摘 要：探究了生物聚合物黄原胶与亲水剑麻纤维复掺，增强微生物诱导碳酸盐沉淀（MICP）固化砂体力学性能的机制。结果显示：单独添加黄原胶或与剑麻纤维复掺均可显著提升MICP固化砂体的三点弯曲强度（TPB）与无侧限抗压强度（UCS）。其中，黄原胶（浓度0.25g/L）与剑麻纤维（长度10mm）按质量比7∶40复掺的试样性能最优，相对于未添加黄原胶和剑麻纤维对照组，其TPB与UCS分别提升162%与86%。黄原胶在MICP体系中的掺量为干砂质量的0.05%时，单位黄原胶掺量的UCS增益高达1700倍，展现出优异的“低掺量-高增益”效能。机理研究表明：黄原胶与剑麻纤维共同促进了方解石晶体的成核与生长，而纤维架桥微观结构显著增强了固化砂体抗外力的能力。该工作揭示了低剂量生物聚合物-亲水纤维复掺体系强化MICP技术的潜力与机制，可为工程应用的拓展提供理论依据。
关键词：微生物诱导碳酸盐沉淀（MICP）；生物聚合物；纤维；砂体；力学性能；机制；方解石；复掺
0 引言
利用改进的微生物诱导碳酸盐沉淀（MICP）技术解决岩土工程问题，已成为备受关注的研究方向。该技术在砂土道路加固、边坡工程及堤坝稳定性提升等方面具有显著潜力[1]。其中，以脲酶菌介导的尿素水解为核心的MICP路径已非常成熟。该技术可在富钙环境中沉淀碳酸钙，且无二次污染。从机理上看，沉淀碳酸钙实现了对砂粒的生物胶结，通过增强颗粒间的连接力强化了整体结构。这一技术在显著提升砂体宏观强度的同时，最大限度地抑制了对原始结构的扰动[2]。
研究发现，向砂土中添加生物聚合物可以提高其MICP性能[2-3]。阴离子型生物聚合物因官能团带负电荷，能够更高效地吸附Ca2+，促进碳酸钙生成[4]。黄原胶（xanthan gum，XG）是一种在中性pH环境下呈阴离子特性的水溶性生物聚合物，兼具水凝胶特性与环境友好性[5]。据报道，最高添加量达土体干质量1.1%的黄原胶可与脲酶诱导碳酸盐沉淀协同固化土体[6]。其水凝胶特性可增加灌浆液黏度，有效降低灌浆渗透速率、延长反应时间、增加碳酸钙沉淀量，但亦会导致土体表面结壳现象[5]。MICP固砂技术需实现相对均匀的砂体固化，因此黄原胶的这一特性制约了黄原胶在MICP技术中的应用。
纤维增强MICP固化砂技术因成本效益高、操作便捷等优势亦日益受到关注[7]。研究发现[8]，亲水纤维在砂柱中发挥类毛细管作用，输送细菌底物并清除代谢副产物，进而显著提升碳酸钙晶体分布均匀性，优化MICP固化砂体力学性能。剑麻纤维（sisal fibre，SF）是典型亲水纤维，凭借其优异的力学性能、低成本与高市场可获得性，被视为土木工程创新生物复合材料首选原料[9]。文献报道，添加0.3%（质量分数）剑麻纤维，经脲酶诱导碳酸盐沉淀处理的砂柱强度可提升3倍[6]。剑麻纤维平均拉伸强度达340.02±70.4MPa，拉伸模量为12.5±7.8GPa[10]。这些特性使其成为黄原胶-MICP固化复合材料理想的增强相。天然纤维与生物聚合物复配，可制备性能优异的生物复合材料[11]。
基于以上研究，本文系统研究了黄原胶-剑麻纤维复掺对MICP固化砂体的增强效应。通过测试经处理砂体的三点弯曲强度（three-point bending strength，TPB）与无侧限抗压强度（unconfined com_pressive strength，UCS），结合X射线衍射、扫描电子显微镜和能谱分析，揭示黄原胶与剑麻纤维的协同增强机制，旨在为生物聚合物-亲水纤维复掺体系在工程应用中的适用性提供参考依据。
1 材料与方法
1.1 菌液、化学试剂与材料
采用巴氏芽孢八叠球菌（Sporosarcina pasteurii，ATCC 11859）作为试验菌株。将菌株接种于铵盐-酵母提取物培养基（ATCC1376），30°C恒温振荡，培养20~24h，制备菌液[12]。以600nm处的光密度值（OD600）表征细菌浓度[1]，采用电导率法测定脲酶活性[12]。得到OD600为2.07、脲酶活性为1.74±0.04mmol·L-1·min-1·OD600-1的菌液用于本研究的MICP处理。
