糯米浆改良戚城遗址仿遗址土强度特性与作用机理

岳建伟，陈颖，赵丽敏，张宝玺，孔庆梅，顾丽华，卢会芳

(河南大学 a.土木建筑学院；b.开封市不可移动文物安全评价与修复重点实验室，河南 开封 475004)

濮阳戚城遗址处于黄河中下游，土质为结构松散的粉质黏土，具有水稳定性差、毛细作用强烈等不利特性，受黄河泛滥的影响，土遗址破坏严重[1-2]。因黄河文化传承和旅游发展的需要，黄河下游土遗址逐步得到恢复，但已经修复的濮阳戚城遗址出现了大量裂缝及表面不同程度的龟裂，其原因在于修复材料和修复的营造技术缺乏合理性，古代土遗址营造时添加糯米浆是否存在科学道理亟待解密。

近年来，学者们发现有机物质对微生物矿化土体结构有显著影响。土壤中有大量的生物，包括细菌、古细菌、真菌和蠕虫，这些微生物可以产生生物膜、生物聚合物或生物矿物，直接使用原位微生物活性或异位微生物产物作为一种受环境影响土壤的改良方法[10-12]。陈鑫[13]指出，土壤表层缺乏有机质会影响微生物的生长，导致土壤颗粒黏聚力较大，进而造成土壤板结。Li等[14]、黄磊等[15]发现有机物质可以为土壤微生物增加营养源，起到调控土壤微生物群落结构的作用。赵伟等[16]、Nakada等[17]发现微生物能产生淀粉酶，分解淀粉。裴迪等[18]指出蛋白质可以为微生物提供氮源、碳源。相关研究[19-22]发现，糯米浆中含有丰富的淀粉和蛋白质，可以为微生物矿化提供外加营养源。因此，探究糯米浆作用下微生物改良土体机理具有重要意义。

目前，糯米浆的研究以西北黄土土遗址和灰浆为主，针对黄河下游的粉质黏土土遗址尚未有人研究；对糯米浆的研究以关注土遗址短期力学性能为主，而对含有糯米浆土遗址的长期性能及作用机理尚不清楚。笔者选用糯米浆、石英砂、氧化铝、氟化钙作为附加材料，对濮阳戚城遗址周围的粉土进行改良，制备仿遗址土。通过直剪试验、无侧限抗压强度试验研究了0%、1%、3%、5%、7%、9%糯米浆浓度下仿遗址土的强度、黏聚力及内摩擦角的变化值，电镜测试不同浓度糯米浆对仿遗址土的改良效果，根据色差分析、评定糯米浆改良仿遗址土是否符合土遗址修复原则，基于MICP技术探究糯米浆作用下微生物改良土体的作用机理。

1 试验材料

1.1 仿遗址土的制备

图1所示为濮阳戚城遗址土及周边土取样位置。由图1可知，戚城土遗址破坏严重，为探求土遗址改良方法，采用传统糯米浆改良遗址土。

图1 遗址土与周边土取样位置Fig.1 Sampling location of ruins soil and surrounding

鉴于土遗址属于不可再生文物，研究土遗址不能以牺牲文物为代价，为了更好地保护戚城遗址，采取少许遗址土以及周边土样品进行XRF分析，按照“缺什么补什么”的原则进行仿遗址土的配制。

图2所示为遗址土与周边土的化学成分含量，由图2可见：遗址土与周边土化学成分差别不大，可以利用周边土配制仿遗址土。选取含量超过1%氧化物的遗址土和周边土进行数据分析研究，对周边土的氧化物含量进行调整从而制备出仿遗址土，通过计算使仿遗址土的氧化物含量等于遗址土的氧化物含量，表1所示为周边土、遗址土及仿遗址土的氧化物含量。

图2 遗址土与周边土化学成分含量图Fig.2 Chemical composition of ruins soil

表1 不同种类土的氧化物含量Table 1 Content of oxides in different soils

仿遗址土的配制：仿遗址土所添加的氟化钙(CaF2)购自河南铂润铸造材料有限公司；氧化铝(Al2O3)购自巩义市恒鑫滤料厂，氧化铝纯度高达99.8%，是一种高硬度的化合物；石英砂(SiO2)，石英砂细度为400目(38 μm)，颜色为乳白色，是一种坚硬、耐磨、化学性能稳定的硅酸盐矿物，石英砂氧化物的主要组成成分为SiO2与Al2O3，含量分别为96.83%和1.78%。考虑石英砂中SiO2、Al2O3的含量，经数据分析后按照每100 g周边土(过5 mm筛)中加入8.52 g石英砂(SiO2)、0.45 g氧化铝(Al2O3)、0.15 g氟化钙(CaF2)配成仿遗址土。

