摘要：

大豆脲酶誘導(dǎo)碳酸鈣沉積（SICP）是一種植物酶微生物礦化技術(shù)，為了探究其在黃土工程中的應(yīng)用前景，開展0～4.5 mol/L膠結(jié)液濃度下固化黃土的不固結(jié)不排水三軸試驗，分析固化前、后黃土強度及應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，通過SEM和XRD測試固化前、后黃土微觀結(jié)構(gòu)變化和礦物組成。結(jié)果表明，隨膠結(jié)液濃度增大，黃土強度先增大后減小，膠結(jié)液濃度為2.5 mol/L時，強度最大;經(jīng)SICP固化后，黃土強度顯著提升，最大為2 066.63 kPa，較未固化土至少增大1.31倍。SEM測試表明，SICP固化生成的碳酸鈣晶體可以填充土粒孔隙，膠結(jié)部分土顆粒，進而提高土體強度;XRD測試表明，固化前后黃土的主要礦物成分不變，但固化后碳酸鈣晶體的衍射峰數(shù)量和高度明顯增加。成果可為應(yīng)用SICP技術(shù)固化黃土提供新思路。

關(guān)鍵詞：

黃土; 強度特性; 大豆脲酶誘導(dǎo)碳酸鈣沉積（SICP）技術(shù); 三軸試驗; 微觀機理

中圖分類號： TU441""""" 文獻標(biāo)志碼：A"" 文章編號： 1000-0844（2024）05-1009-12

DOI：10.20000/j.1000-0844.20231125002

Experimental study on the strength of loess solidified by soybean

urease-induced calcium carbonate precipitation

DONG Xuguang1， FANG Lixin1， MA Yuanbo1， HU Qianqian1， LI Ruirui2

（1.School of Civil and Hydraulic Engineering， Ningxia University， Yinchuan 750021， Ningxia， China;

2. School of Agriculture， Ningxia University， Yinchuan 750021， Ningxia， China）

Abstract：

Soybean urease-induced carbonate precipitation （SICP） is a technology for microbial mineralization of plant enzymes. The unconsolidated undrained triaxial test was conducted on the solidified loess at a cementation solution concentration of 0-4.5 mol/L to explore the prospect of its application in loess engineering. The strength and stress-strain relationship of loess before and after solidification were analyzed， and the microstructure changes and mineral composition of loess before and after solidification were also tested via SEM and XRD. The results show that the strength of loess first increases and then decreases with the rise in the cementation solution concentration， revealing the maximum value when the concentration of cementation solution is 2.5 mol/L. The strength of loess is substantially increased by the solidification of SICP， revealing a maximum value of 2 066.63 kPa， which is at least 1.31 times larger than that of unconsolidated soil. The SEM test results show that the calcium carbonate crystals generated by SICP can fill the pores of soil and cement some soil particles， thus improving the strength of the soil. The XRD test results reveal that the main mineral composition of loess remains unchanged before and after solidification， while the number and height of diffraction peaks of calcium carbonate crystals drastically increase after solidification. Overall， these results can provide new ideas for the application of SICP technology for loess solidification.

Keywords：

loess; strength properties; soybean urease-induced carbonate precipitation technology; triaxial test; microscopic mechanism

0 引言

黃土是第四紀(jì)以來特殊氣候環(huán)境下形成的黃色風(fēng)積物，具有結(jié)構(gòu)疏松、孔隙較大、壓縮性高、強度較低、遇水極易濕陷等不良工程特性。黃土在中國分布廣、厚度大，其面積約為6.3×105 km2，占國土陸地總面積的6.6%［1］。天然黃土在降雨作用下極易發(fā)生沉陷、滑坡和崩塌等地質(zhì)災(zāi)害［2］，未經(jīng)處理的黃土不能直接用于路基填土，在實際工程中往往需對其固化處理才能滿足建筑要求。傳統(tǒng)地基加固方法，如夯填、混合土壤和灌漿方法通常不適合處理大面積的土壤，因為它們涉及大量的能源和高成本，處理范圍有限;而類似水泥、硅酸鹽或其他化學(xué)物質(zhì)也因為固化周期較長且存在對環(huán)境產(chǎn)生污染的潛在風(fēng)險而越來越不被人們接受。因此，尋找一種新興、環(huán)保、節(jié)能、對地基擾動小且同時滿足土體固化要求的方法迫在眉睫。

