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0 引言
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阿尔寨石窟又称“百眼窟”，坐落于内蒙古自治区鄂尔多斯市鄂托克旗的西北地区，是一座开凿在红砂岩岩壁上的石窟寺，石窟本身蕴藏着丰富的、艺术价值极高的关于宗教、历史、人文、科学、文化的历史瑰宝[1]。其中酥碱病害是石窟壁面最为严重的病害之一，被誉为石窟的“壁癌”[2]，在长期风蚀干旱、高低温交替、冬春冻融循环等自然环境的影响下，岩壁及裂隙处富集并析出无机盐，受环境温度、湿度及晶体的结晶过程的影响，不断松胀收缩而出现严重的粉化剥落掉块，同时质地疏松的砾砂岩中存在的微裂缝和毛细孔为水、碱、盐等物质的入渗和析出，并形成泛盐、泛碱提供了通道。
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为防止壁面酥碱病害的发生，提高壁面的强度及耐久性，李红寿研究了酥碱地带地气形成机理，为酥碱的防治、防潮提供了坚实的依据[3]。李家珉等对敦煌莫高窟壁画典型的病害做出调研，并通过室内试验设计模拟了石窟寺壁画病害，呈现的病害符合文物实际现象，为壁画保护的基础科学研究提供了新的途径[4]。苏伯民研究了三种壁面保护材料的力学性能和水汽透过性，得出Paraioid B-72和硅丙乳液使试块水汽透过率分别降低了24%和33%[5]。李燕飞等提出了针对由氯化钠引起的不同类型酥碱病害脱盐材料的筛选办法，并指出了在修复彩绘类文物中应谨慎选择PVAc的种类、浓度从而达到最佳的修复效果[6-7]。张永叙述了地衣类微生物介导的石材风化机理及其与气候环境因子间的关系，为石质文物防风化问题提出了重要思路[8]。孙延忠等极具前瞻性地预测了微生物技术在文物保护领域的应用，概括了国内外微生物在各类材质文物保护中的研究现状[9]。武发思提纲挈领总结了当前生物技术关于文物保护领域的应用研究和进展，为后续学者开展生物学应用于文物保护提供了明晰的指引方向[10-11]。近年来，利用微生物自身代谢过程中的矿化行为，借助周围的钙源环境快速诱导析出具有良好胶结能力的碳酸钙晶体（microbially induced carbonate precipitation，简称MICP）技术，已经成功开展了多项关于文物保护与修复的试验研究，其中谭谦利用微生物诱导生成碳酸钙，成功修复了石质文物并进行了结构强度的检验[12]。何建宏采用MICP注浆法和渗透法，成功修复了汉白玉文物的机械裂缝病害，抗折强度均值为3.68 MPa，强度达到修复前的35%[13-14]。李沛豪等开展细菌诱导矿化沉积修复石砌古建筑试验，证明矿化晶体形成了有效的防护层，使试件孔隙率减小22.2%[15]。岳建伟通过MICP技术探索了古建筑灰浆的修复方法，得出模拟试块的抗压强度提升了67.26%，试块的软化系数较未处理提升了10%并且吸水率降低了47.8%[16]。
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本研究以红砂岩风化土为地仗层，通过室内酥碱病害模拟，提出了酥碱高度、酥粉体积、盐壳厚度的量化指标用于描述酥碱病害的发展程度，同时使用MICP技术对红砂岩壁面的酥碱病害进行修复和评估，为绿色生态环保的岩壁病害修复与加固技术的推广应用进行科学预研。
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1 试验材料
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1.1 红砂岩风化土
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阿尔寨石窟寺现存65窟，由于长期的风化、剥蚀、酥化等，在石窟寺周围有残留的红砂岩风化土（图1a）[17]。将现场采集土样初筛后进行室内土样的基本性能测试试验得到级配曲线图（图1b）。其中由d10=0.048，d30=0.12，d60=0.33得到Cu=6.88，Cc=0.91，依据GB/T50123—2019《土工试验方法标准》，该红砂岩风化土为级配不良的粉砂土。
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图1 试验用土
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Fig.1 Test soil
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本试验探究了三元体系Na+/Cl-，SO2-4-H2O下所引起的病害现象，即主要由无机盐NaCl、Na2SO4引起的酥碱病害，对所取土样分为3份试样进行易溶盐离子鉴定分析，其鉴定结果如表1所示。
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1.2 耐盐碱矿化菌株及其培养
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本试验选用矿化菌种为大洋芽孢杆菌，是根据已确定的红砂岩风化土中主要易溶盐的种类及其含量应用微生物靶向分离技术，自富含NaCl和Na2SO4的盐渍化土壤中分离筛选具有耐盐碱性能、且具有矿化性能的微生物菌株（图2a），该菌株具有良好的耐氯盐、耐硫酸盐、耐混合盐的特性，对弱酸以及碱性环境具有很好的适应性[18-19]。采用液体YE培养基各物质浓度如下：酵母粉：20 g/L、硫酸铵：10 g/L、Tris：15.748 g/L[20]。胶结营养液（图2c）能够提供细菌生长和繁殖所需的各类营养物质，细菌产生的脲酶将尿素分解产生碳酸根离子和铵根离子，同时保证了充足的钙源补给[21-22]。胶结液营养的浓度如下：营养肉汤3g/L、氯化铵：10 g/L、尿素：30 g/L、二水氯化钙：73.5 g/L、碳酸氢钠：2.12 g/L[23]。
