微生物加固模擬月壤強(qiáng)度特性試驗研究

摘要：為探究微生物固化月壤作為建筑材料的潛力，通過微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀（MICP）對模擬月壤CQU-L1和CQU-L2進(jìn)行加固，對不同加固次數(shù)和不同膠結(jié)液（CS）濃度的固化模擬月壤進(jìn)行無側(cè)限抗壓試驗、剪切波速試驗及掃描電鏡SEM微觀觀測。結(jié)果表明：隨著MICP加固次數(shù)和膠結(jié)液濃度的增加，固化模擬月壤強(qiáng)度提升顯著。相同加固次數(shù)下，固化模擬月壤的強(qiáng)度隨膠結(jié)液濃度的提升而提升，用濃度為2.0 mol/L的膠結(jié)液加固12次的試樣峰值強(qiáng)度可達(dá)1.303 MPa。土體剪切波速與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增加的趨勢相似，最大剪切波速可達(dá)508 m/s。微生物注漿加固對模擬月壤CQU-L1的加固效果較CQU-L2差，原因在于模擬月壤CQU-L1顆粒較細(xì)，在相同加固次數(shù)下，其滲透性下降更顯著，使得有效加固次數(shù)降低。SEM試驗結(jié)果表明：隨著加固次數(shù)和膠結(jié)液濃度的增加，固化模擬月壤孔隙中形成更為明顯的致密結(jié)構(gòu)，并且碳酸鈣以球霰石為主。微生物加固有望為月球建造提供一種新的方式，但需要根據(jù)月壤的級配以及月壤的物理化學(xué)特性對加固方法進(jìn)行改進(jìn)。

關(guān)鍵詞：微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀；模擬月壤；無側(cè)限抗壓強(qiáng)度；剪切波速；月球建造

中圖分類號：TU411.6 """"文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A """"文章編號：2096-6717（2025）02-0020-10

Strength of lunar regolith simulant reinforced by MICP

SHI Jinquan^a，b，c，"FU Guiyong^a，"LIU Hanlong^{a，b，c}，"XIAO Yang^{a，b，c}

（a. School of Civil Engineering；"b. Key Laboratory of New Technology for Construction of Cities in Mountain Area， Ministry of Education；"c. National Joint Engineering Research Center of Geohazards Prevention in the Reservoir Areas， Chongqing University， Chongqing 400045， P. R. China）

Abstract： With the continuous advancement of the lunar exploration project， lunar construction has become a crucial technological aspect in establishing human base on the Moon. In order to explore the potential of lunar regolith as a construction material， this study investigated the reinforcement of simulated regolith simulant CQU-L1 and CQU-L2 with microbially induced calcium carbonate precipitation （MICP）. Tests on unconfined compressive strength （UCS）， shear wave velocity， and scanning electron microscope （SEM） were conducted on the MICP treated lunar regolith simulant with different reinforcement times and concentrations of cementing solution （CS）. Results indicate that with an increase in MICP reinforcement times and CS concentration， strength of the cured lunar regolith simulant significantly improves. Under the same reinforcement frequency， the strength of the cured lunar regolith simulant increases with the increase in CS concentration. The peak strength of samples reinforced 12 times with 2.0 mol/L CS can reach 1.303 MPa. The trend of soil shear wave velocity is similar with UCS， with a maximum shear wave velocity of 508 m/s. SEM test results demonstrate that with an increase in reinforcement frequency and CS concentration， a denser structure forms in the pores of the cured lunar regolith simulant， and calcium carbonate shows vaterite type. This study provides a new approach to lunar construction using lunar resources and is expected to provide important technical support for future lunar base construction.

Keywords： microbially induced carbonate precipitation；"lunar regolith simulant；"unconfined compressive stress；"shear wave velocity；"moon construction

隨著全球人口的持續(xù)增長以及太空探索活動的加速，月球棲息地建設(shè)已成為許多國家和國際航天組織的重要目標(biāo)。根據(jù)國務(wù)院新聞辦發(fā)布的《2021中國的航天》白皮書^[1]，建立國際月球科研站成為未來五年中國月球探索戰(zhàn)略的核心組成部分。作為地球唯一的天然衛(wèi)星，月球建造對進(jìn)一步深空探索至關(guān)重要。然而，月壤的物理性質(zhì)，如顆粒較細(xì)和疏松等^[2-4]，使得月壤在未經(jīng)處理的狀態(tài)下難以滿足其作為建筑材料的要求。此外，目前地-月空間運(yùn)輸能力有限，利用地球現(xiàn)有建材進(jìn)行月球工程建造的可行性較低。因此，如何有效加固月壤，提高其作為建筑材料的適用性，將成為月球表面建造的一個重要挑戰(zhàn)。