微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉積（Microbial Induced Carbonate Precipitation，MICP）技術(shù)是一種新興、綠色土體加固方法。該技術(shù)主要利用微生物通過代謝活動產(chǎn)生的脲酶催化尿素水解生成NH+4和CO2-3，CO2-3與土壤中的Ca2+結(jié)合生成碳酸鈣晶體，填充土壤孔隙，膠結(jié)土壤顆粒，從而提高土體強度。該技術(shù)自21世紀(jì)初提出［3］，近年來得到了快速的發(fā)展。Van Paassen等［4］通過在1個8 m（長）×5.6 m（寬）×2.5 m（高）的模具箱中裝填25 cm高的砂土，并在其一側(cè)安插3個注液管，另一側(cè)安插3個抽液管用以菌液循環(huán)灌注的方式評價MICP固化土體的效果。試驗結(jié)果顯示，加固后土體中的碳酸鈣含量達到了土干重的27.3%，無側(cè)限抗壓強度增至12.4 MPa，加固效果非常明顯。Sun等［5］采用MICP技術(shù)和聚合物改性黃土邊坡的抗降雨侵蝕與凍融耐久性。Cheng等［6］、Liu等［7］利用MICP技術(shù)修復(fù)黏性土壤裂隙，并利用該技術(shù)控制黃土地表侵蝕。Xiao等［8］應(yīng)用MICP技術(shù)，采用表面噴灑的方式研究不同級配砂土邊坡的抗降雨侵蝕性。盡管MICP技術(shù)在室內(nèi)和室外試驗中已積累了不少有益成果，但在加固土體時仍面臨一些挑戰(zhàn)，這是因為產(chǎn)脲酶細菌的尺寸及好氧性會限制處理土體的類型和深度［9］。研究發(fā)現(xiàn)，一些植物（如豆類、瓜類等）體內(nèi)分布著較多脲酶［10］。為了克服MICP技術(shù)培養(yǎng)周期長和工作量大的缺點，研究人員提出采用植物源脲酶誘導(dǎo)碳酸鈣沉積（Enzyme Induced Carbonate Precipitation，EICP）技術(shù)替代MICP技術(shù)固化土體的方法［11］。與MICP技術(shù)相比，植物脲酶來源廣、提取簡單、效率更高，且不會危害生態(tài)環(huán)境［12］。

近些年來，Neupane等［13］將尿素、氯化鈣和脲酶的混合液注入到裝有砂樣的PVC圓筒中，得到了具有一定硬度的樣品，證實了酶促碳酸鈣技術(shù)的有效性。崔猛等［14］研究了溫度、脲酶濃度、尿素濃度、鈣濃度、pH值、鈣源種類對酶促碳酸鈣反應(yīng)過程和強度增長內(nèi)在機理的影響，并將該技術(shù)應(yīng)用于固化砂土，有效改善了砂土的力學(xué)性能。吳敏等［15］聯(lián)合大豆脲酶和黃原膠開展室內(nèi)風(fēng)蝕試驗，結(jié)果表明，黃原膠可以提高大豆脲酶誘導(dǎo)碳酸鈣固砂表面強度。Yan等［16］、Liu等［17］研究了蛋白質(zhì)含量對SICP反應(yīng)過程的影響，對固化后砂土的機械和水力特性開展了深入研究，并通過現(xiàn)場試驗分析了該方法穩(wěn)定沙漠砂及抗風(fēng)蝕的效果。此外，研究人員還將脲酶誘導(dǎo)碳酸鈣沉積技術(shù)應(yīng)用于固化三合土［18］、分散性土［19］、膨脹土［20］、黏土［21］、遺址土［22］、粉土［23］及黃河泥沙［24］等，均取得了較好的固化效果，但應(yīng)用SICP固化黃土仍處于探索階段。

