脲酶誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀技術(shù)改良傳統(tǒng)三合土的性能

董 瑾， 劉效彬

（江蘇師范大學(xué)歷史文化與旅游學(xué)院，江蘇徐州 221116）

三合土是由石灰、黏土和砂按一定比例混合而成的建筑材料，是古代一項(xiàng)重要的技術(shù)成就.最早在周原遺址的影壁、地面等多處發(fā)現(xiàn)三合土［1］，可見西周時(shí)期人們已學(xué)會(huì)拌和三合土并將其應(yīng)用于房屋建設(shè)中.而今保存下來的三合土建筑有統(tǒng)萬城遺址、開元寺佛塔等，這些歷史建筑歷經(jīng)百年，大多存在裂縫、外墻鼓閃、坍塌等現(xiàn)象，亟需修復(fù)保護(hù).但使用現(xiàn)代水泥等無機(jī)材料和現(xiàn)代高分子有機(jī)聚合物修復(fù)古建筑，其缺點(diǎn)不斷暴露［2］.傳統(tǒng)三合土兼容性好但存在固化速率慢、耐候性差、初期強(qiáng)度低等缺陷，在實(shí)際工程應(yīng)用中效果較差.目前學(xué)界對(duì)三合土的研究多集中在對(duì)古代三合土的配比成分進(jìn)行檢測(cè)及仿制等方面，運(yùn)用現(xiàn)代科技手段改良傳統(tǒng)三合土的研究相對(duì)較少［3-6］.

近年來，國外學(xué)者基于微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀（MICP）技術(shù)，提出了脲酶誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀（EICP）的新思路，其原理是直接利用脲酶水解尿素產(chǎn)生碳酸根，再與外源鈣離子結(jié)合生成碳酸鈣，從而起到固化的作用.Almajed 等［7-9］將MICP、EICP 技術(shù)應(yīng)用于砂土加固、粉塵排放等領(lǐng)域，均取得了良好的固化效果.本文將EICP 技術(shù)在古建筑修復(fù)領(lǐng)域進(jìn)行拓展，研究了脲酶的基本特性，將脲酶摻入三合土中，測(cè)試其機(jī)械性能及耐候性等，并對(duì)其微觀機(jī)理進(jìn)行分析，以期提高三合土性能，優(yōu)化傳統(tǒng)技術(shù)，推動(dòng)傳統(tǒng)三合土在古建筑保護(hù)中的實(shí)際應(yīng)用.

1 試驗(yàn)

1.1 脲酶配制與脲酶活性測(cè)定

黃豆蘊(yùn)含豐富的脲酶，常見易得、經(jīng)濟(jì)便利，適合工程大量應(yīng)用，因此本文選取市售黃豆作為脲酶來源.用高速萬能粉碎機(jī)將黃豆粉碎，過125 μm 篩篩出豆粉.配制不同質(zhì)量濃度的豆粉溶液，用錐形瓶裝置，錫紙密封；然后將豆粉溶液置于回旋振蕩器中，振蕩3 h 后放入4 ℃冰箱，冷藏靜置24 h；接著裝入離心管，使用離心機(jī)以4 500 r/min 離心15 min，提取上層清液，所得溶液即為脲酶溶液.

根據(jù)文獻(xiàn)［10］，在1.1 mol/L 的27 mL 尿素溶液中加入3 mL 脲酶溶液，待兩者充分混合后，測(cè)試混合溶液在1、8 min 時(shí)的電導(dǎo)率σ1、σ8.脲酶活性UA計(jì)算式［10］為：

1.2 脲酶活性的影響研究

脲酶活性對(duì)EICP 過程起著至關(guān)重要的作用.用脲酶活性UA除以豆粉質(zhì)量濃度ρs得到單位質(zhì)量濃度脲酶的活性，以此來表征脲酶溶液的提取效率.pH 值是影響脲酶活性的重要因素，由于三合土中含有氫氧化鈣，因此在探究pH 值對(duì)脲酶活性的影響時(shí)，用稀鹽酸和氫氧化鈣溶液調(diào)節(jié)溶液pH 值，以此來模擬三合土環(huán)境.試驗(yàn)方法為：預(yù)先將1.1 mol/L 尿素溶液的pH 值調(diào)至3、4、5、6、7、8、9、10、11、12，然后取27 mL 調(diào)節(jié)好pH 值的尿素溶液，加入3 mL 質(zhì)量濃度為100 g/L 的豆粉溶液，計(jì)算不同pH 值下的脲酶活性.

