糯米漿改良戚城遺址仿遺址土強度特性與作用機理

岳建偉，陳穎，趙麗敏，張寶璽，孔慶梅，顧麗華，盧會芳

(河南大學 a.土木建筑學院；b.開封市不可移動文物安全評價與修復重點實驗室，河南 開封 475004)

濮陽戚城遺址處于黃河中下游，土質為結構松散的粉質黏土，具有水穩定性差、毛細作用強烈等不利特性，受黃河泛濫的影響，土遺址破壞嚴重[1-2]。因黃河文化傳承和旅游發展的需要，黃河下游土遺址逐步得到恢復，但已經修復的濮陽戚城遺址出現了大量裂縫及表面不同程度的龜裂，其原因在于修復材料和修復的營造技術缺乏合理性，古代土遺址營造時添加糯米漿是否存在科學道理亟待解密。

近年來，學者們發現有機物質對微生物礦化土體結構有顯著影響。土壤中有大量的生物，包括細菌、古細菌、真菌和蠕蟲，這些微生物可以產生生物膜、生物聚合物或生物礦物，直接使用原位微生物活性或異位微生物產物作為一種受環境影響土壤的改良方法[10-12]。陳鑫[13]指出，土壤表層缺乏有機質會影響微生物的生長，導致土壤顆粒黏聚力較大，進而造成土壤板結。Li等[14]、黃磊等[15]發現有機物質可以為土壤微生物增加營養源，起到調控土壤微生物群落結構的作用。趙偉等[16]、Nakada等[17]發現微生物能產生淀粉酶，分解淀粉。裴迪等[18]指出蛋白質可以為微生物提供氮源、碳源。相關研究[19-22]發現，糯米漿中含有豐富的淀粉和蛋白質，可以為微生物礦化提供外加營養源。因此，探究糯米漿作用下微生物改良土體機理具有重要意義。

目前，糯米漿的研究以西北黃土土遺址和灰漿為主，針對黃河下游的粉質黏土土遺址尚未有人研究；對糯米漿的研究以關注土遺址短期力學性能為主，而對含有糯米漿土遺址的長期性能及作用機理尚不清楚。筆者選用糯米漿、石英砂、氧化鋁、氟化鈣作為附加材料，對濮陽戚城遺址周圍的粉土進行改良，制備仿遺址土。通過直剪試驗、無側限抗壓強度試驗研究了0%、1%、3%、5%、7%、9%糯米漿濃度下仿遺址土的強度、黏聚力及內摩擦角的變化值，電鏡測試不同濃度糯米漿對仿遺址土的改良效果，根據色差分析、評定糯米漿改良仿遺址土是否符合土遺址修復原則，基于MICP技術探究糯米漿作用下微生物改良土體的作用機理。

1 試驗材料

1.1 仿遺址土的制備

圖1所示為濮陽戚城遺址土及周邊土取樣位置。由圖1可知，戚城土遺址破壞嚴重，為探求土遺址改良方法，采用傳統糯米漿改良遺址土。

圖1 遺址土與周邊土取樣位置Fig.1 Sampling location of ruins soil and surrounding

鑒于土遺址屬于不可再生文物，研究土遺址不能以犧牲文物為代價，為了更好地保護戚城遺址，采取少許遺址土以及周邊土樣品進行XRF分析，按照“缺什么補什么”的原則進行仿遺址土的配制。

圖2所示為遺址土與周邊土的化學成分含量，由圖2可見：遺址土與周邊土化學成分差別不大，可以利用周邊土配制仿遺址土。選取含量超過1%氧化物的遺址土和周邊土進行數據分析研究，對周邊土的氧化物含量進行調整從而制備出仿遺址土，通過計算使仿遺址土的氧化物含量等于遺址土的氧化物含量，表1所示為周邊土、遺址土及仿遺址土的氧化物含量。

圖2 遺址土與周邊土化學成分含量圖Fig.2 Chemical composition of ruins soil

表1 不同種類土的氧化物含量Table 1 Content of oxides in different soils

仿遺址土的配制：仿遺址土所添加的氟化鈣(CaF2)購自河南鉑潤鑄造材料有限公司；氧化鋁(Al2O3)購自鞏義市恒鑫濾料廠，氧化鋁純度高達99.8%，是一種高硬度的化合物；石英砂(SiO2)，石英砂細度為400目(38 μm)，顏色為乳白色，是一種堅硬、耐磨、化學性能穩定的硅酸鹽礦物，石英砂氧化物的主要組成成分為SiO2與Al2O3，含量分別為96.83%和1.78%。考慮石英砂中SiO2、Al2O3的含量，經數據分析后按照每100 g周邊土(過5 mm篩)中加入8.52 g石英砂(SiO2)、0.45 g氧化鋁(Al2O3)、0.15 g氟化鈣(CaF2)配成仿遺址土。