為了探明SICP固化黃土的強度和機理，利用大豆提取脲酶，配置不同濃度的豆粉溶液，測定豆粉溶液的活性，確定大豆脲酶提取最優(yōu)豆粉濃度。采用拌合法固化松散黃土，通過不固結(jié)不排水三軸試驗、X射線衍射儀（X-Ray powder Diffractometer，XRD）和掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）分析固化黃土的強度特性、礦物組成和微觀結(jié)構(gòu)，綜合評價大豆脲酶誘導(dǎo)碳酸鈣固化黃土的可行性。

1 材料與方法

1.1 黃土試樣選取

試驗黃土取自寧夏回族自治區(qū)固原市西吉縣某山區(qū)。先將原狀土中的植物根系及其他雜物去除、碾碎，再過孔徑為2 mm的土篩。按照《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 50123—2019）》［25］，開展土樣基本物理特性試驗。黃土的濕陷性系數(shù)為0.01，屬非濕陷性黃土，其顆粒級配曲線如圖1所示，標(biāo)準(zhǔn)擊實曲線如圖2所示，黃土最優(yōu)含水率ωop=16.7%。試驗黃土基本物理指標(biāo)如表1所列。

1.2 大豆脲酶溶液提取

大豆為普通市售大豆，先將其機械粉碎并溶于去離子水，然后離心提純得到大豆脲酶溶液。具體操作如下：

（1） 取一定量大豆于40 ℃烘箱中干燥6 h;

（2） 稱取干燥后的大豆200 g并粉碎，每次粉碎應(yīng)控制機器溫度不超過60 ℃，采用100目鋼篩篩分，并將其密封保存在干燥低溫環(huán)境中;

（3） 豆粉與去離子水的比例稱為固液比，配置不同固液比的豆粉溶液（表2），按表2取一定量豆粉和去離子水置于燒杯中充分?jǐn)嚢?，將制備好的溶液常溫靜置4 h;

（4） 靜置完的溶液經(jīng)雙層紗布過濾后倒入500 mL離心杯，并將裝有靜置液的離心杯放入TDL-5M型低速冷凍離心機中，在3 000 r/min、4 ℃條件下離心15 min;

（5） 取出離心杯，棄置底部豆渣，提取上部清液，即為大豆脲酶溶液。

1.3 大豆脲酶活性測定方法

由于溶液電導(dǎo)率變化量與尿素水解量成正比，因此，可通過測試溶液每分鐘電導(dǎo)率變化值來間接衡量脲酶活性強弱［26］。具體操作方法如下：

（1） 稱取1.8 g尿素，溶于27 mL去離子水中;

（2） 移液槍吸取3 mL待測大豆脲酶溶液，與尿素溶液混合均勻，混合后尿素初始濃度為1 mol/L;

（3） 常溫下使用電導(dǎo)率儀（雷磁DDB-303A型）每隔5 min測定一次電導(dǎo)率，記錄15 min內(nèi)溶液的電導(dǎo)率變化值;

（4） 根據(jù)1 mS/cm/min的電導(dǎo)率變化對應(yīng)11.1 mM/min的尿素水解量［26］，得到脲酶每分鐘水解尿素量（mM/min），即活性的量化指標(biāo)。

由圖3可知，大豆脲酶活性隨豆粉濃度近似線性增長，這與曹光輝等［27］研究結(jié)果一致。單位質(zhì)量大豆脲酶活性（大豆脲酶活性/豆粉質(zhì)量）一定條件下可衡量大豆脲酶提取效率，該值越大，單位質(zhì)量豆粉的大豆脲酶提取效率越高。由圖4可知，單位質(zhì)量大豆脲酶活性隨豆粉濃度增加先上下波動，在豆粉濃度為40 g/L時出現(xiàn)峰值，之后快速下降。由此可知，當(dāng)豆粉濃度為40 g/L時，單位質(zhì)量的大豆脲酶提取效率最高。綜合大豆脲酶活性與經(jīng)濟性因素，選擇豆粉濃度為40 g/L作為本文大豆脲酶誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀固化黃土的最優(yōu)豆粉濃度。

