利用大豆和菜豆脲酶将拆除废弃物生物固化用于岩土工程填材

《Cleaner Engineering and Technology》：Biocementation of demolition wastes for geotechnical fills utilizing soybean and jack bean urease enzymes

　　杜根道安|阿鲁尔·阿鲁拉贾|简楚|安南周|苏克松·霍尔皮布苏克
澳大利亚维多利亚州霍桑斯威本科技大学土木与建筑工程系，邮编3122

**摘要**
传统的道路施工方法使用原始骨料和水泥，由于高碳排放量，对环境造成了显著压力。为解决这一关键问题，本研究评估了利用酶诱导碳酸盐沉淀（EICP）技术稳定再生混凝土骨料（RCA）和碎砖（CB）的可行性和效率。本研究使用了杰克豆脲酶和大豆脲酶，并在不同溶液浓度下进行了实验。研究发现，在低温条件下，大豆脲酶处理样品的强度性能有所提高，因为这减少了表面堵塞现象。然而，由于杰克豆脲酶的尿素活性较低，其效果不如大豆脲酶。大豆脲酶处理样品的无约束抗压强度（UCS）在60 mg/L浓度时达到最佳值，而杰克豆脲酶处理样品的整体强度较低。此外，还进行了碳酸钙测试、扫描电子显微镜观察和X射线衍射分析等实验。

**1. 引言**
传统的道路施工方法要么使用压实的原始骨料，要么使用水泥稳定的原始骨料以提高整体结构强度。然而，这些方法因大量消耗自然资源（如石灰石或岩石）而受到批评，而由于全球道路建设和人口增长的需求激增，这些资源正在迅速枯竭（Aslam等人，2020年）。随着时间的推移，环境将承受巨大压力，尤其是考虑到澳大利亚建筑业在全球碳排放中占据重要比例（Yu等人，2016年）。因此，寻找低碳替代品以取代天然材料是未来道路建设的必然目标。

在过去的几十年里，由于建筑活动频繁，建筑和拆除（C&D）骨料（如再生混凝土骨料RCA和碎砖CB）成为澳大利亚填埋场废物的主要组成部分（Pickin等人，2020年）。因此，当涉及大量建筑废物倾倒时，回收利用成为该国面临的重大挑战之一。过去的研究在用C&D材料替代原始骨料方面取得了一些成功，但大多数应用依赖于聚多糖粘合剂，因为骨料颗粒较大（Mohammadinia等人，2016年）。在这项研究中，将RCA和CB骨料与新型粘合技术结合使用，以探究这些替代材料在道路建设中的潜力。

水泥是道路铺面的另一个主要成分。水泥的生产过程涉及在极高温度下对碳酸钙（或石灰石）进行热处理，这一过程需要大量能耗，只能通过燃烧化石燃料来提供。最终产物是氧化钙（CaO），它是通过天然石灰石的脱碳形成的，同时会产生有害副产品二氧化碳（CO2）（Andrew，2018年）。鉴于这些显著缺点，生物 cementation（生物固化）等替代粘合技术成为替代水泥的好选择，其主要目的是减少总体碳排放（Kavazanjian和Hamdan，2015年；Iqbal等人，2021年）。

以往文献介绍了两种常见的生物水泥化方法：微生物诱导碳酸盐沉淀（MICP）（Cheng等人，2019年；Wang等人，2021年）和酶诱导碳酸盐沉淀（EICP），这两种方法在多种土壤处理应用中表现出优异性能（Shu等人，2022年；Cui等人，2021年）。这些方法的基本原理是使方解石矿物沉淀，从而在颗粒土壤之间形成结合（Fang等人，2018年；Wang等人，2018年，2024年）。这些结合可以带来多种益处，可能应用于岩土工程（Ivanov和Chu，2008年）。MICP是一种常见的技术，早期研究展示了多种使用不同微生物进行土壤矿化的方法，但往往需要大量资源（Iqbal等人，2021年；Pacheco等人，2022年）。另一方面，EICP主要依靠脲酶使土壤复合材料结构更强化，其原理是尿素水解反应，即脲酶将溶液中的尿素转化为氨和碳酸氢根离子（方程式（1））。随后，在适当的pH值下，通过碳酸氢根脱质子化生成碳酸根离子，从而形成方解石矿物（方程式（2））。有多种方法可以将钙离子引入矿化过程，例如向环境中注入氯化钙（Shu等人，2022年；Liu等人，2025年）。