月壤是由微小的玻璃珠、礦物碎片和細(xì)小的巖石顆粒組成的粉末狀物質(zhì)^[5]，其表面特征主要由歷史火山活動以及隕石撞擊形成^[6]。月壤的低承載力和高壓縮性使其在自然狀態(tài)下難以支撐重型結(jié)構(gòu)^[7]。Apollo號取回的72441月壤，1 mm以下粒徑占比超80%^[8]。中國探月工程已啟動近20年，嫦娥5號取回的月海玄武巖土壤90%以上粒徑小于250 μm，且月壤中有一定含量的零價鐵納米顆粒^[9]。鑒于月壤樣本有限，學(xué)者們根據(jù)取回的真實(shí)月壤礦物成分和顆粒級配制備了不同種類的模擬月壤。根據(jù)Apollo號取回的月壤樣品，通過向玄武巖中加入鈦鐵礦，Sueyoshi等^[10]制備了具有玻璃成分和高鈦的風(fēng)化層模擬月壤。蔣明鏡等^[11]利用紅色火山灰制備了TJ-1模擬月壤，其物理力學(xué)特性與Apollo號月壤相近。韓婭等^[12]通過X射線衍射試驗對吉林省通化市的玄武巖進(jìn)行成分分析，結(jié)果表明，以吉林省通化市黑色玄武巖模擬的月壤成分與真實(shí)月壤相似。

月球建造需要對月壤進(jìn)行成形處理，并使其具備一定強(qiáng)度。針對月壤固化，學(xué)者們提出了黏結(jié)^[13]、堿激發(fā)^[14]和輻射燒結(jié)^[15]等成形技術(shù)。Toutanji等^[16]通過沖擊和空間輻射等試驗，驗證了硫混凝土混合料在月球建造中的可行性。Zhou等^[17]通過彎曲強(qiáng)度試驗和抗壓強(qiáng)度試驗，研究了堿含量和溫度對模擬月壤堿激發(fā)固化的影響。結(jié)果表明，堿含量對月壤堿激發(fā)固化影響顯著，相較于3%堿含量固化月壤，模擬月壤28 d抗壓強(qiáng)度提升了約68.7倍，抗折強(qiáng)度提升了約15.75倍。華建民等^[15]通過輻射燒結(jié)技術(shù)制備了具有較高強(qiáng)度的模擬月壤試件，其抗壓強(qiáng)度最高可達(dá)52.08 MPa。

微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀（MICP）技術(shù)目前被廣泛研究并應(yīng)用于加固地表土^[18-20]。學(xué)者們在礦化細(xì)菌培養(yǎng)^[21]、膠結(jié)液濃度^[22]以及注漿方法^[23]等方面進(jìn)行了深入研究。通過微生物的代謝活動，MICP可以在土壤顆粒間形成碳酸鈣連接，從而顯著增強(qiáng)土壤的物理力學(xué)性能。Li等^[24]通過無側(cè)限抗壓試驗研究了膠結(jié)液濃度對固化砂土抗壓強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明，膠結(jié)液濃度達(dá)到2.5 mol/L時，固化土最大無側(cè)限抗壓強(qiáng)度可達(dá)18.01 MPa。然而，目前微生物礦化加固地表土的力學(xué)機(jī)理能否適用于月壤尚不明確，MICP技術(shù)在月壤成形的應(yīng)用效果及其潛力仍有待研究。

鑒于月壤的特點(diǎn)，筆者利用MICP技術(shù)對模擬月壤CQU-L1和CQU-L2進(jìn)行加固。通過無側(cè)限抗壓試驗、剪切波速測試試驗和酸洗試驗對不同加固次數(shù)和不同膠結(jié)液（CS）濃度的MICP固化模擬月壤的力學(xué)特性進(jìn)行研究，通過環(huán)掃電子顯微鏡對破裂面的MICP固化模擬月壤樣品進(jìn)行分析。