通過顆粒級配試驗對遺址土與仿遺址土的粒徑進行分析，如表2所示。根據《土工試驗方法標準》(GB/T 50123—2019)測得仿遺址土與遺址土基本物理性質指標如表3所示。

表2 遺址土與仿遺址土粒徑分析Table 2 Particle size distribution of ruins soil and imitation ruins soil

表3 遺址土與仿遺址土基本物理指標Table 3 Basic physical properties of ruins soil and imitation ruins soil

1.2 糯米漿的制備

采用由超市購買的糯米粉，將不同質量的糯米粉加蒸餾水配成濃度為1%、3%、5%、7%、9%的糯米漿，并將兩者充分拌勻，放入電飯鍋中，將糯米漿加熱煮沸，為使糯米漿充分糊化，煮沸時間至少4 h[23]。在熬制糯米漿過程中，記下電飯鍋的刻度，加入適量水，以保持糯米漿濃度不變[24]，將制備好的糯米漿冷卻至室溫備用[23]。

2 改良仿遺址土的力學性能試驗

土樣的力學性能包括抗壓強度、抗剪強度(黏聚力、內摩擦角)等參數，是決定土遺址修復材料效果的重要指標。通過測定糯米灰漿改良仿遺址土的力學性能，評價糯米灰漿的修復效果，得出最優修復配比。

2.1 試樣的制備

取仿遺址土土樣烘干，過2 mm篩備用，根據仿遺址土擊實試驗結果，按照最優含水率17%及干密度1.6 g/cm3進行試樣制作。

直剪試驗試樣制備：試樣尺寸為)φ61.8 mm×20 mm，體積為60 cm3，試樣總質量為112.32 g，加水量為16.32 g。無側限抗壓強度試驗試樣制備：試樣尺寸為φ38 mm×76 mm，體積為86.193 cm3，試樣總質量為161.35 g，加水量為23.44 g。設置純水作為對照組及添加1%、3%、5%、7%、9%的糯米漿到仿遺址土中，利用攪拌器不斷攪拌至稠度不變[22]，土樣拌和均勻后，先將土樣靜置24 h，使糯米漿與水分散均勻，按照土工試驗規程制作土樣，放入盒中密封養護7 d后進行力學性能試驗。考慮到糯米漿中的溶質會影響試樣的含水率，盡可能保證6組試樣的含水率相近，采用去溶質的方法將不同濃度糯米漿中的糯米去除。改良仿遺址土試樣配比如表4所示。

表4 改良仿遺址土試樣配比Table 4 Sample preparation of improved imitation ruins soil

2.2 低應力下的直剪試驗

試樣的抗剪強度是衡量土遺址修復材料性能和修復效果的重要指標。戚城遺址的破壞主要是由坍塌、沖溝等引起的剪切破壞和結構失穩。采用直剪試驗測定土遺址修復材料的抗剪切破壞能力。受傳統技術限制，土遺址高度一般較低，實際受到的豎向壓力往往低于現建建筑，現有規范給出的常規直剪試驗方法并不適用于土遺址，研究土遺址在低應力下的直剪試驗更符合實際狀況。

圖3 不同濃度糯米漿試樣的剪切應力應變曲線Fig.3 Shear stress-strain curves of soil samples with different concentrations of glutinous rice

圖4所示為抗剪強度與糯米漿濃度、垂向應力的關系。由圖4可見：抗剪強度與垂向應力呈正相關，即豎向應力增大，抗剪強度也相應增大。隨著糯米漿濃度的增加，抗剪強度呈先增大后減小的變化規律，峰值對應的糯米漿濃度為3%，此濃度下斜率最大即內摩擦角最大；9%濃度糯米漿對應的截距最大即黏聚力最大。

圖4 抗剪強度與糯米漿濃度、垂向應力的關系Fig.4 Relationship between shear strength and glutinous rice pulp concentration and vertical

圖5所示為抗剪強度參數與糯米漿濃度的關系。由圖5可見：隨著糯米漿濃度的增加，內摩擦角先增大后減小，黏聚力呈線性增長趨勢。主要原因是土樣中加入糯米漿后土顆粒間孔隙被逐漸填充，顆粒間的黏聚力也隨之增加；但隨著糯米漿濃度持續增加，過量糯米漿將會附著在土顆粒表面，造成土顆粒間的摩擦力降低，進而導致土樣的內摩擦角減小。

