Beton se samoregeneračními schopnostmi

V letošním roce jsme v našem časopise uveřejnili článek o betonu, který se vyznačuje velmi vysokou mírou vodopropustnosti. V tématu betonu budeme pokračovat, tentokrát se podíváme na zoubek tzv. bio betonu, neboli betonu samoregeneračnímu.

Beton se vyznačuje relativně nízkou pevností v tahu. Obzvláště beton užitý v exteriérech pak často podléhá tzv. alkalicko-křemičité reakci (ASR – chemická reakce podmíněná přítomností 3 složek najednou: alkálie – látky silně zásadité, vody a amorfního křemíku). Jelikož je beton vystavován povětrnostním vlivům a mechanickému opotřebení, nelze ASR zabránit. Vznikají tak trhliny, praskliny apod. Pokud se trhliny rozšíří, hrozí dále koroze ocelové výztuže betonové konstrukce a statické narušení. Beton je navíc nejpoužívanější stavební materiál na světě, dopravní infrastrukturou počínaje, budovami a mosty konče. V současnosti však mnohé betonové konstrukce dosluhují. Mnohé z nich je nutné nahradit zcela. Hlavní myšlenka v dané věci pak je: aplikovat beton, jehož trvanlivost bude delší než toho stávajícího, případně se pokusit o nápravu stávajícího materiálu. Vědci po celém světě proto dlouhá léta zkoumají možná východiska. Ve vývoji je mnoho technologií jako opravy prasklin a puklin betonových staveb za pomoci polymerů, různých chemikálií a bakterií a nalézání co nejvýhodnějšího východiska je stále pořadu dne.

Pohled na budovu Technické univerzity v Delftu v Holandsku, kde vznikla jedna ze studií pojednávajících o možných samoregeneračních schopnostech betonu. (autor: Frank Cornelissen, Shutterstock)

Nizozemský bio beton

Jedním z nejdiskutovanějších výzkumů posledních let, který již přináší kýžené výsledky, je studie týmu Dr. Henka Jonkerse, mikrobiologa, který spojil své síly s profesorem stavebního inženýrství Erikem Schlangenem. V rámci svého zkoumání širší oblasti samoregenerace materiálů (např. plastů a asfaltu) na Technické univerzitě v Delftu v Nizozemí objevili regenerační možnosti betonu, které do té doby nebyly brány příliš v úvahu.

Vynález takzvaného bio-betonu je prezentován jako přelomová záležitost a autoři se pyšní objednávkami z celého světa. Dosáhli toho, že zatékající voda, která způsobuje problémy v betonových prasklinách, je zároveň řešením. Dr. Jonkers totiž přidává do betonových směsí bakterii, jejíž beton-regenerační aktivita je podmíněna právě vlhkostí. Do směsi jsou při výrobě vloženy „spící“ bakterie Bacіllus pseudofirmus nebo Sporosarcіna pasteurіi ve formě uzavřených kapslí. Ty zůstávají neaktivní, a to až od chvíle, kdy přijde kapsle do kontaktu s vodou (přičemž v konstrukci může bakterie „odpočívat“ až 200 let). V okamžiku kontaktu s vlhkostí a kyslíkem se kapsle rozpouští a bakterie se v betonu smíchá s přirozeně přítomným kalciem. Kalcium se při této chemické reakci promění v krystalický uhličitan vápenatý (CaCO3 ). Ten díru utěsní, trhliny se zmenší až zaniknou zcela a použitá ocelová výplň je tak chráněna před korozí. Je tak možné napravit trhliny o velikosti až 0,8 mm, přičemž malé trhlinky patří právě mezi ty nejnebezpečnější, poněvadž často skýtají nenápadné a plíživé rozšiřování až k železné výplni. Novou technologii lze také aplikovat na starší betonové konstrukce, například postřikem tekuté směsi, která obsahuje patřičné bakterie.

První stavbou, kde byl bio beton aplikován, bylo stanoviště plavčíků na břehu jednoho nizozemského jezera. Objekt vznikl v roce 2011. Byl vystavován slunečnímu záření, dešťům, a přesto zůstala konstrukce zcela vodotěsná. Bio-beton tedy skýtá ohromný potenciál. Na zahraničních trzích je dostupný pod obchodním názvem Basilisk.