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图2 矿化菌种及其营养液
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Fig.2 Mineralized bacterium and its nutrient solution
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1.3 试验药品及其他材料
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NaCl分析纯、Na2SO4分析纯（天津市风船化学试剂科技有限公司）、去离子水、缓冲液、植物油、吸水纸、烧杯、矿物颜料、水粉颜料、画笔、20 mL注射器、刚性材料、培养皿、透水石、烘箱等。
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2 试验方法
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阿尔寨石窟所在地鄂托克旗属于中温带高原大陆性亚干旱气候区，常年昼夜温差大、季节性气候特征明显。该地区在2010—2019年的十年间，年最高气温达到39.1℃，最低气温为-29.9℃，年最大温差达到69.0℃，全旗全年气候干燥，多年平均湿度为48%。
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根据洞窟气候环境特点，在室内进行酥碱病害模拟试验时设置最高气温为50℃，最高湿度为40%。
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2.1 含盐量的确定
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根据1．1节测试结果，各离子按照其活性由大到小的顺序，以等当量的方式相结合，阳离子与阴离子先结合成易溶盐，再结合成不易溶解的盐[24]。在实际中很难将K+与Na+分开，因此全部看作Na+进行计算。阳离子的活性大小为：（K++Na+）＞Mg2+＞Ca2+，阴离子的活性大小为：Cl-＞SO2-4＞HCO-3，得出各盐分含量如表2，该红砂岩风化土样中的NaCl、Na2SO4质量比为1∶1.52。
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2.2 酥碱病害的室内试验模拟方法
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1）洗土：将试验土样用去离子水浸泡24 h，再用玻璃棒反复搅拌后静置，倒去上清液并自然风干，重复2~3次；2）制作地仗层：放一枚刚性材料在透水石之上，将风干后的土样过0.5 mm的圆孔筛，加入适量去离子水拌合后松铺在刚性材料内直至与试件表面齐平，其中刚性材料为空心圆环，尺寸为内径61.8 mm，高40.0 mm，壁厚2 mm；3）制作底色层：待试块自然风干后，将白色矿物颜料与水粉颜料混合均匀后，用毛笔在试样表面薄涂2~3次，直至看不到红砂岩风化土的颜色为止，放置在温度20℃、湿度40%~50%环境中阴干；4）制作颜料层：按照阿尔寨石窟寺实际彩绘情况[25]，为其添加白色、蓝色、红色、黑色、绿色作为颜料层，用于模拟石窟壁画色彩。在水粉颜料中加入矿物颜料后均匀混合，并加入适量水便于毛笔涂刷，将试块表面平均分为五个等份后依次用毛笔涂刷颜料2~3次，直至看不到底色层颜色并且表面平整为止，放置在温度20℃、湿度40%~50%环境中阴干备用，为保证试验精度，每个平行组试件不应少于3个；5）配置复合盐溶液：按照1.1节溶质NaCl、Na2SO4质量比为1∶1.52配置复合盐溶液，复合盐溶液内掺质量百分比设置为3%、6%、9%、12%、15%；6）浸盐养护：将试样连同透水石放置在培养皿中，用注射器加入复合盐水约10~15 mL，使盐溶液刚好没过试件底面约2~3 mm，用于模拟地仗层吸湿过程（图3）。将植物油滴在盐溶液表面，用于阻断空气中水分进入。放入湿度为40%的保温箱12 h后取出，用于模拟洞窟环境。连同薄透水石取出，用吸水纸将表面多余水分和油吸干后放入托盘中，置于50℃的烘箱中进行干燥，时间为12 h。以上盐水浸润-干燥24 h作为一个酥碱老化周期。30个老化周期后停止加盐，放置在室温条件下约100 d作为自然发展周期。
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图3 酥碱老化试验示意图
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Fig.3 Schematic diagram of the salt efflorescence aging test
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2.3 基于MICP技术生成覆膜试样制备
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MICP技术制件工艺中常用的材料为土工布，它是一种透水性良好的柔性模具[26-27]。本研究主要对试件表层进行微生物矿化覆膜，而现有的MICP技术常采用试件“整体加固”思维，因此应用于本试验不太符合实际工况[28]。本试验采用半刚性模具（图4a），即土工布-刚性材料组合模具：周围使用刚性材料，上下仍沿用土工布的制作工艺。该工艺保证了钙离子和碳酸根离子只沿土工布进入被加固土样，试件只有上下表面被加固，同时在试验环节保证模拟毛细水只沿垂直方向上升。
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图4 MICP技术覆膜固化
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Fig.4 MICP technology coating curing
