微生物誘導碳酸鈣修復漢白玉石梁裂縫試驗研究

何建宏，郭紅仙，譚 謙，程曉輝

(清華大學土木工程系，北京 100084)

0 引 言

石質(zhì)文物是人類文明的見證，具有極高的歷史、科學和藝術(shù)價值。漢白玉屬于大理巖，其色澤晶瑩而潔白，廣泛應(yīng)用于建筑物和構(gòu)筑物的建造，如故宮、十三陵、圓明園等地都有大量的漢白玉石質(zhì)文物。它們隨時間流逝而逐步劣化，經(jīng)歷各種類型的風化病害。圖1為故宮大高玄殿的石欄桿發(fā)生了斷裂。

漢白玉石質(zhì)文物的風化是化學、物理、生物作用和環(huán)境污染等因素綜合影響的結(jié)果[1-3]。學者們研究了石質(zhì)文物風化的病害分類和修復方法。在來自意大利、德國和中國的研究團隊以及國際古跡遺址委員會等的病害分類體系中，石質(zhì)文物的裂縫和斷裂均被視為一種重要病害[3-5]。其修復方法需要遵循“不改變原狀”、“最低限度干預”和“使用恰當?shù)谋Ｗo技術(shù)”等原則，修復后需要具備足夠的強度和耐久性。

然而，針對漢白玉石質(zhì)文物的裂縫和斷裂病害，目前的修復效果并不理想：石灰水、氫氧化鋇等無機材料難以滿足強度和耐久性要求；環(huán)氧樹脂類、有機硅類、丙烯酸酯類、有機氟聚合物等有機材料存在相容性、滲透性和耐久性等問題；水泥砂漿修復和鐵箍加固等方法甚至會引起二次病害，如圖1所示，漢白玉欄桿使用了鐵箍加固，產(chǎn)生的鐵銹對文物造成二次破壞。

微生物誘導碳酸鈣沉積(microbially induced carbonate precipitation，MICP)技術(shù)(以下簡稱MICP技術(shù))為漢白玉石質(zhì)文物的修復提供了一種新方法。這是一種微生物礦化技術(shù)，其機理可簡單理解為：微生物所產(chǎn)脲酶水解尿素產(chǎn)生的碳酸根離子與鈣離子結(jié)合，礦化生成碳酸鈣結(jié)晶。主要反應(yīng)如下[6]：

(1)

(2)

(3)

許多學者對這一技術(shù)的潛在應(yīng)用做了大量的研究，如針對地基加固[7]、重金屬污染治理[8]、混凝土裂縫修復[9]、自愈合混凝土[10]等。該技術(shù)應(yīng)用于石質(zhì)文物修復的主要優(yōu)點有：最終的膠凝產(chǎn)物碳酸鈣與石材相容性好；菌液和營養(yǎng)鹽溶液粘度低便于滲透；修復后仍具有一定的透氣性；等等。目前該技術(shù)推廣應(yīng)用的主要難點在于：經(jīng)濟成本相對其他修復方式更高；溫度等環(huán)境因素對注漿的影響較大[11]；生成碳酸鈣的均勻性較難控制[12]；等等。

Adolphe[13]等于1990年首次將MICP技術(shù)應(yīng)用于裝飾石材保護領(lǐng)域。目前，石質(zhì)文物微生物修復的研究集中在利用這種技術(shù)進行石材表面覆膜。法國的南特大學(Université de Nantes)[14]、西班牙的格拉納達大學(Universidad de Granada)[15-17]、比利時的根特大學(Ghent University)[18]、英國的樸茨茅斯大學(University of Portsmouth)[19]以及中國的同濟大學[20]和西南科技大學[21]等研究團隊采用噴涂、浸泡和滲透等方式，對石灰?guī)r、大理巖和砂巖的石材樣品或?qū)嶋H文物進行微生物覆膜的室內(nèi)試驗或現(xiàn)場試驗。也有一些學者利用該技術(shù)來粘接石材裂縫，清華大學的楊鉆采用注漿法修復了清華大學西體育館的石柱裂縫和石欄缺失部分[22]，同課題組的譚謙利用入滲法修復了破損的漢白玉立方塊，并進行了凍融試驗[23]。

本研究利用MICP技術(shù)，對人造非貫通裂縫和貫通裂縫的漢白玉石梁試件進行修復，對試件進行了彎折強度試驗，還對貫通裂縫石梁試件的修復進行了CT掃描。本研究側(cè)重外觀修復效果、強度恢復和內(nèi)部變化情況。

