0.   引言

土地荒漠化作为当今人类面临的诸多环境问题中最大的挑战之一，被誉为“地球癌症”。中国地域广阔但人口众多、耕地面积较少，也长期饱受荒漠化带来的危害，其中风沙活动引起的频繁沙尘暴等严重威胁着居民正常的生产生活以及身体健康。目前，风积沙防治的主要方法分为机械固沙、化学固沙和生物固沙，然而现有方法在低成本、高效率和环境友好方面仍存在不足。近些年快速发展的基于微生物诱导碳酸钙沉积（MICP）和酶诱导碳酸钙沉积（EICP）的生物诱导碳酸钙沉积技术已经得到了广泛研究，该方法矿化速度快且易控制、施工扰动小和环境友好，在诸多领域有良好的应用前景。其中利用植物源脲酶特别是从大豆种子中提取脲酶进行大豆脲酶诱导碳酸钙沉积技术（soybean-urease induced carbonate precipitation, SICP）可以更好推进技术的绿色发展与应用。

现阶段，为提升固化土体的均匀性及效果，学者们在试验研究中探索采用浸泡、拌和、分步灌注以及单相灌注等注浆方法。其中单相灌注法施用简便且有更高的固化强度，但固化的均匀性有待改善，对此诸多学者尝试采用改进的新型单相灌注法探索改善注浆口处的堵塞、传统两相法中碳酸钙低转化效率及分布不均匀等问题，主要包括调节混合溶液pH的单相低pH法^[1-4]和降低混合溶液温度的低温灌注法^[5-7]。除了灌注方式的改进，一些学者也尝试通过加入添加剂改善固化土体的效果。徐望清等^[8]和范广才等^[9]引入脲酶抑制剂——正丁基硫代磷酸三胺（NBPT）改善固化的均匀性及效果。此外，纤维（化学纤维、矿物纤维、动物纤维和植物纤维等）、高分子聚合物（聚乙烯醇（PVA）、聚丙烯酸（PAA））和聚丙烯酰胺（PAM）等）以及多糖类物质（黄原胶、壳聚糖和海藻酸钠（SA）等）也用于MICP或EICP来提高土体的固化效果^[10-13]。

本研究通过利用蛋白质在等电点时溶解度最低的特点从大豆种子中提取大豆脲酶溶液，并在其中加入一种主要是从大豆分离蛋白、豆腐和腐竹等生产加工副产物豆渣中提取的水溶性多糖类物质——可溶性大豆多糖（SSPS）用于SICP，分别进行溶液试验、沙柱固化试验以及微观试验，分析SSPS对大豆脲酶溶液特性、液体环境下SICP反应特性以及土体环境中SICP单相灌注固化风积沙效果的影响，并结合扫描电镜探讨SSPS对SICP固化影响的机理。

1.   试验材料与方法

1.1   试验材料

（1）可溶性大豆多糖

SSPS是存在于大豆内的一种酸性阴离子多糖，主要由半乳糖、鼠李糖、阿拉伯糖、半乳糖醛酸、木糖、岩藻糖以及葡萄糖组成，无脲酶活性、无毒、无害、无污染，具有抗氧化性、高溶解性、较低黏性和良好稳定性^[14]，其中稳定性作用在酸性条件下性能更优。本试验所用SSPS为商业购买的食品级原料，主要成分（含量）中总多糖大于等于70%，粗蛋白小于等于8%，水分小于等于7%，粗灰分小于等于10%，pH（1%水溶液）为5.5±1.0。

