶微生物诱导CaCO₃沉淀的生物胶结技术）为代表的绿色加固方法逐渐受到重视。MICP能够借助尿素水解提升pH并诱导碳酸钙（CaCO₃）在砂粒间沉积，从而增强颗粒胶结、提高强度并降低渗透性。然而，该技术仍存在胶结速率受限、在高渗或养分不足土体中加固效率不稳定、处理后材料脆性较强和抗拉性能不足等问题，这些短板限制了其在承载型或大尺度工程中的应用。基于此，开展兼顾强度提升、延性改善与资源循环利用的复合增强研究具有明确必要性。

研究人员围绕MICP处理砂土体系，引入偏高岭土（MK，metakaolin，活性铝硅酸盐细粉）与废轮胎纺织纤维（WTTFs，waste tire textile fibers，轮胎回收副产纤维）两类材料，系统评估其对生物胶结砂土短期力学性质与微观结构演化的影响。论文的核心目标是弥补单一MICP体系在脆性和胶结均匀性方面的不足，并探索将工业副产物与危险固废转化为土体增强材料的可行路径。研究表明，适量MK能够通过物理填充与异相成核促进CaCO₃沉淀、改善孔隙结构并增强颗粒间结合；适量WTTF则可通过纤维桥联、裂缝阻滞和应力再分配提高峰后变形能力与抗拉性能。最终，3% MK、2.5 M胶结液、7 d处理并叠加0.75% WTTF的组合表现最优。论文的重要意义在于：一方面提出了MICP、MK与WTTF耦合的复合生物胶结新方案；另一方面通过宏观力学试验与微观表征共同证实了其增强机制，为低碳、资源化和高性能土体改良提供了实验依据。

在技术方法上，研究以伊朗东北部Tehran地区的Firuzkooh Sand No. 161级配不良砂（USCS分类为SP）为对象，采用Sporosarcina pasteurii（巴氏芽孢八叠球菌，产脲酶菌株）实施MICP处理。研究人员设置MK掺量0%—12%、胶结液浓度1.5—3.0 M、处理周期3 d与7 d，并在最优MK—MICP条件下继续引入长度10 mm、掺量0.5%—1.0%的WTTF。随后通过无侧限抗压试验、间接抗拉试验和超声脉冲波速测试评价宏观性能，并结合扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射（XRD）分析CaCO₃结晶形貌、矿物相组成及纤维—颗粒界面胶结特征。

在研究结果部分，论文首先在“3.1.1 Stress-Strain Behavior”中比较了不同MK掺量下MICP处理砂土的应力—应变响应。结果显示，各试样在峰值前总体呈应变硬化特征，峰后强度迅速衰减，体现出典型脆性破坏模式。掺入MK后，峰值强度明显增加，而变形性质变化相对有限。其中3% MK在3 d与7 d下均表现出最佳强度—变形平衡：3 d时峰值应力约为496 kPa，7 d时UCS升至2038.1 kPa。研究据此认为，适量MK通过填充孔隙与提供成核位点促进方解石生成和颗粒嵌锁，而过量MK则可能造成孔隙堵塞、未反应颗粒堆积及胶结不均，导致脆性增强和强度回落。

在“3.1.2 Unconfined Compressive Strength (UCS)”中，论文系统分析了处理时间、胶结液浓度与MK掺量对UCS的耦合影响。所有条件下，7 d处理均明显优于3 d处理，说明延长处理时间有利于细菌持续产脲与CaCO₃进一步沉淀。胶结液浓度由1.5 M增至2.5 M时，UCS显著提升；继续升至3.0 M则出现下降，提示过高离子强度可能抑制脲酶活性并造成沉淀不均。MK掺量则呈先升后降趋势，3%始终对应最高强度。最优条件下，UCS由无MK时的270.7 kPa升至2038.1 kPa，表明MK对MICP加固效率具有显著促进作用。

