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为解决夯土易吸水、强度及寿命受影响的问题，班加罗尔 B.M.S. 工程学院研究人员开展 MICP 技术用于夯土的研究，发现该技术可增强抗压强度、降低毛细吸水。研究成果为夯土建筑发展提供新思路，值得科研人员一读。
在建筑领域，传统建筑材料如混凝土，在生产过程中会排放大量的温室气体，对环境造成不小的压力。因此，寻找绿色环保的替代材料和技术，成为了建筑行业可持续发展的关键。夯土（Rammed Earth，RE）作为一种节能型建筑材料，逐渐进入人们的视野。它由土壤、沙子和黏土层层压实而成，现代夯土建筑还会加入水泥作为稳定剂，以提升其工程性能，这种材料在全球得到了广泛应用。
然而，夯土也存在一些问题。它的孔隙较多，容易吸水，这不仅会削弱土壤颗粒之间的粘结力，降低夯土的强度，还会缩短其使用寿命。增加水泥用量虽然能在一定程度上提高强度，但无法有效填充孔隙。目前，也没有可靠的方法能用胶凝材料填充夯土结构中的孔隙。
为了解决这些问题，来自班加罗尔 B.M.S. 工程学院的研究人员 Neha Vivek A、Prasanna Kumar P 和 Divijendranatha Reddy 在《Heliyon》期刊上发表了题为 “Microbially induced stabilized rammed earth: Compressive strength-capillary water absorption Co-relationship” 的论文。他们通过研究发现，微生物诱导碳酸钙沉淀（Microbially Induced Calcium Carbonate Precipitation，MICP）技术不仅能提高水泥稳定夯土的抗压强度，还能填充孔隙，抑制毛细吸水，延长夯土的使用寿命，为夯土建筑的发展提供了新的方向。
在这项研究中，研究人员主要运用了以下几种关键技术方法：
- 材料准备：将天然土壤与人工砂按 1:1 混合，调整土壤的颗粒组成，使其符合实验要求。采用普通硅酸盐水泥作为稳定剂，选取了三种芽孢杆菌属的微生物，包括巨大芽孢杆菌（Bacillus megaterium）、球形芽孢杆菌（Bacillus sphaericus）和芽孢杆菌（Bacillus sp.） 。
- 试件制备：制备了未稳定化、水泥稳定化、微生物诱导以及微生物诱导水泥稳定化的夯土试件。在试件制作过程中，严格控制最佳含水量（Optimum Moisture Content，OMC）和最大干密度（Maximum Dry Density，MDD），以保证实验结果的准确性。
- 性能测试：对试件进行了多种性能测试，包括抗压强度测试、毛细吸水测试、碳酸钙沉淀量测定以及微观结构分析（扫描电子显微镜 SEM 和能谱分析 EDX）。通过这些测试，全面了解试件的性能变化。
下面让我们来看看具体的研究结果：
- 微生物生长与脲酶活性：研究人员发现，三种芽孢杆菌的最佳细胞浓度相似，生长曲线也基本一致，在 48 小时达到生长峰值（）。脲酶的产生随时间显著增加，在第 4 天达到最大值 640 U/ml，之后急剧下降。这表明脲酶在微生物诱导碳酸钙沉淀过程中起着关键作用，随着脲酶活性的增加，周围介质的 pH 值升高，促进了碳酸钙的沉淀12。
- 28 天养护期夯土试件应力 - 应变关系：研究人员通过湿压缩试验获得了不同密度的未稳定化夯土（URE）、水泥稳定化夯土（CSRE）、微生物诱导夯土（MRE）和微生物诱导水泥稳定化夯土（MCSRE）的应力 - 应变曲线。结果显示，所有夯土试件的应力 - 应变曲线均为非线性，密度增加，湿抗压强度也随之增加。水泥稳定化显著提高了夯土的强度，而微生物诱导进一步提升了水泥稳定化夯土的强度，MCSRE 的抗压强度最高，平均提高了 26%。此外，研究还发现，未稳定化试件（URE 和 MRE）相对较具延性，应变值较高但强度较低；而水泥和微生物稳定化的试件（CSRE 和 MCSRE）则更脆，应变较低但强度较高34。