通过颗粒级配试验对遗址土与仿遗址土的粒径进行分析，如表2所示。根据《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019)测得仿遗址土与遗址土基本物理性质指标如表3所示。

表2 遗址土与仿遗址土粒径分析Table 2 Particle size distribution of ruins soil and imitation ruins soil

表3 遗址土与仿遗址土基本物理指标Table 3 Basic physical properties of ruins soil and imitation ruins soil

1.2 糯米浆的制备

采用由超市购买的糯米粉，将不同质量的糯米粉加蒸馏水配成浓度为1%、3%、5%、7%、9%的糯米浆，并将两者充分拌匀，放入电饭锅中，将糯米浆加热煮沸，为使糯米浆充分糊化，煮沸时间至少4 h[23]。在熬制糯米浆过程中，记下电饭锅的刻度，加入适量水，以保持糯米浆浓度不变[24]，将制备好的糯米浆冷却至室温备用[23]。

2 改良仿遗址土的力学性能试验

土样的力学性能包括抗压强度、抗剪强度(黏聚力、内摩擦角)等参数，是决定土遗址修复材料效果的重要指标。通过测定糯米灰浆改良仿遗址土的力学性能，评价糯米灰浆的修复效果，得出最优修复配比。

2.1 试样的制备

取仿遗址土土样烘干，过2 mm筛备用，根据仿遗址土击实试验结果，按照最优含水率17%及干密度1.6 g/cm3进行试样制作。

直剪试验试样制备：试样尺寸为)φ61.8 mm×20 mm，体积为60 cm3，试样总质量为112.32 g，加水量为16.32 g。无侧限抗压强度试验试样制备：试样尺寸为φ38 mm×76 mm，体积为86.193 cm3，试样总质量为161.35 g，加水量为23.44 g。设置纯水作为对照组及添加1%、3%、5%、7%、9%的糯米浆到仿遗址土中，利用搅拌器不断搅拌至稠度不变[22]，土样拌和均匀后，先将土样静置24 h，使糯米浆与水分散均匀，按照土工试验规程制作土样，放入盒中密封养护7 d后进行力学性能试验。考虑到糯米浆中的溶质会影响试样的含水率，尽可能保证6组试样的含水率相近，采用去溶质的方法将不同浓度糯米浆中的糯米去除。改良仿遗址土试样配比如表4所示。

表4 改良仿遗址土试样配比Table 4 Sample preparation of improved imitation ruins soil

2.2 低应力下的直剪试验

试样的抗剪强度是衡量土遗址修复材料性能和修复效果的重要指标。戚城遗址的破坏主要是由坍塌、冲沟等引起的剪切破坏和结构失稳。采用直剪试验测定土遗址修复材料的抗剪切破坏能力。受传统技术限制，土遗址高度一般较低，实际受到的竖向压力往往低于现建建筑，现有规范给出的常规直剪试验方法并不适用于土遗址，研究土遗址在低应力下的直剪试验更符合实际状况。

图3 不同浓度糯米浆试样的剪切应力应变曲线Fig.3 Shear stress-strain curves of soil samples with different concentrations of glutinous rice

图4所示为抗剪强度与糯米浆浓度、垂向应力的关系。由图4可见：抗剪强度与垂向应力呈正相关，即竖向应力增大，抗剪强度也相应增大。随着糯米浆浓度的增加，抗剪强度呈先增大后减小的变化规律，峰值对应的糯米浆浓度为3%，此浓度下斜率最大即内摩擦角最大；9%浓度糯米浆对应的截距最大即黏聚力最大。

图4 抗剪强度与糯米浆浓度、垂向应力的关系Fig.4 Relationship between shear strength and glutinous rice pulp concentration and vertical

图5所示为抗剪强度参数与糯米浆浓度的关系。由图5可见：随着糯米浆浓度的增加，内摩擦角先增大后减小，黏聚力呈线性增长趋势。主要原因是土样中加入糯米浆后土颗粒间孔隙被逐渐填充，颗粒间的黏聚力也随之增加；但随着糯米浆浓度持续增加，过量糯米浆将会附着在土颗粒表面，造成土颗粒间的摩擦力降低，进而导致土样的内摩擦角减小。