1.3 基于EICP 技術(shù)改性三合土的制備

黏土取自江蘇省徐州市銅山區(qū)柳泉鎮(zhèn)后八丁村，經(jīng)測(cè)試其液限為39.03%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，本文涉及的液限、比值等除特殊說明外均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)或質(zhì)量比），塑限為20.10%，塑性指數(shù)為18.93；砂為市售河砂；氫氧化鈣購自國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，分析純.試樣制備過程為：先將黏土敲碎，用蒸餾水反復(fù)浸泡、松散、沉淀，去除雜質(zhì)及可溶鹽，接著將土自然風(fēng)干后敲碎，再過500 μm 篩得到試驗(yàn)用黏土；將砂分別過1 000、500 μm 篩，取1 000～500 μm 篩中間砂樣作為試驗(yàn)用砂.根據(jù)體積比φ（灰）∶φ（黏土）∶φ（砂）=1∶2∶4，將石灰、黏土、砂混合，再加入一定量的蒸餾水充分?jǐn)嚢杌旌希雇翗拥暮蕿?6%～18%.用搗棒在40 mm×40 mm×40 mm 的鋼制模具夯實(shí)土樣后脫模，得到三合土試樣（空白樣）.根據(jù)體積比φ（灰）∶φ（黏土）∶φ（砂）=1∶2∶4，將石灰、黏土、砂混合，再加入1.0 mol/L 尿素、0.5 mol/L 氯化鈣和豆粉溶液混合，其中豆粉溶液與膠結(jié)液（尿素+氯化鈣）的質(zhì)量比為1∶9，將其充分?jǐn)嚢杌旌?，使土樣的含水率?6%～18%.用搗棒在40 mm×40 mm×40 mm的鋼制模具夯實(shí)土樣后脫模，得到脲酶改性三合土試樣.根據(jù)豆粉的質(zhì)量濃度ρs=0、10、20、40、60 g/L，將脲酶改性三合土試樣分別記為MT0（空白樣）、MT10、MT20、MT40、MT60.將各試樣分別養(yǎng)護(hù)至齡期t=7、14、28、60 d，取出后進(jìn)行測(cè)試.

1.4 試驗(yàn)方法

采用1%酚酞的乙醇溶液進(jìn)行碳化深度測(cè)試.將三合土試樣用切割機(jī)從中間切開，用吹氣球吹去切割面的浮土，再在其表面滴加酚酞乙醇溶液，已發(fā)生碳化的部分呈無色，未發(fā)生碳化的部分呈紫紅色.用游標(biāo)卡尺測(cè)量邊緣至未碳化部分的距離d，即碳化深度，每個(gè)試樣測(cè)量3 次，結(jié)果取平均值.

采用LX-D-2 型指針式邵氏硬度計(jì)對(duì)三合土試樣表面進(jìn)行硬度測(cè)試.將三合土試樣放在水平桌面上，測(cè)量其硬度，每個(gè)試樣測(cè)量7 次，結(jié)果取平均值.

無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測(cè)試采用高泰QT-136PC 型精密材料測(cè)試機(jī)，控制壓縮速率為0.2 mm/min，試樣的抗壓強(qiáng)度為其破壞時(shí)儀器的最高讀數(shù)，每組測(cè)試3 個(gè)試樣，結(jié)果取平均值.

耐候性試驗(yàn)步驟為：對(duì)t=28 d 的三合土試樣進(jìn)行外觀檢查，并記錄其原始狀況；接著放入蒸餾水中浸泡，浸泡水面應(yīng)至少高出試樣頂面20 mm，浸泡12 h后取出，并用擰干的濕毛巾輕輕擦去試樣表面水分，放入-30 ℃冰箱中冷凍12 h；取出放入水中融化12 h.循環(huán)重復(fù)以上操作并觀察樣品表面變化情況，當(dāng)該組3 個(gè)試樣中有2 個(gè)出現(xiàn)邊角脫落時(shí)，終止試驗(yàn)并記錄循環(huán)次數(shù)n.

敲擊t=28 d 的試樣外表層，并將敲下來的碎塊研磨成粉末，用布魯克D8 Advance 型X 射線粉末衍射儀（XRD）進(jìn)行微觀分析.將上述粉末樣品表面噴金后，用日立SU8010 型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)樣品進(jìn)行微觀形貌分析.