1 試驗材料與方法

1.1 模擬月壤制備

模擬月壤選用吉林龍崗火山群黑色玄武巖樣品進(jìn)行制備。利用球磨機(jī)將原位開采的玄武巖進(jìn)行研磨，以獲得小顆粒玄武巖樣品，玄武巖樣品如圖1所示。依次利用1.0、0.8、0.5、0.25、0.15、0.075 mm篩網(wǎng)對研磨后的玄武巖進(jìn)行篩分。挑選出各粒徑樣品，按嫦娥5號（CE-5）帶回的真實(shí)樣品粒徑進(jìn)行配比^[12]，獲得模擬月壤CQU-L1。Liu等^[25]研究表明，當(dāng)納米細(xì)顆粒摻量增加時，微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉積效率會顯著下降。為了優(yōu)化MICP加固過程，獲得更高強(qiáng)度的建筑材料，適當(dāng)增大顆粒尺寸，獲得模擬月壤CQU-L2。模擬月壤微觀顆粒形狀與粒徑級配曲線如圖1所示，模擬月壤CQU-L1和CQU-L2化學(xué)成分與韓婭等使用的月壤成分^[12]一致。

1.2 礦化菌培養(yǎng)

試驗選用的礦化菌為巴氏芽孢桿菌。每升去離子水液體培養(yǎng)基中含20 g酵母提取物、15 g氯化銨和1 mL氯化鎳溶液，利用1 mol/L的NaOH調(diào)節(jié)pH值至9.2～9.3，氯化鎳溶液濃度為0.1 mol/L。對液體培養(yǎng)基進(jìn)行高壓高溫滅菌，冷卻后通過接種環(huán)將瓊脂固體培養(yǎng)皿中的菌種接種至液體培養(yǎng)基。將液體培養(yǎng)基在35 °C的搖床中以200 r/min培養(yǎng)20 h，如圖2所示。

為保證不同加固次數(shù)下的菌液濃度，通過721型可見分光光度計進(jìn)行OD600測試。試驗過程中共培養(yǎng)液體培養(yǎng)基12次，不同的液體培養(yǎng)基OD600值介于1.247～1.301之間，菌液濃度如圖3（a）所示。試驗利用尿素水解法進(jìn)行細(xì)菌活性測試，將2 mL的細(xì)菌溶液加入18 mL濃度為1.1 mol/L的尿素中，測量0、1、2、4、6、10 min的電導(dǎo)率值。Ma等^[26]通過試驗發(fā)現(xiàn)，尿素溶液中的礦化菌短時間內(nèi)活性不會發(fā)生變化，且電導(dǎo)率隨時間呈線性增加，斜率即為礦化菌活性，試驗所用礦化菌活性如圖3（b）所示，介于0.198 5～0.208 4之間，擬合曲線如圖3（c）、（d）所示。試驗所用膠結(jié)液中含有氯化鈣和尿素，其中，氯化鈣和尿素的濃度比為1：1，顆粒如圖2（e）、（f）所示，混合液氯化鈣濃度分別為0.5、1.0、2.0 mol/L。

1.3 試驗方法

試樣采用的針筒直徑為39.1 mm，制樣密度為1.302 g/cm³，試樣高度為80 mm。為防止拆樣時土體黏連脫落，針筒內(nèi)部放置一張影印紙。針筒上部用橡膠塞堵住，下部用止水夾夾住，將注漿液留在針筒內(nèi)。采用蠕動泵自上而下灌漿，注入菌液1 h后，注入相應(yīng)濃度的膠結(jié)液，6 h后再次注入膠結(jié)液，反應(yīng)24 h，至此為1次加固。菌液和膠結(jié)液的注漿體積比例為1∶2，體積共為2倍孔隙體積。蠕動泵泵速為5 mL/min，灌漿試驗裝置如圖4所示。

針對含細(xì)粒較多的模擬月壤CQU-L1，設(shè)置的注漿次數(shù)分別為1、2、3次；針對顆粒尺寸較大的CQU-L2模擬月壤，設(shè)置的注漿次數(shù)分別為4、8和12次。注漿完成后，利用去離子水清洗試樣表面鹽溶液。將制備好的試樣放入80 ℃的烘箱中干燥48 h，利用熱熔刀切開試樣進(jìn)行后續(xù)試驗。對加固完成后的試樣，采用彎曲元進(jìn)行剪切波檢測^[27]，其中彎曲元的激發(fā)頻率為15 kHz。為保證波形清晰完整，激發(fā)幅值采用最大值20 V。彎曲元外接剛性銅片，為保證銅片與試樣接觸良好，在彎曲元頂部放置500 g金屬砝碼。剪切波速計算方法見文獻(xiàn)[28]。打磨樣品上下表面，確保樣品表面平整，進(jìn)行無側(cè)限壓縮試驗，軸向位移加載速率為1.5 mm/min。