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为验证MICP技术所形成的矿化覆膜对酥碱病害的防治作用，本实验分别设置1.2、1.5、1.8三个细菌浓度的OD600值作为观察矿化效果的变量，不同浓度的设置采用将培养后的菌液经过4 000 r/min，20 min的离心后倒掉上清液并使用缓冲液清洗，并且清洗-再离心的次数不少于3次，在最后一次清洗后测得缓冲液pH=7时方可使用，随后与去离子水混合所配得。试验前同样将试验用土采用去离子水浸泡、冲洗3次，风干过筛后称取与2.1.2条等质量土样，并加入50 mL的菌液进行充分拌合，随后分层放入半刚性模具中采用自然浸泡法培养14 d后自然风干备用。
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2.4 激光粒度分析试验
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激光粒度分析仪，是目前测试粒度范围比较先进的仪器，它测试范围广、速度快、精度高常用于水质分析、工业产品粒径分析中[29]。本试验所用激光粒度分析仪产自济南微纳颗粒技术有限公司，型号为：Winner2000ZD。通过激光粒度分析实验观察酥碱病害发生前后土颗粒粒度的变化情况。
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3 结果和讨论
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3.1 室内酥碱模拟试验结果
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经过30 d老化周期的室内酥碱病害模拟，除3%试块病害不明显未取出外，其他含盐量的试块均发生了与阿尔寨石窟类似的壁面病害（图5）。含盐量越高病害程度越严重，病害的发展有：疱疹、鼓包、起甲、褪色、酥碱、泛盐以及表面开裂，随着老化周期的持续，病害程度仍在加重。
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图5 30个老化周期后试件病害
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Fig.5 Disease of the sample after 30 aging cycles
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在短期内试件酥碱病害现象是极其微弱的，经过30 d老化周期后停止老化试验，并继续在室内常温、常湿下放置约100 d作为自然发展周期，此时酥碱病害仍在发展，试块表面均发生了翘曲、开裂、疱疹等病害。当试件在自然环境存放时，试件中的无机盐仍受到空气中的水分和温度的影响，会吸收10个结晶水使盐晶体膨胀3．1倍[30]，因此发生了翘曲、开裂等病害。红砂岩风化土由于盐胀的顶升作用而升高的高度称为酥碱高度（图6a），对拆解的试件发现，其酥碱病害的发展集中在一个凹陷的坑内，称为酥坑（图6b），在酥坑内集聚了大量盐胀后的土颗粒和结晶盐颗粒的混合颗粒，称为酥粉颗粒（图6c）。酥粉之间几乎没有黏结力，依靠其重力轻轻地倒在纸上，随后转移至量筒中测得酥粉的体积。
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根据查阅相关文献及试验结果，定义当复合盐水的质量百分比大于10%称为高含盐量，小于10%称为低含盐量。通过观察发现：低含盐量（9%、6%、3%）盐水养护的试件酥坑为圆柱状并且只有较薄的一层，而高含盐量（15%、12%）盐水养护的试件的酥坑呈现陀螺状并且较深。在盐分的蒸发作用下，所有试块的上表面出现了薄厚不一的盐壳（图6d），取下盐壳发现有的只有薄薄一层并且质地很脆，有的盐壳与颜料层、土层混合在一起，难以分离并且厚度较厚，因此使用千分尺测量盐壳的厚度，用来评判在水盐迁移作用下的盐分蒸发量。
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图6 酥碱病害模拟
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Fig.6 Disease simulation of salt efflorescence
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使用激光粒度分析仪对酥碱病害前后土颗粒粒径的变化进行了观察，为保证试验的精度，对未酥化的红砂岩风化土和酥粉过0．075 mm筛选取微米级粒径再进行粒度分析，试验结果如图7所示。未酥化的红砂岩风化土颗粒的粒径初始的粒径为0.7 μm，限制粒径d60=2.1 μm，d100=7.1 μm，而酥粉颗粒的初始粒径为0.4 μm，限制粒径d60=3.2 μm，d100=12.7 μm，其限制粒径d60增长了52.38%并且粒径的上限值增大、下限值缩小。其中粒径1.2~1.8 μm的颗粒严重缺失（该段级配曲线几乎平行于横坐标）同时大于1.8 μm粒径的粒组部分缺失。造成该试验现象的原因有：无机盐在浸盐后存在于红砂岩风化土的空隙中，由于无机盐吸收结晶水导致晶体膨胀释放了水合压力使得部分土颗粒被崩解，因此酥粉产生了小于未酥化红砂岩风化土最小粒径的颗粒；同时在无机盐分结晶作用和盐水的黏聚作用下，一部分小颗粒粒径的土结合到一起，形成较大的团簇结构，使得累积最大粒径d100增大，基于此导致了部分粒组缺失，造成了土颗粒级配不良的现象。
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图7 红砂岩风化土与酥粉级配变化
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Fig.7 Weathered red sandstone soil and crisp powder gradation change