用于MICP处理的化学试剂包括尿素、CaCl2及Tris，均为分析纯试剂。胶结液的基本组分为0.5mol/L尿素与0.5mol/LCaCl2的混合溶液，使用1g/LTris缓冲液调节pH值至9.0。
黄原胶（CAS号：11138-66-2）粉末购自国药集团化学试剂有限公司；剑麻纤维购自国内供应商。
石英砂（CAS号：14808-60-7）购自上海麦克林生化科技股份有限公司，比重为2.65，不均匀系数为12.38，曲率系数为1.29，属级配不良砂[13]。所有试样均压实至初始干密度1.81g/cm3。
1.2 试样制备
试样制备流程见图1。
图1 试样制备流程
采用定制化顶底部开孔的可拆卸梁式模具（内部尺寸40mm×40mm×160mm）制备试样。首先，将462±0.6g标准砂分3层填入模具，并通过分层压实法控制每层最终厚度为13.3mm。基于水饱和-称重法测得其孔隙体积为70±0.5mL。使用MICP处理前，对照组与黄原胶处理组（XG）将462±0.6g标准砂与70±0.5mL去离子水混合后同法压实。剑麻纤维处理组（SF）与黄原胶-剑麻纤维复掺组（XG&SF）则通过几何稀释法将1.39±0.01g特定长度的剑麻纤维与砂体均匀混合。具体步骤为：先将全部纤维与约1/10质量的砂样在干燥状态下充分预混，再分次加入剩余的砂并持续搅拌，直至混合物中无任何可见的纤维簇。最后，再与去离子水混合并压实。具体处理方案见表1。
表1 试样制备试验条件
细菌接种采用经崔明娟等优化且被广泛验证的两步注入法[14]。所有液体均使用蠕动泵以恒定流速（10mL/min）模式注入，确保注入液体的均匀性与重现性[14]。该过程仅在试验开始时进行1次，旨在使细菌固定在砂体孔隙中。具体流程为：将0.4倍孔隙体积菌液注入压实的砂体，再注入0.6倍孔隙体积混合液（菌液与0.5mol/L CaCl2溶液按10∶1体积比混合）。接种完成后，立即以塑料膜包裹砂梁，于30°C恒温养护8h促进细菌定殖。
细菌定殖完成后，进行灌浆-矿化循环。于灌浆前配制胶结液：对照组和SF组仅含0.5mol/L尿素+0.5mol/L CaCl2，XG组和XG&SF组含0.5mol/L尿素+0.5mol/L CaCl2+表1中设定浓度的黄原胶。随后，采用上述蠕动泵控制方式灌浆[14]，每次灌浆体积为1.0倍孔隙体积。每次灌浆后，以塑料膜包裹砂梁，于30°C恒温静置12h进行矿化反应[14]。上述灌浆-矿化循环每隔12h重复1次，共计14次。灌浆-矿化循环14次所用黄原胶总量与剑麻纤维质量比为7∶40。为确保试验结果的可靠性，每组试验均制备3个平行试样。
每次灌浆后立即收集流出液测定OD600。完成14次循环后，所有试样经去离子水洗涤3次去除残留物。脱模后于60oC烘干，此温度下相对湿度（RH）理论上应低于10%，旨在确保试样较快完成干燥，且避免纤维收缩及界面热应力开裂[15]。
1.3 测试方法
1.3.1 三点弯曲强度与无侧限抗压强度
采用WDW-2型试验机（济南恒思盛大仪器有限公司）测试TPB与UCS，加载速率分别设定为5mm/min（TPB）和2mm/min（UCS），测试过程严格遵循EN 196-1标准[16]。
1.3.2 微观结构表征
采用XRD-7000型X射线衍射仪（XRD，岛津公司），扫描速率10(o)/min，比对ICDDPDF-2数据库鉴定碳酸钙矿物相。通过Gemini SEM 300型场发射扫描电镜（SEM，卡尔蔡司公司）及联用能谱仪（EDX）观察试样微观形貌。
1.3.3 碳酸钙含量测定
经过量盐酸处理的试样失重换算方解石质量[17]，按式（1）计算方解石含量：
式中：ccalcite（%）为方解石含量；mcalcite（g）为方解石质量；mspecimen为试样干质量（g）。