1 試驗材料和方法

1．1 試驗材料

漢白玉石材取自北京市房山區(qū)大石窩鎮(zhèn)，其礦物成分幾乎都是白云石，主要化學成分為碳酸鎂鈣[MgCa(CO3)2]。石梁尺寸為40 mm×40 mm×160 mm，跨中的人造V槽寬度分別為4 mm、7 mm和10 mm，深度分別為2 mm、3．5 mm和5 mm。試驗包括含非貫通和貫通裂縫的兩種試件，貫通裂縫石梁試件是非貫通裂縫石梁經(jīng)三點彎折得到。填充裂縫的白云石砂材質(zhì)與石梁相同，顆粒粒徑為0.10～0．25 mm。

試驗所用細菌為巴氏芽孢八疊球菌(Sporosarcinapasteurii)。它是化能異養(yǎng)菌，直徑1～2 μm，長度2～3 μm，細胞呈卵圓形或球狀，革蘭氏陽性。非貫通和貫通裂縫兩種試件的MICP修復，分別在中國的清華大學和英國的斯特拉斯克萊德大學(University of Strathclyde)完成。非貫通裂縫試驗所用菌種(ATCC?11859TM)來自美國菌種保藏中心(American Type Culture Collection，ATCC)，其培養(yǎng)基為20 g/L酵母粉，10 g/L硫酸銨[(NH4)2SO4]和10 μmol/L氯化鎳(NiCl2)。用氫氧化鈉(NaOH)溶液調(diào)節(jié)培養(yǎng)基pH值到9，消毒滅菌20 min(120 ℃)后接種，在振蕩培養(yǎng)箱中(30 ℃，180 r/min)培養(yǎng)24 h后可使用。菌液的光度OD600均值為3．6，單體酶活平均值為3．4 mmol/L·min-1/OD600。貫通裂縫試驗菌種(DSM-33)購于德國菌種中心(Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen，DSMZ)，其培養(yǎng)基為37 g/L的腦浸液(brain heart infusion，BHI)和20 g/L的尿素，消毒滅菌接種后培養(yǎng)26 h后可使用。細菌OD600平均值為1．5，單體酶活平均值為6.8 mmol/L·min-1/OD600。

1．2 試驗裝置

兩部分試驗均包括注漿和入滲兩階段。圖2為非貫通裂縫修復試驗裝置圖，在注漿階段，使用塑料板、硅膠和注射頭形成密封體系，注漿出入口添加雙層紗布以減少顆粒流失，連接蠕動泵后注漿，完成注漿后移除密封裝置，對水平放置的石梁進行入滲。最后采用四點彎曲試驗測試其強度。

圖3為貫通裂縫試驗裝置，石梁裂縫寬度為2 mm，四面用塑料板固定，每面有3個注漿口，密封后的石梁水平放置。連接蠕動泵后注漿，完成注漿后移除密封體系繼續(xù)自由入滲。為使完整石梁與帶V槽石梁的貫通裂縫位置接近，選擇三點彎折試驗測試修復前后石梁強度變化。

1．3 修復過程

非貫通裂縫石梁修復試驗中，營養(yǎng)鹽為0．5 mol/L的氯化鈣(CaCl2)和20 g/L的尿素[CO(NH2)2]混合溶液，固定液為50 mmol/L CaCl2溶液。裂縫填充白云石砂后注漿，注漿速度為66 μL/min。每輪先注入1倍V槽體積菌液，靜置10 min后注入0．1倍V槽體積的固定液，最后注入5倍體積營養(yǎng)鹽溶液。為提高修復均勻性，每批次完成后調(diào)換出入口，多批次注漿直至灌漿路徑堵塞，移除密封體系后持續(xù)入滲菌液和營養(yǎng)鹽溶液，直至裂縫填充部分完全固化。其中V槽寬度為4 mm的石梁樣品裂縫體積過小，故直接采用入滲法修復。

貫通裂縫石梁修復試驗中，營養(yǎng)鹽為0.5mol/L的等濃度CaCl2和CO(NH2)2混合溶液，固定液為50 mmol/L的CaCl2溶液。裂縫處填充約10 g的白云石砂后注漿，菌液和固定液注入速度為66 μL/min，營養(yǎng)鹽溶液注入速度為33 μL/min。每輪先注入1．6 mL菌液，靜置10 min后注入0．2 mL固定液，最后注入8 mL營養(yǎng)鹽溶液。每根石梁樣品共經(jīng)過18批次豎直方向和4批次水平方向的注漿修復，移除密封裝置后添加白云石砂，依次入滲修復石梁每個表面，此階段共使用48 mL菌液和240 mL營養(yǎng)鹽溶液。

