一种提高季节性冻结地区分散土壤抗扩散性能和机械性能的新策略：关于大豆脲酶诱导碳酸盐沉淀（SICP）应用的研究

《Cold Regions Science and Technology》：A new strategy for improving the anti-dispersal properties and mechanical performance of dispersed soil in seasonal frozen regions: Research on the application of soybean urease-induced carbonate precipitation (SICP)

提高寒区冻融循环下分散性土壤抗剪强度及长期稳定性的Soybean Urease-Induced Calcium Carbonate Precipitation技术体系研究。

　　

周玉轩|袁晓青|王青|陈慧娥|徐欣|王晓强

中国吉林大学建筑工程学院，深部地球探测与成像国家重点实验室，长春130026

摘要

分散性土壤广泛分布于中国东北部的松嫩平原。这类土壤的抗水侵蚀能力较弱，在季节性的冻融循环作用下其工程性质会显著恶化，从而带来严重的岩土工程问题。传统的化学稳定方法存在生态污染和长期效果不理想等问题，难以满足生态兼容性和长期稳定性的要求。大豆脲酶诱导的碳酸钙沉淀（SICP）是一种新兴的、经济可行、环保且可持续的技术，通过促进碳酸钙沉积来固化土壤颗粒，有效抑制土壤分散并提高其抗冻融能力。本研究通过一系列宏观和微观试验，系统评估了SICP在稳定分散性土壤方面的效果及其在冻融循环下的长期性能，并阐明了相应的稳定机制和冻融劣化机制。结果表明，SICP通过离子交换和生物矿化作用增强了颗粒间的粘结力，显著提高了分散性土壤的抗分散能力和力学性能，最大无侧限抗压强度提高了154.55%。此外，SICP能有效抑制冻融循环过程中土壤颗粒的分散，并抑制内部大孔（4-40 μm）和超大孔（>40 μm）的形成和扩展。经过30次冻融循环后，SICP处理后的土壤强度比未处理土壤高出271.34%，表明其抗冻融能力得到了根本性提升。

引言

作为中国重要的粮食生产基地，松嫩平原稳定的粮食生产能力直接支持着国家的粮食安全战略，并对全球粮食供应系统产生深远影响。然而，该地区广泛分布的分散性土壤常常导致坡体不稳定和沟渠坍塌等问题（Mohanty等人，2021；Xu等人，2025；Turgut等人，2017）。这不仅严重限制了农业的可持续发展，还带来了重大的安全隐患。此外，该地区位于季节性永久冻土带内。作为全球寒冷地区环境研究的关键区域，季节性永久冻土问题引起了学术界的广泛关注（Lu等人，2019；Cao等人，2025；Lin等人，2025）。在反复的冻融循环作用下，土壤颗粒间的胶结作用不断受损，土壤骨架的完整性逐渐恶化，土壤结构变得更为多孔。因此，实现分散性土壤的安全工程利用成为当前面临的重大挑战。

在分散性土壤改良的初期阶段，主要采用了物理改良方法，如替换法，即部分或完全用强度更高、渗透性更好的材料替代原生土壤。然而，这些方法往往导致较高的建设成本。随着对钠离子主导的分散机制认识的深入，利用石灰和明矾等钙基或铝基材料的化学改良技术被广泛采用（Consoli等人，2016；Hassanlourad等人，2017；Gidday和Mittal，2020）。这些材料释放多价阳离子（如Ca²⁺、Al³⁺），与粘土颗粒表面的Na⁺进行交换，压缩扩散双电层并促进颗粒絮凝，从而有效抑制土壤分散。然而，这些化学方法的效果通常会随时间减弱，长期稳定性较差（Xu等人，2024；Zhao等人，2023）。为了提高改良效果，研究人员转向了工业副产品，如粉煤灰和矿渣。这些材料在碱性环境中可发生火山灰反应，生成硅酸钙水化物（C-S-H）等胶凝产物，为土壤基质提供长期强度支持（Goodarzi和Salimi，2015；Mohanty等人，2021；Zhao等人，2024）。然而，这些化学方法仍面临成本较高和潜在环境负担等问题。因此，当前的研究前沿集中在开发环保和可持续的土壤改良技术上。在这方面，提出了多种基于生物和纳米材料的方法。例如，Vakili等人（2018）利用木质素磺酸盐来减轻土壤分散性。通过静电吸引、絮凝和聚集作用，促进了土壤颗粒的凝聚。Yuan等人（2026）通过利用微生物脲酶催化碳酸钙的形成来结合土壤颗粒，成功减轻了土壤分散性。Xu等人（2026）利用纳米二氧化硅溶胶填充土壤孔隙并生成硅酸钙水化物（C-S-H），从而实现颗粒胶结和土壤改良。然而，对于这些新兴技术的长期稳定性和环境适应性进行系统评估的框架仍然缺乏。