影响该过程的其他因素还包括注射时间、固化周期、温度或方法等，这些因素都对确保在正确微观结构水平上形成沉淀物起着重要作用（Achal和Mukherjee，2015年）。任何条件的变化都可能产生不同的结果，可能会或可能不会对研究产生负面影响（Pacheco等人，2022年）。一些研究表明，较低的溶液pH值可以提高沉淀速率；而另一些研究则指出最佳pH范围为6.5至8，甚至更高至11（Shu等人，2022年；Cui等人，2024年）。实验还发现，在高尿素和钙离子浓度（高达3 M）下，碳酸盐形成速率会提高，但EICP应用最常用的浓度似乎是1 M，因为效率更高（Liu等人，2024年，2025年）。此外，添加不同添加剂（如生物聚合物（Refaei等人，2020年）、红糖（Yuan等人，2020年）、脱脂牛奶（Xue等人，2024年）或木质素（Zhang等人，2022年）可以有效提高成核位点的密度并进一步增强最终样品的强度。注射技术也很重要，两相法将脲酶和固化溶液分开注射，而一步法将两者合并（Peng等人，2022年；Chen等人，2025年）。每种方法都有其优势，但一步法更常用，因为它更方便且不会导致固化溶液被冲走（Xue等人，2024年；Chen等人，2025年）。许多研究报道了环境温度固化结果，因为高温下的尿素活性更高（Cheng等人，2017年；Nemati和Voordouw，2003年）。然而，当一步法处理的样品在低温下固化时，EICP的表面堵塞现象可以显著减轻，进一步提高沉淀密度（Xue等人，2024年）。总体而言，本研究选择EICP作为主要粘合技术，因为其原材料易获取且制备时间较短（Xue等人，2024年）。此外，以往文献表明，从杰克豆中提取的纯化脲酶粉末具有与MICP相当的良好强度发展潜力（Cui等人，2021年；Ahenkorah等人，2021年）。

EICP在土壤生物水泥化方面具有许多实际应用前景，因为它具有可持续性和灵活性（Ahenkorah等人，2021年；Arab等人，2021年）。EICP最常见的应用是利用碳酸钙沉淀物提高目标土壤基体的强度和刚度（Kavazanjian和Hamdan，2015年；Chen等人，2025年）。Dakhane等人的研究表明，EICP在混凝土裂缝修复中也显示出显著效果（Dakhane等人，2018年）。此外，还研究了EICP在降低液化和提高动态强度及循环耐久性方面的独特能力（Ahenkorah等人，2024年）。其他研究还探讨了EICP处理土壤的其他实际应用，如抑制地表水侵蚀（Liu等人，2021年）或限制重金属离子在土壤结构中的迁移（Moghal等人，2020年）。总体而言，以往研究强调了EICP作为主要稳定方法的应用，以及它通过替代水泥显著减少二氧化碳排放的潜力（Arab等人，2021年）。然而，EICP也面临一些挑战，如会产生铵副产物、难以实施大规模项目以及缺乏长期耐久性研究（Arab等人，2021年）。

尽管EICP技术在以往研究中受到广泛关注，但由于沙子是最主要的骨料，其与RCA或CB等再生材料的结合应用仍不足。本研究旨在初步探讨EICP处理的C&D骨料，并评估这种新型复合材料是否可用于岩土填料。由于以往的EICP研究主要使用沙子材料，本研究还可以提供关于EICP稳定C&D骨料与沙子相比的效果。本研究使用大豆脲酶和杰克豆脲酶作为水解催化剂，分别研究了两种材料的有效性。大豆脲酶通过粗提取得，杰克豆脲酶则以纯化形式提供。研究成功的结果将为建筑行业带来潜在益处，并得出以下重要性：
- 通过使用废弃物材料减少碳排放。
- 推广EICP作为传统水泥的替代品。
- 用C&D骨料替代原始骨料。
- 与传统道路施工方法相比，可能提高强度。
- 评估大豆脲酶和杰克豆脲酶在沉淀方解石和增强强度方面的性能。
- 探索EICP技术与RCA和CB骨料结合的新知识，并与以往研究中的沙子材料进行比较。