在“3.1.3 Energy Absorption Capacity (Eu) and Secant Modulus (E50)”中，研究人员进一步从刚度与韧性角度评估材料性能。E₅₀作为50%峰值应力处割线模量，表征初始受载阶段刚度；Eu为破坏前应力—应变曲线下面积，反映吸能能力。结果表明，E₅₀与Eu均随处理时间延长、胶结液浓度增至2.5 M及MK掺量增加至3%而同步提高，说明最优条件不仅增强强度，也改善了材料抵抗变形和吸收外部能量的能力。超过最优浓度或MK掺量后，两项指标均出现回落，与强度结果一致，反映材料内部结构均匀性下降。

在“3.2 Ultrasonic Pulse Velocity (UPV)”中，论文采用UPV无损表征内部完整性与均匀性。结果显示，UPV随处理时间增加而显著提高，说明随着生物矿化持续进行，颗粒间形成了更连续致密的胶结网络。胶结液浓度在2.5 M时达到最佳，3% MK对应最高UPV值2537.73 m/s；更高MK掺量则使UPV下降，提示过量细颗粒可能扰乱孔隙连通与细菌分布。研究据此认为，UPV可作为MICP—MK体系内部改良程度的有效无损指标。

在“3.3 Correlation of UCS with UPV, Eu, and E50”中，研究人员建立了UCS与UPV、Eu、E₅₀之间的线性相关关系。结果显示三者与UCS均具有较高决定系数R²，其中UCS—E₅₀和UCS—Eu的相关性尤强，UCS—UPV也具有显著线性关系。这表明强度提升与刚度、韧性及内部致密性改善具有一致性，支持利用UPV等非破坏指标预测MICP处理土体力学性能，为原位快速评价提供依据。

在“3.4 Influence of WTTF Reinforcement on Optimized Biocemented Samples”中，论文在最优MICP—MK组合基础上引入WTTF，重点考察纤维增强效应。“3.4.1 Strength Improvement: Effect of WTTF on UCS”显示，无论是否掺MK，WTTF均可使UCS随纤维掺量增加至0.75%时达到峰值，之后在1%时下降。对3% MK体系而言，0.75% WTTF使UCS进一步升至2643.36 kPa，较无纤维同组提高约30%。这说明适量纤维可通过桥联微裂缝、延缓裂纹贯通和改善应力传递提高承载能力，而过量纤维因团聚造成缺陷区，反而削弱结构连续性。

在“3.4.2 Deformation Behavior: Effect of WTTF on Stress-Strain Response”中，研究发现WTTF不仅提升强度，也改善破坏应变。未掺MK体系中，纤维掺量增加至0.75%时破坏应变由约1.4%增至约2.1%；掺3% MK体系中，0.75% WTTF使破坏应变提高至2.52%。结果表明，纤维桥联与MK改善孔隙结构的共同作用增强了纤维—基体黏结，使材料能在更大变形下维持完整性；而1%纤维时因分散不良导致性能回落。

在“3.4.3 Tensile Resistance: Effect of WTTF on ITS”中，论文显示WTTF对间接抗拉强度具有显著增益。MICP单独处理样品的ITS为108.31 kPa，加入0.75% WTTF后增至327.26 kPa；若同时掺入3% MK，则0.75% WTTF条件下ITS进一步升至476.53 kPa。该结果说明纤维在抗拉加载下可有效桥接裂缝、重分配应力，而MK通过细化孔隙和提升纤维嵌固质量，使WTTF的增强潜力得到更充分发挥。

在“3.4.4 Material Integrity: Influence of WTTF on UPV”中，UPV结果与UCS、ITS趋势一致。无MK样品中，0.75% WTTF使UPV由921.5 m/s提高至1367.9 m/s；3% MK样品中，UPV由2537.7 m/s进一步升至2774.5 m/s。研究据此指出，纤维可改善内部连通性并增强载荷传递路径，但纤维过多会形成束集与不连续区，削弱波传播效率。