1.3.4 统计分析
所有数据采用单因素方差分析（ANOVA），结果以均值±标准差表示。p<0.05（*）视为差异显著，p<0.01（**）视为差异极显著。
2 结果与讨论
2.1 黄原胶浓度对力学性能的影响
图2为五点浓度梯度（0、0.125、0.25、0.5、1g/L）黄原胶试样的TPB与UCS测试结果。当黄原胶单独添加时，TPB与UCS随浓度（0~1g/L）增加呈先升后降趋势，说明黄原胶可显著提升MICP胶结砂力学性能。其中，0.25g/L组性能最优，分别为0.53±0.03MPa（TPB）和1.72±0.02MPa（UCS），相对于对照组（0g/L）分别提升了125%和23%。因此，0.25g/L是本试验条件下增强效果最佳的黄原胶浓度，后续XG&SF组灌浆试验均采用该浓度。
图2 单独添加黄原胶试样力学性能
2.2 剑麻纤维长度对力学性能的影响
参考Almajed[6]和Imran等[7]对天然植物纤维增强微生物固砂力学性能的研究，通过5个长度梯度（0、5、10、20、25mm）剑麻纤维的TPB和UCS测试，评估了不同长度剑麻纤维对MICP固化砂体力学性能的影响。如图3所示，当单独添加剑麻纤维时，TPB和UCS随剑麻纤维长度（0~25mm）的增加呈先升后降趋势，与Imran等[7]报道的纤维长度效应一致。其中，20mm组的力学性能最优，TPB与UCS分别为0.45±0.04MPa和1.93±0.11MPa，相对于对照组（0g/L）分别提升了91%和38%。而5mm组与25mm组的TPB和UCS与对照组无显著差异，说明纤维过短难以有效桥接裂缝，过长则易受试样边界约束，从而限制其发挥作用。
图3 单独添加剑麻纤维试样力学性能
2.3 黄原胶与剑麻复掺对力学性能的影响
为探究黄原胶与剑麻纤维复掺对MICP固化砂土的协同增强作用，并考察黄原胶对过长或过短纤维（5、25mm）的潜在改善作用，选用了5个长度梯度（0、5、10、20、25mm）与黄原胶进行复掺。如图4所示，当黄原胶与剑麻纤维复掺时，TPB与UCS随纤维长度（0~25mm）增加呈先升高后降低趋势，说明纤维长度效应依然存在。其中，0.25g/L黄原胶和10mm纤维复掺（XG-0.25&SF-10）组性能最优，TPB达0.62±0.01MPa，UCS达2.60±0.02MPa，相对于对照组分别提升了162%和86%，见图4(a)(b)。复掺体系性能显著优于单掺组（p<0.01），XG-0.25&SF-10组TPB和UCS较XG-0.25单掺组分别提升16%与51%。复掺体系中剑麻纤维的最优长度为10mm，而剑麻纤维单掺试验中的最优长度为20mm，这是因为前者的分散性更好[8]，能与黄原胶和砂粒形成更均质的复合体。5mm和25mm剑麻纤维复掺组的TPB和UCS均较对照组显著提升（p<0.01），表明黄原胶的引入一定程度能够补偿因纤维过短或过长导致的长度效应缺陷。
值得注意的是，本研究灌浆-矿化循环14次所用黄原胶总量与干砂质量比为0.05%，远低于文献报道的1.1%[6]和1%~4%[18]，在提升强度的同时大幅降低了材料成本。本研究中单位黄原胶掺量UCS增益高达1700倍，相对于Ma等[18]报道的非微生物矿化体系中的单位黄原胶掺量UCS的增益（150倍），提升了10倍，显示出MICP体系下黄原胶“低掺量-高增益”的优势，同时，也表明相对于非微生物矿化体系，MICP体系中黄原胶的增强机制存在根本差异。
图4 黄原胶-剑麻纤维复掺试样力学性能
2.4 复掺体系强度解耦与贡献度分析
