摘要
采用扫描电镜、X射线衍射等研究了脲酶诱导碳酸钙沉淀（EICP）技术对三合土性能的影响.结果表明：随着豆粉质量浓度的增大，脲酶活性呈近似线性增长，其最适宜的环境pH值为3~11，当环境pH值为12时，脲酶活性急剧下降；与三合土空白样相比，脲酶改性三合土14 d碳化深度提高了94%~112%，28 d抗压强度提高了68.0%~103.0%，耐候性提高了150%~200%，60 d表面硬度提高了15.0%~18.3%；三合土空白样产生的碳酸钙晶体松散，脲酶的掺入使三合土中出现了长条状晶体和团簇状晶体，且随着豆粉质量浓度的增大，团簇状晶体相对增多，长条状晶体相对减少，使三合土的各项性能逐渐提高.
关键词
三合土是由石灰、黏土和砂按一定比例混合而成的建筑材料，是古代一项重要的技术成就.最早在周原遗址的影壁、地面等多处发现三合
近年来，国外学者基于微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）技术，提出了脲酶诱导碳酸钙沉淀（EICP）的新思路，其原理是直接利用脲酶水解尿素产生碳酸根，再与外源钙离子结合生成碳酸钙，从而起到固化的作用.Almajed
黄豆蕴含丰富的脲酶，常见易得、经济便利，适合工程大量应用，因此本文选取市售黄豆作为脲酶来源.用高速万能粉碎机将黄豆粉碎，过125 μm筛筛出豆粉.配制不同质量浓度的豆粉溶液，用锥形瓶装置，锡纸密封；然后将豆粉溶液置于回旋振荡器中，振荡3 h后放入4 ℃冰箱，冷藏静置24 h；接着装入离心管，使用离心机以4 500 r/min离心15 min，提取上层清液，所得溶液即为脲酶溶液.
根据文献［
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脲酶活性对EICP过程起着至关重要的作用.用脲酶活性UA除以豆粉质量浓度ρs得到单位质量浓度脲酶的活性，以此来表征脲酶溶液的提取效率.pH值是影响脲酶活性的重要因素，由于三合土中含有氢氧化钙，因此在探究pH值对脲酶活性的影响时，用稀盐酸和氢氧化钙溶液调节溶液pH值，以此来模拟三合土环境.试验方法为：预先将1.1 mol/L尿素溶液的pH值调至3、4、5、6、7、8、9、10、11、12，然后取27 mL调节好pH值的尿素溶液，加入3 mL质量浓度为100 g/L的豆粉溶液，计算不同pH值下的脲酶活性.
黏土取自江苏省徐州市铜山区柳泉镇后八丁村，经测试其液限为39.03%（质量分数，本文涉及的液限、比值等除特殊说明外均为质量分数或质量比），塑限为20.10%，塑性指数为18.93；砂为市售河砂；氢氧化钙购自国药集团化学试剂有限公司，分析纯.试样制备过程为：先将黏土敲碎，用蒸馏水反复浸泡、松散、沉淀，去除杂质及可溶盐，接着将土自然风干后敲碎，再过500 μm筛得到试验用黏土；将砂分别过1 000、500 μm筛，取1 000~500 μm筛中间砂样作为试验用砂.根据体积比φ（灰）∶φ（黏土）∶φ（砂）=1∶2∶4，将石灰、黏土、砂混合，再加入一定量的蒸馏水充分搅拌混合，使土样的含水率为16%~18%.用捣棒在40 mm×40 mm×40 mm的钢制模具夯实土样后脱模，得到三合土试样（空白样）.根据体积比φ（灰）∶φ（黏土）∶φ（砂）=1∶2∶4，将石灰、黏土、砂混合，再加入1.0 mol/L尿素、0.5 mol/L氯化钙和豆粉溶液混合，其中豆粉溶液与胶结液（尿素+氯化钙）的质量比为1∶9，将其充分搅拌混合，使土样的含水率为16%~18%.用捣棒在40 mm×40 mm×40 mm的钢制模具夯实土样后脱模，得到脲酶改性三合土试样.根据豆粉的质量浓度ρs=0、10、20、40、60 g/L，将脲酶改性三合土试样分别记为MT0（空白样）、MT10、MT20、MT40、MT60.将各试样分别养护至龄期t=7、14、28、60 d，取出后进行测试.
采用1%酚酞的乙醇溶液进行碳化深度测试.将三合土试样用切割机从中间切开，用吹气球吹去切割面的浮土，再在其表面滴加酚酞乙醇溶液，已发生碳化的部分呈无色，未发生碳化的部分呈紫红色.用游标卡尺测量边缘至未碳化部分的距离d，即碳化深度，每个试样测量3次，结果取平均值.
采用LX‑D‑2型指针式邵氏硬度计对三合土试样表面进行硬度测试.将三合土试样放在水平桌面上，测量其硬度，每个试样测量7次，结果取平均值.
