劉漢龍 韓紹康 陳卉麗 仉文崗 蔣思維 楊陽 肖楊 成亮

Microbial reinforcement and repair method of sandstone grottoes in humid environment

LIU Hanlong 1，HAN Shaokang 1，CHEN Huili 2，ZHANG Wengang 1，JIANG Siwei 2，YANG Yang 1，XIAO Yang 1，CHENG Liang 3，4

（1.School of Civil Engineering，Chongqing University，Chongqing 400045，P.R.China；2.Academy of Dazu Rock Carvings，Chongqing 402360，P.R.China；3.Chongqing University Liyang Smart City Research Institute，Changzhou 213332，Jiangsu，P.R.China；4.School of Environmental and Safety Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang 212013，Jiangsu，P.R.China）

微生物加固是一門將微生物的礦化過程應(yīng)用于巖土工程的新型生物介導(dǎo)巖土加固技術(shù)，對改善土體的強(qiáng)度、滲透性等具有顯著效果[1]。微生物加固技術(shù)具有碳排放低、土體擾動(dòng)小、施工速度快、無需特殊養(yǎng)護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，是一種環(huán)境友好型土體改良技術(shù)[2]。目前，基于尿素水解的微生物誘導(dǎo)活性氧化鎂碳化生成水合碳酸鎂的微生物加固技術(shù)受到了學(xué)者們的廣泛關(guān)注[3]。該技術(shù)具有強(qiáng)度高、穩(wěn)定性強(qiáng)、耐候性好、無毒等適用于石質(zhì)文物修復(fù)的突出特點(diǎn)，且未完全反應(yīng)的活性氧化鎂在潮濕環(huán)境下可以繼續(xù)水化，并與空氣中的二氧化碳反應(yīng)，從而繼續(xù)提高強(qiáng)度。其主要化學(xué)方程式為

MgO+H 2 O→Mg（OH）2（水鎂石）

CO（NH 2）2+H 2 O+微生物菌液→CO2+2NH 3

5Mg（OH）2+4CO2→4MgCO 3?Mg（OH）2?4H 2 O（水菱鎂礦）

典型潮濕環(huán)境砂巖質(zhì)石窟巖體——大足石刻的維修保護(hù)主要依據(jù)歷史文獻(xiàn)、碑刻和造像題記，嚴(yán)格遵守“不改變原狀”的原則，釆取傳統(tǒng)工程手段與現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)相結(jié)合的方式進(jìn)行。目前，大足石刻針對風(fēng)化問題的修復(fù)主要采用有機(jī)高分子材料，但隨著修復(fù)工作的大范圍開展，有機(jī)高分子材料的弊端逐漸顯現(xiàn)，如有機(jī)合成材料在高溫高濕環(huán)境下的干燥性能、固化能力、防霉抗菌性及耐候性等問題，越發(fā)不適合部分石質(zhì)文物的修復(fù)，選擇適合的黏結(jié)材料逐步成為文物保護(hù)工作者需要思考解決的問題。

若能利用微生物加固技術(shù)進(jìn)行石質(zhì)文物的補(bǔ)配修復(fù)，對于石質(zhì)文物保護(hù)而言，將是里程碑式的發(fā)展，對文物保護(hù)工作具有重要的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。然而，目前利用微生物誘導(dǎo)水合碳酸鎂礦化加固技術(shù)進(jìn)行文物補(bǔ)配修復(fù)的研究尚無報(bào)道，影響了微生物加固技術(shù)在文物保護(hù)中的應(yīng)用推廣。

筆者采用微生物誘導(dǎo)無機(jī)水合碳酸鎂礦物的方法加固砂巖石粉制成修復(fù)砂漿，并固結(jié)成修復(fù)試樣（圖1），通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、分層硬度試驗(yàn)、理化性質(zhì)分析試驗(yàn)、耐候性試驗(yàn)、色差試驗(yàn)、微觀分析試驗(yàn)研究潮濕環(huán)境砂巖質(zhì)石窟巖體微生物加固補(bǔ)配修復(fù)方法，揭示其補(bǔ)配修復(fù)機(jī)理并開展可行性分析。結(jié)果表明，微生物誘導(dǎo)無機(jī)水合碳酸鎂礦物制成的修復(fù)砂漿可滿足砂巖質(zhì)石窟巖體補(bǔ)配修復(fù)對強(qiáng)度、色差和耐候性等的基本要求。微生物加固試樣的強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期的增加而增加，其顏色與現(xiàn)場砂巖試樣接近；砂巖石粉經(jīng)微生物加固后的耐候性與生成礦化產(chǎn)物的量有關(guān)，其力學(xué)性能和抗劣化性能隨產(chǎn)物生成量的增加而增強(qiáng)。

基于無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和分層硬度試驗(yàn)結(jié)果，系統(tǒng)分析微生物加固砂巖石粉的強(qiáng)度特性，發(fā)現(xiàn)微生物加固砂巖石粉試樣礦化產(chǎn)物的含量隨養(yǎng)護(hù)齡期而提高，試樣的強(qiáng)度也隨養(yǎng)護(hù)齡期增加；分層硬度試驗(yàn)則表現(xiàn)為上下表層硬度大于里層硬度，即硬度由外向里遞減，但差異小于25%，為了得到更好的補(bǔ)配修復(fù)效果，應(yīng)當(dāng)從工藝上進(jìn)行調(diào)整，采用分層、分階段處理的方法。