圖5 抗剪強度參數與糯米漿濃度的關系Fig.5 Relationship between shear strength parameters and glutinous rice pulp

2.3 無側限抗壓強度試驗

無側限抗壓強度能夠反映出試樣的抵抗變形能力與該材料修復效果間的關系，還能夠間接反映出試樣的密實度。根據《土工試驗方法標準》，采用應變控制式無側限壓縮儀，按照1 mm/min的軸向應變速率對仿遺址土試樣進行無側限抗壓強度試驗。

圖6所示為不同濃度的糯米漿試樣應變關系曲線。由圖6可見：隨著糯米漿濃度的增加，試樣抵抗破壞的能力呈先增大后減小的變化規律，糯米漿濃度為3%時，軸向應力達到最大值，即無側限抗壓強度達到最大值。

圖6 不同濃度的糯米漿試樣軸向應力應變關系Fig.6 Axial stress-strain relationship of glutinous rice slurry soil samples with different

表5為試樣抗壓強度與糯米漿濃度養護7 d的變化關系。由表5可知：試樣中加入糯米漿，其無側限抗壓強度及抗變形能力均得到明顯提高，1%、3%、5%、7%、9%濃度糯米漿改良試樣的無側限抗壓強度分別提高了19.3%、60.5%、40.26%、30.80%、32.1%；抗變形能力分別提高了11.9%、33.9%、44.9%、77.97%、42.37%。因此，試樣強度與糯米漿濃度有關，不同濃度的糯米漿對試樣的改良效果不同，3%濃度糯米漿改良仿遺址土表現出較好的力學特性。

表5 抗壓強度與糯米漿濃度試樣養護7 d的變化關系Table 5 Relationship between compressive strength of soil samples and 7-day curing of glutinous rice slurry concentration

2.4 SEM電鏡試驗

為研究糯米漿改良仿遺址土內部結構及物質組成變化的情況，分別對不同濃度糯米漿改良仿遺址土進行電鏡掃描試驗，取影響仿遺址土改良效果的典型電鏡圖片進行分析。圖7所示為0%、3%、5%濃度糯米漿試樣的1 000、5 000倍SEM電鏡照片。由圖7可見：0%濃度的糯米漿試樣內部孔隙較多、密實性差，且結構松散、顆粒間連接不緊密；3%濃度的糯米漿試樣結構密實，土顆粒上碳酸鈣晶體多，起到填充孔隙的作用，土顆粒間團聚膠結連接緊密；隨著糯米漿濃度的不斷增加，當糯米漿濃度為5%時，過量糯米漿將會附著在土顆粒表面，造成土顆粒間的黏聚力降低。糯米漿可以優化土體的孔隙結構，提高密實度，表現出宏觀力學性能增強的現象。

圖7 不同濃度糯米漿試樣SEM圖片Fig.7 SEM pictures of glutinous rice slurry soil

2.5 色差對比分析

土遺址文物保護工作的基本原則是不改變文物的顏色，即“修舊如舊”，在視覺上土遺址修復前后色差變化不大。圖8所示為烘干后的遺址土、周邊土、仿遺址土、3%濃度糯米漿改良仿遺址土試樣。由圖8可見：從外觀上來看，4個試樣差異較小，人肉眼看不出明顯色差。

圖8 不同試樣顏色對比Fig.8 Color comparison of different soil

為進一步了解土樣色差變化大小是否符合土遺址修復標準，采用NR200色差分析儀對土樣進行色差分析，將遺址土試樣作為標樣，同其他3組試樣做對比分析，按式(1)進行總色差計算。

(1)

表6所示為試樣色差分析結果。由表6可知：遺址土、周邊土、仿遺址土、3%濃度糯米漿改良仿遺址土總色差值ΔE均在1.0以內。采取儀器檢測和人工結合的方法，糯米漿改良遺址土能否被選用，需反復核對糯米漿改良仿遺址土與遺址土間的顏色差異。

表6 土樣色差分析結果Table 6 Color difference analysis results of soil samples

3 糯米漿作用下微生物礦化試驗

3.1 微生物的活性研究

MICP技術是利用微生物誘導碳酸鈣沉淀。采用的微生物為巴氏芽孢桿菌，培養基配方(普通菌液)為1 mL蒸餾水、0.5 g/L酵母粉、1 g/L蛋白胨，1 g/L氯化鈉、1 g/L尿素；改良菌液配方為普通菌液培養基中加入3%濃度糯米漿，配制普通菌液(S1組)、3%濃度糯米漿改良菌液(S2組)兩組菌液。對菌液進行OD600值檢驗，OD600值反映了細菌的濃度，細菌濃度越高，OD600值越大。經檢測S1組OD=1.403，S2組OD=1.754，S2組比S1組高25%。說明糯米漿可以為細菌提供營養源，進而提高細菌的濃度。