2 結(jié)果與討論

2.1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

圖5（a）為1次MICP加固條件下不同CS濃度固化模擬月壤CQU-L1的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。由圖5（a）可以看出，CS濃度顯著影響MICP的加固效果，CS濃度越高，固化模擬月壤CQU-L1的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度越大。CS濃度為2.0 mol/L加固1次試樣的最大無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為0.209 MPa，相較于CS濃度為0.5 mol/L加固1次試樣的UCS強(qiáng)度，增加了0.119 MPa，增大約0.76倍。這是因為膠結(jié)液濃度越高，樣品中的Ca²⁺和分解尿素產(chǎn)生的CO₃^2-濃度越大，生成的碳酸鈣越多。碳酸鈣沉積在固化模擬月壤孔隙之間，形成更堅固的黏結(jié)“橋梁”，提高了固化模擬月壤的整體強(qiáng)度。圖5（b）為不同CS濃度加固2次模擬月壤CQU-L1的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。相較于圖5（a），MICP加固次數(shù)越多，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度越大。這是因為多次MICP加固可以進(jìn)一步填充月壤孔隙，有效提升試樣的均勻程度。CS濃度為2.0 mol/L加固2次試樣的最大無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為0.282 MPa，是CS濃度為2.0 mol/L加固1次試樣UCS強(qiáng)度的1.35倍。圖5（c）給出了不同CS濃度加固3次模擬月壤CQU-L1的應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化情況，可以看到，隨著CS濃度的增加，模擬月壤CQU-L1的最大無側(cè)限抗壓強(qiáng)度仍呈增加趨勢。相較于CS濃度為0.5、1.0 mol/L加固2次試樣，CS濃度為0.5、1.0 mol/L加固3次試樣達(dá)到峰值強(qiáng)度的應(yīng)變值減小，表明試樣脆性增加。圖5（d）為不同加固次數(shù)下模擬月壤CQU-L1的峰值無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。CS濃度為2.0 mol/L加固3次試樣的UCS強(qiáng)度可達(dá)0.429 MPa。因模擬月壤CQU-L1孔隙率較小，MICP產(chǎn)生的碳酸鈣在孔隙中進(jìn)一步沉積，注漿次數(shù)達(dá)3次后，試樣中部分孔隙幾乎完全被堵塞，溶液無法繼續(xù)滲透加固。

圖6（a）為不同CS濃度固加4次模擬月壤CQU-L2的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。與固化模擬月壤CQU-L1相似，隨著CS濃度的提升，模擬月壤CQU-L2的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度提升。相較于小粒徑的模擬月壤，4次MICP加固條件下模擬月壤CQU-L2達(dá)到峰值強(qiáng)度的應(yīng)變值有所增加，試樣延性增加。由圖6（b）可知，相較于加固4次的情況，8次MICP加固下，固化模擬月壤CQU-L2的峰值強(qiáng)度提升顯著，且達(dá)到峰值強(qiáng)度的應(yīng)變值減小，試樣脆性增加。圖6（c）為12次MICP加固試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，MICP加固的模擬月壤強(qiáng)度顯著提高，不同CS濃度對強(qiáng)度的影響更為明顯，但峰值強(qiáng)度對應(yīng)的軸向應(yīng)變無明顯規(guī)律。圖6（d）為不同加固次數(shù)下模擬月壤CQU-L2的無側(cè)限抗壓峰值強(qiáng)度。CS濃度為2.0 mol/L加固12次樣品峰值強(qiáng)度可達(dá)1.303 MPa，試驗結(jié)果表明，MICP固化模擬月壤具備一定的強(qiáng)度，但仍有較高的優(yōu)化空間。

2.2 剪切波速

剪切波在土體中的傳遞時間與土體種類、制樣密度、粒徑級配以及膠結(jié)等因素有關(guān)^[27]。圖7（a）～（c）為不同CS濃度固化模擬月壤的剪切波波形和波速大小。可以看出，隨著CS濃度的提高和加固次數(shù)的增加，更多的碳酸鈣沉積在固化模擬月壤顆粒間的孔隙中，減少了孔隙存在，剪切波的傳播時間縮短。剪切波波形受微生物加固的影響較小。由圖7（b）可知，CS濃度為2.0 mol/L加固3次模擬月壤CQU-L1的最大剪切波速約為294 m/s，是CS濃度為0.5 mol/L加固1次試樣215.2 m/s的1.366倍。圖7（c）為不同CS濃度固化模擬月壤CQU-L2的剪切波波速值。與模擬月壤CQU-L1一致，剪切波速v_s隨著CS度和加固次數(shù)的增加而增加。CS濃度為2.0 mol/L加固12次試樣模擬月壤CQU-L2的最大剪切波速可達(dá)508 m/s。此外，可以看出，相同加固次數(shù)下，不同濃度試樣之間的剪切波速差值呈放大趨勢，表明在較多的加固次數(shù)下，膠結(jié)液濃度越高，剪切波速的提升越顯著。同時，剪切波速增加趨勢與土體峰值抗壓強(qiáng)度變化相似，這與Fan等^[29]的結(jié)論一致。