1.4 試樣制備與養(yǎng)護

1.4.1 EICP作用方法與試樣制備

根據(jù)黃土最優(yōu)含水率，用大豆脲酶溶液和膠結(jié)液的混合溶液替代水溶液，采用拌合法將混合溶液加入黃土中。拌合時，首先稱取一定量烘干黃土，然后加入大豆脲酶溶液，充分?jǐn)嚢韬箪o置1 h，最后加入由尿素與氯化鈣溶液組成的膠結(jié)液，攪拌均勻后裝入自封袋，悶樣24 h后開始制樣。制好的樣放入恒溫恒濕養(yǎng)護箱養(yǎng)護4 d后轉(zhuǎn)入室內(nèi)條件下自然風(fēng)干，試樣初始飽和度約為53.1%，養(yǎng)護、風(fēng)干后飽和度約為3.4%。每組膠結(jié)液濃度共制樣5個，其中4個用于三軸剪切試驗，1個用于SEM和XRD試驗。

1.4.2 試驗方案

土體壓實度為0.90，配置不同濃度的膠結(jié)液，并量取等量的大豆脲酶溶液加入黃土制樣。開展圍壓分別為100、200、300和400 kPa的三軸試驗，具體試驗方案如表3所列。

試驗主要包括黃土基本物理試驗、大豆脲酶提取及活性測定試驗、拌合法制樣、三軸試驗、SEM和XRD試驗。試樣制作流程如圖5所示。

2 結(jié)果與分析

2.1 試樣制作、養(yǎng)護、風(fēng)干前后質(zhì)量變化為了直觀表示試樣從制作完成到養(yǎng)護、風(fēng)干后的質(zhì)量變化，試樣制作完成時質(zhì)量為m0，養(yǎng)護、風(fēng)干后質(zhì)量為m1，質(zhì)量損失率為l，即：

l=m0-m1m0×100% （1）

取每個組別試樣質(zhì)量損失率的平均值Δl作為該組試樣最終質(zhì)量損失率（表4），Δl與組別的柱狀圖如圖6所示。

從圖6可看出試樣質(zhì)量損失率基本在0.12左右，隨著膠結(jié)液濃度增大，質(zhì)量損失率整體呈下降趨勢，表明隨著膠結(jié)液濃度增大，黃土松散顆粒被膠結(jié)成整體，減少了試樣的質(zhì)量損失。此外，平均質(zhì)量損失率介于0.109 8～0.123 1，確保制樣具有較高的精度。

2.2 三軸剪切試驗

不固結(jié)不排水三軸試驗按照《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 50123—2019）》［25］，采用TSZ-1型應(yīng)變控制式三軸儀進行，圍壓設(shè)置為100、200、300和400 kPa，以0.9 mm/min速率剪切，直至軸向應(yīng)變達到16%時停止試驗。

2.2.1 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

不同膠結(jié)液濃度的試樣在不同圍壓下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖7所示。

由圖7可以看出：

（1） 大豆脲酶與膠結(jié)液的混合溶液加入前后，試樣剪應(yīng)力-應(yīng)變曲線形態(tài)基本一致，總體可分為彈性階段、屈服階段和殘余階段。在偏應(yīng)力達到峰值強度前，隨著膠結(jié)液濃度增大，偏應(yīng)力均隨軸向應(yīng)變逐漸增加，曲線斜率無明顯差異，說明膠結(jié)液濃度對試樣初始剛度的影響較小。但固化土的彈性變形階段明顯較長，說明SICP技術(shù)能夠提高土體的承載能力［28］。