在“3.5.1 X-ray Diffraction (XRD)”中，XRD结果揭示了矿物组成的变化规律。0% MK样品以石英峰为主，虽出现方解石峰，但强度相对较弱，说明MICP能形成CaCO₃，但分布和胶结效率有限。3% MK样品中，方解石峰显著增强、石英峰相对减弱，说明MK促进了更充分的方解石沉淀与砂粒表面覆盖，对应最佳力学表现。6% MK样品虽仍有较高方解石峰，但机械性能未继续提高，表明过量MK导致系统趋于饱和和胶结不均。XRD由此支持3% MK为矿物学与力学表现的共同最优点。

在“3.5.2 Scanning Electron Microscopy (SEM)”中，SEM进一步从微观形貌层面验证了增强机制。无MK样品中，CaCO₃晶体分布稀疏、呈孤立团簇，砂粒间桥联有限；3% MK样品中，砂粒表面形成更连续致密的方解石桥，孔隙被更均匀地填充；6% MK样品则出现局部团聚和分布不均；而3% MK + 0.75% WTTF样品中，研究人员观察到纤维嵌入胶结基体并作为晶体沉积锚固位点，形成纤维—方解石—砂粒复合桥联结构。该微观特征与其最高UCS和UPV完全对应，说明MK主要贡献于成核和填充，WTTF主要贡献于桥联与抗裂。

在讨论层面，论文强调，本研究所得增强效果主要建立在短期3 d与7 d处理结果基础上，说明MICP、MK与WTTF复合体系在级配不良砂中的短期力学改良是明确的，但并未据此推断长期耐久性。作者同时指出，当前采用的是先优化MK与胶结液浓度、再在最优条件下加入WTTF的顺序设计，因此“协同效应”主要指相较单独MICP所表现出的综合增强效果，而非经完全析因设计验证的统计学交互作用。论文还指出，MK和WTTF分别实现了工业副产物与轮胎回收废弃物的资源化利用，但关于环境收益的论断目前仍为定性层面，尚缺乏生命周期评价支撑。总体上，文章通过宏观力学、无损检测与微观结构证据共同表明，合理配比的MK与WTTF可以有效克服传统MICP体系强而脆、胶结不均的局限，为可持续土体加固提供新的思路。

研究结论部分可译为：本研究考察了采用MICP并结合MK与WTTF对级配不良砂进行稳定化处理的效果。结果表明，两类添加材料均可通过促进更有效的方解石沉淀和颗粒胶结，显著提高处理土体的强度、刚度和耐久相关表征指标。最优配比为3% MK、2.5 M胶结液、7个处理周期及0.75% WTTF（按质量计）。在该条件下，无侧限抗压强度由270.7 kPa（0% MK、0% WTTF）提升至仅掺MK时的2038.1 kPa，加入纤维后进一步升至2643.36 kPa，较单独MICP总体提高655%，且7 d处理是实现该增强效果的关键。WTTF的加入显著改善了延性，破坏应变由约1.4%提高至2.52%，变形能力增幅约80%。作为材料完整性指标的UPV由921.5 m/s提高至掺3% MK时的2537.7 m/s，加入0.75% WTTF后进一步达到2774.5 m/s。纤维同样显著提高ITS，最优组合的ITS为476.53 kPa，而单独MICP仅为108.31 kPa，增幅达340%。SEM与XRD分析证实，MK发挥物理填充和提供丰富成核位点的作用，WTTF则桥联微裂缝并构建更致密、更均匀的胶结网络；较高MK掺量（≥6%）会导致颗粒团聚和方解石分布不均，从而削弱力学性能。综上，MK与WTTF的联合使用展示了在生物胶结过程中协同资源化利用两类工业废弃物流的潜力，但由于未开展定量生命周期评价，其环境效益仍需进一步研究验证。