菌丝基轻质复合土的强度特性与加固机制：基于平菇生物加固的岩土材料研究

《Biogeotechnics》：Strength Characteristics and Reinforcement Mechanisms of Mycelium-based Lightweight Composite Soil

　　

本研究提出一种利用平菇(Pleurotus ostreatus)生物加固技术制备菌丝基轻质复合土(mycelium-based lightweight composite soil, MLCS)的方法，旨在高效利用农业固体废弃物并开发绿色低碳岩土材料。研究人员通过开展静单剪试验(static simple shear test)与无侧限抗压强度(unconfined compressive strength, UCS)试验评价MLCS宏观力学性质，重点考察基质含量与骨料粒径影响，并借助扫描电子显微镜(scanning electron microscopy, SEM)、X射线衍射(X-ray diffraction, XRD)与生化组分分析阐明加固机制。结果表明，随菌丝生长复合材料干密度显著下降，呈现优良轻质特性；菌丝明显提升力学表现，MLCS峰值剪应力高于对照组，黏聚力(c)随基质含量与骨料粒径增大而提高，内摩擦角(φ)略有降低，材料表现延性破坏与应变硬化行为。UCS与割线模量(E50)随基质含量和骨料粒径增大显著改善，且UCS与c呈强正相关。SEM显示菌丝网络桥接砂粒并填充粒间孔隙；XRD证实加固依赖菌丝胶结而未产生新矿物相；生化分析表明粗多糖含量与强度参数强正相关，多糖为主要生物胶结剂。强度提升核心机制为三维菌丝网络物理缠结与分泌胞外聚合物(extracellular polymeric substances, EPS)所致生物胶结。

研究背景方面，建筑行业全球最终能耗占比约40%，传统水泥与石灰生产耗电占全球2%至8%，每吨水泥释放约0.8吨CO₂，污染与高碳问题突出。中国农作物秸秆年产出约8亿吨，大量露天焚烧或弃置产生有害气体与农业废弃物，综合利用率低；化学法转化秸秆面临效率低、成本高等问题。岩土工程中水泥基稳定剂不可持续，生物基土体改良成为可持续土木工程重要方向。既有菌丝基材料多面向建筑与包装，岩土领域应用有限，且已有研究多停留定性微观描述，缺少力学特性、影响因素与加固机制的系统定量研究。因此，研究人员以平菇(Pleurotus ostreatus)为菌种，将稻秸与标准砂混合制备菌丝基轻质复合土(MLCS)，服务边坡低碳防护与路基回填场景。

该研究发表于《Biogeotechnics》，其意义在于把农业废弃物转化为具力学性能与低碳属性的岩土材料，以物理缠结加生物胶结替代水泥类 binder，为绿色岩土工程提供新材料与理论依据。

关键技术方法上，研究人员设置基质与砂质量比5%、10%、15%、20%、25%及四种砂粒径区间Ⅰ(0.1至0.25毫米)、Ⅱ(0.25至0.5毫米)、Ⅲ(0.5至1毫米)、Ⅳ(1至2毫米)开展试验；以未接种对照组作基准；采用静单剪试验测剪切强度，无侧限抗压强度试验测UCS与割线模量(E₅₀)；以扫描电子显微镜(SEM)观察微观结构，X射线衍射(XRD)判明矿物相，酚硫酸法测粗多糖、凯氏定氮法测粗蛋白以建立生化组分与强度关联。样本为室内制备的沙-秸秆-菌丝复合试样，无外部临床或现场队列来源。

研究结果部分，3 基本物理力学性质中，3.1 轻质特性显示干密度随基质含量上升由1.12克/厘米³降至0.74克/厘米³，菌丝生物量与基质含量正相关，菌丝空心管状结构加纤维降解共同致密度降低。3.2 抗剪强度显示MLCS无明确峰值、呈应变硬化，峰值剪应力随基质含量与骨料粒径增大而升；黏聚力(c)增大，内摩擦角(φ)因砂-砂刚性接触被砂-菌丝软界面替代而略降。3.3 无侧限抗压强度显示试样压缩至约原高一半仍无剪切带或鼓胀破坏，应力-应变无峰值，20%应变吸能E_D20由10.3千焦/米³升至22.7千焦/米³；UCS在0.1至0.25毫米砂下由72千帕增至160千帕，E₅₀由703千帕增至1485千帕；UCS与c强正相关。

4 强度形成机制与微观特征中，4.1 菌丝物理缠结效应通过SEM说明细丝菌丝网包裹、桥接、填隙砂粒，限制颗粒位移并传递荷载，UCS与c随菌丝生物量增大而升。4.2 生物胶结效应通过XRD说明石英峰被菌丝包覆弱化、相对强度由95%降至46%且无新矿物相；粗多糖随基质与粗骨料增多而升，且与UCS、c强正相关，粗蛋白无明确规律，故粗多糖是主要生物胶结剂。

讨论部分指出，MLCS耐久性关联菌丝分泌纳米级疏水蛋白(hydrophobins)带来的拒水能力，并可能像微生物诱导碳酸钙沉淀(microbially induced calcite precipitation, MICP)那样具备自愈合潜力；树脂复合涂层、卡拉胶-明胶、壳聚糖、氧化镁碳化层、金属氧化物及热压辐照等可提升耐水与抗风化能力。局限在于仅受控小尺度单元试验，商用平菇菌株未针对深部寡营养岩土环境驯化，后续需菌株工程、标准化施工、大尺度模型与现场试验。

结论部分译为：本研究成功制备菌丝基轻质复合土(MLCS)。通过静单剪试验、无侧限抗压强度试验与微观分析，研究人员考察了复合材料力学性质与加固机制，为低能耗环保岩土材料提供路径。主要结论如下：一、干密度随基质含量显著下降，由1.12克/厘米³至最低0.74克/厘米³，具与传统轻质土相当的优良轻质性；菌丝空心管状结构协同纤维降解是关键，菌丝生物量与营养基质含量正相关。二、菌丝显著提升MLCS抗剪强度；黏聚力(c)随基质含量与骨料粒径增大而增，最高26.8千帕；内摩擦角(φ)因基质与菌丝削弱粒间摩擦而略降；材料呈应变硬化与延性破坏，无脆剪带；UCS与E₅₀随基质含量和骨料粒径显著增大且强正相关。三、XRD证实菌丝加固不诱发新矿物相；机制为物理与生物协同，物理上三维菌丝网包裹桥接砂粒并填孔，提供空间约束抑制位移，形成柔性格架致宏观延性；生物上胞外聚合物尤其是粗多糖随营养增多而增产，并与UCS和c强相关，充当关键胶结剂。综上，以农业废弃物为原料通过真菌生物转化制得的MLCS兼具力学性与环保性，适用于路基填方与生态护坡，未来应聚焦长期耐久性与大规模工艺优化。