**2. 材料**
**2.1. 主要骨料**
本研究选择RCA和CB作为主要骨料。采样遵循ASTM C702（ASTM和ASTM C702M，2018年）和ASTM D75（ASTM和ASTM D75/D75M，2019年）标准，以确保每种材料的粒度一致。将骨料在工业烤箱中干燥24小时以去除多余水分，并通过4.75毫米筛网过滤以去除较大颗粒。这是因为以往的EICP应用主要依赖于沙粒，且沙子已被证明是EICP应用中最有效的骨料（Xue等人，2024年）。粒度评估遵循ASTM D6913/D6913M（ASTM和ASTM D6913/D6913M，2017年）标准进行。图1展示了本研究中使用的RCA和CB骨料的粒度分布。RCA和CB的平均粒径分别为约0.62毫米和0.71毫米。与以往研究中使用的沙质土壤相比，这些骨料总体上更大，意味着EICP溶液可以占据更大的孔隙体积，从而进一步提高处理样品的沉淀速率（Cui等人，2021年；Xue等人，2024年）。

**表1**展示了筛分后RCA和CB的一些基本岩土工程性质。这些参数对于确定样品制备的适当密度至关重要。材料的颗粒密度和最大干密度来自作者之前的工作（Doan等人，2024年）。每种骨料的最低密度也根据ASTM D4254-16（ASTM和ASTM D4252-16，2016年）标准确定。这些数值用于计算每种主要骨料的最大和最小孔隙比，进而确定每种样品处理所需的EICP溶液体积。还使用统一分类标准来评估RCA和CB的土壤质量（ASTM和ASTM D2487，2017年）。如表1所示，RCA的pH值为10.15，这可能是决定碳酸钙沉淀速率的一个重要因素，因为先前的研究表明，最佳pH值在6.5到8之间或高于11（Shu等人，2022年；Cui等人，2024年）。更重要的是，RCA和CB的最小孔隙率分别计算为0.43和0.32，表明填充颗粒间孔隙的溶液体积较小。然而，根据所采用的压实类型，实际孔隙率和溶液体积可能会更高，以获得最佳的处理效果。

表1. RCA和CB集料的岩土工程性质。

| 土木工程性质 | RCA | CB |
|-------------------|---------|---------|
| 颗粒密度（Mg/m3） | 2.69 | 2.66 |
| pH值 | 10.15 | 7.19 |
| 均匀系数 | 7.14 | 7.33 |
| 曲率系数 | 0.88 | 0.97 |
| 最大干密度（Mg/m3） | 1.88 | 2.02 |
| 最小干密度（Mg/m3） | 1.33 | 1.50 |
| 最大孔隙率 | 1.02 | 0.77 |
| 最小孔隙率 | 0.43 | 0.32 |
| D50值（毫米） | 0.62 | 0.71 |
| 土壤分类（USCS） | SP | SP |

2. 尿酶溶液和固化溶液
本研究采用了基本的粗尿酶提取方法来制备大豆粉。大豆从当地市场购买，并放入咖啡研磨机中以最细的设置进行研磨。多次研磨以确保充分处理并避免大豆粉结块。从研磨机中获得的大豆粉通过300微米网筛过滤，以便进一步使用。这种筛网尺寸的选择基于Xue等人（2024年）过去的研究中成功应用大豆EICP的方法。图2a和b分别显示了用于研磨和筛分的装置。

3. 尿素溶液的浓度选为1.5M，而氯化钙溶液的浓度选为1M。这一决定是为了确保通过水解反应产生的碳酸氢根离子足够多，从而与溶液中的钙离子充分反应。Yuan等人（2020年）的详细研究表明，1M氯化钙和1.5M尿素的浓度组合提供了最佳的碳酸钙形成效率。此外，另一项研究也表明，高达11的较高pH环境有利于尿酶活性和碳酸根离子的产生，这解释了选择较高浓度尿素溶液的原因（Shu等人，2022年）。在较高浓度的尿素和钙离子溶液（最高3M）下，碳酸盐的形成率略有提高，但最常用的浓度似乎是1M（Liu等人，2024年，2025年）。因此，在整个研究中，尿素和氯化钙的溶液浓度分别保持在1.5M和1M。

对于大豆尿酶溶液，使用去离子水将提取的大豆粉以20g/L、60g/L和100g/L的不同浓度溶解，并使用磁力搅拌器搅拌40分钟，然后在室温下静置30分钟（如图3a所示）。之后，将大豆混合物在4°C下以6000转/分钟离心15分钟，得到的上清液即为图3c中的透明液体部分。购买的尿素以1.5M的比例溶解在去离子水中，氯化钙以1M的比例溶解。然后将尿素溶液与氯化钙溶液以1:1的比例混合制成固化溶液，不调整pH值。在处理过程之前，将大豆尿酶溶液与固化溶液以1:1的比例混合并充分搅拌以启动水解反应。随后，将混合物倒入样品模具中以实现渗透。

