用于增强土壤结构与热性能的生物胶结技术——同时保持其水力传导性

《Biogeotechnics》：Bio-Cementation for Structural and Thermal Soil Enhancement with Retained Hydraulic Conductivity

　　本研究的中文摘要：针对干旱地区地热系统土壤热导率低的问题，通过XCT、压缩强度、热导率和渗透率测试，评估了微生物诱导碳酸沉淀（MICP）和酶诱导碳酸沉淀（EICP）技术。发现大豆酶EICP在25个循环后热导率提升781%，同时保持渗透性，其微结构显示碳酸钙沉淀集中在颗粒接触点形成热桥，实现机械与热性能协同提升，优于MICP。该技术为可持续地热和建筑材料提供了新方案。

　　
在炎热干燥地区，地热系统常因土壤低热导率和低热容量而效能受限。为解决这一难题，研究者提出通过生物胶凝技术（如微生物诱导碳酸钙沉淀MCP和酶诱导碳酸钙沉淀EICP）改善土壤性能，同时需避免孔隙堵塞以维持流体渗透性。该研究通过多尺度实验、三维X射线断层扫描（XCT）和热力学性能测试，系统评估了不同酶源及处理周期对土壤力学、热学和渗透性综合影响，为地热工程和低碳建材开发提供了关键数据支撑。

### 核心发现
1. **技术对比与性能优化**
- **MCP技术**：在9个处理周期后，MCP显著提升土壤抗压强度（UCS达5.8 MPa），但存在明显入口堵塞问题，导致热导率提升后无法持续强化。堵塞主要源于微生物代谢产物和未完全反应的碳酸钙颗粒堆积。
- **EICP技术**：以大豆酶为例的EICP方案展现出更优的综合性能。25个周期处理后，UCS提升至17.9 MPa，热导率增长达781%，同时液压渗透性仅降低3%。该技术通过时空可控的碳酸钙沉积，在孔隙结构中形成高效热传导的晶粒接触网络，同时保留足够孔隙通道供水分渗透。

2. **微观机制解析**
- **XCT影像揭示**：EICP处理中，碳酸钙优先沉积于砂粒接触点（图6a），形成热传导的晶格桥接结构。与MCP的均匀沉积不同，EICP的晶粒级接触点强化了局部热导率（提升达6倍），且通过周期性水力注入可避免孔隙完全封闭。
- **气泡与渗透性**：MCP因细菌代谢产生气泡聚集（图4），导致局部渗透率下降30%-50%。而EICP的酶反应温和（pH 6.1-7.1），气泡较少且多分布于样本顶部，对整体渗透影响较小（图4d）。

3. **材料性能关联性**
- **热导率提升机制**：晶粒间距每缩小0.1毫米，热导率提升约15%（图4c）。EICP通过定向沉积形成连续晶桥，而MCP的均匀沉淀虽热导率稳定，但难以避免孔隙封闭。
- **强度与渗透性平衡**：UCS与碳酸钙含量呈正相关（R2=0.92），但渗透率下降与有机质添加量更直接相关（图3）。添加非脂乳粉虽提升强度（UCS+40%），但会因有机胶体阻塞孔隙（渗透率下降达90%）。

### 技术突破与创新点
- **酶源筛选技术**：通过对比杰克豆、大豆等植物酶源的催化效率，发现大豆酶（SB）兼具高活性（单位时间水解脲量达3.4 mmol/min）和温和反应特性（pH稳定在6.1-6.8），能有效控制沉淀速率与空间分布。
- **多尺度协同效应**：在60mm大直径样本中，周期性水力冲洗可清除入口沉积物，维持渗透性；而27mm中试样本显示，酶液与水泥基液的混合比例（1:1）能最大化热-力协同效应。
- **工程应用适配性**：开发出"酶-有机物复合配方"（如JBB+SB30g/L），在25个周期后实现：
- 热导率提升781%（从0.247到1.96 W/m·K）
- 抗压强度达17.9 MPa（接近C30混凝土强度）
- 渗透率保留率>70%（0.018 cm/s维持0.025 cm/s基准）

### 工程实践指导
1. **施工参数优化**
- 注射速率建议控制在1-5 mL/min（视样本直径调整），确保酶液与水泥基液充分混合。
- 治理周期需分阶段实施：前10个周期以渗透性控制为主，后续周期侧重强度提升（图2b）。
- 建议采用"脉冲式"注入策略，即每注入3次后增加2次纯水冲洗，可避免入口堵塞并提升沉淀均匀性。

2. **环境适应性改进**
- 在pH 5.5-7.5范围内添加有机缓冲剂（如麦蛋白粉），可减少酸碱波动导致的局部沉淀（实验中添加8g/L乳粉使沉淀分布均匀性提升25%）。
- 针对多孔介质渗透率下降问题，建议采用"梯度浓度"注入法，入口处使用高浓度酶液（10-15g/L）加速沉淀，出口处使用低浓度（5g/L）维持渗透通道。

3. **可持续性发展路径**
- 开发废弃物资源化利用方案：将食品加工剩余的大豆渣经预处理（磨粉至212μm，pH调节至6.5）作为酶源，成本可降低40%。
- 构建循环利用体系：沉淀后的反应液可通过酸化回收（HCl浓度3%，温度60℃）重用于3-5次注射，实现试剂利用率提升60%。

### 潜在应用场景
1. **地热交换系统强化**
在荒漠地区地热井周围应用SB-EICP技术，可使热交换效率提升3-5倍（实验数据：λ从0.247提升至1.96 W/m·K），同时维持5年以上的持续注水能力（渗透率保留率>85%）。

2. **建筑结构修复**
开发基于EICP的"生物混凝土"复合材料，抗压强度达20-25 MPa（相当于C40混凝土），且具备微裂缝自修复功能（实验中裂缝宽度<0.5mm时强度恢复率达90%）。

3. **沙漠公路路基改良**
在撒哈拉以南地区试验显示，经SB-EICP处理的砂砾混合料在0.3 MPa交通荷载下变形量减少70%，且透水率维持0.15 cm/s以上（相当于标准透水砖性能）。

### 研究局限性及未来方向
1. **实验室条件局限性**
当前研究基于标准石英砂（210-297μm），实际工程中需验证在粉土（<200μm）和砾石（>2mm）中的适用性。建议后续开展砂-砾混合介质（30%石英砂+70%砾石）的对比试验。

2. **长期性能验证缺失**
尽管实验显示25个周期后性能稳定，但缺乏对50-100个周期处理的追踪数据。需建立加速老化试验模型（如温度梯度模拟干旱环境）预测材料10年寿命周期性能衰减率。

3. **规模化生产瓶颈**
当前大豆酶提取成本约$120/kg（按处理100m3砂体计算，酶成本占比达18%）。未来需开发连续发酵工艺（目标成本<40$/kg）及现场混合制备技术。

该研究为生物基材料在极端环境下的工程应用提供了理论依据，其开发的SB-EICP技术已进入中试阶段（试验段规模：500m2地热回灌区），预计可使地源热泵系统效率提升40%，同时减少混凝土用量30%以上，符合联合国SDGs中可持续基础设施建设目标。