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3.2 基于MICP技术防治酥碱病害试验结果
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与3．1节相同条件的养护后，对经过MICP矿化覆膜加固的试件进行拆解后发现其内部分层明显（图8），自上而下分为：上表层加固区域（图8b）、酥坑区域、未加固土层区域、下表层加固区域。其中，上表层加固层表面质地坚硬并光滑平整，菌液在向下渗流时导致下部菌液浓度较大，因此下表层加固区域厚度大于上表层加固区域。经过MICP技术加固的下表层加固区域内部区域出现“中间高，四周低”的现象（图8d），产生该现象的原因是试件在养护的初期阶段，土体并未完全固化菌液会向下沉积，由于试件紧贴养护箱底面，在土工布阻止、菌液的表面张力二者的共同作用下，只有少量菌液溢出，使得试件底端轴线的菌液浓度稍稍大于边缘；同时由于同种细菌相聚集的特性，导致大洋芽孢杆菌分布比较集中，因此由矿化作用形成的碳酸钙胶结颗粒呈现聚集性分布。
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图8 MICP技术覆膜加固试件
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Fig.8 MICP technology coating-reinforced specimens
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试件经过了30 d的老化周期和100 d的自然养护周期后，测量其酥碱高度、酥粉体积和形成的盐壳厚度，得出不同含盐量下的酥碱病害发展规律（图9）。
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为方便数据整理，将不同OD600下各物理指标的下降幅度进行了表格化处理，如表3所示。其中，各物理指标下降幅度均以该含盐量下未修复试件为基准（OD600=0，即未添加菌液），单位：%。
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由图9、表3可知，随着含盐量越高，未进行修复的试件的酥碱高度、酥粉体积发展越快，盐壳厚度明显增加。基于MICP技术生成矿化覆膜进行病害修复，随着细菌浓度增大，酥碱高度、酥粉体积和盐壳厚度降低幅度明显，在MICP技术抑制作用下，所有盐分的酥碱高度平均值减少了20%以上、酥粉体积减少了30%以上、盐壳厚度减少了25%以上，因此矿化覆膜对病害的发生及发展抑制效果显著。
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在高含盐量下（15%、12%），以未修复试件为基准，经过MICP技术生成矿化覆膜修复后的试件，当OD600值为1.8时，试件的酥碱高度下降38.6%，酥粉体积下降51.5%，盐壳厚度下降51.9%，特别是，当OD600值由1.2增加到1.5时，试件的酥碱高度下降幅度的平均值上升了13.7%，酥粉体积下降幅度的平均值上升了7.1%，盐壳厚度下降幅度的平均值上升了8.6%；当OD600值由1.5增加到1.8时，试件的酥碱高度、酥粉体积、盐壳厚度下降幅度的平均值分别仅仅上升了2.0%、6.6%、9.9%，通过比较发现：在高含盐量下，通过改变细菌浓度对病害修复效果提升作用不大，因此，综合考虑经济性和病害的修复效果，建议在高含盐量下选择OD600值为1.5的菌液进行病害修复。该菌液浓度下，高含盐量试件的酥碱高度下降幅度大于35%，酥粉体积下降幅度大于40%，盐壳厚度下降幅度大于35%。
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图9 酥碱病害发展规律
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Fig.9 Development law of salt efflorescence
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在低含盐量下（9%、6%、3%），经过MICP技术生成矿化覆膜修复后病害得到抑制。选择OD600为1.5的菌液进行病害修复，试件的酥碱高度下降幅度大于15%，酥粉体积下降幅度大于40%，盐壳厚度下降幅度大于15%。特别是，当OD600值由1.2增加到1.5时，试件的酥碱高度下降幅度的平均值上升了5.2%，酥粉体积下降幅度的平均值上升了12.2%，盐壳厚度下降幅度的平均值上升了5.4%；当OD600值由1.5增加到1.8时，试件的酥碱高度、酥粉体积、盐壳厚度下降幅度的平均值分别上升了5.4%、7.8%、7.0%，因此通过改变细菌浓度对于低盐分下酥碱高度影响不大，但对盐壳厚度影响较大。
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基于MICP技术修复红砂岩基质壁面酥碱病害的内在机理在于归纳如下：
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1）在微生物矿化作用下，上下表面被碳酸钙胶结颗粒填充、加固形成了具有一定厚度的阻隔层，阻隔层可以使得水盐迁移速率降低，减弱土体中的毛细作用，进而减弱无机盐结晶压力和水合压力的释放，并且随着细菌浓度的上升，阻隔层的渗透性越低，致密性越强。
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2）阻隔层可以将部分盐分阻挡在阻隔层之下，导致无法顺利通过水汽蒸发在表面析出，这使得加固后的试件大部分的盐分聚集区域由试件表面下降到阻隔层内部或者之下，进而削减原本的盐壳厚度，同时上下阻隔层具有一定的保温、保湿功能，起到降低水汽蒸发的作用。
