1 绪论
1.1 研究背景及研究意义
随着我们物质生活水平和精神生活质量的逐渐改善，我们对历史文化遗产的重视程度也在逐渐加强，其中近现代建筑文化遗产作为传统文化遗产重要组成逐渐被人们重视起来。中国近现代历史建筑的研究保护工作是比较欠缺的一项，它总被拥有更加辉煌历史的中国古代建筑所掩盖，由于人们对于中国近代优秀历史建筑的认识程度不足，因此制约了中国近现代历史建筑的研究与保护工作。现阶段已经公布的国家重点文物保护单位中古建筑占 45.91%，古遗址占 21.49%，近现代重要史迹和优秀历史建筑占 16.38%[1]。
中国近现代史留下了大量的优秀建筑，如宗教遗址、名人故居、高校历史建筑、工业建筑遗产等等，因其建造艺术的多样性、建筑技术的先进性和东西文明的交融性，使这些近现代优秀历史建筑的价值更加弥足珍贵，它们是中国近现代城市文化、建筑文化的重要见证和宝贵结晶，是中华文明沉积的重要组成。这些近现代建筑的背后都存在着大量的人文历史信息，但现阶段仍然有大量优秀历史建筑未得到有效保护。这是因为人们对近现代历史建筑的价值认识不足存在较多误区，始终没有得到社会的高度关注，认为古代建筑年代久远、数量稀少，更需要保护，而近现代建筑存世量大、判断困难，因此在保护研究工作上显得滞后，以至于一些近现代历史建筑不断遭到人为破坏，正在从城市记忆中慢慢消亡。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 微生物矿化机理与研究现状
研究发现，土壤中存在产脲酶物质的细菌可以借助外界介质中的尿素等有机物以及游离钙离子，矿化沉积出具有良好胶凝特性的碳酸钙产物，这种结晶体可以将松散的颗粒胶结形成具有强度的结构，这种技术被称为微生物矿化沉积技术。微生物矿化技术常用的细菌是巴氏芽孢杆菌，该菌能在酸碱、高盐度等恶劣环境中存在生物活性。细菌代谢产生的脲酶物质可以与环境中的尿素发生反应，转化为碳酸氢根离子和铵根离子，在碱性环境中碳酸氢根离子和游离的钙离子反应生成碳酸钙沉淀。细菌本身一般带有负电荷，与环境介质中阳离子相互吸引，因此细菌促进了矿化反应中碳酸钙的晶体成型。
郝小虎[2]等对微生物矿化处理改善再生骨料性能进行研究，分析了钙源种类、钙离子浓度对再生骨料性能的影响，研究发现微生物矿化处理能够显著改善再生骨料的质量和表观密度。袁杰[3]等分析了微生物矿化反应下对水泥基自修复与性能改善效果的影响，研究了微生物矿化对不同裂缝形态的修复及耐久性的改善效果，结果表明矿化的方解石封闭填充 50%以上，抗渗性、抗硫酸盐侵蚀性、抗冻性得到改善。李驰[4]等分析了微生物矿化风沙土强度及孔隙特征，通过分析矿化砂土试样的强度以及菌液浓度对砂土矿化强度的影响，研究表明微生物矿化后的砂土强度提高效果明显。肖湘竹[5]等采用微生物矿化方式处理放射性核素，试验分析了多种外界因素对矿化反应的影响，结果表明细菌在沉淀过程中对锶元素矿化起到了重要作用，固结率可达 95%左右。Tittelboo[6]等研究硅凝胶材料作为固载细菌的保护材料，研究发现经过处理后细菌在高碱性介质中仍存在良好生物酶活性。Ferris[7]等从宏观上分析了外界环境温度改变对微生物分解尿素速率的影响，研究发现外界环境温度越高微生物分解尿素速率越快。
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2 细菌培养与生长特性研究
2.1 细菌培养与保存
2.1.1 微生物活化
本文采用巴氏芽孢杆菌作为矿化菌种，购买于上海瑞楚生物科技有限公司，编号ATCC11859，冻干粉，化能异养菌，细菌呈杆状。
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2 细菌培养与生长特性研究
2.1 细菌培养与保存
2.1.1 微生物活化
本文采用巴氏芽孢杆菌作为矿化菌种，购买于上海瑞楚生物科技有限公司，编号ATCC11859，冻干粉，化能异养菌，细菌呈杆状。