（2） 隨著膠結(jié)液濃度的增大，試樣最大剪切峰值均大于對照組的剪切峰值。在較低膠結(jié)液濃度下，試樣最大剪切峰值提高幅度較小，隨著膠結(jié)液濃度不斷增大，試樣最大剪切峰值提高幅度逐漸增加，在膠結(jié)液濃度增大到2.5 mol/L時，試樣最大剪切峰值達到最大值2 066.63 kPa，之后繼續(xù)增大膠結(jié)液濃度，試樣最大剪切峰值趨于穩(wěn)定，說明膠結(jié)液濃度對試樣峰值剪切強度的提高是有限的。這是因為試驗用大豆脲酶和膠結(jié)液的混合液代替水溶液拌合最優(yōu)含水率的土體，加入的混合溶液量是恒定的，決定了試樣峰值強度的提高程度。此外，除對照組外，其他組都加入了相同體積含量的大豆脲酶溶液，說明試樣中大豆脲酶溶液能水解尿素生成CO2-3量是一定的。再者，尿素在水溶液中的溶解度是定值，在制樣時，將大豆脲酶溶液和尿素與氯化鈣的混合溶液加入土體中，盡管大豆脲酶溶液能促進尿素的水解，但混合溶液與黃土的比例始終為定值，這也決定了拌合法對土體強度提高的上限。在較低膠結(jié)液濃度下，大豆脲酶溶液是充足的，隨著膠結(jié)液濃度不斷提高，大豆脲酶溶液的活性發(fā)揮殆盡，此時繼續(xù)增大膠結(jié)液濃度已不能再提高土樣的抗剪強度。

2.2.2 等圍壓下不同膠結(jié)液濃度試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由圖8知，峰值偏應(yīng)力隨圍壓增大而增大，不同膠結(jié)液濃度試樣在不同圍壓下均有明顯峰值。除膠結(jié)液濃度為0.5、1.0和1.5 mol/L的試樣在300和400 kPa時，偏應(yīng)力隨軸向應(yīng)變增大趨于穩(wěn)定或略增大外，其他膠結(jié)液濃度下試樣破壞后曲線呈急劇下降趨勢，偏應(yīng)力大幅減小至殘余強度，呈明顯應(yīng)變軟化特性，即典型脆性破壞。

等圍壓下，偏應(yīng)力隨膠結(jié)液濃度先增大后減小，膠結(jié)液濃度為2.5 mol/L時，峰值偏應(yīng)力最大。圍壓100 kPa時，未固化試樣峰值偏應(yīng)力為817.66 kPa，膠結(jié)液濃度為2.5 mol/L時為1 201.48 kPa，較未固化試樣提高了約1.47倍;圍壓為200、300和400 kPa時，膠結(jié)液濃度為2.5 mol/L試樣的峰值偏應(yīng)力較未固化試樣分別提高了約1.36倍、1.31倍和1.41倍。整體來看，SICP拌合可以使黃土強度提高1.31倍及以上，證明該方法有效。對于環(huán)境保護要求較高的工程，如土遺址加固、坡面抗侵蝕等工程可以嘗試用此方法固化黃土。為了提高固化效果，可對土體進行多次SICP技術(shù)處理或添加綠色環(huán)保材料聯(lián)合固化。

2.2.3 試樣的抗剪強度指標(biāo)

根據(jù)各膠結(jié)液濃度試樣在不同圍壓下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，計算得到不同膠結(jié)液濃度下黃土試樣的黏聚力和內(nèi)摩擦角（圖9、圖10）。

（1） 黏聚力隨膠結(jié)液濃度變化

從圖9可看出，黏聚力隨膠結(jié)液濃度先增大后減小，在膠結(jié)液濃度為2.5 mol/L時，黏聚力達到最大值257.49 kPa;此外，相較未固化試樣，加入大豆脲酶與膠結(jié)液的混合溶液后，固化土的黏聚力均有不同程度的增大，這說明固化土內(nèi)部生成的碳酸鈣可以使松散黃土顆粒黏結(jié)在一起，增大顆粒之間的膠結(jié)力。隨著膠結(jié)液濃度的增大，土體中生成的碳酸鈣量不斷增多。但每組試樣大豆脲酶溶液量相等，當(dāng)膠結(jié)液增大到某一濃度，土體中已沒有繼續(xù)催化尿素水解的大豆脲酶溶液，此時溶液中也不能再繼續(xù)生成CaCO3，而溶液中的其他離子可能阻礙化學(xué)反應(yīng)的進行，表現(xiàn)為膠結(jié)液濃度超過2.5 mol/L后，偏應(yīng)力隨膠結(jié)液濃度增大而減小。