2 結(jié)果與討論

2.1 脲酶活性的影響因素

2.1.1 豆粉質(zhì)量濃度

脲酶活性與豆粉質(zhì)量濃度的關(guān)系見圖1.由圖1可見：隨著豆粉質(zhì)量濃度的增大，脲酶活性也隨之提高，且近似線性增長(zhǎng)；在豆粉質(zhì)量濃度為10 g/L 時(shí)，單位質(zhì)量濃度的脲酶活性達(dá)到了峰值，這說明其提取效率較優(yōu).考慮到實(shí)際應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)效益，在脲酶改良三合土性能研究中，本文選取ρs=10、20、40、60 g/L 的豆粉溶液.

圖1 脲酶活性與豆粉質(zhì)量濃度的關(guān)系Fig.1 Relationship between urease activity and mass concentration soybean powder

2.1.2 pH 值

由于三合土中含有氫氧化鈣，因此在加入脲酶時(shí)必須要考慮酸堿環(huán)境對(duì)脲酶活性的影響.脲酶活性與pH 值的關(guān)系見圖2.由圖2 可見：當(dāng)pH=3、ρs=100 g/L時(shí)，脲酶活性達(dá)到了峰值（12.36 mM urea/min）；pH=4～5 時(shí)，脲酶活性略有下降；pH=6～11 時(shí)，脲酶活性比較穩(wěn)定；當(dāng)pH=12 時(shí)，脲酶活性迅速下降.由此可見，在制備脲酶改性三合土試樣時(shí)，控制其pH值在10～11 左右，脲酶活性不會(huì)因三合土環(huán)境而發(fā)生較大改變.在實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)應(yīng)避免脲酶在pH 值超過12 的環(huán)境中失活.

圖2 脲酶活性與pH 值的關(guān)系Fig.2 Relationship between urease activity and pH value

2.2 改性三合土的性能

2.2.1 碳化深度

碳化深度是衡量三合土內(nèi)部消石灰是否發(fā)生碳化反應(yīng)生成碳酸鈣的重要標(biāo)準(zhǔn).三合土的碳化試驗(yàn)現(xiàn)象見圖3（從左到右的試樣分別為MT0、MT10、MT20、MT40、MT60）.由圖3 可見：齡期為7 d 時(shí)，所有三合土試樣的切割面都呈紫紅色，可見7 d 碳化時(shí)間過短，還不足以使三合土內(nèi)部發(fā)生碳化反應(yīng)；齡期為14 d 時(shí)，5 個(gè)試樣的外邊緣部分均發(fā)生了碳化，且空白樣的碳化深度低于脲酶改性三合土試樣；齡期為28 d 時(shí)，5 個(gè)試樣的切割面紫紅色均較7、14 d 齡期試樣變淺且面積減少，但核心區(qū)域顏色較邊緣偏深，表明經(jīng)過28 d 養(yǎng)護(hù)后試樣的碳化面積增大，不止邊緣碳化，里面也開始碳化，但核心部分仍未碳化完全；齡期為60 d 時(shí)，5 個(gè)試樣的紫紅色都很淺，但仍能看出脲酶改性三合土試樣的碳化深度高于空白樣；脲酶改性三合土試樣切割面的紫紅色均略深于空白樣，推測(cè)是由于尿素水解產(chǎn)生銨根離子，使得試樣呈堿性環(huán)境，滴加了酚酞乙醇試劑之后，使其紫紅色略深［11］.

圖3 三合土的碳化試驗(yàn)現(xiàn)象Fig.3 Phenomenon carbonation test of tabia

三合土碳化深度隨齡期的變化見圖4.由圖4可見：無論是脲酶改性三合土還是空白樣，齡期為7～14 d 時(shí)，其碳化速率最快；隨著齡期的增加，三合土試樣的碳化速率慢慢降低，這是由于隨著碳化反應(yīng)的進(jìn)行，三合土試樣表面形成了碳酸鈣沉淀，使空氣中的二氧化碳不易滲入土體內(nèi)部，因此碳化速率降低［4］；脲酶改性三合土試樣的碳化深度均高于空白樣，尤其是齡期為14 d 時(shí)，脲酶改性三合土碳化深度比空白樣提高了94%～112%.在實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)，可以有效解決傳統(tǒng)三合土初期固化速率慢的問題.