2.3 碳酸鈣含量

圖8（a）為不同加固次數(shù)和CS濃度下模擬月壤CQU-L1的碳酸鈣沉淀含量。由圖8（a）可見，模擬月壤CQU-L1中碳酸鈣含量隨著加固次數(shù)和CS濃度的增加而增加。3次加固范圍內(nèi)，試樣內(nèi)產(chǎn)生的碳酸鈣含量最大約為8.61%，大于Fan等^[29]的6.1%，這與添加CS的次數(shù)和體積有關(guān)。相較于模擬月壤CQU-L1，模擬月壤CQU-L2經(jīng)MICP處理后獲得的碳酸鈣沉淀更多。隨著加固次數(shù)和CS濃度的提升，CQU-L2模擬月壤的碳酸鈣含量從CS濃度為0.5 mol/L加固4次工況下的7.95%增長至CS濃度為2.0 mol/L加固12次工況下的15.42%。Fan等^[29]通過MICP加固和原位激發(fā)試驗發(fā)現(xiàn)，隨著碳酸鈣沉淀量的增加，土壤無側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈指數(shù)增長。圖8（c）、（d）建立了碳酸鈣沉淀量與峰值抗壓強(qiáng)度和剪切波速的關(guān)系，由圖8（c）可以看出，模擬月壤CQU-L1、CQU-L2中碳酸鈣含量與峰值抗壓強(qiáng)度和剪切波速呈指數(shù)增長趨勢，規(guī)律與Fan等^[29]、Van Paassen等^[30]和Cheng等^[31]的研究結(jié)論一致。

2.4 試樣破壞模式

圖9為不同加固程度試樣在無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗中的破壞形式。從圖9可以看出，在加固次數(shù)較少的情況下，試樣的破壞形式并不顯著，主要以端部破壞和剝落破壞為主，如加固4次的試樣CQU-L1、CQU-L2；隨著加固次數(shù)的增多，試樣的破裂面逐漸增大，破壞更加劇烈，如加固8、12次后試樣CQU-L2的破裂形式以整體劈裂破壞或大范圍剝落破壞為主，表明隨著加固程度的提高，試樣的整體性提高。

2.5 微觀機(jī)理

為了更好地觀察模擬月壤孔隙內(nèi)的碳酸鈣沉淀，對MICP加固的月壤樣品進(jìn)行SEM微觀觀測。圖10給出了MICP加固模擬月壤CQU-L2的微觀形貌圖，從圖10（a）可以看出，與MICP加固砂土類似，MICP加固模擬月壤的碳酸鈣分布呈現(xiàn)涂層和膠結(jié)的混合模式。碳酸鈣形貌以球形為主，推測為球霰石，球霰石碳酸鈣沉淀多發(fā)生在細(xì)菌濃度過高、鈣離子濃度不足的條件下^[32]。由圖3可知，本文的細(xì)菌活性電導(dǎo)率在0.2 mS·min/cm左右，屬于較高范圍，產(chǎn)生的碳酸鈣形貌與Lv等^[32]的試驗結(jié)論相似。圖10（b）為MICP加固12次后碳酸鈣晶體的放大圖，球狀碳酸鈣更為顯著，并且在碳酸鈣沉淀表面附著了大量細(xì)菌。細(xì)菌通?？勺鳛樘妓徕}的成核位點(diǎn)并被碳酸鈣包裹，在碳酸鈣表面觀測到大量細(xì)菌，也驗證了細(xì)菌濃度過高而產(chǎn)生球霰石的推斷。