（2） 內(nèi)摩擦角隨膠結(jié)液濃度變化

從圖10可看出，內(nèi)摩擦角整體隨膠結(jié)液濃度的增加而增大。在膠結(jié)液濃度較小時內(nèi)摩擦角增長緩慢，隨著膠結(jié)液濃度增大，內(nèi)摩擦角顯著增大。此外，固化黃土的內(nèi)摩擦角都大于對照組，說明大豆脲酶與膠結(jié)液的混合溶液在提高試樣黏聚力的同時，也提高了試樣的摩擦強度。

2.2.4 試樣破壞模式分析

試驗結(jié)束后，選取典型試樣的破壞形態(tài)展開分析，可以看到土樣主要呈現(xiàn)出四種破壞模式：上表面及側(cè)壁流滑破壞、下表面及側(cè)壁流滑破壞、豎向擠壓鼓脹破壞和剪切帶，如圖11所示。

2.3 XRD礦物成分變化

取對照組和膠結(jié)液濃度為2.5 mol/L的試樣進行XRD分析，事先需對其進行干燥處理。儀器型號為德國Bruker D8 Advance，其中X射線衍射角（2θ）設(shè)置為5°～90°，掃描步長為0.02°，掃描速度為5°/min。試樣的XRD如圖12所示。

從圖12可看出，未固化和固化黃土的主要成分為二氧化硅和碳酸鈣。同時，未固化和固化黃土的衍射峰整體形態(tài)非常相似，僅峰值強度略有不同，在衍射峰角度接近30°時，固化黃土的衍射峰強度明顯較高，這說明SICP拌合黃土后碳酸鈣含量顯著增加。當(dāng)衍射峰角度在30°～70°時，固化黃土的衍射峰高度較未固化黃土也略有增大，說明用大豆脲酶和膠結(jié)液的混合溶液替代水溶液后，在固化黃土中生成了較多的碳酸鈣晶體，將土顆粒黏結(jié)在一起，為土體提供了更多的強度來源。這與試樣三軸試驗結(jié)果一致，即SICP固化黃土強度高于未固化黃土，且高濃度膠結(jié)液下此現(xiàn)象更明顯。

2.4 微觀結(jié)構(gòu)分析

取對照組和膠結(jié)液濃度為2.5 mol/L的典型試樣進行SEM試驗，儀器型號為ZEISS Sigma 300。試驗時取樣品直接粘到導(dǎo)電膠上，并使用QuorumSC7620濺射鍍膜儀噴金時長45 s，噴金電流強度為5 mA;隨后使用ZEISS GeminiSEM 300掃描電子顯微鏡拍攝樣品形貌、能譜mapping等測試。形貌拍攝時加速電壓為3 kV，能譜mapping拍攝時加速電壓為15 kV，探測器為SE2二次電子探測器。圖13所示為

對照組和膠結(jié)液濃度2.5 mol/L的試樣放大300倍、600倍和1 500倍的SEM圖，其中，圖13（a）～（c）為對照組試樣，圖13（d）～（f）為膠結(jié)液濃度為2.5 mol/L的試樣。

