1、2023 年第 02 期总第 296 期福建建筑Fujian Architecture ConstructionNo 022023Vol296微生物诱导碳酸钙沉淀技术修复劣化古建砖石砌体的试验研究彭世震陈诗雨卓祖磊高玉朋林文彬(1 福建工程学院土木工程学院福建福州350118;2 福建工程学院地球科学与工程研究所福建福州350118)摘要:探索利用微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)技术，修复劣化古建砖石砌体的新方法。首先，对取自福建省三明市泰宁县某古建劣化砖石砌体，进行微生物诱导碳酸钙沉淀修复人造贯通裂缝试验。之后，对修复前后砖石进行超声波速试验、三点弯折试验、X 射线衍射试验(XD)和扫描电镜
2、试验(SEM)，从其外观、力学性能、材料性质和胶凝矿物成分等方面进行分析。试验结果表明:砖石贯通裂缝被完全修复，且表面致密，颜色与原砖石相近;贯通裂缝修复后抗弯强度最大值为 0 67MPa;修复后，砖石贯通面超声波速最大值为 1 46m/s，大于非贯通面超声波速的 1 28m/s，表明修复后贯通裂缝处胶凝体密实度相对较高。XD 和 SEM 试验显示，贯通面中沉淀了以球霰石为主的碳酸钙矿物，且主要分布于砖石颗粒的表面和孔隙中，起到了很好的胶结作用。关键词:古建砖石;MICP;微生物注浆;XD 试验;SEM 试验中图分类号:TU5文献标识码:A文章编号:1004 6135(2023)02 0104
3、 06Experimentalstudy on the restoration of deteriorated ancient masonry using microbiallyinduced carbonate precipitation technologyPENG ShizhenCHEN ShiyuZHUO ZuleiGAO YupengLIN Wenbin(1 School of Civil Engineering，Fujian University of Technology，Fuzhou 350118;2 Institute of Earth Sciences and Engine
4、ering，Fujian University of Technology，Fuzhou 350118)Abstract:This paper explores a new method of repairing deteriorated ancient masonry by using Microbially Induced Carbonate Precipitation(MICP)technology In this paper，MICP technology was applied to the restoration of artificial cracks on a deterior
5、ated masonry from anancient building in Taining County，Sanming City，Fujian Province In order to evaluate its appearance，mechanical properties，materialproperties and cementitious mineral composition，ultrasonic test，three point bending test，X ray diffraction test(XD)and scanningelectron microscope(SEM
6、)test were carried out on the masonry before and after restoration The results show that the masonry cracks arecompletely repaired，and the surface is dense and the color is similar to the original masonry;the maximum flexural strength of the repairedcracks is 0 67MPa;the maximum ultrasonic velocity
7、of the masonry through surface after repair is 1 46 m/s，which is greater than 1 28m/s of the ultrasonic velocity of the undamaged surface This means that the cement density is relatively high after restoration XD andSEM tests show that calcium carbonate minerals，mainly vaterite，are precipitated in t
8、he surface and pores of masonry particles，which playan important role in cementationKeywords:Ancient building masonry;MICP;Microbial grouting;XD;SEM基金 项 目:2022 年 大 学 生 创 新 创 业 训 练 计 划 项 目(项 目 编 号:S202210388065);福建工程学院科研启动基金(项目编号:GY Z20091)作者简介:彭世震(2001)，男。E-mail:1032534546 qq com通讯作者:林文彬(1991)，男，副教授