（2）大豆脲酶溶液

大豆脲酶溶液为从大豆种子中提取得到的粗脲酶溶液。所用大豆购自附近市场（产自中国黑龙江省），大豆脲酶溶液的具体提取过程如下：

a）将购得的大豆放置于40℃干燥箱中干燥6 h后粉碎成粉过60目筛网，称取过筛后的大豆粉末按照60 g/L的豆粉浓度加入去离子水中，使用磁力搅拌器搅拌20 min，得到均匀的悬浮液；

b）将悬浮液放置于离心机中在4000 r/min、20℃下离心15 min，离心后用200目纱网过滤去除溶液中较细的不溶物以及表层多余的脂肪等，收集到的上层清液定义为大豆脲酶粗提物。

c）将得到的大豆脲酶粗提物利用蛋白质在等电点时溶解度最低的特点进一步简单纯化，即使用30%醋酸溶液调节其pH为5.0，随后再重复步骤（2）中的离心过滤步骤得到最终的大豆脲酶溶液。

另外，将步骤（2）中的大豆脲酶粗提物再重复一次离心过滤步骤得到未进一步简单纯化的大豆脲酶溶液用于对照，为便于对比分析，将该提取过程定义为调节pH为6.7（未调节pH）提取大豆脲酶。

（3）试验用沙

试验沙样为腾格里沙漠东南缘的沙漠风积沙，地处宁夏回族自治区中卫市沙坡头区。该风积沙以砂粒为主，含少量细土黏粒，主要矿物成分为二氧化硅，砂粒粒径集中分布在0.1~0.25 mm，是级配不良的细砂^[15]。

1.2   试验方法

（1）溶液试验

首先，探究SSPS对大豆脲酶溶液特性的影响，将SSPS按照不同的固液比（g/L）分别加入到采用调节pH为5.0提取的大豆脲酶溶液中，本试验中SSPS的添加量分别为0，1，3 g/L，然后在室温下用磁力搅拌器搅拌20 min使其充分溶解，得到添加不同浓度SSPS的大豆脲酶溶液，分别进行脲酶活性以及溶液黏度的测定。其中脲酶活性采用电导率法测定，根据15~30 min内每5 min的电导率变化量计算出平均每分钟的电导率变化值，按照1 mS/(cm·min) 的电导率变化值对应11.11 mmol/(L·min)的尿素水解量^[16]，换算得到大豆脲酶活性。溶液黏度利用黏度计在室温（25±2℃）下进行测定，选用0号转子（分辨率为0.1 mPa·s），转速设置为60转/min。另外，将SSPS溶解在去离子水中分别配制相同浓度只含SSPS的溶液用于测定纯SSPS的溶液黏度。

其次，探究SSPS对SICP反应过程的影响，将以上得到的添加不同浓度SSPS的大豆脲酶溶液分别与配制的0.4，0.8 mol/L盐溶液（等摩尔分析纯尿素和一水合乙酸钙组成）按照体积比1∶1混合，溶液总体积为80 mL。将混合后的溶液在室温（25±2℃）下静置24 h，待反应完成后将含混合溶液的烧杯放置于105℃干燥箱中充分干燥，采用称重法测定生成沉淀物的质量。另外，将干燥的产物研磨成粉进行XRD分析，其中X射线衍射角$2\theta$设置为5°~90°，扫描步长为0.02°，扫描速度为5°/min。

（2）沙柱固化试验

a）无侧限抗压强度试验

采用有机玻璃管加工的圆柱形模具制备沙柱样，模具由中间开孔的底座以及3个弧形玻璃板拼装而成，在底座放置300目纱网，弧形板内侧壁贴紧铺设硅胶垫和曝光膜，使用封口膜将底座与上部弧形板进行包裹密封，组装完成的模具内径约50 mm，高度120 mm。将风积沙按照40%的相对密实度采用落雨法分三层压实填入模具中，使其最终高度约100 mm，随即在上部放置略小于内径的圆形无纺布来降低溶液灌注过程中对风积沙表面的冲击。采用单相灌注法将略高于一倍孔隙体积的溶液灌注在试样中，即将45 mL添加不同浓度SSPS的大豆脲酶溶液与45 mL配制的0.8 mol/L盐溶液混合后立即用玻璃棒引流至试样表面，让其靠重力自由渗流，试验方案见表 1，每组试验设置3个平行试样，其中两次处理间隔24 h且以相同的方式灌注。完成处理并养护24 h后，使用500 mL去离子水分多次对试样进行冲洗，冲洗完毕后立即脱模测定无侧限抗压强度，结束后收集破坏的试样及不同位置脱落的碎片，充分干燥后用于测定碳酸钙含量。无侧限抗压强度试验以1.0 mm/min的恒定速率施加轴向载荷。碳酸钙含量采用EDTA滴定法^{[15, 17]}测定。