- 90 天养护期夯土试件应力 - 应变关系：随着养护期延长到 90 天，所有夯土试件的抗压强度都显著增加。URE 试件的强度范围较窄，而水泥稳定化（CSRE）使夯土强度大幅提升，MCSRE 的强度更高且增长幅度在各密度下均在 25% 左右，相比 28 天强度进一步提高了 23%。这表明微生物诱导不仅能提高早期强度，对长期强度也有显著提升作用。同时，随着养护期增加，所有试件的初始切线模量（ITM）也增加，说明稳定化夯土的模量随微生物诱导和养护期延长而增加56。
- 夯土中沉淀：研究人员对营养培养基和夯土试件中的碳酸钙沉淀进行了测定。在营养培养基中，4 周后每 100 ml NBU 培养基中沉淀的碳酸钙重量为 168 mg。在夯土试件中，未稳定化夯土的碳酸钙含量为零，微生物诱导的未稳定化夯土中碳酸钙含量为 2.5%，微生物诱导的水泥稳定化夯土（19CSRE）在各养护期的平均碳酸钙含量增量为 7%。这表明水泥和微生物的共同作用促进了碳酸钙的形成7。
- 毛细吸水：研究人员对密度为的夯土试件进行了毛细吸水测试。结果发现，URE 试件因吸水迅速解体，19MRE 试件吸水 6 小时后也解体，其毛细吸水量为。水泥稳定化降低了夯土的吸水率，微生物诱导的水泥稳定化夯土（19MCSRE）受毛细吸力的影响更小，其孔隙率更低，毛细吸水量从降至 。同时，研究人员还建立了抗压强度与毛细吸水系数之间的线性关系，发现随着吸水量的减少，MCSRE 试件的强度提高89。
- 相关性分析：研究人员通过回归分析，建立了夯土试件（除 URE 外）抗压强度与毛细吸水系数之间的关系。对于含细菌的夯土试件（MRE 和 MCSRE），关系为；对于 CSRE 试件，关系为。这表明随着抗压强度的增加，毛细吸水系数降低，进一步证明了降低吸水率有助于提高夯土的强度1011。
- SEM 分析：通过扫描电子显微镜（SEM）对夯土试件的微观结构进行分析，研究人员发现，未稳定化夯土试件存在大量空隙，水泥稳定化试件虽然形成了土壤 - 水泥团聚体，但空隙未完全填充。而 MICP 处理后的夯土试件中，细菌细胞嵌入夯土，空隙被碳酸钙晶体填充，微观结构更加致密，孔隙率大大降低。这直观地展示了微生物诱导对夯土微观结构的改善作用，为强度提升提供了微观层面的证据1213。
综合以上研究结果，研究人员得出结论：MICP 是一种可持续且有效的方法，能够显著提高夯土的抗压强度和耐久性。在 28 天养护期时，微生物诱导的水泥稳定化夯土试件的湿抗压强度比 CSRE 平均高出 26%；90 天养护期时，MCSRE 试件的抗压强度比 CSRE 提高了 23%，表明微生物对夯土的长期强度提升有重要作用。同时，MICP 处理使夯土的毛细吸水显著降低，并且建立了抗压强度与毛细吸水系数之间的线性关系，说明减少孔隙率对提高夯土性能至关重要。
这项研究的意义重大。它为夯土建筑的发展提供了新的技术支持，MICP 技术有望成为一种经济、环保的夯土稳定化方法。通过微生物诱导碳酸钙沉淀，不仅解决了夯土吸水导致强度下降的问题，还提升了其长期性能，为夯土在建筑领域的更广泛应用奠定了基础。不过，微生物稳定化技术在夯土中的应用还需要进一步研究，例如如何优化微生物的生长条件，提高 MICP 技术的稳定性和效率等。但无论如何，这项研究的初步成果已经展现出了良好的应用前景，为未来的建筑材料研究开辟了新的道路。