为定量解析黄原胶与剑麻纤维在复掺体系中对强度提升的独立与协同效应，基于UCS数据，通过计算各组相较于对照组的强度增量(ΔUCS），进行初步的解耦分析。将复掺组（XG-0.25&SF-10）的总强度增量分解为黄原胶（XG-0.25）的单独贡献、剑麻纤维的单独贡献及二者的协同贡献。定义复掺组（XG-0.25&SF-10）相对于对照组的总强度增量为ΔUCStotal，单一掺量组（XG-0.25和SF-10）的强度增量分别为ΔUCSXG和ΔUCSSF。协同效应产生的强度增量(ΔUCShyb）定义为总增量与独立增量之和的差值，即ΔUCShyb=ΔUCStotal-ΔUCSXG-ΔUCSSF。以ΔUCStotal为基准（100%），根据黄原胶与剑麻纤维的独立贡献度计算二者的协同贡献度。根据表2数据，计算黄原胶和剑麻纤维协同贡献的强度增量为0.59MPa，贡献度为49.16%，远超二者的独立贡献，同时也证实该体系存在强正向的协同效应。结果表明，复掺体系近一半强度提升源于“黄原胶-矿化-纤维”的三元耦合，而非二者简单叠加。
表2 基于UCS的增强效应解耦分析
2.5 细菌附着与碳酸钙生成
图5(a)显示，复掺试样流出液OD600值在前12h内骤降，24h时降至0，且在后续的所有灌浆-矿化循环中，流出液的OD600值均稳定在0附近，这表明细菌在砂粒表面的附着于24h内完成且不可逆。其中，XG-0.25&SF-20组OD600下降速率最快，说明其细菌附着效率最高。然后，根据力学性能结果（图4），初始附着速率最快并未带来最终的最高强度。这可能是由于过长的纤维（20mm）在灌浆初期过度富集细菌，使局部反应过快、碳酸钙分布不均，制约了整体强度的协同发展。与之相比，XG-0.25&SF-10组虽初始附着速率略低，但纤维分散更为均匀，有利于后续灌浆过程中碳酸钙的均匀沉淀，从而获得最优力学性能。较黄原胶单掺组所需的36h附着时间（图5(a)），剑麻纤维的附着时间缩短了33.3%，证实其可促进细菌定殖。此现象与文献[19]结论一致，即添加固定介质能有效降低灌浆过程中的细菌流失。为清晰呈现上述附着动态，图5(a)中仅展示前48h的数据。
流出液pH值受试样内矿化沉淀CO32-及细菌代谢释放NH3的协同调控，其化学过程如下：
图5(b)显示，流出液pH值在矿化初期的24h持续下降，最终稳定于7.29~7.65。因为NH3气体逃逸（式(2)）降低了氨水解过程OH-产量（式(3)），CaCO3沉淀过程积累了H+（式(4)和式(5)）。复掺体系中所有含黄原胶试样流出液的pH值均显著低于对照组（p<0.01），说明黄原胶可显著增强MICP的反应活性。
XG-0.25&SF-10试样的碳酸钙含量显著高于对照组（p<0.01）及XG-0.25单掺组（p<0.05，图5(c)），该趋势与OD600及力学性能结果一致，证实微生物诱导碳酸钙沉淀产生是提升试样强度的关键因子[2]。Choi等[20]指出碳酸钙积累可显著增强试样的强度，但其快速沉淀会因形成局部脆弱区而限制整体强度的提升。本研究中，相对于10mm剑麻纤维，20~25mm剑麻纤维因其更大的比表面积和空间结构，在灌浆初期能够捕获并固定过量的细菌。过量附着的细菌在灌浆点附近引发局部快速反应，导致试样表面结壳，阻碍了后续灌浆液向试样内的均匀渗流[1]。碳酸钙优先、集中地沉积在纤维表面及试样表面，造成碳酸钙分布不均[19]。最终，这种非均匀的碳酸钙分布在试样内部产生应力集中点。因此，当纤维长度从10mm增至25mm时，试样的TPB与UCS出现显著下降。
图5 MICP过程监测
2.6 碳酸钙矿物相分析
MICP处理前后各试样的XRD图表明（图6）。
图6 MICP处理前后的XRD图
所有MICP处理试样的主矿物相为方解石，证实黄原胶与剑麻纤维的添加不会改变碳酸钙矿物相组成。
碳酸钙矿物相是影响MICP胶结砂力学性能的关键因素[21]。碳酸钙存在3种晶型：方解石、文石及球霰石[22]。其中，方解石在地表条件下具有最优稳定性、最低溶解度和最强耐久性[23]；而文石与球霰石则不稳定，易发生晶型转化[21]。文石溶解度高于方解石，难以在地表环境稳定存在[23]，球霰石更易向稳定的方解石转变[22]。因此，本研究中以方解石为主导矿物相，对MICP固化砂体强度提升具有显著促进作用。
2.7 黄原胶与剑麻纤维协同增强机制
