脲酶誘導碳酸鈣沉淀技術改良傳統三合土的性能

董 瑾，劉效彬

（江蘇師范大學歷史文化與旅游學院，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，是古代一項重要的技術成就.最早在周原遺址的影壁、地面等多處發現三合土［1］，可見西周時期人們已學會拌和三合土并將其應用于房屋建設中.而今保存下來的三合土建筑有統萬城遺址、開元寺佛塔等，這些歷史建筑歷經百年，大多存在裂縫、外墻鼓閃、坍塌等現象，亟需修復保護.但使用現代水泥等無機材料和現代高分子有機聚合物修復古建筑，其缺點不斷暴露［2］.傳統三合土兼容性好但存在固化速率慢、耐候性差、初期強度低等缺陷，在實際工程應用中效果較差.目前學界對三合土的研究多集中在對古代三合土的配比成分進行檢測及仿制等方面，運用現代科技手段改良傳統三合土的研究相對較少［3-6］.

近年來，國外學者基于微生物誘導碳酸鈣沉淀（MICP）技術，提出了脲酶誘導碳酸鈣沉淀（EICP）的新思路，其原理是直接利用脲酶水解尿素產生碳酸根，再與外源鈣離子結合生成碳酸鈣，從而起到固化的作用.Almajed等［7-9］將MICP、EICP技術應用于砂土加固、粉塵排放等領域，均取得了良好的固化效果.本文將EICP技術在古建筑修復領域進行拓展，研究了脲酶的基本特性，將脲酶摻入三合土中，測試其機械性能及耐候性等，并對其微觀機理進行分析，以期提高三合土性能，優化傳統技術，推動傳統三合土在古建筑保護中的實際應用.

1 試驗

1.1 脲酶配制與脲酶活性測定

黃豆蘊含豐富的脲酶，常見易得、經濟便利，適合工程大量應用，因此本文選取市售黃豆作為脲酶來源.用高速萬能粉碎機將黃豆粉碎，過125μm篩篩出豆粉.配制不同質量濃度的豆粉溶液，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.

根據文獻［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，測試混合溶液在1、8 min時的電導率σ1、σ8.脲酶活性UA計算式［10］為：

1.2 脲酶活性的影響研究

脲酶活性對EICP過程起著至關重要的作用.用脲酶活性UA除以豆粉質量濃度ρs得到單位質量濃度脲酶的活性，以此來表征脲酶溶液的提取效率.p H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值對脲酶活性的影響時，用稀鹽酸和氫氧化鈣溶液調節溶液p H值，以此來模擬三合土環境.試驗方法為：預先將1.1 mol/L尿素溶液的pH值調至3、4、5、6、7、8、9、10、11、12，然后取27 mL調節好pH值的尿素溶液，加入3 mL質量濃度為100 g/L的豆粉溶液，計算不同p H值下的脲酶活性.

1.3 基于EICP技術改性三合土的制備

黏土取自江蘇省徐州市銅山區柳泉鎮后八丁村，經測試其液限為39.03%（質量分數，本文涉及的液限、比值等除特殊說明外均為質量分數或質量比），塑限為20.10%，塑性指數為18.93；砂為市售河砂；氫氧化鈣購自國藥集團化學試劑有限公司，分析純.試樣制備過程為：先將黏土敲碎，用蒸餾水反復浸泡、松散、沉淀，去除雜質及可溶鹽，接著將土自然風干后敲碎，再過500μm篩得到試驗用黏土；將砂分別過1 000、500μm篩，取1 000～500μm篩中間砂樣作為試驗用砂.根據體積比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攪拌混合，使土樣的含水率為16%～18%.用搗棒在40 mm×40 mm×40 mm的鋼制模具夯實土樣后脫模，得到三合土試樣（空白樣）.根據體積比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液（尿素+氯化鈣）的質量比為1∶9，將其充分攪拌混合，使土樣的含水率為16%～18%.用搗棒在40 mm×40 mm×40 mm的鋼制模具夯實土樣后脫模，得到脲酶改性三合土試樣.根據豆粉的質量濃度ρs=0、10、20、40、60 g/L，將脲酶改性三合土試樣分別記為MT 0（空白樣）、MT 10、MT 20、MT 40、MT 60.將各試樣分別養護至齡期t=7、14、28、60 d，取出后進行測試.

