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

劉漢龍,韓紹康,陳卉麗,仉文崗,蔣思維,楊陽,肖楊,成亮

（1. 重慶大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400045；2. 大足石刻研究院，重慶 402360；3. 重慶大學(xué)溧陽智慧城市研究院，江蘇 常州 213332；4. 江蘇大學(xué) 環(huán)境與安全工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

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、土體擾動小、施工速度快、無需特殊養(yǎng)護(hù)等優(yōu)點，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，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 + H2O → Mg(OH)2(水鎂石)

CO(NH2)2+ H2O + 微生物菌液 → CO2+ 2NH3

5Mg(OH)2+ 4CO2→ 4MgCO3·Mg(OH)2·4H2O (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、分層硬度試驗、理化性質(zhì)分析試驗、耐候性試驗、色差試驗、微觀分析試驗研究潮濕環(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)。

圖1 微生物加固砂巖石粉試樣耐候性試驗Fig. 1 Weather resistance test of biocemented sandstone powder samples

基于無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗和分層硬度試驗結(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)度有可能會隨時間的推移而降低，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。干濕循環(huán)對微生物加固試樣強(qiáng)度有促進(jìn)作用，主要是因為飽和環(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，這是因為硫酸鈉晶體含量較大時，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，且波動幅度相對較小，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（圖2），通過硬度計、色差儀，結(jié)合室內(nèi)試驗、現(xiàn)場劣化試驗及現(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，初步驗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)的有效性和實用性。

圖2 基于微生物加固技術(shù)的石質(zhì)文物補(bǔ)配修復(fù)試樣Fig. 2 Repaired sandstone grottoes sample using biocementation