循环荷载下酶诱导碳酸钙沉淀稳定碎石路基的性能评估

《Transportation Geotechnics》：Performance assessment of crushed rock road base stabilised with enzyme-induced carbonate precipitation under cyclic loading

　　

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  EICP改善了破碎岩基层的疲劳性能，降低了变形并提高了 Mr（回弹模量）。
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  碳酸盐含量为9.0%的EICP处理破碎岩基层达到了并超过了水化水泥处理基层的 Mr（回弹模量）限值。
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  EICP将破碎岩基层从易失效状态转变为稳定可恢复状态。
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  对数二次模型很好地拟合了EICP处理破碎岩Mr（回弹模量）的非线性响应。

引言

化学稳定化是改善软弱或临界土壤（包括在柔性路面结构中常用的一种基层材料——破碎岩）力学性能的关键岩土工程工艺。目前的稳定化实践在很大程度上依赖于普通波特兰水泥（OPC），以促进破碎岩基层（CRB）颗粒之间的水硬性粘结，从而提高其力学性能 [1], [2], [3], [4], [5]。

尽管OPC有效，但由于其高CO₂排放量、能源密集型生产过程以及有害物质浸出的潜在风险，引发了严重的环境问题 [6], [7]。具体而言，OPC约占全球CO₂排放量的7%（Abed等人，2025年），每吨水泥的生产隐含碳为0.66–0.82 kg CO₂（Turner和Collins，2013年），凸显了其对温室气体排放的显著贡献。OPC需求的增加还导致大量石灰石的开采，加速了资源枯竭，并加剧了生物多样性丧失、全球变暖以及更广泛的生态系统退化 [8]。除环境问题外，OPC在处理层中的长期性能也令人担忧。在柔性路面中，由水化和养护引起的收缩开裂以及反复交通荷载下的疲劳退化是水泥处理基层（CTB）常见的问题 [9], [10], [11], [12]。收缩裂缝出现在路面表面，促进水分渗入，导致柔性路面的早期病害 [13]。此外，足够的养护时间对于防止路面开放交通前CTB的早期损伤至关重要 [14]。在强度充分发展之前过早通车可能导致永久变形，破坏路面的完整性。因此，许多交通管理部门规定CTB道路施工层需要养护7天后方可开放交通 [15], [16]。虽然这种方法可以防止新CTB的损坏，但会延长施工时间、增加成本并给道路施工单位和使用者带来不便。因此，为了在维持路面耐久性的同时解决环境问题，道路建设领域对可持续、环保的稳定化胶结材料的需求日益增长，这些材料在用于CRB时无需水化即可获得强度，并能提供同等或更优的性能且不产生不利影响。

近年来，酶诱导碳酸盐沉淀（EICP）作为一种有前景的生物介导稳定化技术应运而生。EICP利用脲酶催化尿素水解，在充足的钙离子来源存在时，导致碳酸钙（CaCO₃）沉淀，从而粘结土壤颗粒并增强其结构完整性 [17], [18]。与依赖活细菌的微生物诱导碳酸盐沉淀（MICP）不同，EICP消除了对细菌活性、受控生长条件和生物安全风险的担忧 [19]，使其成为大规模基础设施应用中更实用、可扩展的解决方案。通过EICP对土壤的胶结已被报道其无生命耗竭潜力比OPC低近90%，全球变暖潜力低3% [20]。然而，现有EICP研究主要集中在稳定洁净硅砂上，在路基应用中取得了令人满意的结果，包括重复荷载下回弹模量的改善 [21]。相比之下，对EICP处理稳定基层材料的研究较少。虽然最近的一项研究 [22] 表明EICP可以显著改善单调力学性能和耐干湿循环耐久性，但EICP处理CRB在相关路面基层应用中循环行为仍有待探索。具体而言，EICP处理CRB在重复荷载下的弯曲性能、回弹模量和永久变形信息仍然有限。这些特性是机理设计和路面长期性能的基础。

本研究考察了在模拟交通荷载作用下EICP处理CRB的长期循环力学性能。采用四点弯曲试验和重复荷载三轴（RLT）试验系统评估EICP处理CRB的循环行为，以表征模拟交通荷载下弯曲刚度、变形响应和累积损伤抗性的演化。综合而言，这些机理性能参数为EICP处理CRB作为路面基层材料的长期结构行为提供了全面评估。本调查旨在建立CaCO₃胶结水平与循环刚度和变形行为之间的关系。这为EICP处理CRB在路面基层应用中的适用性提供了重要见解。研究结果将为EICP作为一种机械性能稳健的OPC替代方案用于道路基层稳定化做出贡献，为路面基础设施的长期耐久性和韧性带来潜在效益。

章节摘录

基层材料

本研究使用的粒状材料是来自澳大利亚西部珀斯WA Bluemetal采石场的破碎岩基层（CRB）。CRB经筛分获得从13.2 mm到0.15 mm的筛分粒径段。CRB的粒径分布（图1）按照WA 115.1试验方法重新配置并进行测试，符合西澳大利亚公路局（Main Roads Western Australia）规定的要求 [23]。根据统一土壤分类系统，CRB被归类为良好级配砾石（GW）。

酶活性和胶结溶液浓度对EICP处理的影响

为了评估酶活性和胶结溶液（CS）浓度对EICP处理的影响，对CRB中的碳酸钙（CaCO₃）沉淀物进行了估算。图4展示了不同酶活性和胶结溶液浓度组合下CRB中沉淀的碳酸盐量（CC），如前文表1所述。如图4所示，未经处理的CRB样品（酶活性和胶结溶液浓度均为零，即E0.0-0.0）没有可测量的碳酸盐沉淀。对于经酶活性和胶结溶液浓度为

结论

本研究通过一个综合实验程序，考察了酶诱导碳酸盐沉淀（EICP）处理破碎岩基层（CRB）的循环行为，该程序包括循环四点弯曲试验和重复荷载三轴（RLT）试验，以表征其疲劳响应、变形和回弹模量行为。基于结果，可以得出以下结论：

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  3.78 U/mL脲酶与1.0 M胶结溶液（CS）的组合可产生4.5%的碳酸盐含量（CC），该值

CRediT作者贡献声明

Kehinde Lemboye：撰写——初稿、方法论、研究、形式化分析、数据管理。Mohamed A. Shahin：撰写——审阅与编辑、监督、资源、项目管理、资金获取、概念化。Hayder H. Abdullah：撰写——审阅与编辑、监督。Liang Cheng：撰写——审阅与编辑、监督、概念化。Jayantha Kodikara：撰写——审阅与编辑、监督。

资助

本研究是IH18.02.3项目的一部分，由智能路面澳大利亚研究合作枢纽（Smart Pavements Australia Research Collaboration Hub）资助，该枢纽由澳大利亚研究理事会工业转型研究枢纽（ITRH）计划提供资金支持。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文所报告工作的已知竞争经济利益或个人关系。

致谢

作者感谢 智能路面研究合作枢纽 和 澳大利亚道路研究委员会（ARRB） 的支持。作者还感谢柯廷大学约翰·德·拉特研究中心的显微镜和微分析中心在显微镜和矿物学分析方面提供的协助。

Kehinde Lemboye|Mohamed A. Shahin|Hayder H. Abdullah|Liang Cheng|Jayantha Kodikara