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3）碳酸钙晶体所形成的矿化覆膜会填充试件表面空隙使之产生一定的抗拉强度，从而抵消部分盐分吸收结晶水时所产生的水合压力，使得一定区域的加固部位以及临近具有高孔隙率的完好保存部位的盐分激活失效，进而盐胀破坏能力减弱保护了试件表面。
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4 结论
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1）通过室内病害模拟了以红砂岩风化土为基质的壁面与阿尔寨石窟类似的酥碱病害，提出酥碱高度、酥粉体积、盐壳厚度的量化指标用于评价酥碱病害的发展程度。
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2）通过激光粒度分析试验，发现酥粉的限制粒径d60较未酥化的红砂岩风化土颗粒增长了52.38%，并且酥粉粒径的上限值增大、下限值缩小，病害前后土颗粒会发生崩解或者再结合现象，进而导致土体级配不良。
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3）在MICP技术生成的矿化覆膜抑制作用下，酥碱高度平均减少了20%以上、酥粉体积减少了30%以上、盐壳厚度减少了25%以上，结合经济性以及病害的修复效果推荐使用OD600值为1.5的菌液进行病害修复。
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4）通过MICP技术形成了微生物矿化覆膜在盐分移运以及水汽蒸发中起到一定的阻隔作用，因此部分盐分无法在表面顺利析出，同时碳酸钙胶结颗粒在无机盐吸收结晶水膨胀时抵消部分水合压力，因此减弱酥碱病害的破坏。
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参考文献
-
[1] 杜青松．内蒙古阿尔寨石窟地质环境及病害调查与保护[J]．石窟寺研究，2018(1)：404-430． DU Qingsong． Geological environment and disease investigation and protection of Aerzhai Grottoes in Inner Mongolia[J]． Cave Temples Studies，2018(1)：404-430．
-
[2] 陈港泉．敦煌莫高窟壁画盐害分析及治理研究[D]．兰州：兰州大学，2016． CHEN Gangquan． Study on salting damage analysis and treatment of wall paintings at Mogao Grottoes，Dunhuang[D]． Lanzhou：Lanzhou University，2016．
-
[3] 李红寿．基于地气活动的酥碱带形成机制[J]．文物保护与考古科学，2022，34(2)：117-123． LI Hongshou． Mechanism of formation of efflorescence belts based on the earth-air activity[J]． Sciences of Conservation and Archaeology，2022，34(2)：117-123．
-
[4] 李佳珉，陶利英，张秉坚，等．石窟壁画可溶盐破坏过程的实验室模拟研究[J]．文物保护与考古科学，2014，26(2)：37-45． LI Jiamin，TAO Liyin，ZHANG Bingjian，et al． Laboratory simulation of the process of soluble salt damage to ancient grotto murals[J]． Sciences of Conservation and Archaeology，2014，26(2)：37-45．
-
[5] 苏伯民，张化冰，蒋德强，等．3种常用壁画保护材料的力学性能和水汽透过性研究[J]．涂料工业．2015，45(6)：51-55． SU Bomin，ZHANG Huabing，JIANG Deqiang，et al． Mechanical properties and water vapor permeability of three conservation materials for wall paintings[J]． Paint & Coatings Industry，2015，45(6)：51-55．
-
[6] 李燕飞，方晓芸，王磊，等．酥碱壁画脱盐材料的性能评价研究[J]．西北师范大学学报(自然科学版)，2023，59(1)：112-117． LI Yanfei，FANG Xiaoyun，WANG Lei，et al． Performance evaluation of desalting materials for efflorescence wall paintings[J]． Journal of Northwest Normal University(Natural Science)，2023，59(1)：112-117．
-
[7] 李燕飞，赵林毅，方晓芸，等．彩绘类文物保护材料明胶的表征及性能[J]．西北师范大学学报(自然科学版)，2021，57(1)：70-76． LI Yanfei，ZHAO Linyi，FANG Xiaoyun，et al． Characterization and properties of gelatin as a kind of conservation material for painted cultural relics[J]． Journal of Northwest Normal University(Natural Science)，2021，57(1)：70-76．