微观结构是揭示复掺增强机理的关键要素。SEM分析（图7(a)）表明，对照组方解石晶体呈菱面体聚集，而XG-0.25与XG-0.25&SF-10组则同时存在菱面体与球状体（图7(b)和8(c)），说明球状方解石由黄原胶诱导产生。菱面体和球状方解石由EDX分析（图7(d)）证实。此外，对照组方解石晶体表面及内部存在大量孔洞（长3~4μm，直径1~2μm），其尺寸与细菌类似（图7(a)），可认为是细菌矿化后遗留的空腔[24]，表明细菌是主要成核位点[17,24]。黄原胶处理组几乎未见此类细菌空腔（图7(b)和7(c)），表明黄原胶体系中细菌不是主要成核位点。
对照组与黄原胶处理组的成核位点差异源于黄原胶的强亲水性及负电荷特性。强亲水性使黄原胶可吸附含Ca2+/CO32-的灌浆液，负电荷使黄原胶在中性环境中吸引Ca2+形成成核位点，在CO32-存在下形成晶核[25]。矿化过程中，黄原胶分子链在方解石特定晶面无序舒展并聚集，形成分子间微区，该限域空间抑制晶体生长，最终导致大尺寸球状方解石形成[26]。XG-0.25组方解石晶体团聚体含量与尺寸显著高于对照组，且与碳酸钙含量正相关，表明黄原胶诱导的成核位点及球状晶体可促进方解石的成核与生长。大量方解石晶体比少量晶体能更高效填充砂颗粒孔隙[2]。
Ma等[18]研究了非微生物矿化体系中黄原胶对纤维增强砂土力学性能的影响，发现黄原胶主要通过填充土壤颗粒间的孔隙，在砂粒骨架与纤维之间形成稳定的弹性薄膜结构，从而增强土壤强度。本研究中黄原胶的最优掺量仅为前者的1/80，单位黄原胶掺量UCS增益相比前者提升了10倍。这表明在MICP体系中，黄原胶的增强作用主要源于其对微生物矿化过程的调控，而非单纯的物理黏结。这为低剂量生物聚合物在土体改良中的应用提供了新思路。
剑麻纤维处理组中形成纤维架桥微观结构（图7(c)），即单根纤维联结多个相邻砂粒的类桥体结构。该结构可通过提升静摩擦力、扩大纤维体周围有效接触面与法向应力、增大破坏时纤维拔出过程的能耗，提高砂颗粒对外力的抵抗能力[27]。纤维表面包裹的黄原胶诱导沉淀的方解石团聚体可包覆强化剑麻纤维（图7(c)），进而提升纤维架桥效应，此为剑麻纤维增强试样的主要机制。
图7 MICP处理后试样扫描电镜分析
2.8 技术应用潜力
基于试验数据对黄原胶与剑麻复掺增强微生物固砂技术的优势进行初步分析，对于评估该技术的应用潜力至关重要。与传统MICP技术相比，本文复掺技术的核心优势在于黄原胶的“低掺量-高增益”。尽管单位质量黄原胶价格高于普通砂土，但本文方法仅微量掺入，故单方土体的黄原胶新增成本极低。剑麻纤维则具有低成本、优异力学性能和高市场可获得性优势，是目前市场上最常用的生物复合材料之一[9]。因此，本文的复掺技术在综合成本上具备与传统MICP竞争的优势。相较于水泥、石灰等传统化学胶结材料，黄原胶-剑麻-MICP固化复合材料展现出优异的生物相容性、低碳排放、无土壤碱化风险的环境友好性，在生态敏感区、历史遗迹保护等对材料和环境有特殊要求的场景中，具有独特的竞争优势。
3 结语
本研究系统探讨了黄原胶与剑麻纤维对MICP固化砂体力学性能的协同增强效应。复掺体系（0.25g/L黄原胶+10mm剑麻纤维）较单掺组表现出显著优势，其TPB与UCS分别较对照组提升了162%与86%。MICP体系中的黄原胶表现出“低掺量-高增益”的优势。黄原胶通过促进方解石晶体成核、生长及聚集，产生含量多、尺寸大的晶体，有效提升砂体强度。剑麻纤维形成纤维架桥微观结构，增强砂粒抗外力能力。本研究揭示了生物聚合物-亲水纤维复掺强化MICP技术的潜力与机制，为低剂量生物聚合物在土体改良中的应用提供了新思路。未来的研究应重点考察该复合材料的长期力学性能与胶结稳定性演变规律，以期为工程适用性提供全面的评估依据与理论支撑。
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