煤基固废资源化利用中，微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）技术通过Bacillus megaterium和Sporosarcina pasteurii实现煤矸石孔隙填充与力学性能提升。研究表明S.P.矿化效率显著高于B.M.，其CaCO3沉积量达2.5-3倍，有效降低煤矸石比表面积87%，孔隙封闭率达37.15%，使复合材料的抗压强度提升至传统方法的3倍以上。实验结合SEM/XRD/TGA技术揭示了微生物矿化通过晶体结构强化和界面粘结机制改善材料性能的机理。

　　Jianan LiuJunmeng LiYanli HuangHongzeng LiChuanxu WangChenyang LiZizhao DingShenyang Ouyang

　　教育部新疆煤炭资源绿色开采重点实验室（新疆工程学院），中国乌鲁木齐830023

　　基于煤炭的固体废物（如煤矸石）产生量巨大，但由于其多孔结构导致机械性能较差，限制了其高价值利用。为了明确微生物诱导的碳酸钙沉淀（MICP）对多孔煤矸石骨料和基于煤炭的固体废物胶凝材料（CSCMs）的结构和机械性能的影响，本研究进行了全面调查。具体而言，使用了巨大芽孢杆菌（

　　）来诱导矿化并改善煤矸石骨料的孔结构。扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）和热重分析（TGA）用于表征

　　产生的矿化产物的形态、晶体结构和热稳定性。生物沉积吸附试验和Brunauer-Emmett-Teller（BET）分析进一步评估了微生物矿化对多孔煤矸石的增强效果。结果表明，这两种细菌均诱导了CaCO

　　产生的产物结晶度更高。微生物矿化有效地封闭了内部孔隙，使吸水率降低到3.6%，并将总比表面积从26.11 m

　　/g。与仅含细菌悬浮液的CSCMs相比，使用矿化煤矸石骨料制备的CSCMs表现出显著提高的抗压强度，其中

　　的增强效果更明显。本研究建立了一个概念模型，阐明了MICP引起的孔隙填充和界面增强机制，突显了其在提高机械性能和促进基于煤炭的固体废物高价值利用方面的作用。

　　煤炭在全球能源结构和经济发展中发挥着至关重要的作用。根据国际能源署和BigMint的数据，从2021年到2024年，全球煤炭产量呈现持续增长趋势。在煤炭开采和加工过程中，煤矸石的产量通常占总产量的15-20% [1]。大规模积累的基于煤炭的固体废物（如煤矸石）导致了严重的土地占用和环境退化，这与环境可持续性的目标相悖 [2], [3]。传统的处置方法（如填埋和焚烧）常常会引起二次污染。因此，基于煤炭的固体废物的资源化利用已成为一种重要且可持续的解决方案，通过回收有用成分和提高整体资源效率双赢购彩平台 双赢彩票网页来创造经济价值。

　　基于煤炭的固体废物主要包括煤矸石、粉煤灰和煤气化渣。煤矸石和粉煤灰中的主要氧化物（如SiO

　　）为胶凝材料的形成提供了基础。近年来，大量研究探讨了含有基于煤炭的固体废物的胶凝材料的性能和优化方法。Arreola等人[4]展示了用煤矸石和高岭土部分替代水泥制备水泥-砂复合材料的可行性。Zhang等人[5]分析了20°C下红泥-煤矸石粘合剂的水化动力学，揭示了它们的内在反应机制。Moussadik等人[6]研究了碱活化煤矸石基粘合剂中重金属的固定及其机械和微观结构特性。Frasson等人[7]使用XRD、SEM和FTIR研究了各种基于煤炭的废物对碱活化材料机械性能和微观结构演变的影响。Martina等人[8]证明，热活化煤矸石可以与渣结合使用，替代高达20%的水泥而不影响流变性能。Li等人[9]探讨了养护时间、水灰比和微波活化对粉煤灰基粘合剂机械性能的影响，而Yang等人[10]研究了粉煤灰含量（

　　已经应用了多种活化策略（包括物理、化学、热处理、盐处理和组合方法）来提高固体废物的反应性，近年来人们越来越关注环保和高价值利用方法，例如地质聚合物化和橡胶化基于固体废物的胶凝复合材料。例如，通过筛分处理可以改善工程污泥基地质聚合物的机械性能，而加入橡胶化固体废物可以增强地质聚合物混凝土的动态机械性能和生命周期性能[11], [12]。然而，这些方法通常涉及使用碱性活化剂、相对可控的养护条件或整体基质改性，其性能可能受到前体化学性质和材料均匀性的影响，这可能对其应用于高度多孔的煤矸石骨料构成挑战。相比之下，微生物诱导的碳酸钙沉淀（MICP）提供了一种生物介导的低碳替代方案，能够在不改变固体废物骨料原始矿物框架的情况下实现原位孔隙填充和界面增强。