通過X射線衍射分析（XRD）、X射線熒光光譜分析（XRF）、掃描電鏡（SEM）等微觀分析方法，探究潮濕環(huán)境砂巖質(zhì)石窟巖體微生物加固補(bǔ)配修復(fù)的微觀機(jī)理，發(fā)現(xiàn)微生物加固試樣和砂巖試樣的成分及元素基本相同，只是其含量稍有差異，且差異相對較小，因此，采用微生物加固方法進(jìn)行砂巖質(zhì)石窟文物的補(bǔ)配修復(fù)不會(huì)引入異物，符合文物修復(fù)的基本原則；砂巖試樣和微生物加固試樣均含較多微觀孔隙，表明其對水的敏感性較高。力學(xué)斷裂形成的碎屑較多，在濕度較高的情況下，其長期強(qiáng)度有可能會(huì)隨時(shí)間的推移而降低，即典型的水巖相互作用；水菱鎂礦是微生物加固的膠結(jié)產(chǎn)物，呈現(xiàn)針狀晶體聚集成細(xì)枝狀，也以纖維狀集合體（常呈放射狀）和球狀塊體產(chǎn)出，具有穩(wěn)定性好、硬度大、抗化學(xué)腐蝕性強(qiáng)、電阻率高和幾乎不與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)等特性，因此，用微生物加固方法產(chǎn)生的菱鎂礦進(jìn)行石質(zhì)文物補(bǔ)配修復(fù)具有可行性。

在系統(tǒng)研究微生物加固試樣的強(qiáng)度特性和微觀機(jī)理的基礎(chǔ)上，通過劣化模型箱同步開展室內(nèi)微生物加固試樣在干濕循環(huán)、凍融循環(huán)、酸雨、鹽侵等作用下的劣化試驗(yàn)。干濕循環(huán)對微生物加固試樣強(qiáng)度有促進(jìn)作用，主要是因?yàn)轱柡铜h(huán)境起到養(yǎng)護(hù)試樣的效果，使強(qiáng)度進(jìn)一步提高。凍融循環(huán)對微生物加固試樣影響較小，主要表現(xiàn)為輕微掉粉，強(qiáng)度同樣有所增加。酸雨循環(huán)使微生物加固試樣表現(xiàn)出粉化剝落，且隨著循環(huán)次數(shù)的增加劣化越來越嚴(yán)重，最終導(dǎo)致強(qiáng)度降低，這是生成的水合碳酸鎂礦物在酸雨中溶解導(dǎo)致的。硫酸鹽對微生物加固試樣的破壞最嚴(yán)重，且硫酸鹽濃度越高破壞越嚴(yán)重，鹽侵試驗(yàn)主要采用不同濃度硫酸鈉溶液進(jìn)行，硫酸鈉對試樣的劣化程度與試樣中硫酸鈉的含量正相關(guān)，且隨著硫酸鈉侵蝕時(shí)間的增加，劣化現(xiàn)象更加明顯，最終表現(xiàn)為“環(huán)狀剝落”的破壞模式，這是因?yàn)榱蛩徕c晶體含量較大時(shí)，硫酸鈉晶體產(chǎn)生的結(jié)晶力大于試樣顆粒的膠結(jié)力，進(jìn)而發(fā)生劣化。

通過密度測試、吸水率測試、壓汞測試、色差測試探究微生物加固試樣的基本物理特性，發(fā)現(xiàn)微生物加固試樣密度低于砂巖試樣，吸水率略大于砂巖試樣，孔隙率略大于砂巖試樣，表明微生物加固試樣具有一定的透氣性，可以用于砂巖質(zhì)石窟文物的補(bǔ)配修復(fù)。但較高的孔隙率在潮濕環(huán)境下會(huì)加劇水巖相互作用，可以通過改善石粉級配、提高微生物活性、增加活性氧化鎂摻量、增加二氧化硅粉末等方法進(jìn)一步增加微生物加固試樣的密度、降低其吸水率和孔隙率。

微生物加固試樣色差改變較小，在正常肉眼情況下基本沒有色差區(qū)別，單個(gè)參數(shù)色差數(shù)據(jù)相對集中，基本在砂巖試樣平均值上下波動(dòng)，且波動(dòng)幅度相對較小，包括：L（亮暗）、a（紅綠）和b（黃藍(lán)），因此，對于砂巖質(zhì)石窟文物的補(bǔ)配修復(fù)不會(huì)產(chǎn)生色差問題。

針對潮濕環(huán)境砂巖質(zhì)石窟巖體的典型代表、世界文化遺產(chǎn)——大足石刻開展了殘缺佛指試樣的微生物加固補(bǔ)配修復(fù)試驗(yàn)（圖2），通過硬度計(jì)、色差儀，結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場劣化試驗(yàn)及現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，檢測佛指試樣修復(fù)后的加固強(qiáng)度、色差及耐候性，并對補(bǔ)配修復(fù)效果進(jìn)行跟蹤監(jiān)測與評價(jià)，初步驗(yàn)證了多因素作用下通過微生物加固方法進(jìn)行砂巖質(zhì)石窟文物補(bǔ)配修復(fù)的有效性和實(shí)用性。

參考文獻(xiàn)

[1]YANG Y，CHU J，XIAO Y，et al.Seepage control in sand using bioslurry[J].Construction and Building Materials，2019，212：342-349.

[2]MA GL，HE X，JIANG X，et al.Strength and permeability of bentonite-assisted biocemented coarse sand[J].Canadian Geotechnical Journal，2020，58（7），969-981.

[3]YANG Y，RUAN SQ，WU SF，et al.Biocarbonation of reactive magnesia for soil improvement[J].Acta Geotechnica，2021，16（4）：1113-1125.

（編輯 胡英奎）