9、。收稿日期:2022 07 110引言砖石砌体结构作为一种传统的结构形式，在古建筑领域里占有重要的地位1。然而，砖石材料的脆性特征，决定了砖石砌体结构抗震性能不佳，且古代砌筑砂浆的强度一般都不高，容易受干湿、冻融和冷热等物理风化，酥碱、酸雨等化学风化以及生物腐蚀等影响2 3，使材料黏结强度进一步降低，必须采用一定科技手段加固保护。传统的外包型钢加固法、碳纤维加固法等物理修复方法，可能对修复对象产生不可逆的破坏;而化学修复方法中常用的石灰、水泥类材料，在短时间内，无法达到需要的强度，且材料本身的高碱性也会对修复对象产生酥碱破坏;环氧树脂类化2023 年 02 期 总第 296 期彭世震，陈诗雨，
10、卓祖磊，等微生物诱导碳酸钙沉淀技术修复劣化古建砖石砌体的试验研究105学修复材料也存在易老化腐蚀和污染环境的缺点。因此，需要寻找一种经济且能够有效解决这些问题的环境友好型古建砖石修复方法。在自然界中，有超过 60 种矿物(如碳酸盐、硅酸盐等)由微生物成矿作用形成。由于碳酸钙是自然界中分布最广的一种碳酸盐，性质较稳定，并具有较强的强度和耐久性，因而微生物沉积碳酸钙又是微生物成矿作用研究的重中之重。科学家利用一些特定的微生物(如产脲酶细菌)，通过为之提供丰富的 Ca2+及氮源(一般为尿素)等营养盐，快速析出具有优异胶结作用的方解石型碳酸钙结晶。这一微生物成矿作用，常被称为微生物诱导方解石沉积(mi
11、crobial in-duced calcite precipitation，简称 MICP)技术。目前，可供选择的 MICP 方式主要有:尿素水解、反硝化作用、三价铁还原和硫酸盐还原。鉴于尿素水解机制简单，反应过程容易控制，而且在短时间内能够产生大量的CO32，因此，基于尿素水解的 MICP 技术，一直作为主流的微生物诱导方解石沉积技术被广泛应用。尿素水解机制反应方程式为4:Ca2+CellCell Ca2+(1)CO(NH2)2+3H2O 产脲酶细菌2NH4+CO32(2)Ca2+CO32+CellCaCO3(S)+H2O(3)许多学者对这一技术的潜在应用做了大量的研究，如针对地基土壤加固
12、5、重金属离子污染治理6、混凝土裂缝修复7 8 和石质文物修复9 14 等。研究表明，MICP 技术应用于石质文物修复有较多优点，主要包括:胶结产物与石材相容性好、与文物本体质地相近;生成的无机矿物材料耐老化、性能优良、寿命长、抗紫外线破坏的能力高;避免了使用捆绑、支顶等物理修复方法可能对文物造成的强度破坏;避免了使用石灰、环氧树脂等化学修复方法可能对文物造成的保护性破坏;菌液和营养盐溶液粘度低便于渗透;修复后仍具有一定的透气性;微生物诱导技术本身可控性较强等15 20。本文利用 MICP 技术，对人造贯通裂缝的劣化古建砖石砌体进行修复，之后对试件进行了 X 射线衍射试验(XD)、扫描电镜试验
13、(SEM)、抗弯实验、超声波实验等，从而对修复后砖石砌体的外观修复程度、强度恢复和内部变化情况进行分析。1材料和方法1 1试验材料试验材料取自福建省三明市泰宁县某古建民居的砖石砌体。其矿物成分主要为石英 SiO2、绿磷铁铜矿 CuFe2(PO4)2(OH)2、硅线石 Al2(SiO4)O、硅酸钙Ca2SiO4。砖石样品尺寸为 120 mm 80 mm 50 mm，编号依次为 1、2、3。人为设置的贯通裂缝宽度均为4 mm，且裂缝类型分为水平裂缝和异型裂缝;填充裂缝的砖石颗粒与所要修复的古建砖石属同种材料，填充用颗粒粒径小于 0 075 mm。本试验所用菌种为巴氏芽孢杆菌(Sporosarcin
14、aPasteurii)。这是一种化能异养菌，在显微镜下细胞呈杆状或卵球状，直径大多在 0 5 1 5m 之间，革兰氏阳性。由于巴氏芽孢杆菌具有非致病性，对环境友好，且该细菌所产生的脲酶可达细菌干重的 1%，属于高产脲酶微生物，所以广泛应用于 MICP 技术研究中。本试验菌液平均酶活为 1 42 ms/(cmmin)(温度在 25左右)，平均 OD600值为 2 24。1 2试验装置试验分为注浆和养护两个阶段，图 1 为砖石修复试验装置图。在注浆阶段，使用透明防水胶带、纱布、注射器以及输液袋形成注浆体系，透明防水胶带缠绕砖石样品保持固定状态;再将朝上一面的防水胶带沿着裂缝边缘切割开。之后，将砖石
15、颗粒填充密实裂缝，再裹上一层纱布固定砖石形态，以及防止颗粒流失。最后，连接输液袋，通过注射器进行注浆。(a)裂缝修复试验装置(b)裂缝修复试验装置模型图 1裂缝修复试验装置图106福建建筑2023 年1 3试验方案(1)菌液培养和胶结液配置。首先，将灭菌后的发酵培养基按照 1 50 的比例接种巴氏芽孢杆菌(Sporosarcina Pasteurii)的菌液。接种完成后，将其放入恒温振荡培养箱中，设置温度为 30，摇床转速为150 rpm/min，振荡培养 24 h，将菌液取出进行 OD600与酶活测试。1 号和 3 号砖石样品所用的胶结液浓度为 1 5 mol/L，2 号砖石样品所用的胶结液
16、浓度为2 0 mol/L。(2)贯通裂缝设置。将完整砖石劈断，设置裂缝宽度为 4 mm(图 2a)。之后，用透明防水胶带缠绕裂缝，并将朝上一面的防水胶带沿着裂缝边缘割(图 2b)。最后，在裂缝中填充母材砖石颗粒，再用防水胶带密封，裹上一层纱布固定形态，以防止颗粒流失(图 2c)。(a)完整砖石劈断(b)用透明胶带固(c)往裂缝处填充设置 4mm 裂缝定试样母材砖石颗粒图 2实验流程图(3)微生物注浆。用输液袋向密封好的砖石样品贯通处注入菌液及胶结液。1 号和 2 号砖石样品的裂缝体积为16 cm3，3 号样品的裂缝体积为18 cm3。设置注浆一次所需的菌液以及胶结液的体积，均为裂缝体积的 2 倍。因此，1 号和 2 号砖石样品注浆一次所需的菌液以及胶结液体积，均为 32 mL，3 号砖石样品注浆一次所需的菌液以及胶结液为 36 mL。每隔12 h进行一次注浆，重复 28 次，注浆时间一共耗费14 d。注浆完成后，试样在室温下养护 7 d，拆下防水透明胶布以及纱布，之后放入 70的烘干箱中烘干。1 4检测方法1 4 1超声波速测试超声波是在弹性介质中传播的一种纵波，其频率超过2 104H