3.2 MICP與糯米漿改良MICP對比分析

MICP技術的配方采用岳建偉等[25]提出的最佳膠菌質量為2∶1、0.5 mol/L膠結液濃度，其中2∶1膠菌質量比是將6.4 g的0.5 mol/L膠結液與3.2 g菌液混合，0.5 mol/L膠結液是在1 L水中加入55.5 gCaCl2與30 g尿素。利用糯米漿對普通MICP技術進行改良，其中2∶1改良膠菌質量比是將6.4 g的0.5 mol/L改良膠結液與3.2 g改良菌液混合，0.5 mol/L改良膠結液是在1 L的3%濃度糯米漿中加入55.5 g CaCl2與30 g尿素。

將普通MICP膠結液A1組與改良MICP膠結液A2組進行烘干，得到相應的固體物質，如圖9所示。利用EDTA滴定法測量兩組膠結液的鈣離子濃度，得到A1組、A2組CaCO3沉淀量分別為0.312、0.356 g，相對于普通MICP組，改良MICP組CaCO3沉淀量提高了14.10%，且白色沉淀物更加黏稠，外表面多了一層漿體薄膜，具有一定韌性。

圖9 烘干后的固體物質Fig.9 Residual solids after

取A1組與A2組烘干后的固體物質(CaCO3沉淀、CaCl2晶體、糯米漿、菌體)以及CaCl2、Na2CO3反應完全烘干后產物CaCO3顆粒進行4 000、20 000倍SEM電鏡掃描，觀察巴氏芽孢桿菌誘導CaCO3沉淀后剩余固體物質的結構組成、形狀等特征，如圖10所示。由圖10可見，A1組含有少量CaCO3沉淀以及大量的CaCl2晶體，糯米漿改良MICP 膠結液A2組生成的CaCO3沉淀量更多、結構更密實。

圖10 SEM電鏡掃描圖

3.3 糯米漿對MICP土樣力學試驗研究

3.3.1 試樣制備 直剪試驗試樣所需干土量為112.32 g，MICP試樣摻加膠結液10.99 g、菌液5.49 g；改良MICP試樣摻加膠結液11.21 g、菌液5.61 g。無側限試驗試樣所需干土量為161.35 g，MICP試樣摻加膠結液18.47 g、菌液9.24 g；改良MICP試樣摻加膠結液18.85 g、菌液9.43 g。均勻拌和后制作的土樣在養護7、14、28 d后進行力學性能試驗。

圖11 不同養護天數下試樣垂向壓力與剪切應力應變關系Fig.11 Relationship between vertical pressure and shear stress-strain of soil samples under different curing

圖12 不同養護天數下試樣軸向應力應變關系變化規律Fig.12 Relationship between axial stress and strain of soil samples under different curing

圖13 不同養護天數下試樣無側限抗壓強度變化規律Fig.13 Variation of unconfined compressive strength of soil samples under different curing

4 結論

以濮陽戚城土遺址為研究對象，摻加石英砂、氧化鋁、氟化鈣對周邊土進行仿遺址土配制，并采用糯米漿對仿遺址土進行改良。研究0%、1%、3%、5%、7%、9%糯米漿濃度下仿遺址土力學性能和微觀結構，探究土遺址添加糯米漿的科學道理及改良機理，得到以下結論：

1)糯米漿加入仿遺址土中，可有效改善土體的力學性能。隨著糯米漿濃度的增加，土樣的強度及內摩擦角先增大后減小，黏聚力呈線性遞增趨勢。其中，3%糯米漿濃度試樣的抗剪強度、無側限抗壓強度與內摩擦角最大。

2)通過電鏡試驗分析可知，糯米漿濃度為3%的試樣結構密實，改良效果好。對試樣進行色差分析，仿遺址土、3%濃度糯米漿仿遺址土與遺址土間的色差均較小，符合土遺址修復標準。

3)利用糯米漿對MICP技術進行改良，發現糯米漿可以提高細菌濃度，促進碳酸鈣生成；改良MICP土樣隨著養護天數的增加，強度持續提高，說明糯米漿可以持續對土體發揮作用，生物礦化時間長。