表  1  沙柱固化试验方案

Table  1.  Test schemes for sand column treatment

编号	调节pH	SSPS/(g·L-1)	处理遍数
1	5.0	0	1
2	5.0	0	2
3	5.0	1	1
4	5.0	1	2
5	5.0	3	1
6	5.0	3	2
7	5.0	3	4
8	5.0	3	6
9	6.7	0	1
10	6.7	0	2
11	6.7	3	1
12	6.7	3	2
13	6.7	3	4

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b）三轴固结不排水剪切试验

三轴试验仅对调节pH为5.0提取的大豆脲酶溶液中添加不同浓度SSPS后固化的试样进行剪切，所用试验材料、用量以及制备方式与无侧限抗压强度试验相同，但处理方式略有区别。采用蠕动泵按照1 L/h的泵送速率^[1]从下往上进行单相灌注处理，目的是为降低因沙柱固化不均匀造成的影响，共计处理2遍，每遍间隔24 h，每灌注一遍后底部不液封，溶液可凭重力自行流出。处理完成并养护24 h后，采用同样的方式冲洗试样，随后放入温度为-18℃的冷冻箱中冷冻^[18]，以便于安装到三轴仪上。

三轴试验使用全自动应力路径三轴仪（型号：TKA-TTS-3S）进行测定。三轴试验中，试样装样完成后施加10 kPa的围压让其在室温下解冻2 h，随后围压和反压逐渐增加到420 kPa和410 kPa，保持压力24 h使试样饱和，当孔隙水压力系数B大于0.95后，保持反压不变，围压值分别增加至460，510，610 kPa，让试样分别在50，100，200 kPa有效围压下固结，固结完成后按照0.1 mm/min的不排水剪切速率剪切，当轴向应变达到25%时认为剪切破坏完成，此时终止试验。

（3）微观试验

对液体环境下生成的沉淀物和无侧限抗压强度试验中的胶结试样进行SEM扫描。根据微观扫描图对比分析添加不同浓度SSPS后对液体环境下生成碳酸钙晶体形貌以及土体环境中碳酸钙分布的影响，以此揭示SSPS影响SICP反应过程的机理。

2.   试验结果与分析

2.1   大豆脲酶溶液活性及黏度

表 2给出了添加SSPS后的大豆脲酶溶液活性及黏度。从表中可以看到，大豆脲酶活性随SSPS浓度的增加略有降低，与不添加SSPS相比，添加1 g/L和3 g/L SSPS后，大豆脲酶活性分别下降了约4.5%和11.3%。由此可见，SSPS的添加轻微抑制了脲酶活性的表达。这种抑制现象或许与酸性条件下SSPS作为一种优良的蛋白质稳定剂有关，SSPS中以半乳糖残基和阿拉伯糖为主的中性糖侧链在稳定蛋白质颗粒中起着重要作用，其可以附着在蛋白质颗粒表面形成厚层并通过空间位阻效应防止蛋白质颗粒聚集^[19]，从而影响了溶液中大豆脲酶与尿素分子的结合，由此降低了大豆脲酶的催化活性。对于添加SSPS后大豆脲酶溶液黏度，随SSPS浓度的增加，大豆脲酶溶液黏度未显著增加，这是因为SSPS具有高水溶性和低黏度的特点，不会额外增加溶液的黏度^[20]。这也可以从只含SSPS的溶液黏度中验证，当SSPS浓度为1 g/L时，其黏度与去离子水相同，且当SSPS浓度为3 g/L时黏度仅增加了0.3 mPa·s。因此，低浓度SSPS的添加不会造成大豆脲酶溶液黏度大幅增加，这与瓜尔胶和黄原胶等水凝胶类物质有明显区别。