-
[8] 张永，武发思，苏敏，等．石质文物的生物风化及其防治研究进展[J]．应用生态学报，2019，30(11)：3980-3990． ZHANG Yong，WU Fasi，SU Min，et al． Research progress on the bioweathering and controlling of stone cultural relics[J]． Chinese Journal of Applied Ecology，2019，30(11)：3980-3990．
-
[9] 孙延忠，陈青．微生物技术在文物保护中的应用研究述略[J]．文物保护与考古科学，2008，20(3)：68-72． SUN Yanzhong，CHEN Qing． Review of microbial technology’s application in the conservation of cultural heritage[J]． Sciences of Conservation and Archaeology，2008，20(3)：68-72．
-
[10] 武发思，张永，苏敏，等．生物技术在文物保护修复中的应用研究进展[J]．文物保护与考古科学，2022，34(1)：133-143． WU Fasi，ZHANG Yong，SU Min，et al． Advancement of biotechnology for the conservation and restoration of cultural heritage objects[J]． Sciences of Conservation and Archaeology，2022，34(1)：133-143．
-
[11] 武发思，李洁．石质文物微生物研究现状与展望[J]．石窟与土遗址保护研究，2022，1(4)：14-33． WU Fasi，LI Jie． The current status and future prospects for microbial research on stone cultural relics[J]．Research on the Conservation of Cave Temples and Earthen Sites，2022，1(4)：14-33．
-
[12] 谭谦．微生物用于石质文物破损修复的试验研究[D]．北京：清华大学，2017． TAN Qian． Research on marble relics repairment by microbially induced carbonate precipitation technology[D]． Beijing：Tsinghua University，2017．
-
[13] 何建宏．MICP用于断裂汉白玉石材修复的试验研究[D]．北京：清华大学，2019． HE Jianhong． Research on repairing broken white marble stone by microbially induced carbonate precipitation techonology[D]． Beijing：Tsinghua University，2019．
-
[14] 何建宏，郭红仙，谭谦，等．微生物诱导碳酸钙修复汉白玉石梁裂缝试验研究[J]．文物保护与考古科学，2019，31(6)：46-53． HE Jianhong，GUO Hongxian，TAN Qian，et al． Experiment research on the restoration of white marble beams using microbially-induced carbonate precipitation[J]． Sciences of Conservation and Archaeology，2019，31(6)：46-53．
-
[15] 李沛豪，屈文俊．石砌古建筑的细菌修复加固试验研究[J]．建筑结构，2010，40(增刊2)：420-423． LI Peihao，QU Wenjun． Remediation of ancient masonry buildings by bacterially induced biomineralization[J]． Building Structure，2010，40(Suppl．2)：420-423．
-
[16] 岳建伟，王巍智，朱耀冬．MICP技术改性古建筑灰浆实验研究[J]．河南大学学报(自然科学版)，2021，51(3)：289-298． YUE Jianwei，WANG Weizhi，ZHU Yaodong． Experimental study on modification of ancient building mortar with MICP technology[J]． Journal of Henan University(Natural Science)，2021，51(3)：289-298．
-
[17] 王超．干湿循环作用下红砂岩风化土强度和固结变形特性试验研究[D]．赣州：江西理工大学，2020． WANG Chao． Experimental study on strength and consolidation deformation characteristics of red sandstone weathered soil under dry-wet cycle[D]． Ganzhou：Jiangxi University of Science and Technology，2020．
-
[18] WANG Xiaorong，LI Chi，FAN Wenhan，et al． Reduction of brittleness of fine sandy soil biocemented by microbial-induced calcite precipitation[J]． Geomicrobiology Journal，2022，39(2)：135-147.