无侧限抗压强度测试采用高泰QT‑136PC型精密材料测试机，控制压缩速率为0.2 mm/min，试样的抗压强度为其破坏时仪器的最高读数，每组测试3个试样，结果取平均值.
耐候性试验步骤为：对t=28 d的三合土试样进行外观检查，并记录其原始状况；接着放入蒸馏水中浸泡，浸泡水面应至少高出试样顶面20 mm，浸泡12 h后取出，并用拧干的湿毛巾轻轻擦去试样表面水分，放入-30 ℃冰箱中冷冻12 h；取出放入水中融化12 h.循环重复以上操作并观察样品表面变化情况，当该组3个试样中有2个出现边角脱落时，终止试验并记录循环次数n.
敲击t=28 d的试样外表层，并将敲下来的碎块研磨成粉末，用布鲁克D8 Advance型X射线粉末衍射仪（XRD）进行微观分析.将上述粉末样品表面喷金后，用日立SU8010型场发射扫描电子显微镜（SEM）对样品进行微观形貌分析.
脲酶活性与豆粉质量浓度的关系见
图1 脲酶活性与豆粉质量浓度的关系
Fig.1 Relationship between urease activity and massconcentration soybean powder
由于三合土中含有氢氧化钙，因此在加入脲酶时必须要考虑酸碱环境对脲酶活性的影响.脲酶活性与pH值的关系见
图2 脲酶活性与pH值的关系
Fig.2 Relationship between urease activity and pH value
碳化深度是衡量三合土内部消石灰是否发生碳化反应生成碳酸钙的重要标准.三合土的碳化试验现象见
图3 三合土的碳化试验现象
Fig.3 Phenomenon carbonation test of tabia
三合土碳化深度随龄期的变化见
图4 三合土碳化深度随龄期的变化
Fig.4 Variation of carbonation depth of tabia with ages
表面硬度是指物体表面抵抗变形或损伤的能力，是衡量土体性能的重要指标.三合土表面硬度与龄期的关系见
图5 三合土表面硬度与龄期的关系
Fig.5 Relationship between surface hardness and age of tabia
无侧限抗压强度是反映土综合性能的指标之一.三合土抗压强度与龄期的关系见
图6 三合土抗压强度与龄期的关系
Fig.6 Relationship between compressive strength and age of tabia
龄期为28 d的三合土XRD图谱见
图8 龄期为28 d的三合土XRD图谱
Fig.8 XRD patterns of tabia samples curing for 28 d
龄期为28 d的三合土SEM照片见
图9 龄期为28 d的三合土SEM照片
Fig.9 XRD images of tabia samples curing for 28 d
从矿化机理分析，EICP技术改良传统三合土通过脲酶水解尿素产生碳酸根离子，而碳酸根离子又与空气中的二氧化碳、三合土中的氯化钙和氢氧化钙反应生成了更多的碳酸钙；而传统三合土只单纯依靠空气中的二氧化碳与土体里的氢氧化钙反应，因此其碳化速率要明显低于脲酶改性三合土试样.随着掺加的豆粉质量浓度的增大，脲酶活性提高，其水解尿素的能力增强，产生的碳酸根离子增多，导致生成的碳酸钙也随之增多，这也从EICP反应机理的角度解释了三合土的各方面性能随着豆粉质量浓度的增大逐渐提高的原因.另外，脲酶属于蛋白质，其含有的氨基活性官能团与三合土中的无机颗粒之间会发生静电、交联等作用，使经EICP改性的三合土抗压强度、表面硬度以及耐候性等性能远优于传统三合
（1）脲酶活性随豆粉质量浓度的增大基本呈线性增长.脲酶活性最适宜的pH值为3~11.pH值为12时，脲酶活性急剧下降，在实际工程应用时应避免其在pH值超过12的环境中失活.
（2）脲酶诱导碳酸钙沉淀（EICP）技术显著提升了三合土的碳化速率、表面硬度、抗压强度和耐候性，且三合土的各项性能随着豆粉质量浓度的增大而提高.与三合土空白样相比，脲酶改性三合土的14 d碳化深度提高了94%~112%，60 d表面硬度提高了15.0%~18.3%，28 d耐候性提高了150%~200%，28 d抗压强度提高了68.0%~103.0%.
（3）三合土发生碳化反应生成方解石型碳酸钙.脲酶调控了生成碳酸钙的形貌，使得脲酶改性三合土出现了长条状晶体和团簇状晶体.长条状和团簇状晶体相辅相成，使得三合土的结构更加致密，且随着豆粉质量浓度的增大，团簇状晶体相对增多，长条状晶体相对减少，三合土的性能也逐渐提高.
（4）EICP技术适于实际工程应用，能缓解温室效应，绿色环保；便捷易操作，无需特殊养护，且其7 d抗压强度均在1 MPa以上，极大改善了传统三合土固化速率慢、耐候性差、初期强度低等缺陷.但后续还需进行改性三合土墙体的极限承载力、变形破坏特征以及实际三合土建筑修复工程测试等研究.
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