表  2  添加SSPS后大豆脲酶溶液特性

Table  2.  Characteristics of soybean-urease solution after adding SSPS

试样	脲酶活性/(mM·min-1)	黏度/(mPa·s-1)	张角/%
去离子水	—	1.1	10.7
1 g/L SSPS	—	1.1	10.8
3 g/L SSPS	—	1.4	14.0
60 g/L+pH 5.0	5.56	1.3	13.6
60 g/L+pH 5.0+1 g/L SSPS	5.31	1.3	13.4
60 g/L+pH 5.0+3 g/L SSPS	4.93	1.4	14.5

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2.2   液体环境反应特性

图 1为添加SSPS后对生成碳酸钙的影响情况。从图中可以看到，碳酸钙生成量随添加SSPS浓度的增加略有轻微降低但并不显著，基本处于相近水平，且两种盐溶液浓度下的变化情况基本一致。由此可以说明，SSPS添加后不会抑制碳酸钙的产生，且不会明显降低产物碳酸钙的质量。这是因为相比较添加SSPS，未添加时的脲酶活性略高，加快尿素水解速率的同时也会让溶液中铵根离子快速增加，进而也会对脲酶活性造成影响，而且添加SSPS后脲酶活性仅略微降低，或许在相对较长的反应时间内溶液中的碳酸根离子数量相近，从而不会影响最终生成的碳酸钙数量。

图  1  添加不同SSPS浓度下的碳酸钙质量

Figure  1.  Masses of CaCO₃ at different SSPS concentrations

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图 2为0.8 mol/L盐溶液与添加不同浓度SSPS的大豆脲酶溶液混合反应得到的沉淀物进行XRD分析后的图谱。从图 2中可以看出，不论添加何种浓度的SSPS，反应得到的沉淀物均为碳酸钙，而且碳酸钙晶体类型均以球霰石为主，生成的方解石较少。当添加1 g/L SSPS时，XRD图谱中出现球霰石和方解石峰的位置与未添加SSPS时较为相似，只是峰值强度有所不同，观察衍射角度2θ在接近30°时方解石的峰值强度，可以看到添加1 g/L SSPS时略高，这说明添加1 g/L SSPS后方解石含量有所增加。当添加3 g/L SSPS时，该角度下的峰值强度进一步增强，而且沉淀物XRD图谱与前两者有显著差别，在其他衍射角度也出现了方解石晶体的衍射谱，说明生成的方解石晶体进一步增多。由此可见，添加3 g/L SSPS后明显改变了液体环境下产物碳酸钙的晶体类型，部分球霰石转变为方解石，方解石晶体增多，尤以添加3 g/L SSPS时明显。

图  2  添加不同浓度SSPS下的沉淀物XRD图谱

Figure  2.  XRD patterns of precipitated substances at different SSPS concentrations

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2.3   无侧限抗压强度试验分析

（1）无侧限抗压强度

由于添加0和1 g/L SSPS的试样在单相灌注过程中混合溶液入渗缓慢，拆模后底部松散无法完整成型（编号1~4和9，10），故仅测定添加3 g/L SSPS试样的无侧限抗压强度。图 3为不同处理遍数下无侧限抗压强度结果，从图 3中可以看到，无侧限抗压强度随处理遍数的增加均不同程度增长，其中调节pH为5.0的试样增幅较大，调节pH为6.7的试样变化较小。对比分析相同遍数下两者的无侧限抗压强度，前两遍处理时在相近水平，而第四遍处理后出现了较大差别，这是因为调节pH为6.7的试样在灌注过程中混合溶液自第三遍开始入渗变慢，第四遍因沙柱表层堵塞严重造成处理24 h后溶液不能完全渗入，从而导致沙柱中碳酸钙含量分布不均匀（详见下一节分析），影响了无侧限抗压强度。

