Некоторые говорят, что существует два типа бетона — с трещинами и на грани растрескивания. Но что, если бетон треснет, и он сможет зажить сам?
Мы являемся частью команды материаловедов и микробиологов, которая использовала силу бактерий для создания биологических волокон, которые, как показывают первоначальные результаты, могут залечивать трещины в бетоне. Мы работаем над технологией, которая, если мы устраним недостатки и однажды сумеем вывести ее на рынок, сможет продлить срок службы бетона.
Растрескивание бетона
Представьте себе мост, подверженный воздействию снега, дождя, перепадов температуры и грузовиков, перевозящих тяжелые грузы. Бетон на мосту постепенно начнет трескаться от напряжения и износа. Со временем эти трещины расширяются, позволяя воде и коррозионным веществам, ослабляющим бетон, проникать глубже.
В какой-то момент местным властям придется платить за ремонт, который не только обходится дорого, но и нарушает движение транспорта и истощает государственные ресурсы .
Теперь представьте себе медицинского пациента, восстанавливающегося после тяжелой травмы. Когда клетки пациента распознают повреждение, они выделяют крошечные целебные агенты, словно микроскопические ремонтные бригады. Эти агенты воздействуют на поврежденную область, заживляя ткани и восстанавливая функциональность клеток. Что, если бы бетон обладал такой же способностью к самовосстановлению, как и человеческая ткань?
Самовосстанавливающийся бетон
Наша команда из лаборатории передовых инфраструктурных материалов Университета Дрекселя была вдохновлена самовосстанавливающимися тканями человеческого тела. Мы разработали добавку к бетону, которую назвали BioFiber .
BioFiber выполняет три основные функции : самовосстанавливается, предотвращает расширение трещин и остается неповрежденным внутри бетона, когда трещин нет.
Каждое биоволокно состоит из трех ключевых компонентов : прочного внутреннего волокна, изготовленного из полимера, называемого поливиниловым спиртом, пористого слоя гидрогеля, наполненного бактериями Lysinibacillus sphaericus, и чувствительной к повреждениям внешней оболочки. Когда трещины поражают BioFiber, его внешняя оболочка ломается и высвобождает бактерии в трещину, что запускает процесс самовосстановления.
Прочные сердцевинные волокна BioFiber закрывают трещины и не дают им расширяться во время процесса заживления.
Слой гидрогеля, окружающий сердцевину волокна, состоит из сетки полимерных цепей на молекулярном уровне, которые притягивают воду. Их губчатая структура способна поглощать и удерживать большие объемы воды. В процессе производства мы добавляем кальций, чтобы гидрогель затвердел.
Сам гидрогель состоит из природного полимера, содержащегося в морских водорослях, под названием альгинат , который обладает особыми свойствами, позволяющими ему улавливать бактерии. Альгинат не токсичен и даже безопасен для биомедицинских применений, таких как доставка лекарств и тканевая инженерия.
В гидрогеле находятся эндоспоры, спящие бактерии. Как только внешняя оболочка трескается и эндоспоры выходят из состояния покоя, они способствуют самовосстановлению.
Активация БиоФайбера
Эндоспорам для активации нужна вода. К счастью, средний слой гидрогеля хорошо впитывает воду. Когда бетон трескается и внутрь просачивается вода от дождя, сырости или уличных стоков, споры просыпаются.
Споры поглощают углерод, который мы специально добавляем в бетонную смесь, а также кальций, содержащийся в самом бетоне. С помощью этих материалов бактерии способствуют химической реакции, называемой микробиологически индуцированным осаждением карбоната кальция, или MICCP. В результате этой реакции образуются кристаллы карбоната кальция , которые накапливаются и заполняют трещины в бетоне.
Форма кристаллов варьируется от сферической до игольчатой, и каждая форма достаточно прочна, чтобы залечить трещины. Мы можем изменить тип кристаллов, которые производят бактерии, изменив уровень pH, источник кальция и тип бактерий.
Бетон действует как твердое и жесткое вещество, поскольку представляет собой смесь цемента, песка, гравия и воды. Мы добавляем биоволокна в смесь и распределяем их по мере замешивания бетона, обеспечивая их равномерное распределение по смеси.
Как только процесс самовосстановления заканчивается и бактерии погибают, активированное биоволокно прекращает свое действие — оно больше не может заживать. Но поскольку в бетоне много биоволокон, распределенных по всей поверхности, следующее волокно может заделать следующую трещину. На данный момент мы не знаем, сколько трещин может залечить бетон BioFiber, и мы проводим дополнительные исследования, чтобы выяснить это.
Чтобы накормить бактерии, мы добавляем количество пищи, необходимое им для выживания и заживления трещин, в зависимости от того, сколько трещин, по нашему мнению, им придется исправить. Когда у бактерий заканчивается пища, процесс останавливается. Бактерии могут жить примерно пару недель во время процесса заживления.
Хотя BioFiber на начальном этапе показал себя многообещающим, у него есть недостатки, которые могут затруднить его производство в более крупных масштабах. Процесс изготовления и используемые материалы являются специализированными и не всегда доступными и практичными. Хотя наши первые тесты показывают, что BioFiber продлевает срок службы бетона, нам потребуются дополнительные испытания, включая полевые испытания, чтобы проверить эти ранние результаты.
Мы надеемся в конечном итоге коммерциализировать и производить волокна в более крупных масштабах, а тем временем мы продолжаем проводить испытания и изучать, как улучшить способность BioFiber к самовосстановлению. Мы хотели бы, чтобы однажды эти волокна были использованы на дорогах и тротуарах, чтобы потенциально предотвратить растрескивание стареющего бетона.