Belgická kombinace bakteriálního a polymerního materiálu

Přístup výzkumníků z Univerzity v Delftu není však až tak ojedinělý. Podobným bádáním se zabývá také například tým z univerzity v belgickém Gentu. Zkoumá hned několik regeneračních metod a taktéž se inspirují u schopnosti lidského těla regenerovat se. Využívají jak bakterie, tak suberabsorpční polymery a hydrogely. Jako velmi účinný se jeví postup, který kombinuje jak bakteriální postupy, tak aplikaci polymerů. V první fázi totiž polymery za přispění vniknuvší vody zvnějšku navýší svůj objem („napění“) a prakticky okamžitě dosáhnou krátkodobého utěsnění betonu. V druhé fázi pak zapracují bakterie smíchané s kalciem a beton opraví trvale.

Houba aktivátorem „léčebného“ procesu

Mikrobiologii aplikují ve výzkumu na téma regeneračních schopností betonu i vědci v americkém Binghamtonu. Do betonové směsi přidávají spory houby zelenatky (Trichoderma reesei) společně s nutrienty. Spory při kontaktu s vlhkostí a kyslíkem (jenž vnikají mladými prasklinami) vyklíčí, narostou a vyvolají růst uhličitanu vápenatého, který vyplní vzniklé trhliny. Po ukončení procesu regenerace materiálu houby utváří nové spory, které jsou v příp. potřeby připraveny započít proces znovu od začátku a tak stále dokola. Výzkum nadále probíhá, v úvahu jsou brány i další druhy hub a kvasinek. Největší výzvou vědcům je přežití houby v nehostinném drsném prostředí betonu.

I mosty, jejichž konstrukce trpí praskáním betonu asi nejvíce, jsou jedním z důvodů, proč je téma výzkumu regenerace betonu tolik aktuální. (autor: Louella938, Shutterstock)

Regenerace fermentací

Inspiraci k boji proti vzniku trhlin v betonových konstrukcích získala dvojice vědců z novozélandského výzkumného centra ve Waikato v procesu tzv. fermentace tuhého skupenství (když je množství přítomné vody pod 10 %). V nanobiotechnologickém a biomineralizačním procesu regenerace betonu využívají bakterie, které jsou v první řadě imobilizovány uvnitř nanočástic železa. V betonové směsi pak tyto „utužené“ části společně s nutrienty (oxid uhličitý) vyčkávají na podnět v podobě přítomnosti proniknuvší vlhkosti. V tomto okamžiku dochází k aktivitě bakterií, nastává diskutovaná fermentace a dochází k produkci uhličitanu vápenatého, který vyplní vzniklé praskliny v betonovém materiálu. Při proběhlých experimentech byly tímto procesem praskliny opraveny za 28 dní.

Oxid vápenatý, který velmi živě reaguje s vodou, je využíván jako standardní součást malty. Ve výzkumech, které uvádíme v textu, je podstatnou součástí reakce, která beton regeneruje. (autor: Nina.G, Shutterstock)

Nekončící bádání s výsledky na dosah ruky

Podobných výzkumů je po světě hojnost. Velmi aktuální je téma kupříkladu v USA, Indii a Číně, kde dochází k výrazným problémům vyplývajících z narušené historické betonové dopravní infrastruktury, a to v ohromném měřítku. Cílem všeho bádání je vývoj takového betonového materiálu, který se permanentně a samostatně monitoruje, reguluje, přizpůsobuje a regeneruje bez nutnosti vnějších zásahů. Materiál tohoto typu spoří zdroje a snižuje emise CO2 (v současnosti je 5 % ze světových produkovaných emisí CO2 způsobeno právě výrobou betonu). Inovativní nízkohmotnostní minerální a chemické přísady mohou navíc betonu přiznat další nové znaky jako jsou vylepšené mechanické vlastnosti, či prodlužují jeho životnost. Dosavadní mnohé úspěchy a fakt, že se výzkumem v oblasti regenerace betonu zabývá velké množství etablovaných pracovišť, naznačují příslib brzké široké aplikace v praxi. Těšíme se na ni.

Související články

Autor: Bc. Helena Široká
Foto: Shutterstock