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(xué) a.土木建筑學(xué)院；b.開封市不可移動文物安全評價與修復(fù)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(zhì)為結(jié)構(gòu)松散的粉質(zhì)黏土，具有水穩(wěn)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(fā)展的需要，黃河下游土遺址逐步得到恢復(fù)，但已經(jīng)修復(fù)的濮陽戚城遺址出現(xiàn)了大量裂縫及表面不同程度的龜裂，其原因在于修復(fù)材料和修復(fù)的營造技術(shù)缺乏合理性，古代土遺址營造時添加糯米漿是否存在科學(xué)道理亟待解密。

近年來，學(xué)者們發(fā)現(xiàn)有機物質(zhì)對微生物礦化土體結(jié)構(gòu)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(chǎn)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(chǎn)物作為一種受環(huán)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(zhì)會影響微生物的生長，導(dǎo)致土壤顆粒黏聚力較大，進而造成土壤板結(jié)。Li等[14]、黃磊等[15]發(fā)現(xiàn)有機物質(zhì)可以為土壤微生物增加營養(yǎng)源，起到調(diào)控土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的作用。趙偉等[16]、Nakada等[17]發(fā)現(xiàn)微生物能產(chǎn)生淀粉酶，分解淀粉。裴迪等[18]指出蛋白質(zhì)可以為微生物提供氮源、碳源。相關(guān)研究[19-22]發(fā)現(xiàn)，糯米漿中含有豐富的淀粉和蛋白質(zhì)，可以為微生物礦化提供外加營養(yǎng)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(zhì)黏土土遺址尚未有人研究；對糯米漿的研究以關(guān)注土遺址短期力學(xué)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(cè)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(nèi)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(jù)色差分析、評定糯米漿改良仿遺址土是否符合土遺址修復(fù)原則，基于MICP技術(shù)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(tǒng)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(xué)成分含量，由圖2可見：遺址土與周邊土化學(xué)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(shù)據(jù)分析研究，對周邊土的氧化物含量進行調(diào)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(xué)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(xué)性能穩(wěn)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%?？紤]石英砂中SiO2、Al2O3的含量，經(jīng)數(shù)據(jù)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(jù)《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(zhì)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(zhì)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(xué)性能試驗

土樣的力學(xué)性能包括抗壓強度、抗剪強度(黏聚力、內(nèi)摩擦角)等參數(shù)，是決定土遺址修復(fù)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(xué)性能，評價糯米灰漿的修復(fù)效果，得出最優(yōu)修復(fù)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(jù)仿遺址土擊實試驗結(jié)果，按照最優(yōu)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(zhì)量為112.32 g，加水量為16.32 g。無側(cè)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(zhì)量為161.35 g，加水量為23.44 g。設(shè)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(guī)程制作土樣，放入盒中密封養(yǎng)護7 d后進行力學(xué)性能試驗?？紤]到糯米漿中的溶質(zhì)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(zhì)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(yīng)力下的直剪試驗

試樣的抗剪強度是衡量土遺址修復(fù)材料性能和修復(fù)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(jié)構(gòu)失穩(wěn)。采用直剪試驗測定土遺址修復(fù)材料的抗剪切破壞能力。受傳統(tǒng)技術(shù)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(xiàn)建建筑，現(xiàn)有規(guī)范給出的常規(guī)直剪試驗方法并不適用于土遺址，研究土遺址在低應(yīng)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(yīng)力應(yīng)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(yīng)力的關(guān)系。由圖4可見：抗剪強度與垂向應(yīng)力呈正相關(guān)，即豎向應(yīng)力增大，抗剪強度也相應(yīng)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(guī)律，峰值對應(yīng)的糯米漿濃度為3%，此濃度下斜率最大即內(nèi)摩擦角最大；9%濃度糯米漿對應(yīng)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(yīng)力的關(guān)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(shù)與糯米漿濃度的關(guān)系。由圖5可見：隨著糯米漿濃度的增加，內(nèi)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(xù)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(dǎo)致土樣的內(nèi)摩擦角減小。

圖5 抗剪強度參數(shù)與糯米漿濃度的關(guān)系Fig.5 Relationship between shear strength parameters and glutinous rice pulp

2.3 無側(cè)限抗壓強度試驗

無側(cè)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(fù)效果間的關(guān)系，還能夠間接反映出試樣的密實度。根據(jù)《土工試驗方法標準》，采用應(yīng)變控制式無側(cè)限壓縮儀，按照1 mm/min的軸向應(yīng)變速率對仿遺址土試樣進行無側(cè)限抗壓強度試驗。