作为一种新兴的土壤改良技术，大豆脲酶诱导的碳酸钙沉淀（SICP）技术相比传统化学改良方法具有显著优势，包括低碳排放和环保性（Yuan等人，2026）。该技术利用大豆来源的脲酶催化尿素的水解，生成NH?⁺和CO?^2?，随后CO?^2?与环境中的游离Ca²⁺结合形成碳酸钙沉淀，从而实现土壤改良和固化（Meng等人，2021；Chen等人，2024）。矿化和强化的机制如图1所示。

现有研究表明，用这种方法固化和强化的砂柱的无侧限抗压强度可超过2 MPa。Huang等人（2025）报告称，用该方法强化的砂柱试样的点荷载强度最高可达16.53 MPa。Jiang等人（2025）设计了一个使用EICP技术的模型箱系统，模拟了水下土壤的强化过程，并研究了强化前后的渗透性。结果表明，处理后的渗透性从1.28 × 10^?2 m/s降低到9.66 × 10^?5 m/s。然而，大多数现有研究仅关注SICP技术在优化土壤力学性能方面的显著优势，对于SICP在抑制土壤分散性以及SICP处理土壤在冻融环境中的长期耐久性（尤其是分散性）方面的效果缺乏系统和深入的研究。

基于上述研究目标，本研究首先从工程特性的角度，通过分散性识别和无侧限抗压强度（UCS）测试，评估了改良土壤的分散性和力学性能。随后，通过测定碳酸钙含量、pH值和颗粒分析，分析了改良过程中的物理和化学性质变化。最后，利用扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）和核磁共振（NMR）等微观分析方法，从微观形态、矿物组成和孔结构等方面揭示了宏观性能变化的微观机制。研究结果不仅为解决土壤分散性问题提供了新方法，也对促进SICP技术在寒冷地区岩土工程中的实际应用具有积极意义。

土壤样品的物理性质

实验中使用的分散性土壤样品采集自吉林省松原市前安县。采样位置如图2所示。研究区域具有典型的温带大陆性季风气候，季节性温度变化明显。夏季温度可高达31.8°C，而冬季温度可能低至-25.3°C。

分散性土壤的主要物理性质根据相关标准进行了测定

碳酸钙的生长速率

图6展示了冻融循环前后土壤样品中碳酸钙沉淀的测试结果。与未处理土壤相比，SICP处理后的样品碳酸钙含量显著增加，且碳酸钙含量与添加剂用量呈正相关。这种现象可以归因于添加剂含量的增加有利于提高钙源的浓度

SICP处理分散性土壤的形成机制

由于分散性土壤中钠离子和蒙脱石矿物的浓度较高，围绕土壤颗粒的电双电层相对较厚。此外，蒙脱石具有强亲水性和膨胀性，导致分散性高且抗侵蚀能力低。结合以往的研究成果（Yuan等人，2024；Ren等人，2025；Yuan等人，2026）以及本研究的结论，SICP的核心机制在于

结论

本研究系统评估了SICP技术在冻融循环条件下改善分散性土壤性能的有效性和耐久性。主要结论如下：

(1)

经过SICP处理后，分散性土壤的抗分散性能显著提高（从D1级提高到ND1级），同时其无侧限抗压强度提高了154.55%。

作者贡献声明

周玉轩：撰写——初稿，概念构思。袁晓青：撰写——审稿与编辑，验证，资金获取。王青：调查，数据分析。陈慧娥：监督，项目管理。徐欣：资源协调。王晓强：方法学设计。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：42172301、42330708、42272316）、吉林省教育厅科研项目（项目编号：JJKH20250124BS）以及吉林大学研究生创新基金的支持。