历史建筑遗产生物修复加固理论与实验研究

摘要

生物修复加固一般基于硫酸盐还原菌（SRB）、硝酸盐还原菌（NRB）、烃降解细菌（HDB）、钙化细菌（BCB）以及脂肪酶、蛋白酶、糖酶等酶水解作用的利用，SRB、NRB及HDB可以分别用于修复还原沉积于历史建筑遗产表面的硫酸盐、硝酸盐以及降解脂肪烃和芳香烃污垢，BCB可以用于结构加固修复，修补愈合结构的表层裂缝，水解酶可以用来清除碳水化物、油脂、蛋白质类的有机污垢。历史建筑遗产修复加固应避免造成不可逆损伤，其产物应兼具良好的相容性、有效性与耐久性，为了推动历史建筑遗产生物修复加固研究深入及实际应用，本文首先基于生物修复加固研究现状，提出了生物修复加固研究的基本框架，随后展开理论与实验方面的研究，主要工作如下： ⑴论述历史建筑遗产表层污垢成因、硫酸盐还原菌、硝酸盐还原菌、硫杆菌以及蛋白酶修复清洗污垢应用研究实例，探讨了生物清洗修复可行性、有效性及潜在问题。 ⑵基于施氏假单胞菌、球形芽孢杆菌及巴氏芽孢八叠球菌诱导碳酸盐沉积功能，开展细菌诱导碳酸钙沉积实验研究。采用XRD分析研究了不同菌种、不同Ca2+源、不同培养基对晶体沉积晶相影响，采用SEM分析研究了细菌诱导晶体沉积生长及形貌，基于数据研究分析，探讨了细菌诱导碳酸钙沉积机理，研究分析了脲酶诱导沉积动力学参数间的一般关系，开展细菌诱导碳酸钙沉积动力学方面的研究，最后探讨了有机基质诱导碳酸钙沉积机理。 ⑶开展巴氏芽孢八叠球菌诱导碳酸钙沉积加固修复历史建筑方面的实验研究，试样分别采用大理石、混凝土试样。重量分析研究了对于具体试样矿化沉积薄层生长随时间的变化情况，采用SEM分析研究了试样表层细菌矿化层生长形成及形貌，采用MIP分析了细菌矿化沉积对试样孔隙率及孔隙分布的影响，超声波分析研究了矿化层与底层粘结强度，评测矿化层加固保护的实际效果。通过实验数据分析，分别探讨了巴氏芽孢八叠球菌加固修复碳酸盐质、混凝土历史建筑遗产可行性、有效性。研究认为细菌修复加固方法是可行有效的。 ⑷开展生物沉积改善混凝土结构耐久性方面的实验研究。采用SEM分析研究了不同Ca2+源、离子浓度对细菌诱导沉积层生长形貌的影响，加速碳化混凝上实验研究了矿化沉积对混凝土抗碳化性能的影响，借助文献数据，从混凝土碳化、氯离子侵蚀、毛细水吸附性能等几个方面，对比研究了细菌沉积与传统表层处理方法改善混凝土耐久性的效果。结果表明细菌诱导碳酸钙沉积可以作为一种新颖生态的提高混凝土结构耐久性能的表层处理方法。 ⑸开展生物沉积修复混凝土裂缝方面的实验研究。SEM分析研究了细菌沉积层生长形貌，通过人工模拟裂缝混凝土修复试样的抗压及三点弯曲破坏实验分析研究了裂缝的生物沉积修复效果。研究表明裂缝混凝土试样生物沉积修复后，抗压强度恢复随裂缝深度增加而增加；对于梁试样，跨中极限荷载恢复随裂缝深度增加而减小，浅层裂缝恢复效果较深层裂缝明显。生物沉积方法为混凝土结构裂缝修复提供一条新思路。 ⑹建立了碳酸盐历史建筑遗产硫酸盐污垢生长的数学物理模型，对给定条件下解的性态进行研究分析，用有限差分方法对模型作了一维分析；基于生物沉积处理混凝土中CO2及氯离子扩散实验，建立了一维数学物理模型，引入初始及边界条件，用有限差分法对扩散模型进行了分析探讨，研究表明沉积处理有效抑制CO2、Cl—在混凝土中扩散，其浓度随Dst、Pst、时间增大而增大，随Tst、深度增加而减小。