3 討論

隨著人類對月球和火星等地外空間的探索，地外建造技術(shù)成為近年來學(xué)者們研究的熱點(diǎn)。Santomartino等^[33]提出地外空間探索中利用微生物進(jìn)行生產(chǎn)、生活的路線圖，其中包括細(xì)菌采礦、細(xì)菌發(fā)電、細(xì)菌廢物降解等。微生物太空建造也是其中重要一環(huán)。在地球環(huán)境中，微生物礦化技術(shù)在土體加固和建筑體保護(hù)修復(fù)方面展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力，被認(rèn)為有可能成為新一代低碳綠色建造技術(shù)^[34]。對于地外空間，微生物的便攜性是另一個優(yōu)勢。通過攜帶少量菌株，在月球或者火星建立細(xì)胞工廠并進(jìn)行擴(kuò)培，不需要耗費(fèi)大量的太空運(yùn)載資源，然而，地外微生物礦化技術(shù)的使用仍面臨許多技術(shù)難題，包括如何獲取大量鈣離子和尿素等。有研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)月球礦產(chǎn)資源富含大量的氧化鈣^[35]，尿素可從未來旅居的人類排泄物中獲得^[36]。綜上，通過在月球建立細(xì)胞工廠，有望利用微生物礦化加固技術(shù)為月球建造提供可持續(xù)的膠結(jié)材料，但仍面臨較多挑戰(zhàn)，需繼續(xù)開展系統(tǒng)深入的研究，圖11為通過微生物加固制備的大尺寸模擬月壤磚。

4 結(jié)論

為了探究微生物加固月壤成形的可行性，使用火山玄武巖制備模擬月壤CQU-L1和CQU-L2，并利用微生物注漿加固方式對模擬月壤進(jìn)行加固成形。通過對模擬月壤CQU-L1、CQU-L2進(jìn)行無側(cè)限抗壓試驗、剪切波速試驗和碳酸鈣含量測試，獲得了不同加固次數(shù)和不同CS濃度條件下的微生物固化模擬月壤的強(qiáng)度、波速以及碳酸鈣沉淀膠結(jié)特性。探索性地將微生物加固技術(shù)用于月壤成型，有望為月球建造建筑材料的選擇提供參考。主要結(jié)論如下：

1）MICP加固次數(shù)和CS濃度對模擬月壤CQU-L1和CQU-L2的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度有較大影響。在相同加固次數(shù)下，CS濃度越高，固化模擬月壤的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度越大。相同CS濃度條件下，加固次數(shù)越多，固化模擬月壤的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度提升越顯著，CS濃度為2.0 mol/L加固12次試樣峰值強(qiáng)度可達(dá)1.303 MPa，具有作為月球建材的潛力。

2）相同加固次數(shù)下，隨著CS濃度的提高，剪切波速提高。相同CS濃度條件下，加固次數(shù)越多，剪切波速提高越顯著。CS濃度為2.0 mol/L加固12次模擬月壤的剪切波速可達(dá)508 m/s，土體峰值抗壓強(qiáng)度與剪切波速的增加趨勢相似。

3）隨著CS濃度和加固次數(shù)的增加，固化模擬月壤中的碳酸鈣含量顯著提升，固化土內(nèi)部孔隙減小，碳酸鈣填充緊密。碳酸鈣含量分別與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度及剪切波速呈近似的變化規(guī)律。MICP能在模擬月壤顆粒之間形成碳酸鈣膠結(jié)，并在模擬月壤表面形成涂層分布。碳酸鈣形貌以球形為主，推測為球霰石，表明細(xì)菌濃度過高，鈣離子不足。

參考文獻(xiàn)

[1] "陳靜， 馬昕宇. 基于語料庫的《中國的航天》白皮書翻譯研究"[J]. 鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院學(xué)報（社會科學(xué)版）， 2024， 43（2）： 81-86.

CHEN J， MA X Y. A corpus-based study on the translation of the white paper China’s Space Program"[J]. Journal of Zhengzhou University of Aeronautics （Social Science Edition） ， 2024， 43（2）： 81-86.（in Chinese）

[2] "CARRIER Ⅲ W， MITCHELL J K， MAHMOOD A. The nature of lunar soil [J]. Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division， 1973， 99（10）： 813-832.

[3] "SLYUTA E N. Physical and mechanical properties of the lunar soil （A review） [J]. Solar System Research， 2014， 48（5）： 330-353.

[4] "VEY E， NELSON J D. Engineering propeties of simulated lunar soils [J]. Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division， 1965， 91（1）： 25-52.

[5] "ZHAO R， SHEN L Q， XIAO D D， et al. Diverse glasses revealed from Chang’E-5 lunar regolith [J]. National Science Review， 2023， 10（12）： nwad079.

[6] "LINDSAY J F. Development of soil on the lunar surface [J]. Journal of Sedimentary Research， 1972， 42（4）： 876-888.

[7] "PRABU T， MUTHUKKUMARAN K， VENUGOPAL I， et al. Assessment of shear strength and compressibility characteristics of a newly developed lunar highland soil simulant （LSS-ISAC-1） for Chandrayaan lander and rover missions [J]. Planetary and Space Science， 2021， 209： 105354.