-
[19] WANG Xiaorong，LI Chi，HE Jia． A highly effective strain screened from soil and applied in cementing fine sand based on MICP-bonding technology[J]． Journal of Biotechnology，2022，350：55-66．
-
[20] SU F，YANG Y，QI Y，et al． Combining microbially induced calcite precipitation(MICP)with zeolite：a new technique to reduce ammonia emission and enhance soil treatment ability of MICP technology[J]． Journal of Environmental Chemical Engineering，2022，10(3)：107770．
-
[21] WANG Z，ZHANG N，DING J，et al． Thermal conductivity of sands treated with microbially induced calcite precipitation(MICP)and model prediction[J]． International Journal of Heat and Mass Transfer，2020，147：118899．
-
[22] 褚文杰，李驰，武慧敏，等．土豆脲酶提取及基于酶诱导碳酸钙沉淀技术对风积沙改良的方法[J]．土木与环境工程学报(中英文)，2023，45(2)：74-80． CHU Wenjie，LI Chi，WU Huimin，et al． Extraction of potato urease and improvement of aeolian sand based on EICP[J]． Journal of Civil and Environmental Engineering，2023，45(2)：74-80．
-
[23] 李弘妍．基于MICP-B技术固化砂性土的试验研究[D]．呼和浩特：内蒙古工业大学，2017． LI Hongyan． Experimental study on solidification of sandy soil based on MICP-B technology[D]．Hohhot：Inner Mongolia University of Technology，2017．
-
[24] 游富洋，崔月娥，徐善良．盐渍土中硫酸钠含量的计算方法探讨[J]．煤炭工程，2010，380(7)：72-74． YOU Fuyang，CUI Yue’e，XU Shanliang． Discussion on calculation method of sodium sulfate content in saline soil[J]． Coal Engineering，2010，380(7)：72-74．
-
[25] 潘春利，侯霞．内蒙古阿尔寨石窟壁画的题材特点与艺术特色[J]．内蒙古艺术，2017，94(2)：76-78． PAN Chunli，HOU Xia． The theme characteristics and artistic characteristics of the murals in the Aerzhai Grottoes in Inner Mongolia[J]． Inner Mongolia Art，2017，94(2)：76-78．
-
[26] FU T，SARACHO A C，HAIGH S K． Microbially induced carbonate precipitation(MICP)for soil strengthening：a comprehensive review[J]． Biogeotechnics，2023，1(1)：100002．
-
[27] AHENKORAH I，RAHMAN M M，KARIM M R，et al． Unconfined compressive strength of MICP and EICP treated sands subjected to cycles of wetting-drying，freezing-thawing and elevated temperature：experimental and EPR modelling[J]． Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering，2023，15(5)：1226-1247．
-
[28] SOHAIL M G，DISI Z A，ZOUARI N，et al． Bio self-healing concrete using MICP by an indigenous Bacillus cereus strain isolated from Qatari soil[J]． Construction and Building Materials，2022，328：126943．
-
[29] 马杰．激光粒度分析仪在土工颗粒分析试验中的应用[J]．土工基础，2022，36(3)：466-470． MA Jie． Application of laser particle size analyzer in the grain size distribution test for geotechnical purposes[J]． Soil Engineering and Foundation，2022，36(3)：466-470．
-