图  3  添加3 g/L SSPS不同处理遍数下的无侧限抗压强度

Figure  3.  Unconfined compressive strengths at different times of treatment with adding 3 g/L SSPS

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另外，两种大豆脲酶提取方式下前两遍处理的沙柱无侧限抗压强度在相近水平，说明以土体作为反应介质时两者的反应效率并未有显著差别，这是因为混合溶液在风积沙中的入渗未受影响，可以让溶液中的脲酶分子在聚沉絮凝前沿沙柱高度较均匀地分散在不同位置的沙颗粒表面，从而可以让SICP反应充分进行，而且相比较调节pH为6.7（未调节pH）提取大豆脲酶，通过采用调节pH为5.0的方式可以分离更多的无关蛋白质等进行他用，也可以灌注更多的遍数获得更高强度。因此，在提取大豆脲酶时采用调节pH为5.0分离蛋白质以及添加3 g/L SSPS是有利的。

（2）碳酸钙分布

图 4为不同处理遍数下沙柱不同位置的碳酸钙含量。对于添加3 g/L SSPS的试样，调节pH为6.7与5.0处理下碳酸钙含量在第一遍和第二遍时基本相同，第四遍后产生了较大差异，其中调节pH为5.0处理的沙柱不同位置碳酸钙含量略高且分布均匀，而调节pH为6.7处理下不同位置的碳酸钙含量分布较不均匀，沙柱下部碳酸钙含量较低，这是直接造成第四遍处理后两者无侧限抗压强度差异较大的原因。对于添加0和1 g/L SSPS的试样，前两遍处理时碳酸钙含量分布均较不均匀，其中添加1 g/L SSPS试样的不均匀程度较大，下部碳酸钙含量始终在较低水平，这是因为混合溶液的入渗明显减缓，而且在第二遍处理时混合溶液中的部分钙离子在渗入风积沙前已经以碳酸钙的形式析出在沙柱表面。由此可见，即使采用调节pH为5.0进行分离蛋白质后仍不能较好地改善大豆脲酶溶液与盐溶液混合后单相灌注固化风积沙的均匀性，这与Cui等^[4]采用30%无水乙醇作为浸提液提取大豆粗脲酶溶液用于单相灌注渥太华砂多遍后出现碳酸钙分布不均匀现象相一致。因此，在提取的大豆脲酶溶液中添加3 g/L SSPS对改善依靠重力自由入渗的单相灌注法是有效的。

图  4  不同处理遍数下沙柱不同位置碳酸钙含量

Figure  4.  Calcium carbonate contents at different positions of sand column under different times of treatment

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2.4   三轴固结不排水剪切试验分析

图 5为胶结试样在有效围压50，100，200 kPa下的应力-应变关系曲线。从图 5中可以看出，添加1 g/L SSPS的胶结试样应力-应变关系变化规律与未添加SSPS的胶结试样较为相似，但有效围压为50和200 kPa时的不排水抗剪强度略高，而有效围压为100 kPa时两者的应力-应变关系曲线基本重叠。当添加3 g/L SSPS时，胶结试样的应力-应变关系变化规律与前两者有显著差别。首先，当轴向应变较小时，在初始剪切阶段，曲线的切线斜率更大，表明胶结试样的剪切刚度更大，且曲线在最上方，相同轴向应变下具有更高的不排水抗剪强度。其次，在剪切试验后期，曲线达到峰值偏应力后不再随轴向应变的增加继续增长，而添加1 g/L SSPS和未添加SSPS的胶结试样需要更大的轴向应变才达到峰值偏应力，且有效围压为50和100 kPa时的峰值偏应力略高（图 5（a），（b）），这似乎表明添加3 g/L SSPS后削弱了胶结试样的不排水抗剪强度，但有效围压为200 kPa时（图 5（c）），添加3 g/L SSPS的胶结试样反而有最高的峰值偏应力，造成这种差异的原因或许是较高的围压会挤压沙颗粒的破坏胶结点^[21]，而添加3 g/L SSPS后沙颗粒破坏胶结点间的碳酸钙增多或生成的碳酸钙在沙颗粒间接触点处的胶结作用效果更好，从而导致抵抗剪切破坏的能力有所提升。