实验室制备好若干液体培养基和固体培养基，121℃，20min 高压蒸汽灭菌处理，放入无菌操作实验台降温待用。使用医用脱脂棉球蘸取 70%的酒精清洗冻干管，将冻干粉甩至底部圆球位置，将冻干粉的尖端放在酒精灯上加热，在加热部位滴入少量无菌水，此时冻干管尖端处玻璃断裂。使用无菌吸管提取 0.1ml-0.2ml 解冻液，滴入冻干管内。当冻干管内的菌粉逐渐溶解呈悬浮状态后，再用无菌吸管吸取 1ml 菌液接入配制好的培养液中，混合均匀，放入温度 30℃，转速 200rpm 摇床内培养。连续培养 48h 后，取出观察培养液形态若发现培养液明显呈浑浊状态，说明巴氏芽孢杆菌活化成功。将活化完成的培养基，放入离心机中以 4000g 的加速度离心 20min，移除上清液，摇匀，然后再重复上述步骤一遍，最后将活化成功后的细菌通过接种环向固体培养基斜面划线并进行4℃冰箱冷冻储藏，每三个月进行一次转接。
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2.2 环境因素对细菌活性的影响
水泥基材料具有很高的碱性，水泥砂浆硬化后其内部仍然能够保持较高 pH。因此采用微生物矿化砂浆内部有害离子来抑制泛碱，需要分析微生物进入后其生存环境改变造成的影响。试验设置在不同 pH 值条件下进行培养，检测微生物的活性变化，脲酶活性的变化，以及不同温度下细菌活性、脲酶活性的变化来探究环境因素对细菌活性的影响。
2.2.1 pH 对细菌的影响
（1）培养阶段 pH 对细菌、脲酶活性的影响
为了分析在细菌培养阶段培养基 pH 值对细菌及脲酶活性的影响，试验设置不同 pH值的培养基对细菌进行培养，每次间隔相同时间测定细菌、脲酶的活性变化。
试验选用 NaOH 溶液调整培养基 pH 值，分别为 pH=7、8、9、10、11、12，将调整过 pH 值的培养液放入高压蒸汽灭菌锅中，温度 121℃灭菌 20min，待冷却后用移液枪吸取等量细菌分别加入不同 pH 值培养基中进行培养。
2.2 环境因素对细菌活性的影响
水泥基材料具有很高的碱性，水泥砂浆硬化后其内部仍然能够保持较高 pH。因此采用微生物矿化砂浆内部有害离子来抑制泛碱，需要分析微生物进入后其生存环境改变造成的影响。试验设置在不同 pH 值条件下进行培养，检测微生物的活性变化，脲酶活性的变化，以及不同温度下细菌活性、脲酶活性的变化来探究环境因素对细菌活性的影响。
2.2.1 pH 对细菌的影响
（1）培养阶段 pH 对细菌、脲酶活性的影响
为了分析在细菌培养阶段培养基 pH 值对细菌及脲酶活性的影响，试验设置不同 pH值的培养基对细菌进行培养，每次间隔相同时间测定细菌、脲酶的活性变化。
试验选用 NaOH 溶液调整培养基 pH 值，分别为 pH=7、8、9、10、11、12，将调整过 pH 值的培养液放入高压蒸汽灭菌锅中，温度 121℃灭菌 20min，待冷却后用移液枪吸取等量细菌分别加入不同 pH 值培养基中进行培养。
细菌在不同 pH 值环境中生长变化曲线可以看出，在 pH=9 的环境中细菌的活性最好，其次为 pH=7、8，pH=10、11 细菌活性下降明显，pH=12 环境中细菌活性最低，可以得出细菌在 pH=12 的高碱环境中很难进行繁殖存活。
研究发现可以通过电导率变化速率来表示细菌脲酶活性，试验表明尿素分解量与溶液电导率变化量成正比[57]。进一步探究脲酶活性的影响，取不同 pH 培养基中的细菌，进行脲酶活性的检测，检测方法是配置一定浓度的尿素溶液，加入等量的细菌，其单位时间内由于脲酶水解尿素而导致溶液中导电离子浓度增加，从而使溶液的电导率发生改变，脲酶水解尿素的量与溶液电导率增加量成正比，因此用电导率变化量来反应菌液单位时间内脲酶水解尿素的能力，即脲酶的活性。
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3 改性灰浆泛碱试验研究 ................................ 21
3.1 试块的制备与养护 .............................. 21
3.1.1 试验原材料 ............................... 21
3.1.2 试件的制备与养护 ......................... 22
4 改性灰浆防水性试验研究 ..................................... 35
4.1 浸泡法防水试验探究 .......................... 36
4.2 两阶段防水试验 .......................... 38