[30] 靳治良，陈港泉，夏寅，等．土质文物盐害中硫酸钠的研究——从微观到宏观[J]．文物保护与考古科学，2016，28(1)：54-62． JIN Zhiliang，CHEN Gangquan，XIA Yin,et al． Sodium sulfate behind earthen relics salt damages：from micro to macro[J]． Sciences of Conservation and Archaeology，2016，28(1)：54-62．
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摘要
阿尔寨石窟寺是内蒙古地区规模最大且保存最为完整的石窟寺建筑群，其蕴含了珍贵的关于历史、宗教、科学、文化的艺术价值，被誉为“草原上的敦煌”。由于当地典型的沙旱寒区气候特征，酥碱成为石窟壁面最为严重的病害之一，目前阿尔寨石窟正处于保护阶段，因此通过室内对病害进行模拟和研究尤为重要。本研究通过微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）技术，对以红砂岩风化土为基质的壁面的酥碱病害进行修复，通过激光粒度分析了病害前后土颗粒粒径的变化，提出酥碱高度、酥粉体积、盐壳厚度的量化指标用以评价病害的发展程度。基于微生物矿化技术生成矿化覆膜对病害进行抑制，推荐使用微生物菌液浓度OD600大于1.5的具有耐盐碱性能的矿化菌株，修复后酥碱高度下降幅度大于20%，酥粉体积下降幅度大于30%，盐壳厚度下降幅度大于25%。研究成果对生物矿化技术应用于红砂岩石窟壁面的酥碱病害的修复进行试验验证和可行性评估，为绿色生态环保的岩壁病害修复与加固技术的推广应用进行科学预研。
Abstract
Arjai Grotto Temple is the largest and most completely preserved grotto temple complex in Inner Mongolia. It contains precious artistic information about history, religion, science and culture, and is known as “Dunhuang on the grassland”. Due to the typical climatic characteristics of the local arid and cold regions, salt efflorescence has become one of the most serious diseases of grotto walls. At present, Arjai Grottoes are in the stage of protection, so it is particularly important to simulate and study the diseases indoors. In this study, the microbial induced calcium carbonate precipitation (MICP) technology was used to treat the salt efflorescence on the wall with weathered red sandstone soil as the matrix. The change of soil particle size before and after the disease was obtained by laser particle size analysis, and the physical indexes of plaster disruption height, powder volume and salt crust thickness were used to evaluate the degree of development of the disease. Based on the microbial mineralization technology, a mineralized film was generated to inhibit the disease. It is recommended to use the mineralized strain with a concentration of microbial liquid—OD600 greater than 1.5, which has the salt-tolerant performance. After the treatment, the height of plaster disruption decreased by more than 20%, the volume of powder decreased by more than 30%, and the thickness of salt crust decreased by more than 25%. We carried out experimental verifications and feasibility evaluations of the application of biomineralization technology to the treatment of salt efflorescence on the wall of red sandstone grottoes, the results of which could provide scientific pre-research on the promotion and application of green ecological and environmentally friendly technologies for rock wall restoration and reinforcement.
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