目录

文摘

英文文摘

论文说明:主要符号及缩写说明

声明

第1章绪论

1.1引言

1.2历史建筑遗产概述

1.2.1历史建筑遗产内涵

1.2.2历史建筑遗产现状

1.2.3历史建筑遗产修复保护原则

1.3历史建筑遗产修复加固保护研究现状

1.3.1历史建筑遗产风化劣化机理研究

1.3.2修复保护材料与方法研究

1.3.3修复保护材料方法评述

1.4历史建筑遗产生物修复加固研究现状

1.4.1生物修复沉积机理研究

1.4.2生物修复加固应用研究

1.4.3生物修复加固研究趋势及评述

1.5本文主要工作及创新点

1.5.1本文工作目的与意义

1.5.2本文主要工作内容

1.5.3本文主要创新点

参考文献

第2章基本理论及技术基础

2.1引言

2.2微生物学基础

2.3.1微生物学基础

2.3.2微生物实验基础

2.3.3微生物菌种分离与鉴定

2.3生物化学理论基础

2.3.1生化实验基础

2.3.2生物无机化学基础

2.4现代材料分析测试技术基础

2.4.1XRD及物相分析

2.4.2SEM及分析测试

2.5超声波清洗技术基础

2.5.1超声波清洗原理

2.5.2超声波清洗技术应用

2.6结论

参考文献

第3章结构表层污垢生物修复清洗

3.1引言

3.2历史建筑遗产表层污垢

3.3微生物修复清洗结构表层污垢

3.3.1硫酸盐还原菌修复清洗硫酸盐污垢

3.3.2硝酸盐还原菌修复清洗硝酸盐及有机物污垢

3.3.3硫杆菌修复清洗混凝土表层污垢

3.4酶修复清洗结构表层有机污垢

3.5结论

参考文献

第4章生物诱导碳酸钙沉积机理与实验研究

4.1引言

4.2生物矿化作用一般机理

4.3细菌诱导碳酸钙矿化沉积

4.3.1实验材料与方法

4.3.2实验结果

4.3.3分析与讨论

4.3.4结论

4.4碳酸钙沉积动力学研究

4.4.1脲酶动力学

4.4.2细菌诱导碳酸钙沉积生长动力学研究

4.4.3结论

4.5有机基质诱导碳酸钙矿化沉积

4.5.1实验材料与方法

4.5.2结果与分析

4.6结论

参考文献

第5章历史建筑遗产生物加固修复实验研究

5.1引言

5.2碳酸盐质历史建筑细菌加固修复实验研究

5.2.1实验材料与方法

5.2.2实验结果

5.2.3分析与讨论

5.2.4结论

5.3混凝土质历史建筑细菌加固修复实验研究

5.3.1实验材料与方法

5.3.2实验结果

5.3.3分析与讨论

5.3.4结论

5.4历史建筑遗产有机基质加固修复

5.4.1实验材料与方法

5.4.2结果与分析

5.5结论

参考文献

第6章细菌诱导沉积改善混凝土结构耐久性实验研究

6.1引言

6.2表层处理改善混凝土结构耐久性

6.3细菌诱导碳酸钙沉积改善混凝土结构耐久性

6.2.1实验材料与方法

6.2.2实验结果

6.2.3分析与讨论

6.4结论

参考文献

第7章生物沉积修复混凝土裂缝实验研究

7.1引言

7.2细菌诱导沉积修复混凝土裂缝

7.2.1实验材料与方法

7.2.2结果与讨论

7.3细菌自愈合细菌混凝土研究及应用前景

7.4结论

参考文献

第8章历史建筑遗产生物修复加固若干理论研究

8.1引言

8.2硫酸盐污垢生长模型研究

8.2.1硫酸盐污垢生长控制方程及模型建立

8.2.2污垢生长控制方程归一化

8.2.3控制方程有限差分格式及性态分析

8.2.4结果分析与讨论

8.2.5结论

8.3 生物沉积表层处理混凝土CO2扩散理论模型研究

8.3.1生物沉积表层处理混凝土CO2扩散理论模型建立

8.3.2CO2扩散控制方程的解

8.3.3结果分析与讨论

8.3.4结论

8.4生物沉积混凝土表层处理氯离子扩散理论模型研究

8.4.1生物沉积混凝土表层处理氯离子扩散理论模型建立

8.4.2氯离子扩散控制方程的解

8.4.3结果分析与讨论

8.4.4结论

8.5结论

参考文献

第9章结论与展望

9.1结论

9.2进一步研究工作展望

致谢

附录

个人简历在读期间发表的学术论文与研究成果