图  5  添加不同浓度SSPS的胶结试样应力-应变关系曲线

Figure  5.  Stress-strain curves of biocemented samples at different SSPS concentrations

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另外，将偏应力q与平均有效应力p′作比值后与轴向应变绘制关系曲线，如图 6所示。图 6（a），（b）和（c）分别为有效围压50，100，200 kPa下的应力比-应变关系曲线，在不同有效围压下，对比关系曲线发现，初始剪切阶段添加3 g/L SSPS时的峰值应力比均最高，而对于添加0和1 g/L SSPS的胶结试样，除有效围压为50 kPa外，两者的峰值应力比均较为相近。由此也验证了添加3 g/L SSPS对胶结试样强度改善的效果。根据三轴试验结果计算胶结试样的抗剪强度指标，当添加SSPS浓度分别为0，1，3 g/L时，有效黏聚力分别为3.8，15.5，32.6 kPa，有效内摩擦角分别为36.7°，35.9°，34.9°。有效黏聚力得到了显著增加，其原因与碳酸钙主要生成在沙颗粒间以及对沙颗粒的胶结作用效果有关，这将在下节微观试验中进行分析。

图  6  添加不同浓度SSPS的胶结试样应力比-应变关系曲线

Figure  6.  Stress ratio-strain curves of biocemented samples at different SSPS concentrations

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2.5   微观试验分析

（1）液体环境沉淀物形貌

添加不同浓度SSPS后的大豆脲酶溶液分别与0.8 mol/L盐溶液混合后反应得到的沉淀物SEM图像如图 7所示，当未添加SSPS时（图 7（a）），生成物碳酸钙分为表面光滑的球状晶体和表面有丝状纹理的晶体两种形貌，其中丝状纹理晶体与球状晶体相互交错，两种形貌晶体之间无明显其余物质包裹。当添加1 g/L SSPS后（图 7（b）），碳酸钙主要以球状晶体堆积为主，未出现丝状纹理晶体，且堆积的球状晶体表面被一层物质所包裹，晶体之间的连接更为紧密，导致晶体尺寸有所增大。继续增加SSPS浓度到3 g/L后（图 7（c）），碳酸钙也主要以尺寸较大的球状晶体为主，伴有尺寸偏小的球状和方形晶体，晶体之间的连接也较为紧密，而且生成的球状晶体表面有细小孔洞出现，这区别于前两种SSPS浓度下得到的球状晶体。由此可见，SSPS的添加明显改变了原有生成物的晶体尺寸和形貌，晶体之间的连接更为紧密。

图  7  添加不同浓度SSPS的液体环境沉淀物SEM图

Figure  7.  SEM images of precipitated substances in soil-free solution at different SSPS concentrations

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（2）土体环境沉淀物形貌

图 8为未处理的风积沙以及无侧限抗压强度试验中的胶结试样SEM图，对于未处理的风积沙（图 8（a）），沙颗粒形状呈现不规则状，表面无明显细小晶体覆盖。不同方案2遍处理后，沙颗粒表面及颗粒间接触点被许多细小晶体覆盖，这些细小晶体的覆盖程度也略有差异，其中采用调节pH为6.7提取脲酶用于处理沙柱时，不论有无SSPS的添加，处理后生成的碳酸钙明显可见分散在整个沙颗粒表面（图 8（b），（c））。当采用调节pH为5.0提取脲酶用于胶结风积沙时，未添加SSPS下生成的碳酸钙同样主要分散在沙颗粒表面（图 8（d）），而添加1 g/L和3 g/L SSPS后（图 8（e），（f）），胶结试样沙颗粒表面的细小碳酸钙有所减少，沙颗粒间接触点处的碳酸钙转而增多，特别是添加3 g/L SSPS后，明显可见沙颗粒间接触点及表面有一堆细小晶体以及平面状物质堆积（图 8（f）中蓝色虚线框），这些平面状物质为胶结的两个沙颗粒松散后暴露在颗粒表面的碳酸钙。

