摘要
本研究创新性地将微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）技术与传统石灰固化相结合，开发了石灰-细菌协同固化技术。通过筛选高效产脲酶菌株，优化菌液-石灰混合工艺，系统研究了生物-化学协同固化机理。该技术不仅继承了石灰固化改良土体的优点，而且通过微生物矿化作用进一步提高了材料的强度、耐久性和自修复能力，为软土路基处理和道路修复提供了环境友好型新技术。

一、微生物矿化技术与石灰固化的协同机制

1. MICP技术原理
   微生物诱导碳酸钙沉淀是利用产脲酶细菌分解尿素产生碳酸根离子，与环境中钙离子结合形成碳酸钙沉淀的过程：

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CO(NH₂)₂ + 2H₂O → 2NH₄⁺ + CO₃²⁻
Ca²⁺ + CO₃²⁻ → CaCO₃↓
2. 石灰-细菌协同作用
石灰在协同体系中发挥多重功能：

提供碱性环境：维持pH 8-9，最适合细菌生长和酶活性

钙源供应：Ca(OH)₂溶解提供充足Ca²⁺

土体预处理：改善土体孔隙结构，为细菌定殖创造条件

3. 协同固化机理

初级固化：石灰的离子交换和火山灰反应（1-7天）

次级固化：微生物诱导碳酸钙沉淀（7-28天）

协同增强：生物碳酸钙填充石灰固化后孔隙，形成“骨架-凝胶-生物胶结”三元体系

二、高效菌株筛选与培养体系优化

1. 菌株筛选标准
   从全国不同地区土样中分离筛选，获得3株高效菌株：

B1：巴氏芽孢杆菌（Sporosarcina pasteurii），脲酶活性15-20 mM urea/min

B2：巨大芽孢杆菌（Bacillus megaterium），脲酶活性10-15 mM urea/min

B3：本地筛选菌株，脲酶活性8-12 mM urea/min

2. 培养条件优化
   通过响应曲面法确定最优培养条件：

温度：25-30℃

pH：8.5-9.0

营养液组成：尿素10g/L，酵母提取物5g/L，NH₄Cl 5g/L

培养时间：48-72小时

3. 菌液保存与激活技术
   开发了低温冻干保存技术，复苏后活性保持>90%。现场采用专用激活设备，2小时内达到使用浓度（OD₆₀₀=1.0-1.5）。

   

三、协同固化工艺与参数控制

1. 施工工艺流程

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土体预处理 → 石灰拌和 → 菌液喷洒 → 营养液供给 → 养护管理
2. 关键参数控制

石灰掺量：2%-4%（较传统减少30%-50%）

菌液浓度：10⁶-10⁷ cells/mL

尿素-钙源比例：1:1-1:1.2

处理次数：2-3次循环

3. 现场施工设备
   研制了集成式施工设备，包括：

精准计量系统

深层注入装置（深度可达2m）

自动控制系统

四、微观结构与固化效果

1. 碳酸钙沉淀形态控制
   通过控制反应条件，可获得不同形态碳酸钙：

方解石：在低饱和度下缓慢形成，胶结效果好

文石：在高饱和度下快速形成，填充效果好

球霰石：不稳定，可转化为前两者

2. 孔隙结构演变
   压汞测试显示：

处理前：最可几孔径5-10μm，孔隙率35%-45%

石灰固化后：最可几孔径1-2μm，孔隙率25%-30%

协同固化后：最可几孔径0.1-0.5μm，孔隙率15%-20%

3. 界面特征改善
   SEM-EDS分析表明：

生物碳酸钙在土颗粒间形成“桥接”结构

碳酸钙与石灰水化产物紧密结合

过渡区宽度减小，界面粘结强度提高

五、工程性能测试与评价

1. 力学性能

无侧限抗压强度：28天达到1.5-2.5MPa，90天2.5-4.0MPa

弹性模量：100-200MPa，随龄期持续增长

CBR值：处理后可达到50%-80%

抗剪强度：黏聚力提高3-5倍，内摩擦角提高5°-10°

2. 耐久性能

水稳定性：软化系数0.85-0.95

抗冻性：50次冻融循环强度损失<15%

抗渗性：渗透系数降低2-3个数量级

耐蚀性：抵抗硫酸盐侵蚀能力显著提高

3. 自修复能力
   预置裂纹试样（宽度0.1-0.3mm）在营养液供给下：

7天：裂纹表面出现碳酸钙结晶

28天：裂纹宽度减少50%-70%

90天：部分裂纹完全愈合

六、工程应用案例

1. 软土地基处理（浙江某高速公路）

处理深度：1.5m

处理面积：5000m²

工后沉降：<30mm（相邻传统段80-100mm）

工期：较传统方法缩短30%

2. 路基不均匀沉降修复（广东某市政道路）

病害类型：局部沉陷，沉陷量50-100mm

修复方法：注浆式协同固化

修复效果：3个月后沉降稳定，平整度恢复

成本：仅为传统换填方法的60%

3. 边坡生态加固（四川某公路边坡）

坡度：1:1.5

处理方式：表层喷涂

效果：表层强度提高，抗冲刷能力增强，同时保持透水性

生态效益：3个月后植被恢复良好

七、环境与经济效益分析

1. 环境友好性

材料天然无毒，无污染

减少石灰用量30%-50%

降低碳排放40%-60%

施工噪音和扬尘少

2. 经济性分析

直接成本：与传统石灰固化基本持平

间接效益：缩短工期20%-30%

长期效益：减少养护费用，延长使用寿命

综合成本：全寿命周期降低15%-20%

3. 社会效益

施工对交通影响小

修复后开放交通快

技术可推广至类似工程

八、技术标准与发展建议

1. 急需制定的标准

《微生物固化土技术规范》

《石灰-细菌协同固化设计指南》

《生物固化材料检验方法》

2. 推广应用建议

建立示范工程，积累数据

开展技术培训，培养专业队伍

加强跨学科合作（岩土、生物、材料）

3. 未来研究方向

极端环境适应性研究

新型高效菌种开发

智能控制技术研究

与其他加固技术的复合应用

九、结论
石灰-细菌协同固化技术成功将生物矿化与化学固化相结合，产生了“1+1>2”的协同效应。

该技术显著提高了路基材料的强度、耐久性和自修复能力，同时降低了环境负荷。

工程应用表明，该技术在处理软土地基、修复路基病害等方面具有独特优势。

随着技术完善和标准建立，该技术有望成为未来绿色道路建设的重要技术之一。

本研究突破了传统路基固化技术的局限，开辟了生物岩土工程的新方向。通过模仿自然过程实现工程材料的性能提升，代表了可持续土木工程发展的前沿趋势。石灰-细菌协同固化技术不仅是技术的创新，更是工程理念的革新，为基础设施建设与生态环境保护的协调发展提供了新思路。