4. 杜鹃豆尿酶
杜鹃豆尿酶从国际供应商处获得，纯度非常高，每克含有70000单位的酶活性。根据过去使用类似产品的研究结果（Li等人，2024年；Carmona等人，2018年；Song等人，2020年），实验设计的选定的浓度为0.05g/L、0.1g/L和0.2g/L。杜鹃豆粉在去离子水中溶解以制备尿酶溶液。固化溶液的制备方法与大豆类似，使用1.5M尿素溶液和1M氯化钙溶液，比例也为1:1。之后，将杜鹃豆尿酶溶液与固化溶液以1:1的比例混合进行初始水解，然后按照预定体积倒入样品模具中进行渗透。

3. 方法论
3.1. 尿酶活性测试
尿酶活性测试对于尿素水解过程非常重要，因为它提供了一种可靠的方法来测量尿酶的功能。通过电导率仪测量酶活性，使用电流进行测量。准备含有1毫升粗提大豆上清液和9毫升1.1M尿素溶液的溶液，并在室温下放置一段时间以稳定电流读数（Whiffin，2004年）。监测5分钟的电导率读数，并通过线性计算得到酶活性，单位为mS/cm/min。根据Whiffin等人（2007年）的先前的研究，1单位mS/cm/min相当于尿素水解产生的离子浓度为11.11 mmol/L/min。
3.2. 无侧限抗压强度测试
根据ASTM D5102/D5102M标准（ASTM和ASTM D5102/D5102M，2022年），使用高度为100毫米、直径为50毫米的模具制作了三组无侧限抗压强度（UCS）样品（如图4a所示）。所选模具的总体积计算为196.25毫升。此外，根据前文提到的RCA和CB集料的孔隙率，还确定了UCS样品的渗透体积。前文中测得RCA和CB的最小孔隙率分别为0.43和0.32，这意味着填充UCS颗粒间孔隙的溶液体积至少为80毫升。因此，每种处理使用的EICP溶液体积均为80毫升，以确保适当的饱和度和最佳沉淀速率。值得注意的是，在进行UCS处理时，由于表面堵塞和方解石含量的增加，溶液的渗透速率在2到3次处理后显著降低。

经过多次使用RCA和CB集料进行UCS样品的处理试验后，本研究选择了单相渗透方法，并将预混合作为初始步骤（Cui等人，2021年；Almajed等人，2018年）。这主要是由于RCA和CB中含有大量细小颗粒，使得第一次处理时的渗透过程明显变慢，并且水分含量会扰乱土壤结构。此外，预混合主要集料和EICP溶液确保了首次处理时土壤样品的均匀性，从而使得后续处理中EICP溶液能够更好地渗透。UCS样品的制备始于将大约330克材料与80毫升EICP溶液预混合，然后使用轻度压实将其分层放入塑料模具中。模具底部用胶带包裹，并保持适当的排水层（如图4a所示）。每次处理后使用80毫升EICP溶液，处理之间间隔一天。需要注意的是，在第三次处理后，样品用EICP溶液渗透变得困难，因此完全饱和需要更长的时间。第五次处理完成后，样品再固化2天。这两天的非处理时间也有助于将多余的水分从样品中排出。之后将样品从模具中取出，在40°C的烤箱中干燥2天（图4b）。随后，在水分蒸发后，使用压缩试验机对样品进行测试（如图4c所示）。

本研究的测试计划也可以在表2中看到，其中观察到了不同的浓度选择。选择20g/L、60g/L和100g/L浓度的决定基于Xue等人（2024年）关于粗提大豆EICP的先研结果。此外，先前的研究还建议杜鹃豆尿酶的浓度在0.05g/L到0.2g/L之间可以获得最佳效果（Li等人，2024年；Carmona等人，2018年；Song等人，2020年）。固化温度设定为4°C和20°C，因为先前的研究表明EICP在低温下具有更好的强度发展特性，因此研究这一属性将对本研究的目标有益（Cui等人，2021年；Xue等人，2024年）。此外，这两个温度值也在当地天气的正常范围内。处理次数设定为5次，以进行标准的7天固化过程。由于先前的研究表明在较低浓度下效果更好（Liu等人，2024年，2025年；Yuan等人，2020年），实验设计中未考虑尿素和钙离子溶液的摩尔浓度变化。