圖4 三合土碳化深度隨齡期的變化Fig.4 Variation of carbonation depth of tabia with ages

2.2.2 表面硬度

表面硬度是指物體表面抵抗變形或損傷的能力，是衡量土體性能的重要指標(biāo).三合土表面硬度與齡期的關(guān)系見圖5.由圖5 可見：隨著齡期的增加，三合土試樣的表面硬度均逐漸增大；脲酶改性三合土試樣的表面硬度均高于空白樣，且隨著豆粉質(zhì)量濃度的增大，其表面硬度也逐漸增大；齡期為60 d 時(shí)，脲酶改性三合土試樣的表面硬度較空白樣提高了15.0%～18.3%.

圖5 三合土表面硬度與齡期的關(guān)系Fig.5 Relationship between surface hardness and age of tabia

2.2.3 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

無側(cè)限抗壓強(qiáng)度是反映土綜合性能的指標(biāo)之一.三合土抗壓強(qiáng)度與齡期的關(guān)系見圖6.由圖6 可見：隨著齡期的增加，三合土的抗壓強(qiáng)度也隨之提高；與空白樣相比，脲酶的摻入顯著提高了三合土的抗壓強(qiáng)度；7 d時(shí)，脲酶改性三合土抗壓強(qiáng)度均在1 MPa以上；28 d 時(shí)，脲酶改性三合土的抗壓強(qiáng)度比空白樣提高了68.0%～103.0%；60 d 時(shí)，脲酶改性三合土的抗壓強(qiáng)度比空白樣提高了56.9%～78.9%；隨著豆粉質(zhì)量濃度的增大，脲酶改性三合土的抗壓強(qiáng)度提高；在齡期14～28 d 時(shí)，脲酶改性三合土的抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)速率最快，隨著齡期的進(jìn)一步增加，其抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)速率降低，這是由于前期EICP 的作用，生成了大量碳酸鈣，使得試樣強(qiáng)度迅速提高，但隨著碳酸鈣的增多，空氣中的二氧化碳不易滲入土體內(nèi)部，碳化反應(yīng)速率變慢，致使脲酶改性三合土抗壓強(qiáng)度的漲幅稍有降低，但仍遠(yuǎn)高于空白樣［4］.

圖6 三合土抗壓強(qiáng)度與齡期的關(guān)系Fig.6 Relationship between compressive strength and age of tabia

2.2.4 耐候性

抗凍融循環(huán)能夠很好地反映三合土的耐候性，三合土的抗凍融循環(huán)次數(shù)見圖7.由圖7 可見，齡期為28 d 時(shí)，與空白樣相比，脲酶改性三合土抗凍融循環(huán)次數(shù)增加了150%～200%.試驗(yàn)過程中：空白樣在第1次凍融循環(huán)時(shí)已出現(xiàn)細(xì)小的縫隙，第2 次時(shí)其邊角出現(xiàn)脫落；MT10 在第5 次凍融循環(huán)時(shí)邊角出現(xiàn)脫落；MT20、MT40、MT60 均在第6 次凍融循環(huán)中才出現(xiàn)邊角脫落現(xiàn)象，可見其耐候性遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)三合土.

圖7 三合土的抗凍融循環(huán)次數(shù)Fig.7 n of freeze-thaw cycles of tabia

2.3 微觀作用與機(jī)理分析

齡期為28 d 的三合土XRD 圖譜見圖8.由圖8 可見，所有三合土試樣的主要物相均為二氧化硅和碳酸鈣，且碳酸鈣的晶型為方解石.由此可見，齡期為28 d 時(shí)，由于三合土試樣表層與空氣充分接觸，無論是脲酶改性三合土還是空白樣均發(fā)生了碳化反應(yīng)，這也佐證了2.2.1 中碳化反應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果.由于在無水晶型中方解石是最穩(wěn)定且重要的形態(tài)［12］，因此隨著碳化反應(yīng)的進(jìn)行，三合土試樣的表面硬度以及抗壓強(qiáng)度等性能均得到顯著提高.