[8] "MCKAY D S， HEIKEN G， BASU A， et al. The lunar regolith [M]// Lunar Sourcebook， A User's Guide to the Moon. Cambridge： Cambridge University Press， 1991： 285-356.

[9] "楊蔚， 潘梓凌. 月球“土特產(chǎn)”： 從阿波羅11號到嫦娥5號"[J]. 礦物巖石地球化學(xué)通報， 2023， 42（6）： 1424-1438.

YANG W， PAN Z L. Lunar “l(fā)ocal specialties”： From Apollo 11 to Chang’e 5 [J]. Bulletin of Mineralogy， Petrology and Geochemistry， 2023， 42（6）： 1424-1438. （in Chinese）

[10] "SUEYOSHI K， WATANABE T， NAKANO Y， et al. Reaction mechanism of various types of lunar soil simulants by hydrogen reduction [C]//Earth amp; Space 2008. Long Beach， California， USA. Reston， VA： American Society of Civil Engineers， 2008： 1-8.

[11] "蔣明鏡， 李立青. TJ-1模擬月壤的研制[J]. 巖土工程學(xué)報， 2011， 33（2）： 209-214.

JIANG M J， LI L Q. Development of TJ-1 lunar soil simulant [J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering， 2011， 33（2）： 209-214. （in Chinese）

[12] "韓婭， 謝更新， 晏銘， 等. 調(diào)節(jié)粒徑分布提高月壤種植潛力研究[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報， 2023， 29（10）： 1863-1872.

HAN Y， XIE G X， YAN M， et al. Improving planting potential of lunar soil by adjusting grain size distribution [J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizers， 2023， 29（10）： 1863-1872. （in Chinese）

[13] "吳靈芝， 尹海清， 張聰， 等. 增材制造月壤原位成形技術(shù)的研究現(xiàn)狀[J]. 礦產(chǎn)綜合利用， 2023（6）： 99-107.

WU L Z， YIN H Q， ZHANG C， et al. Research status of additive manufacturing lunar in situ forming technology [J]. Multipurpose Utilization of Mineral Resources， 2023（6）： 99-107. （in Chinese）

[14] "LI R L， CHEN J， ZHANG J R， et al. Cone penetration resistance of CUMT-1 lunar regolith simulant under magnetic-similitude lunar gravity condition [J]. Acta Geotechnica， 2023， 18（12）： 6725-6744.

[15] "華建民， 肖暢， 薛暄譯， 等. 輻射燒結(jié)硬化模擬月壤的物理和力學(xué)性能試驗研究"[J]. 土木與環(huán)境工程學(xué)報， 2025， 47（2）： 1-7.

HUA J M， XIAO C， XUE X Y， et al. Experimental study on physical and mechanical properties of simulated lunar regolith hardened by radiation sintering [J]. Journal of Civil and Environmental Engineering， 2025， 47（2）： 1-7. （in Chinese）

[16] "TOUTANJI H， GLENN-LOPER B， SCHRAYSHUEN B. Strength and durability performance of waterless lunar concrete [C]//Proceedings of the 43rd AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit. Reno， Nevada. Reston， Virigina： AIAA， 2005： AIAA2005-1436.

[17] "ZHOU S Q， ZHU X Y， LU C H， et al. Synthesis and characterization of geopolymer from lunar regolith simulant based on natural volcanic scoria [J]. Chinese Journal of Aeronautics， 2022， 35（1）： 144-159.

[18] "劉漢龍， 趙常， 肖楊. 微生物礦化反應(yīng)原理、沉積與破壞機(jī)制及理論：研究進(jìn)展與挑戰(zhàn)"[J]. 巖土工程學(xué)報， 2024， 46（7）： 1347-1358.

LIU H L， ZHAO C， XIAO Y. Reaction principle， deposition and failure mechanisms and theory of biomineralization： progress and challenges. [J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering， 2024， 46（7）： 1347-1358. （in Chinese）

[19] "劉漢龍， 馬國梁， 趙常， 等. 微生物加固鈣質(zhì)砂的宏微觀力學(xué)機(jī)理"[J]. 土木與環(huán)境工程學(xué)報（中英文）， 2020， 42（4）： 205-206.

LIU H L， MA G L， ZHAO C， et al. Macro-nbsp;and micro-mechanical regime of biotreated calcareous sand. [J]. Journal of Civil and Environmental Engineering， 2020， 42（4）： 205-206. （in Chinese）

[20] "XIAO Y， STUEDLEIN A W， RAN J Y， et al. Effect of particle shape on strength and stiffness of biocemented glass beads [J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering， 2019， 145（11）： 06019016.