2 結(jié)果與分析

2．1 非貫通裂縫石梁修復試驗

2．1．1外觀對比 修復前后石梁外觀對比如圖4所示，圖中上部分為修復前帶V槽裂縫的石梁，下部分為修復后的石梁。填充的白云石砂膠凝于V槽處，修復后的裂縫表面致密，附近區(qū)域顏色稍偏暗黃，整體美觀性較好。顏色暗黃的主要原因是：注漿所用菌液含有酵母粉(棕黃色)，處理過程中菌液殘留在V槽表面及附近區(qū)域。可在修復時通過做遮蔽處理控制入滲區(qū)域避免顏色變黃。

2．1．2力學性能 在四點彎曲試驗中，石梁下方的兩個對稱支撐點間距為120 mm，上方的兩個對稱加載點間距為40 mm，V槽缺口位于受拉側(cè)。每種規(guī)格的非貫通裂縫石梁有3個樣品。石梁的破壞荷載結(jié)果如表1所示。

表1 非貫通裂縫石梁的破壞荷載

由表1可知：石梁修復前，當V槽裂縫深度增加時，有效受力面積減少，破壞荷載減小；修復后的石梁承載力均有不同程度的提高。為便于比較修復效果，將完整石梁的破壞荷載平均值視為100%，計算其余石梁破壞荷載平均值與它的比值，結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，V槽寬度為4 mm、7 mm、10 mm的樣品修復后的荷載比值增長值分別為0．94%、4.00%、5．79%。這說明形成的膠凝體不僅能填充非貫通裂縫，還有一定的抗拉強度，可以增大石梁有效受力面積并提高其承載力。特別地，當石梁裂縫寬度越大時，修復效果就越明顯。這也說明MICP技術(shù)可用于修復較大的非貫通受力裂縫。

2．1．3破壞位置和斷面形態(tài) V槽寬度為4 mm的石梁修復后的破壞位置不總在V槽處，而其余兩種規(guī)格石梁破壞位置總是在V槽處。石梁修復后的典型破壞位置和斷面如圖6所示，樣品破壞時位置在填充白云石砂處，并沿著填充物質(zhì)與裂縫的接觸面破壞，其中部分膠凝體與石材界面幾乎完全剝離。這說明人工切割的V槽過于光滑，不利于其與白云石砂的粘接。

2．2 貫通裂縫石梁修復試驗

2．2．1外觀對比 石梁斷裂后及修復后外觀對比如圖7所示，貫通裂縫被有效粘接，修復后的表面致密光滑，顏色與石材本身相近，整體美觀性好。通過嚴格控制菌液所影響區(qū)域，并在修復時使表面稍高于目標位置，最終達到了美觀的要求。

2．2．2力學性能 在三點彎折試驗中，石梁下方的兩個對稱支撐點間距為100 mm，集中荷載在石梁跨中，V槽缺口位于受拉側(cè)。每種規(guī)格的石梁有2個樣品。試驗得到了石梁的破壞荷載(后續(xù)用第一次彎折表述)和修復后的石梁破壞荷載(后續(xù)用第二次彎折表述)，并按試件實際截面高度計算了抗折強度，見表2。其中樣品V10-1在注漿結(jié)束后拆密封體系時意外折斷，簡易固定后與其余樣品一同進入入滲階段。

表2 貫通裂縫石梁的破壞荷載和抗折強度

由表2可知，樣品V7-1與其余樣品差異大，第一次彎折破壞荷載(2．893 kN)顯著低于另一個同等規(guī)格樣品(4．274 kN)，第二次彎折破壞荷載(4．893 kN)顯著高于第一次彎折。其余樣品第一次彎折破壞荷載組內(nèi)差異不大，第二次彎折破壞荷載均低于第一次彎折。

除V7-1外的7個試件，第一次彎折強度為10．490±0．915 MPa，第二次彎折強度為3．684±0.917 MPa。第二次彎折強度均值達到第一次彎折的35．12%。這表明MICP能有效粘接斷裂的石梁，并達到了較高的抗折強度。為了便于比較修復效果，將樣品V0-1的破壞荷載和抗折強度視為100%，計算其余樣品與之相對比例，結(jié)果如圖8所示。

除V7-1外的7個樣品，第一次彎折荷載比值為65.20%～109.80%，第二次為22.73%～48.02%；第一次彎折強度比值為87.40%～110.81%，第二次為21.74%～48.03%，如圖8所示。樣品在第一次彎折時破壞荷載隨V槽深度增加而下降，這反映出裂縫對截面的削弱；而按截面實際高度得到的石梁第一次彎折的抗折強度隨V槽變化不大。第二次彎折的抗折強度與V槽寬深無關(guān)。