图5 抗剪强度参数与糯米浆浓度的关系Fig.5 Relationship between shear strength parameters and glutinous rice pulp

2.3 无侧限抗压强度试验

无侧限抗压强度能够反映出试样的抵抗变形能力与该材料修复效果间的关系，还能够间接反映出试样的密实度。根据《土工试验方法标准》，采用应变控制式无侧限压缩仪，按照1 mm/min的轴向应变速率对仿遗址土试样进行无侧限抗压强度试验。

图6所示为不同浓度的糯米浆试样应变关系曲线。由图6可见：随着糯米浆浓度的增加，试样抵抗破坏的能力呈先增大后减小的变化规律，糯米浆浓度为3%时，轴向应力达到最大值，即无侧限抗压强度达到最大值。

图6 不同浓度的糯米浆试样轴向应力应变关系Fig.6 Axial stress-strain relationship of glutinous rice slurry soil samples with different

表5为试样抗压强度与糯米浆浓度养护7 d的变化关系。由表5可知：试样中加入糯米浆，其无侧限抗压强度及抗变形能力均得到明显提高，1%、3%、5%、7%、9%浓度糯米浆改良试样的无侧限抗压强度分别提高了19.3%、60.5%、40.26%、30.80%、32.1%；抗变形能力分别提高了11.9%、33.9%、44.9%、77.97%、42.37%。因此，试样强度与糯米浆浓度有关，不同浓度的糯米浆对试样的改良效果不同，3%浓度糯米浆改良仿遗址土表现出较好的力学特性。

表5 抗压强度与糯米浆浓度试样养护7 d的变化关系Table 5 Relationship between compressive strength of soil samples and 7-day curing of glutinous rice slurry concentration

2.4 SEM电镜试验

为研究糯米浆改良仿遗址土内部结构及物质组成变化的情况，分别对不同浓度糯米浆改良仿遗址土进行电镜扫描试验，取影响仿遗址土改良效果的典型电镜图片进行分析。图7所示为0%、3%、5%浓度糯米浆试样的1 000、5 000倍SEM电镜照片。由图7可见：0%浓度的糯米浆试样内部孔隙较多、密实性差，且结构松散、颗粒间连接不紧密；3%浓度的糯米浆试样结构密实，土颗粒上碳酸钙晶体多，起到填充孔隙的作用，土颗粒间团聚胶结连接紧密；随着糯米浆浓度的不断增加，当糯米浆浓度为5%时，过量糯米浆将会附着在土颗粒表面，造成土颗粒间的黏聚力降低。糯米浆可以优化土体的孔隙结构，提高密实度，表现出宏观力学性能增强的现象。

图7 不同浓度糯米浆试样SEM图片Fig.7 SEM pictures of glutinous rice slurry soil

2.5 色差对比分析

土遗址文物保护工作的基本原则是不改变文物的颜色，即“修旧如旧”，在视觉上土遗址修复前后色差变化不大。图8所示为烘干后的遗址土、周边土、仿遗址土、3%浓度糯米浆改良仿遗址土试样。由图8可见：从外观上来看，4个试样差异较小，人肉眼看不出明显色差。

图8 不同试样颜色对比Fig.8 Color comparison of different soil

为进一步了解土样色差变化大小是否符合土遗址修复标准，采用NR200色差分析仪对土样进行色差分析，将遗址土试样作为标样，同其他3组试样做对比分析，按式(1)进行总色差计算。

(1)

表6所示为试样色差分析结果。由表6可知：遗址土、周边土、仿遗址土、3%浓度糯米浆改良仿遗址土总色差值ΔE均在1.0以内。采取仪器检测和人工结合的方法，糯米浆改良遗址土能否被选用，需反复核对糯米浆改良仿遗址土与遗址土间的颜色差异。

表6 土样色差分析结果Table 6 Color difference analysis results of soil samples

3 糯米浆作用下微生物矿化试验

3.1 微生物的活性研究

MICP技术是利用微生物诱导碳酸钙沉淀。采用的微生物为巴氏芽孢杆菌，培养基配方(普通菌液)为1 mL蒸馏水、0.5 g/L酵母粉、1 g/L蛋白胨，1 g/L氯化钠、1 g/L尿素；改良菌液配方为普通菌液培养基中加入3%浓度糯米浆，配制普通菌液(S1组)、3%浓度糯米浆改良菌液(S2组)两组菌液。对菌液进行OD600值检验，OD600值反映了细菌的浓度，细菌浓度越高，OD600值越大。经检测S1组OD=1.403，S2组OD=1.754，S2组比S1组高25%。说明糯米浆可以为细菌提供营养源，进而提高细菌的浓度。

