使用酶诱导碳酸钙沉淀（EICP）和天然火山灰开发稳定分散性土壤的协同生物-火山灰方法

《Results in Engineering》：Development of a synergistic bio-pozzolanic approach for dispersive soil stabilization using enzyme-induced carbonate precipitation (EICP) and natural pozzolan

　　

本研究提出了一种新型的生物-火山灰稳定分散性土壤的方法，该方法将酶诱导碳酸钙沉淀（EICP）与当地可用的天然火山灰相结合（EICP–NP）。研究人员通过物理、力学、水力和分散性试验，以及CaCO₃定量和使用扫描电子显微镜（SEM）、能量色散光谱（EDS）、X射线衍射（XRD）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）进行的详细微观结构和矿物学分析，系统评估了单独使用EICP及其与5%天然火山灰（按干土重量计）组合的性能。结果表明，两种处理均显著改善了土壤行为，其中EICP–NP始终优于单独使用EICP。分散性降低了68%（EICP）和77%（EICP–NP），而可交换钠百分比（ESP）分别降低了89%和90%。使用EICP后机械强度增加至两倍，使用EICP–NP后增加超过两倍。渗透系数分别降低了31%和42%，CaCO₃含量从2.63%增加至12.99%（EICP）和14.52%（EICP–NP）。微观结构和矿物学分析证实了方解石沉淀、孔隙填充和颗粒聚集，同时Ca、C和O的增加，以及EICP–NP处理土壤中增强的硅铝相、更高的结晶度和硅酸盐相关官能团峰的存在，表明火山灰反应活跃。EICP–NP性能的增强归因于生物胶结与火山灰反应之间的协同相互作用，这促进了颗粒聚集、促进了离子交换、降低了分散性并提高了整体土壤稳定性。这种综合方法为岩土工程应用中分散性土壤的稳定提供了一种可持续、具有成本效益且环境友好的解决方案。

分散性土壤在岩土工程中常引发严重挑战，尤其在挡水结构、大坝和路堤工程中。这类土壤遇水极易解絮凝，导致凝聚力与结构完整性迅速丧失，主要原因是土壤中高浓度的可交换钠产生了强烈的颗粒间排斥力，易引发管涌、冲沟和内部不稳定性，最终造成路堤破坏。在缅甸仰光-曼德勒高速公路等地区已出现此类严重病害。传统稳定技术如机械、化学和矿物方法多侧重改善力学性能，未能充分解决钠致分散和矿物不稳定的根本原因，且部分化学方法存在高碳排放和浸出风险。尽管新兴的酶诱导碳酸钙沉淀（EICP，利用脲酶催化尿素水解生成碳酸钙沉淀以胶结土颗粒）操作简便，但单独用于分散性土壤时存在沉淀分布不均和颗粒间结合弱的局限。天然火山灰富含硅铝，能通过火山灰反应生成胶凝产物增强结合，但单独使用反应缓慢。为克服单一方法的局限，研究人员开展了将EICP与当地天然火山灰相结合的新型生物-火山灰协同稳定方法的研究。研究得出结论，该双机制方法能显著提升土壤强度并降低分散性。这项研究发表在《Results in Engineering》上，为分散性土壤的加固提供了一种可持续、低成本且环保的解决方案，具有重要的工程应用意义。

样本队列来源为缅甸中部仰光-曼德勒高速公路路堤的分散性土壤。研究人员设置了单独EICP处理组与添加5%天然火山灰的EICP-NP处理组。在评估方法上，采用了加州承载比和无侧限抗压强度等物理力学与水力试验；通过针孔试验、碎块试验、双比重计试验和可交换钠百分比测试评估分散性；使用酸洗法测定碳酸钙含量；并运用扫描电子显微镜（SEM）、能量色散光谱（EDS）、X射线衍射（XRD）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）进行微观结构与矿物学分析。最后利用皮尔逊相关系数评估各项参数与分散性的关联。

物理特性试验结果
通过比重、阿太堡限度和击实试验得出，处理后土壤的比重随养护时间降低，最优含水率显著增加；液限略降，塑限略增，导致塑性指数下降。EICP-NP处理组的各项物理指标改善程度均优于单独EICP组。

力学性能和渗透系数试验结果
加州承载比（CBR，表示路基土或路面材料强度的指标）：通过CBR试验得出，EICP-NP处理的承载力相比未处理土增加了3倍，优于EICP的2.5倍。
抗剪强度：通过直剪试验得出，处理后的粘聚力与内摩擦角显著提升，EICP-NP的协同作用形成了更密实的土体结构。
无侧限抗压强度（UCS，土壤在无侧向约束条件下抵抗轴向压力的极限强度）和弹性模量（E₅₀）：通过UCS测试得出，抗压强度和弹性模量大幅增加，EICP-NP表现出更优的基质强化效果。
渗透系数（k）：通过降水头渗透试验得出，处理后渗透系数显著降低，EICP-NP降幅达42%，孔隙被有效填充。

分散性鉴定试验结果
针孔试验结果：通过针孔试验模拟侵蚀，发现土壤由高分散转为非分散，EICP-NP实现了更快更强的胶结。
碎块试验结果：通过观察浸水崩解和浊度，处理后土壤崩解减少，抗分散能力增强。
双比重计试验结果：通过对比分散比，处理后从88%降至20%（EICP-NP），颗粒聚集作用显著。
可交换钠百分比（ESP，土壤交换性复合体上钠离子所占的比例）试验结果：通过测定ESP，处理后从39.67%降至3.97%（EICP-NP），钙及火山灰反应阳离子有效置换了钠离子。

沉淀碳酸钙含量
通过酸洗法测定，处理后碳酸钙（CaCO₃）含量增至14.52%（EICP-NP），表明火山灰提供了利于碳酸盐保留的环境。

微观结构和矿物学分析结果
通过SEM、EDS、XRD和FTIR分析得出，沉淀的碳酸钙填充了孔隙并形成团聚体；EDS显示EICP-NP中Ca、Si、Al元素增加，证实了火山灰反应生成水化硅酸钙（C-S-H）等产物；XRD显示稳定晶相增强而含钠矿物减少；FTIR证实了方解石和硅酸盐相关官能团的存在。

统计分析
通过皮尔逊相关分析得出，分散性与ESP等呈强正相关，与碳酸钙含量及力学强度呈强负相关，表明处理有效降低了分散性。

讨论部分指出，EICP-NP通过碳酸钙沉淀提供钙离子交换钠并形成胶结，天然火山灰则通过火山灰反应生成凝胶状水化产物并进一步促进阳离子交换。两者协同作用促进了颗粒聚集、减少了孔隙、降低了分散性。对比以往研究，EICP-NP在降低分散性和ESP及增强抗剪强度方面优于多数传统方法。多准则决策分析也将其评为最佳处理技术。

研究结论部分总结如下：首先，两种处理均显著改善了分散性土壤的工程特性，EICP-NP在降低分散性（77%）、提升强度与刚度及降低渗透性方面表现更优，证实了双机制处理的协同效应。其次，碳酸钙沉淀量在EICP-NP中显著更高，表明其促进了更高效的生物胶结和火山灰反应。再次，微观分析证实了方解石沉淀、孔隙填充和火山灰反应产物的生成，揭示了生物胶结与火山灰反应的协同稳定机制。第四，统计分析表明分散性与ESP、渗透系数正相关，与碳酸钙及力学强度负相关。第五，EICP-NP稳定方法可持续、低成本且可扩展，为基础设施项目提供了实际指导。最后，本研究整合了机理与定量分析，为分散性土壤的环保、高效稳定建立了稳健的框架。