3.3. 碳酸钙浓度测试和微观结构分析
断裂的UCS样品在工业烤箱中干燥至无水分。之后，将约50±5克的粉碎碎片放入1M浓度的盐酸溶液中进行碳酸盐含量测试。分别收集来自大豆EICP处理样品顶部和底部的碎片进行测试，以更好地了解由于表面堵塞效应和潜在的不均匀方解石形成导致的碳酸钙分布情况。杜鹃豆EICP处理的样品没有出现表面堵塞现象，因此每组样品只收集一个碎片。在24小时的酸浸泡后进行充分反应，然后将粉碎的样品从溶液中分离出来，用去离子水清洗干净，并在烤箱中干燥至质量恒定。样品的质量差即为碳酸盐含量，根据He等人（2022年）的研究中的公式（3）计算：

（3）CaCO3(%) = (初始质量 - 最终质量) / 最终质量 × 100%

由于这些集料来自建筑废弃物，样品中可能含有额外的矿物质或钙，从而可能改变碳酸盐测试的结果。因此，在测试处理样品之前，先测量了未经处理的RCA和CB的可溶性矿物质含量。研究发现，未经处理的样品中RCA和CB骨料的矿物溶解含量分别为10.22%和7.52%。此外，断裂样品被保存下来，通过扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射（XRD）进行进一步的微观结构分析，以评估方解石的潜在形成情况。获得的SEM图像提供了关于沉淀物形成和EICP键分布的额外见解。值得注意的是，只有经过大豆EICP处理的样品被选用于SEM分析，因为与经过杰克豆EICP处理的样品相比，它们具有更强的强度发展和保持形状的能力。另一方面，杰克豆和大豆中的方解石晶体形成也通过XRD分析得到了确认。该测试使用了一个具有10°到80°两个θ角度读数的衍射仪，以获得最佳的X射线覆盖范围。随后，将晶体结构的信号映射到给定的数据库中，以识别潜在的方解石形成情况。

**4. 结果与讨论**
**4.1. 尿酶活性**
图5显示了选定浓度的大豆和纯化杰克豆尿酶溶液的酶活性。对于大豆和杰克豆，尿酶活性的测量值随着尿酶浓度的增加而增加。所得到的大豆尿酶结果与过去使用类似过程和原料的研究结果一致（Xue等人，2024年），在20 g/L和60 g/L浓度下也是如此。这一观察表明，如果使用相似的渗透体积和重复次数，本研究中的大豆EICP溶液将提供类似的方解石形成速率。至于杰克豆尿酶，过去的一项研究使用类似的产品（70000单位/克）报告在0.1 g/L浓度下显示出更高的活性，这表明收到的尿酶质量较低，可能导致最终样品的强度发展较低（Li等人，2024年）。基于这一观察，尿酶活性水平被认为是预测UCS样品强度发展的更好指标，而不是购买产品中标明的尿酶浓度。EICP处理样品的UCS强度发展预测将与尿酶活性的增加相一致，因为这归因于碳酸根离子产率的提高。值得注意的是，由于在低温下尿酶活性较低，因此尿酶活性是在室温下测量的。

**4.2. 经过大豆EICP处理的UCS样品**
对每种大豆尿酶浓度的UCS样品进行了三次测试，结果在图6中以图形方式显示。值得注意的是，如图7所示，UCS样品在不同固化温度和大豆尿酶浓度下也经历了不同程度的表面堵塞。然而，最明显的表面堵塞现象仅出现在100 g/L的大豆浓度下。使用粗提大豆酶时，在4°C固化条件下获得的最大平均UCS值为359.57 kPa。这一观察结果优于过去对再生砂处理样品的研究，表明它在EICP应用中有可能替代砂（Xue等人，2024年）。与CB相比，RCA样品在相似固化条件下的强度发展大约低20%，这可能是由于RCA主要骨料的总体密度较低。更具体地说，CB骨料在2.02 Mg/m3的较高颗粒密度下允许土壤间的互锁行为在样品结构中达到更高水平，从而提高了这些样品的整体强度。在4°C条件下固化的CB样品在100 g/L至60 g/L的大豆浓度区间内增幅最大，而在100 g/L浓度下则显著下降。这一现象表明CB样品在60 g/L浓度下具有最佳的粘合剂活性，而表面堵塞对强度的负面影响最大。在较低温度下，由于表面堵塞程度降低，CB和RCA样品的强度都更高。Xue等人（2024年）的先前研究中也观察到了类似的现象，证实了粗提大豆EICP在低温下的更高性能。当大豆浓度增加到100 g/L时，样品的强度低于使用60 g/L溶液处理的样品，这与之前报告的尿酶活性增加相矛盾。这种现象可以通过图7中观察到的UCS样品顶部的表面堵塞现象来解释，即在治疗过程中形成了过快的沉淀层，从而减缓了EICP溶液的渗透速度。值得注意的是，在大豆浓度低于100 g/L以及所有水平的杰克豆浓度下，这种表面堵塞现象并不明显，表明只有粗提溶液会面临这一挑战。