3.2 MICP与糯米浆改良MICP对比分析

MICP技术的配方采用岳建伟等[25]提出的最佳胶菌质量为2∶1、0.5 mol/L胶结液浓度，其中2∶1胶菌质量比是将6.4 g的0.5 mol/L胶结液与3.2 g菌液混合，0.5 mol/L胶结液是在1 L水中加入55.5 gCaCl2与30 g尿素。利用糯米浆对普通MICP技术进行改良，其中2∶1改良胶菌质量比是将6.4 g的0.5 mol/L改良胶结液与3.2 g改良菌液混合，0.5 mol/L改良胶结液是在1 L的3%浓度糯米浆中加入55.5 g CaCl2与30 g尿素。

将普通MICP胶结液A1组与改良MICP胶结液A2组进行烘干，得到相应的固体物质，如图9所示。利用EDTA滴定法测量两组胶结液的钙离子浓度，得到A1组、A2组CaCO3沉淀量分别为0.312、0.356 g，相对于普通MICP组，改良MICP组CaCO3沉淀量提高了14.10%，且白色沉淀物更加黏稠，外表面多了一层浆体薄膜，具有一定韧性。

图9 烘干后的固体物质Fig.9 Residual solids after

取A1组与A2组烘干后的固体物质(CaCO3沉淀、CaCl2晶体、糯米浆、菌体)以及CaCl2、Na2CO3反应完全烘干后产物CaCO3颗粒进行4 000、20 000倍SEM电镜扫描，观察巴氏芽孢杆菌诱导CaCO3沉淀后剩余固体物质的结构组成、形状等特征，如图10所示。由图10可见，A1组含有少量CaCO3沉淀以及大量的CaCl2晶体，糯米浆改良MICP 胶结液A2组生成的CaCO3沉淀量更多、结构更密实。

图10 SEM电镜扫描图

3.3 糯米浆对MICP土样力学试验研究

3.3.1 试样制备 直剪试验试样所需干土量为112.32 g，MICP试样掺加胶结液10.99 g、菌液5.49 g；改良MICP试样掺加胶结液11.21 g、菌液5.61 g。无侧限试验试样所需干土量为161.35 g，MICP试样掺加胶结液18.47 g、菌液9.24 g；改良MICP试样掺加胶结液18.85 g、菌液9.43 g。均匀拌和后制作的土样在养护7、14、28 d后进行力学性能试验。

图11 不同养护天数下试样垂向压力与剪切应力应变关系Fig.11 Relationship between vertical pressure and shear stress-strain of soil samples under different curing

图12 不同养护天数下试样轴向应力应变关系变化规律Fig.12 Relationship between axial stress and strain of soil samples under different curing

图13 不同养护天数下试样无侧限抗压强度变化规律Fig.13 Variation of unconfined compressive strength of soil samples under different curing

4 结论

以濮阳戚城土遗址为研究对象，掺加石英砂、氧化铝、氟化钙对周边土进行仿遗址土配制，并采用糯米浆对仿遗址土进行改良。研究0%、1%、3%、5%、7%、9%糯米浆浓度下仿遗址土力学性能和微观结构，探究土遗址添加糯米浆的科学道理及改良机理，得到以下结论：

1)糯米浆加入仿遗址土中，可有效改善土体的力学性能。随着糯米浆浓度的增加，土样的强度及内摩擦角先增大后减小，黏聚力呈线性递增趋势。其中，3%糯米浆浓度试样的抗剪强度、无侧限抗压强度与内摩擦角最大。

2)通过电镜试验分析可知，糯米浆浓度为3%的试样结构密实，改良效果好。对试样进行色差分析，仿遗址土、3%浓度糯米浆仿遗址土与遗址土间的色差均较小，符合土遗址修复标准。

3)利用糯米浆对MICP技术进行改良，发现糯米浆可以提高细菌浓度，促进碳酸钙生成；改良MICP土样随着养护天数的增加，强度持续提高，说明糯米浆可以持续对土体发挥作用，生物矿化时间长。