1.4 試驗方法

采用1%酚酞的乙醇溶液進行碳化深度測試.將三合土試樣用切割機從中間切開，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，已發生碳化的部分呈無色，未發生碳化的部分呈紫紅色.用游標卡尺測量邊緣至未碳化部分的距離d，即碳化深度，每個試樣測量3次，結果取平均值.

采用LX-D-2型指針式邵氏硬度計對三合土試樣表面進行硬度測試.將三合土試樣放在水平桌面上，測量其硬度，每個試樣測量7次，結果取平均值.

無側限抗壓強度測試采用高泰QT-136PC型精密材料測試機，控制壓縮速率為0.2 mm/min，試樣的抗壓強度為其破壞時儀器的最高讀數，每組測試3個試樣，結果取平均值.

耐候性試驗步驟為：對t=28 d的三合土試樣進行外觀檢查，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.循環重復以上操作并觀察樣品表面變化情況，當該組3個試樣中有2個出現邊角脫落時，終止試驗并記錄循環次數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）進行微觀分析.將上述粉末樣品表面噴金后，用日立SU 8010型場發射掃描電子顯微鏡（SEM）對樣品進行微觀形貌分析.

2 結果與討論

2.1 脲酶活性的影響因素

2.1.1 豆粉質量濃度

脲酶活性與豆粉質量濃度的關系見圖1.由圖1可見：隨著豆粉質量濃度的增大，脲酶活性也隨之提高，且近似線性增長；在豆粉質量濃度為10 g/L時，單位質量濃度的脲酶活性達到了峰值，這說明其提取效率較優.考慮到實際應用的經濟效益，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.

南水北調中線工程對我國可持續發展具有重大意義，但其對漢江中下游的潛在不利影響需要受到高度重視，并予以妥善解決。為了確保中線工程效益最大化，同時兼顧和保障漢江中下游的利益，實施生態補償應是最佳措施，現提出以下幾點建議：

圖1 脲酶活性與豆粉質量濃度的關系Fig.1 Relationship between urease activity and mass concentration soybean powder

2.1.2 p H值

由于三合土中含有氫氧化鈣，因此在加入脲酶時必須要考慮酸堿環境對脲酶活性的影響.脲酶活性與pH值的關系見圖2.由圖2可見：當pH=3、ρs=100 g/L時，脲酶活性達到了峰值（12.36mM urea/min）；p H=4～5時，脲酶活性略有下降；p H=6～11時，脲酶活性比較穩定；當p H=12時，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，控制其pH值在10～11左右，脲酶活性不會因三合土環境而發生較大改變.在實際工程應用時應避免脲酶在p H值超過12的環境中失活.

圖2 脲酶活性與pH值的關系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部消石灰是否發生碳化反應生成碳酸鈣的重要標準.三合土的碳化試驗現象見圖3（從左到右的試樣分別為MT 0、MT 10、MT 20、MT 40、MT 60）.由圖3可見：齡期為7 d時，所有三合土試樣的切割面都呈紫紅色，可見7 d碳化時間過短，還不足以使三合土內部發生碳化反應；齡期為14 d時，5個試樣的外邊緣部分均發生了碳化，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，5個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，但核心區域顏色較邊緣偏深，表明經過28 d養護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，5個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，推測是由于尿素水解產生銨根離子，使得試樣呈堿性環境，滴加了酚酞乙醇試劑之后，使其紫紅色略深［11］.

圖3 三合土的碳化試驗現象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，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的進行，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，脲酶改性三合土碳化深度比空白樣提高了94%～112%.在實際工程應用時，可以有效解決傳統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.三合土表面硬度與齡期的關系見圖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，且隨著豆粉質量濃度的增大，其表面硬度也逐漸增大；齡期為60 d時，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系Fig.5 Relationship between surface hardness and age of tabia

無側限抗壓強度是反映土綜合性能的指標之一.三合土抗壓強度與齡期的關系見圖6.由圖6可見：隨著齡期的增加，三合土的抗壓強度也隨之提高；與空白樣相比，脲酶的摻入顯著提高了三合土的抗壓強度；7 d時，脲酶改性三合土抗壓強度均在1 MPa以上；28 d時，脲酶改性三合土的抗壓強度比空白樣提高了68.0%～103.0%；60 d時，脲酶改性三合土的抗壓強度比空白樣提高了56.9%～78.9%；隨著豆粉質量濃度的增大，脲酶改性三合土的抗壓強度提高；在齡期14～28 d時，脲酶改性三合土的抗壓強度增長速率最快，隨著齡期的進一步增加，其抗壓強度增長速率降低，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部，碳化反應速率變慢，致使脲酶改性三合土抗壓強度的漲幅稍有降低，但仍遠高于空白樣［4］.