由圖13可以得到：

（1） 圖13（a）和（d）分別是對照組和膠結(jié)液濃度為2.5 mol/L試樣放大300倍的SEM圖。由圖13（a）可以看出，對照組試樣顆粒大小不均勻、形狀不規(guī)則，顆粒主要以塊狀和片狀為主，表面凹凸不平，但土?？紫斗植急容^均勻，顆粒整體較為松散;部分顆粒表面以及孔隙間有較小的絲狀物質(zhì)，這可能是因為前期篩土過程中沒有篩凈土中含有的部分有機質(zhì)。由圖13（d）可以看到膠結(jié)液濃度為2.5 mol/L的試樣整體與對照組相似，SICP拌合后，部分土顆粒有明顯的集聚現(xiàn)象，說明土顆粒通過碳酸鈣膠結(jié)在一起，但團聚體之間仍然存在小孔隙。

（2） 圖13（b）和（e）分別是對照組和膠結(jié)液濃度為2.5 mol/L試樣放大600倍的SEM圖。由圖13（b）可看到黃土顆粒較清晰的輪廓，顆粒大小不均勻、形狀也不規(guī)則，主要以塊狀和片狀為主，塊狀顆粒表面存在細小的孔隙，顆粒表面有凸起;此外，顆粒之間孔隙也比較明顯。當(dāng)加入大豆脲酶和膠結(jié)液的混合溶液后，圖13（e）可以很清晰地看到黃土顆粒通過碳酸鈣膠結(jié)在一起，碳酸鈣主要附著在部分顆粒提供的成核位點上，黏結(jié)其他碎散顆粒，減小顆粒之間的孔隙使它們形成整體，從而提高土體強度。

（3） 圖13（c）和（f）分別是對照組和膠結(jié)液濃度為2.5 mol/L的試樣放大1 500倍后的SEM圖。由圖13（c）可以看到對照組顆粒表面較粗糙且凹凸不平，有一些片狀和塊狀的小顆粒附著在大顆粒表面，同時大顆粒表面存在比較明顯的小孔洞，與其他顆粒間孔隙清晰可見。由圖13（f）可以看到，加入大豆脲酶和膠結(jié)液的混合溶液后，碳酸鈣晶體附著在顆粒邊緣位置，填充顆粒間孔隙，增強顆粒間黏結(jié)強度及密實性。因此，大豆脲酶誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀固化黃土的機理可初步解釋為：大豆脲酶誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀填充了土顆粒間的孔隙，將松散土顆粒膠結(jié)成整體，增強了顆粒之間的密實性，阻止了顆粒之間的相對錯動，即減少了顆粒之間的相對位移，限制了顆粒之間過多的摩擦移動，從而避免了顆粒之間由于摩擦而造成的強度損失。這也解釋了固化試樣的抗剪強度指標(biāo)為何較對照組顯著增大。

3 結(jié)論

基于大豆脲酶誘導(dǎo)碳酸鈣沉積技術(shù)，根據(jù)不同濃度豆粉溶液提取的大豆脲酶活性強弱，確定了固化黃土的最優(yōu)豆粉濃度。通過不固結(jié)不排水三軸試驗、XRD和SEM試驗，研究了固化黃土的抗剪強度特性、礦物成分和微觀結(jié)構(gòu)，主要結(jié)論如下：

（1） 配置了12種不同濃度的豆粉溶液，通過攪拌、離心提取出大豆脲酶溶液。綜合考慮單位質(zhì)量大豆脲酶濃度與活性和經(jīng)濟性關(guān)系，推薦豆粉濃度為40 g/L時提取大豆脲酶溶液。

（2） 試樣峰值強度隨膠結(jié)液濃度先增大后減小，最終趨于穩(wěn)定值，在膠結(jié)液濃度為2.5 mol/L時達到最大值，此時黏聚力也最大;內(nèi)摩擦角隨膠結(jié)液濃度近似線性增長。

（3） XRD測試表明，SICP固化前后黃土主要礦物成分不變，僅固化土碳酸鈣晶體衍射峰數(shù)量和高度明顯增加。SEM試驗表明，SICP拌合黃土后生成的碳酸鈣晶體填充顆粒孔隙，將土顆粒膠結(jié)成整體，增大顆粒間黏聚力和密實程度，減少顆粒間相對錯動和摩擦，進而提高土體強度。

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（本文編輯：張向紅）