**4.3. 经过豆类EICP处理的UCS样品**
图5显示了每种大豆和杰克豆尿酶浓度的酶活性。对于每种大豆尿酶浓度，都测试了三个UCS样品，结果在图6中以图形方式表示。值得注意的是，UCS样品也经历了表面堵塞，如图7所示，其程度取决于固化温度和大豆尿酶浓度。然而，最明显的表面堵塞现象仅发生在100 g/L的大豆浓度下。使用粗提大豆酶时，在4°C固化条件下取得的最大平均UCS值为359.57 kPa。这一观察结果优于过去对再生砂处理样品的研究，表明它在EICP应用中有可能替代砂作为骨料（Xue等人，2024年）。与CB相比，在相似的固化条件下，RCA样品的强度发展大约低20%，这可能是由于RCA主要骨料的整体密度较低。更具体地说，CB骨料在2.02 Mg/m3的较高颗粒密度下允许土壤间的互锁行为在样品结构中达到更高水平，从而提高了这些样品的整体强度。在4°C条件下固化的CB样品在100 g/L至60 g/L的大豆浓度区间内增幅最大，而在100 g/L浓度下则显著下降。这一现象表明CB样品在60 g/L浓度下具有最佳的粘合剂活性，而表面堵塞对强度产生了负面影响。在较低温度下，由于表面堵塞程度降低，CB和RCA样品的强度都更高。Xue等人（2024年）的先前研究中也观察到了类似的现象，证实了粗提大豆EICP在低温下的更高性能。当大豆浓度增加到100 g/L时，样品的强度低于使用60 g/L溶液处理的样品，这与之前报告的尿酶活性增加相矛盾。这种现象可以通过图7中观察到的UCS样品顶部的表面堵塞现象来解释，在治疗过程中形成了过快的沉淀层，从而减缓了EICP溶液的渗透速度。值得注意的是，在大豆浓度低于100 g/L以及所有水平的杰克豆浓度下，这种表面堵塞现象并不明显，表明只有粗提溶液会面临这一挑战。

**4.4. 杰克豆EICP处理的UCS样品**
图9展示了使用杰克豆EICP溶液处理的RCA和CB样品的强度发展。随着杰克豆尿酶浓度从0.05 g/L增加到0.2 g/L，UCS强度显示出明显的上升趋势，这与之前报告的杰克豆尿酶活性的增加相关。最大UCS值出现在221.07 kPa，属于使用RCA骨料的样品。由于酶活性较低，杰克豆EICP处理样品的整体强度性能低于使用大豆EICP处理的样品。有趣的是，之前的研究报告在使用类似质量水平的类似杰克豆尿酶时，却在相似浓度下观察到了显著更高的尿酶活性（Li等人，2024年）。然而，本研究中购买的杰克豆尿酶活性较低，因此总体强度发展也较低。

**5. 结论**
基于获得的结果，从20 g/L到60 g/L的强度提升与测量的尿酶活性提升相关。同时，表面堵塞现象阻止了100 g/L溶液在两种主要骨料中实现更高的潜力。结果还表明，与在室温下固化的样品相比，低温固化略微提高了样品的强度。这可能是由于在低温下尿酶活性降低，导致从上到下的渗透流速更快。更具体地说，由于低温环境中的酶活性较低，方解石堵塞可能形成的速度较慢。总体而言，UCS结果显示，使用大豆EICP处理的C&D骨料作为回填材料或承受最小荷载的底层材料具有很好的潜力。由于100 g/L浓度下的表面堵塞和20 g/L浓度下的低尿酶活性，60 g/L的大豆尿酶浓度被认为是两种骨料的最佳选择。另一方面，在实际应用中可以通过增加表面积来解决表面堵塞问题，使EICP溶液能够更好地渗透到更深的土层。此外，在现场条件下，更大的表面积还可以允许使用喷射而不是渗透方法，更快地将溶液强制注入更深的土层。