圖6所示為不同濃度的糯米漿試樣應(yīng)變關(guān)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(guī)律，糯米漿濃度為3%時，軸向應(yīng)力達到最大值，即無側(cè)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(yīng)力應(yīng)變關(guān)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(yǎng)護7 d的變化關(guān)系。由表5可知：試樣中加入糯米漿，其無側(cè)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(cè)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(guān)，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(xiàn)出較好的力學(xué)特性。

表5 抗壓強度與糯米漿濃度試樣養(yǎng)護7 d的變化關(guān)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(nèi)部結(jié)構(gòu)及物質(zhì)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(nèi)部孔隙較多、密實性差，且結(jié)構(gòu)松散、顆粒間連接不緊密；3%濃度的糯米漿試樣結(jié)構(gòu)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(jié)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(yōu)化土體的孔隙結(jié)構(gòu)，提高密實度，表現(xiàn)出宏觀力學(xué)性能增強的現(xiàn)象。

圖7 不同濃度糯米漿試樣SEM圖片F(xiàn)ig.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(fù)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(fù)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(jié)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(nèi)。采取儀器檢測和人工結(jié)合的方法，糯米漿改良遺址土能否被選用，需反復(fù)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(jié)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(shù)是利用微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀。采用的微生物為巴氏芽孢桿菌，培養(yǎng)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(yǎng)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(jīng)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(yǎng)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(shù)的配方采用岳建偉等[25]提出的最佳膠菌質(zhì)量為2∶1、0.5 mol/L膠結(jié)液濃度，其中2∶1膠菌質(zhì)量比是將6.4 g的0.5 mol/L膠結(jié)液與3.2 g菌液混合，0.5 mol/L膠結(jié)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(shù)進行改良，其中2∶1改良膠菌質(zhì)量比是將6.4 g的0.5 mol/L改良膠結(jié)液與3.2 g改良菌液混合，0.5 mol/L改良膠結(jié)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(jié)液A1組與改良MICP膠結(jié)液A2組進行烘干，得到相應(yīng)的固體物質(zhì)，如圖9所示。利用EDTA滴定法測量兩組膠結(jié)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(zhì)Fig.9 Residual solids after

取A1組與A2組烘干后的固體物質(zhì)(CaCO3沉淀、CaCl2晶體、糯米漿、菌體)以及CaCl2、Na2CO3反應(yīng)完全烘干后產(chǎn)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(dǎo)CaCO3沉淀后剩余固體物質(zhì)的結(jié)構(gòu)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(jié)液A2組生成的CaCO3沉淀量更多、結(jié)構(gòu)更密實。

圖10 SEM電鏡掃描圖

3.3 糯米漿對MICP土樣力學(xué)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(jié)液10.99 g、菌液5.49 g；改良MICP試樣摻加膠結(jié)液11.21 g、菌液5.61 g。無側(cè)限試驗試樣所需干土量為161.35 g，MICP試樣摻加膠結(jié)液18.47 g、菌液9.24 g；改良MICP試樣摻加膠結(jié)液18.85 g、菌液9.43 g。均勻拌和后制作的土樣在養(yǎng)護7、14、28 d后進行力學(xué)性能試驗。

圖11 不同養(yǎng)護天數(shù)下試樣垂向壓力與剪切應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系Fig.11 Relationship between vertical pressure and shear stress-strain of soil samples under different curing

圖12 不同養(yǎng)護天數(shù)下試樣軸向應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系變化規(guī)律Fig.12 Relationship between axial stress and strain of soil samples under different curing

圖13 不同養(yǎng)護天數(shù)下試樣無側(cè)限抗壓強度變化規(guī)律Fig.13 Variation of unconfined compressive strength of soil samples under different curing

4 結(jié)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(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)，探究土遺址添加糯米漿的科學(xué)道理及改良機理，得到以下結(jié)論：

1)糯米漿加入仿遺址土中，可有效改善土體的力學(xué)性能。隨著糯米漿濃度的增加，土樣的強度及內(nèi)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(cè)限抗壓強度與內(nèi)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(jié)構(gòu)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(fù)標準。

3)利用糯米漿對MICP技術(shù)進行改良，發(fā)現(xiàn)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(yǎng)護天數(shù)的增加，強度持續(xù)提高，說明糯米漿可以持續(xù)對土體發(fā)揮作用，生物礦化時間長。