Самовосстанавливающийся бетон — сборное название для нескольких новых технологий производства бетона. Они объединены общей целью — модифицировать стройматериал и придать возможность регенерации. Такой бетон обладает повышенной устойчивостью ко внешним воздействиям, а при появлении трещин и деформаций — восстанавливается сам, без участия человека и затрат на обслуживание.
Принцип работы
Самовосстанавливающийся бетон отличается от обычного измененным составом. Кроме стандартных компонентов, в него добавлены споры бактерий или грибков, хорошо выживающих в щелочной и кислотной среде. Эти споры спрятаны в биоразлагаемых капсулах и находятся в «спящем» состоянии. Но когда на бетонной конструкции появляется трещина — из-за воздействия влаги капсула разрушается и высвобождает споры, которые начинают регенерировать.
Конкретный состав биологического бетона зависит от технологии изготовления. Ученые по всему миру испытывают разные методики. Но принцип работы материала — одинаковый для всех способов:
- Капсула, сделанная из биоразлагаемого пластика, разрушается из-за попадания влаги в раскрывшуюся трещину;
- Освободившиеся из гранулы бактерии начинают поглощать окружающий лактат кальция — питательное вещество, которое было помещено в эту же оболочку;
- Дальше — микроорганизмы вырабатывают известняк, которым пытаются заменить разрушенную капсулу;
- Минерал заполняет трещину в бетоне и восстанавливает его структуру.
Проведены лабораторные исследования, в ходе которых бактериям и грибкам удавалось заполнять трещины шириной 0,5 мм. Таким образом, при помощи бактерий самовосстанавливающийся бетон быстро возвращается к изначальному состоянию. Это продлевает срок службы конструкции и позволяет обойтись без дорогостоящего ремонта.
Строительная фирма из Нидерландов в рамках эксперимента построила на местном озере спасательную станцию. Сооружение целиком выполнено из биобетона. Материал постоянно контактирует с водой и подвергается сильному воздействию ветра, но даже в таких стрессовых условиях прототип успешно самовосстанавливается и не требует ремонта.
Назначение материала
В долгосрочной перспективе восстанавливающийся бетон должен полностью заменить обычную технологию производства. Но изначально материал планируют применять при строительстве в местах, где регулярный контроль состояния и ремонт конструкции невозможны (или сильно затруднены):
- под землей;
- под водой;
- на транспортных мостах;
- в небоскребах и других высотных постройках.
Способность бетона к регенерации — хорошая возможность сэкономить деньги государства и частных компаний. Средства, сэкономленные на ремонте и обслуживании бетонных сооружений, можно направить на развитие других сфер или увеличение числа построек. Такие проекты уже находятся на стадии планирования в разных странах и готовятся к реализации в ближайшем будущем.
Способы получения
Биологический бетон одновременно разрабатывают во многих исследовательских центрах. Поэтому появилось несколько разных способов его получения. Первый и самый популярный предложен микробиологом Хэнком Йонкерсом из университета в нидерландском городе Делфт. Он добавил в бетон гранулы из биоразлагаемого пластика размером 2-4 мм. В этих гранулах содержатся бактерии рода Bacillus subtilis и упоминавшийся выше лактат кальция. При образовании трещин в бетон попадает влага, растворяющая пластик. Бактерии «оживают», поглощают лактат, размножаются и производят карбонат кальция (известняк).
Позднее появились другие способы сделать самовосстанавливающийся бетон. Технологии почти идентичны, но ингредиенты раствора отличаются. Сегодня вариантов уже несколько:
- грибок Trichoderma reesei, который при контакте с водой вырабатывает известняк;
- производство того же известняка некоторыми видами морских ракушек;
- нанопорошки со штаммами бактерий;
- нитрифицирующие бактерии — превращают азотсодержащие соединения в нитриты (недостаток — повышение риска коррозии);
- пластичный композит на цементно-полимерной основе.
Среди способов получить биобетон пока лидирует технология Хэнка Йонкерса. Биолог вводит бактерии в состояние анабиоза, которое они поддерживают до 200 лет. Это обеспечивает самый долгий период службы бетонных сооружений.
Использующиеся микроорганизмы, безопасны для человека. Они полностью безвредны даже при попадании в пищеварительную систему.
Преимущества биобетона
Самовосстанавливающийся бетон имеет несколько преимуществ перед обычным:
- способность к регенерации — основная причина разработки нового материала;
- повышенная устойчивость к атмосферным осадкам и другим разрушающим воздействиям;
- высокая степень защиты от химикатов и коррозии;
- естественная терморегуляция благодаря микроорганизмам;
- продление срока службы конструкций.
Весомый недостаток простого бетона — материал трескается в процессе эксплуатации. Это ведет ко преждевременному износу. Из-за трещин сооружения часто становятся непригодными задолго до окончания ожидаемого срока службы. Но живой бетон решает эту проблему.
Новый материал будет продаваться в 2 вариантах. Кроме строительного биобетона, будет доступен и известковый раствор для заполнения трещин в уже возведенных конструкциях.
Проблемы и недостатки
Основная проблема, с которой сталкивается самозалечивающийся бактериями бетон — затраты на производство. Создание по актуальным технологиям обходится в 2 раза дороже изготовления стандартной смеси. Поэтому главная задача исследователей — сократить производственные расходы. Для этого ведется работа в 3 направлениях:
- снижение затрат на получение лактата кальция, без которого бактерии не смогут восстанавливать бетон;
- поиск дешевой равноценной замены для лактата кальция;
- поиск бактерий, способных получать питательные вещества из воздуха и окружающей среды.
Также из-за чрезмерного роста популяции микроорганизмов снижается прочность бетонных конструкций. Поэтому ученые ищут способы контролировать размножение бактерий.
Другой недостаток биобетона — сложность добавления капсул в раствор. Микрогранулы должны быть достаточно хрупкими, чтобы разрушаться при раскрытии трещин, и в то же время — прочными, чтобы пережить смешивание на производстве. Поиск недорогого материала для таких капсул — еще одна приоритетная задача ученых.