图  8  不同方案处理2遍的沙柱SEM图（放大倍数为300倍）

Figure  8.  SEM images of sand column biocemented twice by different schemes (magnification of 300×)

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继续增大放大倍数到2400倍时（图 9），可以看到未处理的风积沙表面较为粗糙，似乎一层薄膜覆盖（图 9（a）），而不论何种方案处理后胶结试样沙颗粒上的细小碳酸钙晶体均主要为花簇状球形晶体，晶体表面有明显棱角，这符合方解石晶体的形态，说明这种团簇状晶体是在菱形方解石的基础上不断生长而成。由此可见，当以土体作为反应介质时，生成的碳酸钙晶体形貌与液体环境下（图 7）有较大差别，这或许是由于沙颗粒可以为碳酸钙结晶提供成核位点造成的。

图  9  不同方案处理2遍的沙柱SEM图（放大倍数为2400倍）

Figure  9.  SEM images of sand column biocemented twice by different schemes (magnification of 2400×)

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因此，在以沙颗粒作为反应介质时，SSPS的加入没有较为明显改变土体环境中生成碳酸钙的晶体类型及形貌，反而影响了碳酸钙晶体的分布，导致部分碳酸钙从沙颗粒表面转移到沙颗粒间接触点处，从而让生成的有效碳酸钙增多，且这种影响对采用调节pH为5.0提取的脲酶用于处理沙柱更有效。这可以进一步从第四遍添加3 g/L SSPS后两种方案处理的沙柱不同位置SEM图中看出，如图 10所示，对于采用调节pH为6.7提取脲酶用于处理沙柱时（图 10（a），（b）和（c）），碳酸钙在胶结试样不同位置沙颗粒上的分布无显著差异，沙颗粒表面和颗粒间接触点均密布碳酸钙。对于采用调节pH为5.0提取脲酶用于处理沙柱时（图 10（d），（e）和（f）），胶结试样上部的碳酸钙主要集中在沙颗粒间接触点处，沙颗粒表面的碳酸钙大幅减少，随灌注深度的增加，试样中部和下部的碳酸钙在沙颗粒表面上的分布逐渐增多，且两种方案处理的试样下部碳酸钙在沙颗粒上的分布无明显差异，碳酸钙的这种分布与低饱和状态下生成的碳酸钙主要沉积在沙颗粒间接触点部位相对应^[22]，而且这种沉积模式下的碳酸钙为有效碳酸钙，对强度的贡献更大^[23]。碳酸钙的这种分布原因或许与SSPS的加入改善单相灌注风积沙的均匀性有关，SSPS作为优良的蛋白质稳定剂，可以附着在蛋白质颗粒表面从而防止蛋白质颗粒聚集沉淀，而且SSPS具有良好的耐盐稳定性，几乎不与金属阳离子发生络合反应，由此可以推测SSPS的加入保护了大豆脲酶溶液中的蛋白质，延缓了盐溶液中金属阳离子对蛋白质的絮凝，从而在单相灌注中降低了注浆口处的堵塞风险，让混合溶液在沙柱中更好的渗透，不仅改善了单相灌注风积沙的均匀性，也让沙柱特别是上部更容易形成低饱和环境，由此更多有效的碳酸钙生成，从图 11碳酸钙分布示意图中可以更为直观的理解。另外，调节pH为5.0下胶结试样沙颗粒间接触点处的碳酸钙似乎更为紧密（图 10中蓝色虚线框），这在调节pH为6.7下未明显观察到，由此推测碳酸钙在沙颗粒间接触点处的胶结作用也出现了差异。综上所述，添加SSPS后提升风积沙固化强度的机理可以解释为，SSPS的加入是通过让生成的碳酸钙更多的分布在沙颗粒间接触点处以及增强沙颗粒间接触点处碳酸钙晶体的连接性来提高胶结作用效果从而改善风积沙固化强度的。