需要說明的是，樣品V10-1實際修復僅有入滲階段，仍能有效修復石梁，其抗折強度與其余樣品亦無明顯差距。這表明注漿和入滲兩階段的菌液和營養(yǎng)鹽溶液是過量的，裂縫若只采用入滲法也能成功修復。

2．2．3破壞位置和斷面形態(tài) 修復后的所有石梁破壞位置都在V槽缺口處，但也有一定差別。除樣品V7-1外，所有石梁破壞后均沿著修復界面破壞，如圖9a所示； 樣品V7-1破壞沿膠凝體與石材接觸面發(fā)展后在原母材上有新的斷面，如圖9b所示。

樣品V7-1折斷再修復后，破壞時有部分發(fā)生在母材斷面，第二次彎折的抗折強度高于第一次彎折強度。同時發(fā)現(xiàn)該試件的第一次彎折強度明顯低于其他樣品。原因可能是樣品在V槽位置存在薄弱面，修復后的膠凝體強于薄弱面，使得破壞面部分在母材上，而未沿著界面發(fā)展，從而增大了修復后的抗折強度，也說明膠凝后的白云石砂強度并不低。

3 CT結(jié)果與討論

所有樣品在注漿前、豎直方向注漿完成后和入滲修復完成后都分別進行一次CT掃描。其中樣品V10-1在水平方向注漿完成后增加一次CT掃描。每次掃描前均烘干石梁，掃描在英國斯特拉斯克萊德大學完成，典型CT掃描結(jié)果如圖10所示，圖10a和圖10b分別為修復前和修復后的石梁橫截面。修復后CT掃描圖像的灰度值更高，部分區(qū)域的白云石砂灰度值甚至接近漢白玉石材本身灰度值，這表明MICP生成的碳酸鈣晶體填充部分孔隙。

使用AVIZO軟件將得到的CT數(shù)據(jù)重建為三維模型。如圖11所示，樣品V10-1的貫通裂縫與V槽被有效填充并粘接，在接觸面處粘接質(zhì)量相對差些。這與液體在壓力作用下更容易在界面位置形成過水通道有關(guān)。

為進一步量化評價各階段修復效果，將原石材橫截面灰度平均值視為為100%，計算其他橫截面灰度平均值相對石材本身灰度平均值的比例。圖12給出了此平均值在修復前、豎向注漿結(jié)束后、水平注漿結(jié)束后和修復完成后沿石梁軸線方向在掃描范圍內(nèi)的分布。此比例隨注漿和滲透的進行而不斷提高，說明修復質(zhì)量在逐步提升。注漿過程中提高最大，說明填充體密度在注漿前期增加較快。同時也發(fā)現(xiàn)在裂縫處填充體的密度并不均勻。

4 結(jié)論與展望

本研究利用微生物誘導的碳酸鈣晶體膠凝白云石砂，并修復粘接貫通或非貫通石梁裂縫，試驗表明這種修復是有效可行的。主要結(jié)論如下：

1) 修復后石梁裂縫表面致密光滑，顏色與石梁相近，整體美觀性好。修復后再破壞的位置大多位于缺口處，沿接觸面逐步發(fā)展至破壞。

2) 對于受拉側(cè)的非貫通V槽裂縫，石梁修復后的破壞荷載都較修復前有所增加，隨V槽寬度增加，破壞荷載比值增幅也增大。

3) 對于貫通裂縫，石梁修復后的抗折強度能恢復到原有強度的35．12%，均值為3．684 MPa，最高能達到5．234 MPa。

4) CT掃描結(jié)果定性和定量均表明膠凝體密度隨修復進行而增加，接觸面修復質(zhì)量弱于其他位置。

微生物誘導碳酸鈣沉積技術(shù)是石質(zhì)文物修復的一種新方法，本研究從宏觀強度和微觀CT圖像兩方面論證了它的可行性。如將其應(yīng)用于實際修復工程，不僅需要關(guān)注粘接強度、繼續(xù)提高接觸面修復質(zhì)量，還需要進一步考慮修復方法對文物的長期影響和實際工藝等問題。

致 謝：本研究得到了北京市自然科學基金：石質(zhì)文物古建的微生物修復(No.8162025)、歐盟瑪麗居里計劃“GREAT”項目和北京國文琰公司的資助和支持，英國斯特拉斯克萊德大學的Grainne El Mountassir博士、Rebecca Lunn教授和James Minto博士對本課題均有貢獻，在此一并致謝！