5 改性灰浆耐酸碱性试验研究 ...................................... 43
5.1 酸性侵蚀试验 .............................. 43
5.1.1 质量变化率 ..................................... 47
5.1.2 盐度变化 ................................. 48
6 改性灰浆冻融循环试验研究
6.1 冻融循环试验
试验采用尺寸为 70.5mm×70.5mm×70.5mm 的立方体试样，试验设置 1 组、2 组、3组，1 组为对照组试样，2 组为 3 次矿化周期处理后试样，3 组为 3 次矿化加防水剂处理试样。试验设置冻融循环周期分别为 0 次、25 次、50 次、75 次、100 次。分别标记为 D10、D125、D150、D175、D1100；D20、D225、D250、D275、D2100；D30、D325、D350、D375、D3100。
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7 结论与展望
7.1 结论
本文主要研究了如何提高灰浆的耐久性，试验采用微生物矿化有机处理与防水剂材料处理相结合的方式改善灰浆耐久性。对改性灰浆进行了微生物矿化泛碱试验、灰浆防水试验、酸性侵蚀试验、碱性侵蚀试验、冻融循环试验、无侧限抗压试验，对改良前后试样的外观形态、质量变化、盐度变化、电导率变化、抗压强度变化进行了系统的比较，通过 SEM 扫描电镜对微生物矿化泛碱后试样内部微观结构进行观测，对其内部结构及矿化形态进行分析，综合以上试验数据和试验结果得出以下结论：
7.1 结论
本文主要研究了如何提高灰浆的耐久性，试验采用微生物矿化有机处理与防水剂材料处理相结合的方式改善灰浆耐久性。对改性灰浆进行了微生物矿化泛碱试验、灰浆防水试验、酸性侵蚀试验、碱性侵蚀试验、冻融循环试验、无侧限抗压试验，对改良前后试样的外观形态、质量变化、盐度变化、电导率变化、抗压强度变化进行了系统的比较，通过 SEM 扫描电镜对微生物矿化泛碱后试样内部微观结构进行观测，对其内部结构及矿化形态进行分析，综合以上试验数据和试验结果得出以下结论：
（1）通过对试样的外观、电导率、盐度、质量、强度、EDS、SEM 分析等指标对微生物矿化进行判定，对其变化曲线分析、EDS 能谱及电镜分析可以得出微生物矿化水泥基材料泛碱是有效可行的，最佳矿化周期为 3 次，强度增长率为 7.81%。通过微生物矿化反应可以将不利的盐碱离子转化为有利的碳酸盐沉淀，既能有效的抑制泛碱现象又能提高材料的抗压强度，进而改善灰浆的耐久性。
（2）试验最终采用两阶段防水处理，充分发挥两种防水剂各自的特点，外防水用无机防水剂 A 在试验外层形成保护膜，耐酸碱性较好；内防水采用有机防水剂 B 外加催化剂，水溶液为碱性，分子结构小更容易进入试验内部，同时可以提高试样内部碱性环境，更有利于提高试样的耐久性。结果表明，采用两阶段防水处理的效果明显，在负压装置的作用下添加催化剂的防水剂 B 可以完全渗入试样内部，试样内部达到完全防水的效果。
（3）探究了改性灰浆的耐酸碱性能，从宏观角度观察试样外观形态变化，并通过监测不同 pH 值条件下试样的质量变化、盐度变化、电导率变化以及抗压强度变化来判定灰浆的耐酸碱性能。对改良前后试样在酸碱溶液侵蚀下的抗压强度进行对比，1 组、2 组试样随着侵蚀时间的增加，试样的抗压强度逐渐降低，强度损失随着酸碱性的增强逐渐增加。3 组试样抗压强度明显高于 1 组、2 组试样，随着酸碱性的减弱试样强度损失逐渐减小，由此表明微生物矿化与防水剂的加入，有效改善了试样在酸碱溶液侵蚀下的强度损失。
（3）探究了改性灰浆的耐酸碱性能，从宏观角度观察试样外观形态变化，并通过监测不同 pH 值条件下试样的质量变化、盐度变化、电导率变化以及抗压强度变化来判定灰浆的耐酸碱性能。对改良前后试样在酸碱溶液侵蚀下的抗压强度进行对比，1 组、2 组试样随着侵蚀时间的增加，试样的抗压强度逐渐降低，强度损失随着酸碱性的增强逐渐增加。3 组试样抗压强度明显高于 1 组、2 组试样，随着酸碱性的减弱试样强度损失逐渐减小，由此表明微生物矿化与防水剂的加入，有效改善了试样在酸碱溶液侵蚀下的强度损失。
参考文献（略）