图  10  两种方案处理4遍的沙柱SEM图

Figure  10.  SEM images of sand column after biocemented 4 times by two different schemes

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图  11  碳酸钙分布示意图

Figure  11.  Distribution of calcium carbonate

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2.6   经济及环境效益分析

在SICP中加入SSPS改善了单相灌注固化风积沙的强度和均匀性，将该技术进行实际大规模推广应用时，还必须考虑成本和副产物对环境的影响等问题。对于SSPS的价格，相比较瓜尔胶和黄原胶等水凝胶类物质来说较为高昂，但是其对固化风积沙强度和均匀性的改善也是显著的。因此，加入SSPS对固化风积沙成本的影响需要根据实际工程应用中SSPS所带来的具体效果，并结合材料的当地市场价格以及多方面其他因素进行详细的对比分析，来具体评估添加SSPS所带来的成本效益。另外，需要注意的是，本文在提取大豆脲酶溶液过程中利用蛋白质在等电点时溶解度最低的特点分离掉了部分蛋白质，可以尝试从中提取获得SSPS，这会大幅降低SSPS的成本，当然这需要后续试验评估可行性以及使用其他材料设备造成的成本。

由于SSPS可以从豆渣中提取，且无毒、无害、无污染，作为一种食品添加剂常用于酸性蛋白饮料中，因此，SSPS的加入不会额外对环境产生不利的影响，反而可以将副产物豆渣变废为宝，为豆渣的综合利用提供了一种途径。当然，不论是MICP还是SICP，都会有副产物铵等的存在，SSPS的加入对副产物铵的影响还需要后续试验进一步监测分析。

3.   结论

提出在大豆脲酶溶液中添加SSPS用于SICP固化风积沙。通过开展溶液试验、无侧限抗压强度试验、三轴固结不排水试验以及微观试验，研究了添加SSPS对SICP反应过程及固化效果的影响，探讨了添加SSPS后固化风积沙的剪切特性及影响机理，主要得到以下4点结论。

（1）SSPS的添加量为1，3 g/L时，几乎不影响大豆脲酶溶液黏度，但轻微抑制大豆脲酶活性，活性分别下降约4.5%，11.3%，导致液体环境下碳酸钙生成量略有降低，但少数球霰石晶体转变为方解石，方解石晶体增多。

（2）在大豆脲酶溶液中添加SSPS用于SICP固化风积沙可以提高强度并改善单相灌注的均匀性。其中，在提取大豆脲酶时采用调节pH为5.0进行分离蛋白质以及添加3 g/L SSPS更优，此条件下可以单相灌注更多遍数获得更高强度，且固化6遍后沙柱不同位置碳酸钙仍相对均匀分布。

（3）添加SSPS改善了风积沙固化后的剪切特性。当SSPS的添加量为1，3 g/L时，胶结试样的刚度和有效黏聚力均随添加SSPS浓度的增加而增大。

（4）从微观角度分析，SSPS的添加让液体环境下生成的碳酸钙晶体尺寸更大且更紧密，土体环境中更多更紧密的碳酸钙晶体分布在沙颗粒间接触点处。添加SSPS后提升风积沙固化强度的机理可以解释为：SSPS的加入是通过让生成的碳酸钙更多的分布在沙颗粒间接触点处以及增强沙颗粒间接触点处碳酸钙晶体的连接性来提高胶结作用效果从而改善风积沙固化强度的。