圖6 三合土抗壓強度與齡期的關系Fig.6 Relationship between compressive strength and age of tabia

2.2.4 耐候性

抗凍融循環能夠很好地反映三合土的耐候性，三合土的抗凍融循環次數見圖7.由圖7可見，齡期為28 d時，與空白樣相比，脲酶改性三合土抗凍融循環次數增加了150%～200%.試驗過程中：空白樣在第1次凍融循環時已出現細小的縫隙，第2次時其邊角出現脫落；MT 10在第5次凍融循環時邊角出現脫落；MT 20、MT 40、MT 60均在第6次凍融循環中才出現邊角脫落現象，可見其耐候性遠高于傳統三合土.

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

2.3 微觀作用與機理分析

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，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生了碳化反應，這也佐證了2.2.1中碳化反應的試驗結果.由于在無水晶型中方解石是最穩定且重要的形態［12］，因此隨著碳化反應的進行，三合土試樣的表面硬度以及抗壓強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，雖然偶有團聚在一起，但團聚得并不緊密，無法與脲酶改性三合土相提并論；脲酶調控了碳酸鈣的晶體形態，脲酶改性三合土試樣表面出現了大面積長條狀以及少量團簇狀晶體，且隨著豆粉質量濃度的增加，試樣表面長條狀晶體相對減少，而團簇狀晶體相對增多；經EICP技術改性三合土試樣產生的長條狀晶體表面都有多個圓球形突起，且晶體參差不齊、犬牙交錯，產生的團簇狀晶體由多個小圓球緊密聚集而成.MT 10、MT 20試樣產生的大量長條狀晶體相互交錯，而MT 40、MT 60試樣在產生長條狀晶體的基礎上，其團簇狀晶體逐漸增多，由團簇狀晶體與長條狀晶體結構相輔相成，使得脲酶改性三合土的結構更加致密.這也從微觀層面解釋了隨著豆粉質量濃度的增大，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Fig.9 XRD images of tabia samples curing for 28 d

從礦化機理分析，EICP技術改良傳統三合土通過脲酶水解尿素產生碳酸根離子，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生成了更多的碳酸鈣；而傳統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，因此其碳化速率要明顯低于脲酶改性三合土試樣.隨著摻加的豆粉質量濃度的增大，脲酶活性提高，其水解尿素的能力增強，產生的碳酸根離子增多，導致生成的碳酸鈣也隨之增多，這也從EICP反應機理的角度解釋了三合土的各方面性能隨著豆粉質量濃度的增大逐漸提高的原因.另外，脲酶屬于蛋白質，其含有的氨基活性官能團與三合土中的無機顆粒之間會發生靜電、交聯等作用，使經EICP改性的三合土抗壓強度、表面硬度以及耐候性等性能遠優于傳統三合土［12-13］.

3 結論

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

（2）脲酶誘導碳酸鈣沉淀（EICP）技術顯著提升了三合土的碳化速率、表面硬度、抗壓強度和耐候性，且三合土的各項性能隨著豆粉質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抗壓強度提高了68.0%～103.0%.

（3）三合土發生碳化反應生成方解石型碳酸鈣.脲酶調控了生成碳酸鈣的形貌，使得脲酶改性三合土出現了長條狀晶體和團簇狀晶體.長條狀和團簇狀晶體相輔相成，使得三合土的結構更加致密，且隨著豆粉質量濃度的增大，團簇狀晶體相對增多，長條狀晶體相對減少，三合土的性能也逐漸提高.

（4）EICP技術適于實際工程應用，能緩解溫室效應，綠色環保；便捷易操作，無需特殊養護，且其7 d抗壓強度均在1 MPa以上，極大改善了傳統三合土固化速率慢、耐候性差、初期強度低等缺陷.但后續還需進行改性三合土墻體的極限承載力、變形破壞特征以及實際三合土建筑修復工程測試等研究.