**图8**显示了每种大豆EICP处理样品中的碳酸钙含量，包括RCA和CB主要骨料。每个样品被分成两部分（顶部和底部）进行碳酸钙含量测量。图8a和b都显示出在60 g/L时相似的峰值，确认了基于UCS结果得出的最佳浓度。在最高浓度100 g/L下，由于图7中看到的表面积堵塞，碳酸钙转化率未能达到更高水平。20 g/L下的较低碳酸钙含量主要归因于酶活性较低以及样品的整体UCS强度较低。此外，低温固化样品的碳酸盐含量也高于室温固化样品，这解释了UCS结果中观察到的强度提升。基于这些观察，可以说酶活性测量可以用来解释碳酸钙转化率以及样品的整体强度发展。同时，对断裂样品的顶部和底部部分进行了分离，以研究这两部分之间碳酸盐含量的潜在差异。表面堵塞现象表明两者之间可能存在碳酸盐含量的差异，但获得的结果并未显示显著差异。过去有报道称，碳酸钙在整个样品中的不均匀分布可能会阻碍UCS的整体强度发展（Cui等人，2021年）。然而，在本研究中不存在这种行为，因此UCS的强度得到了充分实现。

**图9**展示了使用杰克豆EICP处理的RCA和CB样品的强度发展。随着杰克豆尿酶浓度从0.05 g/L增加到0.2 g/L，UCS强度显示出明显的上升趋势，这与之前报告的杰克豆尿酶活性的增加相关。最大UCS值出现在221.07 kPa，属于使用RCA骨料的样品。由于酶活性较低，杰克豆EICP处理样品的整体强度性能低于使用大豆EICP处理的样品。有趣的是，之前的研究报告在使用类似质量级别的杰克豆尿酶时，相同浓度下的尿酶活性显著更高（Li等人，2024年）。然而，本研究中购买的杰克豆尿酶活性较低，因此总体强度发展也较低。

**图10**描绘了使用杰克豆EICP处理的样品的碳酸钙含量。之前的碳酸盐测试结果表明，尽管存在高程度的表面堵塞，大豆EICP处理样品顶部和底部层之间的碳酸盐浓度差异并不显著。因此，由于比较中没有表面堵塞效应，确定不需要分离顶部和底部层。如图10所示，当杰克豆尿酶浓度从0.05 g/L增加到0.2 g/L时，每个样品的碳酸钙含量都呈现出明显的上升趋势，这与尿酶活性的增加相匹配。这些结果也与UCS样品的整体强度增加相关。RCA样品的平均碳酸盐百分比略高于CB，尽管两种固化条件下的UCS强度仅略有提高。这一观察表明，RCA样品的碳酸盐含量与CB样品相比并未成比例地相关，这可能是由于其颗粒结构中的碳酸盐分布存在潜在差异。总体而言，结果显示碳酸钙百分比的增加与选定样品的UCS强度提升成正比。

**图10**展示了在不同浓度和固化条件下使用杰克豆EICP处理的RCA和CB的碳酸钙含量。微观结构分析
图11展示了经过EICP处理的大豆样品的SEM图像。选择这些大豆样品是基于它们较高的抗压强度和整体保持形状的能力，因为粉碎后的样品被认为更难以进行SEM测试。此外，由于样品微观结构的严重破坏，Jack bean EICP处理后的粉末形式也不适合观察颗粒之间的连接键。因此，在本研究中没有选择Jack bean EICP处理后的样品进行SEM成像。另一方面，后续的XRD分析结果也证实了Jack bean EICP处理后的样品中确实存在方解石键，因此本节中的SEM图像仅用于评估这些键的形状和大小。

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图11. 不同固化条件下使用RCA和CB处理的大豆样品的SEM图像：a) 20°C条件下的RCA；b) 4°C条件下的RCA；c) 20°C条件下的CB；d) 4°C条件下的CB。

如图11a–d所示，每个图像中都可以观察到散射沉淀物，这证实了EICP键的存在，这些键将土壤颗粒结合在一起。如图11b和d所示，这些沉淀物的尺寸更大，表明在低温固化条件下沉淀更加密集，从而实现了更好的颗粒间连接。这一观察结果与之前发现4°C条件下处理的样品强度提高的情况一致。将图11a和b分别与图11c和d进行比较可知，CB样品的微观结构显示出更高的颗粒密度和更强的沉淀物连接性，这归因于大豆EICP处理后的CB样品具有更高的抗压强度。此外，CB样品SEM图像中观察到的这种较高程度的结构连接也可以归因于CB颗粒的较高密度。从化学成分来看，这些沉淀物很可能是碳酸钙，这与之前的研究结果一致（Xue等人，2024年）。这些碳酸钙键的存在是EICP处理后样品强度提升的主要原因。