圖8 齡期為28 d 的三合土XRD 圖譜Fig.8 XRD patterns of tabia samples curing for 28 d

齡期為28 d 的三合土SEM 照片見圖9.由圖9 可見：空白樣靠吸收空氣中的二氧化碳產(chǎn)生碳酸鈣，但碳酸鈣晶體少于脲酶改性三合土，且分布密度低，排布松散，雖然偶有團(tuán)聚在一起，但團(tuán)聚得并不緊密，無法與脲酶改性三合土相提并論；脲酶調(diào)控了碳酸鈣的晶體形態(tài)，脲酶改性三合土試樣表面出現(xiàn)了大面積長(zhǎng)條狀以及少量團(tuán)簇狀晶體，且隨著豆粉質(zhì)量濃度的增加，試樣表面長(zhǎng)條狀晶體相對(duì)減少，而團(tuán)簇狀晶體相對(duì)增多；經(jīng)EICP 技術(shù)改性三合土試樣產(chǎn)生的長(zhǎng)條狀晶體表面都有多個(gè)圓球形突起，且晶體參差不齊、犬牙交錯(cuò)，產(chǎn)生的團(tuán)簇狀晶體由多個(gè)小圓球緊密聚集而成.MT10、MT20 試樣產(chǎn)生的大量長(zhǎng)條狀晶體相互交錯(cuò)，而MT40、MT60 試樣在產(chǎn)生長(zhǎng)條狀晶體的基礎(chǔ)上，其團(tuán)簇狀晶體逐漸增多，由團(tuán)簇狀晶體與長(zhǎng)條狀晶體結(jié)構(gòu)相輔相成，使得脲酶改性三合土的結(jié)構(gòu)更加致密.這也從微觀層面解釋了隨著豆粉質(zhì)量濃度的增大，脲酶改性三合土各方面性能均逐漸提高的原因.

圖9 齡期為28 d 的三合土SEM 照片F(xiàn)ig.9 XRD images of tabia samples curing for 28 d

從礦化機(jī)理分析，EICP 技術(shù)改良傳統(tǒng)三合土通過脲酶水解尿素產(chǎn)生碳酸根離子，而碳酸根離子又與空氣中的二氧化碳、三合土中的氯化鈣和氫氧化鈣反應(yīng)生成了更多的碳酸鈣；而傳統(tǒng)三合土只單純依靠空氣中的二氧化碳與土體里的氫氧化鈣反應(yīng)，因此其碳化速率要明顯低于脲酶改性三合土試樣.隨著摻加的豆粉質(zhì)量濃度的增大，脲酶活性提高，其水解尿素的能力增強(qiáng)，產(chǎn)生的碳酸根離子增多，導(dǎo)致生成的碳酸鈣也隨之增多，這也從EICP 反應(yīng)機(jī)理的角度解釋了三合土的各方面性能隨著豆粉質(zhì)量濃度的增大逐漸提高的原因.另外，脲酶屬于蛋白質(zhì)，其含有的氨基活性官能團(tuán)與三合土中的無機(jī)顆粒之間會(huì)發(fā)生靜電、交聯(lián)等作用，使經(jīng)EICP 改性的三合土抗壓強(qiáng)度、表面硬度以及耐候性等性能遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)三合土［12-13］.

3 結(jié)論

（1）脲酶活性隨豆粉質(zhì)量濃度的增大基本呈線性增長(zhǎng).脲酶活性最適宜的pH 值為3～11.pH 值為12 時(shí)，脲酶活性急劇下降，在實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)應(yīng)避免其在pH 值超過12 的環(huán)境中失活.

（2）脲酶誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀（EICP）技術(shù)顯著提升了三合土的碳化速率、表面硬度、抗壓強(qiáng)度和耐候性，且三合土的各項(xiàng)性能隨著豆粉質(zhì)量濃度的增大而提高.與三合土空白樣相比，脲酶改性三合土的14 d 碳化深度提高了94%～112%，60 d 表面硬度提高了15.0%～18.3%，28 d 耐候性提高了150%～200%，28 d抗壓強(qiáng)度提高了68.0%～103.0%.

（3）三合土發(fā)生碳化反應(yīng)生成方解石型碳酸鈣.脲酶調(diào)控了生成碳酸鈣的形貌，使得脲酶改性三合土出現(xiàn)了長(zhǎng)條狀晶體和團(tuán)簇狀晶體.長(zhǎng)條狀和團(tuán)簇狀晶體相輔相成，使得三合土的結(jié)構(gòu)更加致密，且隨著豆粉質(zhì)量濃度的增大，團(tuán)簇狀晶體相對(duì)增多，長(zhǎng)條狀晶體相對(duì)減少，三合土的性能也逐漸提高.

（4）EICP 技術(shù)適于實(shí)際工程應(yīng)用，能緩解溫室效應(yīng)，綠色環(huán)保；便捷易操作，無需特殊養(yǎng)護(hù)，且其7 d 抗壓強(qiáng)度均在1 MPa 以上，極大改善了傳統(tǒng)三合土固化速率慢、耐候性差、初期強(qiáng)度低等缺陷.但后續(xù)還需進(jìn)行改性三合土墻體的極限承載力、變形破壞特征以及實(shí)際三合土建筑修復(fù)工程測(cè)試等研究.