[21] "BU C M， LU X Y， ZHU D X， et al. Soil improvement by microbially induced calcite precipitation （MICP）： A review about mineralization mechanism， factors， and soil properties [J]. Arabian Journal of Geosciences， 2022， 15（9）： 863.

[22] "QABANY AAL， SOGA K. Effect of chemical treatment used in MICP on engineering properties of cemented soils[M]//LALOUI L， ed. Bio-"and Chemo-Mechanical Processes in Geotechnical Engineering. ICE Publishing， 2014： 107-115.

[23] "TANG C S， YIN L Y， JIANG N J， et al. Factors affecting the performance of microbial-induced carbonate precipitation （MICP） treated soil： A review [J]. Environmental Earth Sciences， 2020， 79（5）： 94.

[24] "LI D， TIAN K L， ZHANG H L， et al. Experimental investigation of solidifying desert aeolian sand using microbially induced calcite precipitation [J]. Construction and Building Materials， 2018， 172： 251-262.

[25] "LIU M， CAI L X， LUO H B. Effect of nano-silica on microbiologically induced calcium carbonate precipitation [J]. Construction and Building Materials， 2022， 314： 125661.

[26] "MA G L， HE X， XIAO Y， et al. Influence of bacterial suspension type on the strength of biocemented sand [J]. Canadian Geotechnical Journal， 2022， 59（11）： 2014-2021.

[27] "SHI J Q， XIAO Y， CARRARO J A H， et al. Anisotropic small-strain stiffness of lightly biocemented sand considering grain morphology [J]. Géotechnique， 2023： 1-14.

[28] "付貴永， 肖楊， 史金權(quán)， 等. 干濕循環(huán)下EICP聯(lián)合黃原膠加固鈣質(zhì)粉土劣化特性試驗研究[J]. 巖土工程學(xué)報，2024， 46（11）： 2341-2351.

FU G Y， XIAO Y， SHI J Q， et al. Experimental study on the degradation of EICP and xanthan gum treated calcareous silt under dry-wet cycles[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering， 2024， 46（11）： 2341-2351. （in Chinese）

[29] "FAN W J， XIAO Y， CAO B F， et al. Comparison of bioaugmentation and biostimulation approaches for biocementation in soil column experiments [J]. Journal of Building Engineering， 2024， 82： 108335.

[30] "VAN PAASSEN L A， GHOSE R， VAN DER LINDEN T J M， et al. Quantifying biomediated ground improvement by ureolysis： Large-scale biogrout experiment [J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering， 2010， 136（12）： 1721-1728.

[31] "CHENG L， CORD-RUWISCH R， SHAHIN M A. Cementation of sand soil by microbially induced calcite precipitation at various degrees of saturation [J]. Canadian Geotechnical Journal， 2013， 50（1）： 81-90.

[32] "LV C， TANG C S， ZHU C， et al. Environmental dependence of microbially induced calcium carbonate crystal precipitations： Experimental evidence and insights [J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering， 2022， 148（7）： 04022050.

[33] "SANTOMARTINO R， AVERESCH N J H， BHUIYAN M， et al. Toward sustainable space exploration： A roadmap for harnessing the power of microorganisms [J]. Nature Communications， 2023， 14： 1391.

[34] "劉漢龍.生物建造體系與展望[J].土木與環(huán)境工程學(xué)報（中英文）， 2024， 46（4）：1-22.

LIU H. Biogenic construction： System and perspectives [J]. Journal of Civil and Environmental Engineering， 2024， 46（4）：1-22. （in Chinese）

[35] "梅奧新， 蔣云， 廖世勇， 等. 嫦娥五號月壤中富KREEP角礫巖及其意義[J]. 中國科學(xué)：地球科學(xué)， 2023， 53（11）： 2516-2530.

MEI A X， JIANG Y， LIAO S Y， et al. KREEP-rich breccia in Chang’E-5 regolith and its implications [J]. Science China Earth Sciences， 2023， 53（11）： 2516-2530. （in Chinese）.

[36] "PILEHVAR S， ARNHOF M， PAMIES R， et al. Utilization of urea as an accessible superplasticizer on the moon for lunar geopolymer mixtures [J]. Journal of Cleaner Production， 2020， 247： 119177.

[37] "MARK ROBINSON. Nearside Spectacular！ [EB/OL]. （2011-02-11） [2024-05-31]. http：//lroc.sese.asu.edu/images/293#extended.

（編輯""胡英奎）