　　最近的研究表明，环保的基于MICP的表面固化可以有效提高混凝土的机械和耐久性能[13]。MICP也被广泛用于改善高孔隙度、颗粒呈角状且在外部载荷下容易破碎的钙质和珊瑚砂[13]。先前的研究表明，钙质砂的动态行为和变形特性受到颗粒破碎和循环加载条件的显著影响[14]。在这种情况下，MICP被引入作为一种有效的生物介导的增强技术，可以增强颗粒间的结合并减轻变形，而不会显著改变原始土壤结构[15], [16]。因此，MICP被认为特别适合改善多孔煤矸石骨料，因为它直接针对其固有的孔结构和脆弱的界面结合，补充了现有的固体废物利用策略，而不是完全替代它们。

　　沉淀[17], [18], [19]。MICP过程主要涉及尿素水解，随后是碳酸钙沉淀，通过这种方式CaCO

　　逐渐填充内部空隙，提高材料的强度和完整性[20]。这种方法成本低廉、环境友好，并且固体废物的利用率高。微生物矿化已在土壤稳定、胶凝材双赢购彩平台 双赢彩票网页料自修复和裂缝修复中得到广泛应用。然而，其在基于煤炭的胶凝复合材料中的应用仍然有限。以往的研究主要集中在盐碱土壤改良和改性煤矸石骨料的生物脱硫方面。例如，Manas等人[21]研究了生物矿化对混凝土自修复能力的增强作用，强调了微生物活性与钙依赖性粉煤灰之间的协同作用。Aykut等人[22]证明，帕斯德孢囊菌（

　　）和放线菌可以有效改善胶凝复合材料的微观结构。Li等人[23]建立了描述

　　在钻井液中的生长行为的动力学模型，确定了其最佳培养条件。尽管取得了这些进展，但基于煤炭的胶凝材料在直接微生物处理下的内在演变机制（特别是通过微生物矿化增强多孔煤矸石骨料）仍不完全清楚。

　　本研究探讨了微生物矿化对多孔煤矸石骨料和基于煤炭的固体废物胶凝材料（CSCMs）的结构和机械性能的影响。使用煤矸石、粉煤灰和水泥制备了CSCMs，并加入了巨大芽孢杆菌（

　　）作为微生物剂。通过扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）和热重分析（TGA）对两种细菌的矿化产物进行了表征。通过质量变化、吸水率和Brunauer-Emmett-Teller（BET）分析评估了这两种微生物系统对煤矸石骨料的矿化效率和孔隙填充效果。在多个养护龄期进行了抗压强度测试，以评估机械性能的演变，并通过XRD半定量分析和微观结构观察来阐明相变和晶体发育。最后，本研究阐明了微观结构演变与强度增强之间的关系，揭示了微生物矿化提高CSCMs性能的机制。本研究的工作流程如图1所示。本研究为应用微生物矿化技术提高C双赢购彩平台 双赢彩票网页SCMs的性能提供了理论见解和科学依据。

　　CSCMs由煤矸石、粉煤灰、水泥和水减凝剂制备。原材料的微观结构和化学成分通过SEM、XRD和XRF进行了测试，如图2所示。

　　煤矸石产自中国宁夏的石槽村煤矿。其表面松散且多孔，主要矿物相为高岭石和石英，主要成分是SiO

　　的矿化产物在不同放大倍数下表现出不规则的颗粒状或块状结构。颗粒尺寸分布较广，部分区域出现聚集现象。形态较为致密，表面粗糙，代表了典型的碳酸钙晶体沉积形式。

　　本研究探讨了两种类型微生物矿化对多孔煤矸石骨料和基于煤炭的固体废物胶凝材料（CSCMs）的增强效果。主要结论如下：

　　的2.5-3倍，相应的高温重量损失分别为37.15%和13.98%。致密且结晶度高的CaCO

　　Key Laboratory of Coal Resources and Green Mining in Xinjiang

　　（编号52374245,2534002）以及新疆重点研发专项（编号222B03028-3, 2023B03009-1）的支持。