图12通过XRD分析证实了处理后样品中确实存在方解石。选择了在常温下固化的断裂样品进行矿物形态研究。可以观察到，对于Jack bean和Soybean EICP处理后的样品，石英晶体结构非常普遍，高峰值表明RCA和CB主要颗粒的矿物成分是二氧化硅。结果还显示，选定样品的微观结构中存在大量的方解石结晶（见图12），这证实了方解石是CaCO3的主要形成物。图12a和b显示出石英和方解石晶体峰值的相似强度比，表明选定样品中方解石的含量与总石英含量成比例。然而，由于样品量有限，XRD分析只能确定方解石矿物的存在，而无法得出沉淀物浓度的确切结论。

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图12. 经EICP处理并含有方解石和石英的样品的XRD分析结果，突出显示了a) RCA处理样品和b) CB处理样品中的方解石和石英信号。

5. 结论
本研究进行了多种土工测试（如抗压强度测试），以研究使用Jack bean尿素酶和粗提大豆尿素酶稳定再生骨料时EICP技术的强度性能。其他测试包括尿素酶活性、碳酸钙含量和微观结构分析，也证实了方解石沉淀物的存在，并表明大豆和jack bean EICP作为新型建筑材料的巨大潜力。实验设计参数（如尿素酶浓度、胶凝溶液浓度和固化条件）基于以往的研究进行了调整。根据研究结果得出了多项结论，并对未来研究提出了建议：

1. 粗提大豆尿素酶的尿素酶活性结果符合预期，随着尿素酶溶液浓度的增加，强度总体有所提高（Xue等人，2024年）。而Jack bean尿素酶在选定浓度下的活性未能达到预期值，导致方解石沉淀量较低（Li等人，2024年）。这些测量结果表明，粗提大豆EICP作为建筑材料的潜力更大。

2. 大豆EICP处理后的样品强度总体上高于Jack bean EICP处理后的样品，这归因于更高的酶活性。最终结果表明，最佳的大豆尿素酶浓度为60g/L。大豆EICP样品的抗压强度提升与酶活性增加到60g/L有关。当浓度达到100g/L时，表面堵塞效应显著降低了强度发展潜力，因为表面出现了严重堵塞。此外，低温下固化的Soybean EICP处理样品的整体强度也优于常温条件下的样品。

3. Jack bean EICP处理后的样品没有出现表面堵塞问题，因为其酶活性较低。Jack bean EICP样品的强度提升与尿素酶浓度的增加一致。Jack bean复合材料的抗压强度结果也显示出一定的改善潜力，因为其强度发展水平与以往研究相当（Xue等人，2024年）。建议尿素酶浓度高于0.5g/L，以解决Jack bean复合材料强度不足的问题。然而，考虑到Jack bean尿素酶的价格较高，这种方案在实际应用中面临很大挑战。

4. 根据本研究最终结果，由于成本较低且整体强度提升明显，建议未来继续研究大豆EICP。购买到的Jack bean尿素酶的尿素酶活性远低于预期，阻碍了相应样品的强度发展。处理周期标准为5次，但可以通过增加处理次数来进一步提高强度。根据以往的研究，增加尿素和氯化钙的浓度也可以提高总体强度，但会牺牲效率（Liu等人，2024年、2025年）。

5. 本研究适用于实验室环境，因此在实际应用、现场作业和大规模生产中还有许多可以优化的方面。实验室环境中存在严重的表面堵塞问题，而在大规模生产中可以通过增大表面积或采用不同的注射方法来避免。本研究通过改变温度、尿素酶类型、尿素酶浓度和主要骨料等多种因素来评估EICP的整体效果，但由于变量过多而缺乏深入分析。未来的建议可以包括对影响EICP强度的两个主要因素（浓度和温度）进行精确的统计分析，并保持其他变量不变。此外，未来的研究还可以进行长期耐久性测试和成本效益分析，以进一步验证EICP粘合剂在土工应用中的实用性。

CRedIT作者贡献声明：
Tung Doan：概念构思、研究设计、方法研究、软件开发、原始草稿撰写；
Arul Arulrajah：概念构思、资金获取、资源调配、监督、审阅与编辑；
Jian Chu：概念构思、资金获取、撰写、审阅与编辑；
Annan Zhou：概念构思、资金获取、撰写、审阅与编辑；
Suksun Horpibulsuk：概念构思、资金获取、监督、验证、可视化处理、审阅与编辑。