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

微生物加固是一門將微生物的礦化過程應用于巖土工程的新型生物介導巖土加固技術，對改善土體的強度、滲透性等具有顯著效果[1]。微生物加固技術具有碳排放低、土體擾動小、施工速度快、無需特殊養(yǎng)護等優(yōu)點，是一種環(huán)境友好型土體改良技術[2]。目前，基于尿素水解的微生物誘導活性氧化鎂碳化生成水合碳酸鎂的微生物加固技術受到了學者們的廣泛關注[3]。該技術具有強度高、穩(wěn)定性強、耐候性好、無毒等適用于石質(zhì)文物修復的突出特點，且未完全反應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，從而繼續(xù)提高強度。其主要化學方程式為

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主要依據(jù)歷史文獻、碑刻和造像題記，嚴格遵守“不改變原狀”的原則，釆取傳統(tǒng)工程手段與現(xiàn)代科學技術相結(jié)合的方式進行。目前，大足石刻針對風化問題的修復主要采用有機高分子材料，但隨著修復工作的大范圍開展，有機高分子材料的弊端逐漸顯現(xiàn)，如有機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，選擇適合的黏結(jié)材料逐步成為文物保護工作者需要思考解決的問題。

若能利用微生物加固技術進行石質(zhì)文物的補配修復，對于石質(zhì)文物保護而言，將是里程碑式的發(fā)展，對文物保護工作具有重要的社會經(jīng)濟效益。然而，目前利用微生物誘導水合碳酸鎂礦化加固技術進行文物補配修復的研究尚無報道，影響了微生物加固技術在文物保護中的應用推廣。

筆者采用微生物誘導無機水合碳酸鎂礦物的方法加固砂巖石粉制成修復砂漿，并固結(jié)成修復試樣（圖1），通過無側(cè)限抗壓強度試驗、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配修復方法，揭示其補配修復機理并開展可行性分析。結(jié)果表明，微生物誘導無機水合碳酸鎂礦物制成的修復砂漿可滿足砂巖質(zhì)石窟巖體補配修復對強度、色差和耐候性等的基本要求。微生物加固試樣的強度隨養(yǎng)護齡期的增加而增加，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，其力學性能和抗劣化性能隨產(chǎn)物生成量的增加而增強。

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)護齡期而提高，試樣的強度也隨養(yǎng)護齡期增加；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%，為了得到更好的補配修復效果，應當從工藝上進行調(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配修復的微觀機理，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行砂巖質(zhì)石窟文物的補配修復不會引入異物，符合文物修復的基本原則；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。力學斷裂形成的碎屑較多，在濕度較高的情況下，其長期強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、抗化學腐蝕性強、電阻率高和幾乎不與水發(fā)生化學反應等特性，因此，用微生物加固方法產(chǎn)生的菱鎂礦進行石質(zhì)文物補配修復具有可行性。

在系統(tǒng)研究微生物加固試樣的強度特性和微觀機理的基礎上，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度有促進作用，主要是因為飽和環(huán)境起到養(yǎng)護試樣的效果，使強度進一步提高。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重，最終導致強度降低，這是生成的水合碳酸鎂礦物在酸雨中溶解導致的。硫酸鹽對微生物加固試樣的破壞最嚴重，且硫酸鹽濃度越高破壞越嚴重，鹽侵試驗主要采用不同濃度硫酸鈉溶液進行，硫酸鈉對試樣的劣化程度與試樣中硫酸鈉的含量正相關，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)石窟文物的補配修復。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），因此，對于砂巖質(zhì)石窟文物的補配修復不會產(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配修復試驗（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)，檢測佛指試樣修復后的加固強度、色差及耐候性，并對補配修復效果進行跟蹤監(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行砂巖質(zhì)石窟文物補配修復的有效性和實用性。

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