Betón sa vyznačuje relatívne nízkou pevnosťou v ťahu. Hlavne betón použitý v exteriéroch potom často podlieha tzv. alkalicko-kremičitej reakcii (ASR – chemická reakcia podmienená prítomnosťou 3 zložiek naraz: alkálie – látky silno zásadité, vody a amorfného kremíku). Pretože je betón vystavovaný poveternostným vplyvom a mechanickému opotrebovaniu, nedá sa ASR zabrániť. Vznikajú tak trhliny, praskliny apod. Pokiaľ sa trhliny rozšíria, hrozí ďalej korózia oceľovej výstuže betónovej konštrukcie a statické narušenie. Betón je navyše najpoužívanejší stavebný materiál na svete, začínajúc dopravnou infraštruktúrou, budovami a končiac mostmi. V súčasnosti však mnohé betónové konštrukcie dosluhujú. Mnohé z nich je potrebné úplne nahradiť. Hlavná myšlienka v danej veci potom je: aplikovať betón, ktorého trvanlivosť bude dlhšia než toho súčasného, prípadne sa pokúsiť o nápravu súčasného materiálu. Vedci po celom svete preto dlhé roky skúmajú možné východiská. Vo vývoji je mnoho technológií ako opravy prasklín a puklín betónových stavieb s pomocou polymérov, rôznych chemikálií, baktérií a hľadanie čo najvýhodnejšieho východiska sa stáva stále aktuálnejším.
Bio betón z Holandska
Jedným z najdiskutovanejších výskumov posledných rokov, ktorý už prináša žiaduce výsledky, je štúdia tímu Dr. Henka Jonkersa, mikrobiológa, ktorý spojil svoje sily s profesorom stavebného inžinierstva Erikom Schlangenom. V rámci svojho skúšania širšej oblasti samoregenerácie materiálu (napr. plastov a asfaltu) na Technickej univerzite v Delfte v Holandsku objavili regeneračné možnosti betónu, ktoré do tej doby neboli príliš brané do úvahy.
Vynález takzvaného bio-betónu je prezentovaný ako prelomová záležitosť a autori sa pýšia objednávkami z celého sveta. Dosiahli toho, že zatekajúca voda, ktorá spôsobuje problémy v betónových prasklinách, je zároveň riešením. Dr. Jonkers totiž pridáva do betónových zmesí baktérie, ktorých betón-regeneračná aktivita je podmienená práve vlhkosťou. Do zmesi sú pri výrobe vložené „spiace“ baktérie Bacіllus pseudofirmus alebo Sporosarcіna pasteurіi vo forme uzatvorených kapslí. Tie zostávajú neaktívne a to až do chvíle, kedy príde kapsula do kontaktu s vodou (pričom v konštrukcií môže baktéria „odpočívať“ až 200 rokov). V okamžiku kontaktu s vlhkosťou a kyslíkom sa kapsula rozpustí a baktérie sa v betóne zmiešajú s prirodzene prítomným kalciom.
Kalcium sa pri tejto chemickej reakcii premení v kryštalický uhličitan vápenatý (CaCO3 ). Ten dieru utesní, trhliny sa zmenšia až celkom zaniknú a použitá oceľová výplň je tak chránená pred koróziou. Je tak možné napraviť trhliny o veľkosti až 0,8 mm, pričom malé trhlinky patria práve medzi tie najnebezpečnejšie, pretože často obsahujú nenápadné a rozširovanie až k železnej výplni. Novú technológiu je možné tiež aplikovať na staršie betónové konštrukcie, napríklad postrekom tekutej zmesi, ktorá obsahuje patričné baktérie.
Prvou stavbou, kde bol bio betón aplikovaný, bolo stanovisko plavčíkov na brehu jedného holandského jazera. Objekt vznikov v roku 2011. Bol vystavovaný slnečnému žiareniu, dažďom a aj napriek tomu zostala konštrukcia úplne vodotesná. Bio-betón má teda ohromný potenciál. Na zahraničných trhoch je dostupný pod obchodným názvom Basilisk.
Belgická kombinácia bakteriálneho a polymérneho materiálu
Prístup výskumníkov z Univerzity v Delfte nie je však až tak ojedinelý. Podobným bádaním sa zaoberá tiež napríklad tím z univerzity v belgickom Gente. Skúma hneď niekoľko regeneračných metód a tiež sa inšpirujú schopnosťou ľudského tela regenerovať sa. Využívajú baktérie, ale aj suberabsopčné polyméry a hydrogely. Ako veľmi účinný sa javí postup, ktorý kombinuje bakteriálne postupy, tak aj aplikáciu polymérov. V prvej fáze totiž polyméry s pomocou vniknutej vody z vonku navýšia svoj objem („napenia“) a prakticky okamžite dosiahnu krátkodobého utesnenia betónu. V druhej fáze potom zapracujú baktérie zmiešané s kalciom a betón trvalo opravia.
Huba aktivátorom „liečebného“ procesu
Mikrobiológiu aplikujú vo výskume na tému regeneračných schopností betónu aj vedci v americkom Binghamtone. Do betónovej zmesi pridávajú spóry huby zelenatky (Trichoderma reesei) spoločne s nutrientami. Spóry pri kontakte s vlhkosťou a kyslíkom (ktoré vnikajú mladými prasklinami) vyklíčia, narastú a vyvolajú rast uhličitanu vápenatého, ktorý vyplní vzniknuté trhliny. Po ukončení procesu regenerácie materiálu huby utvárajú nové spóry, ktoré sú v príp. potreby pripravené začať proces znovu od začiatku a tak stále dokola. Výskum naďalej prebieha, do úvahy sú brané aj ďalšie druhy húb a kvasiniek. Najväčšou výzvou vedcov je prežitie huby v nehostinnom drsnom prostredí betónu.
Regenerácia fermentáciou
Inšpiráciu k boju proti vzniku trhlín v betónových konštrukciách získala dvojica vedcov z novozélandského výskumného centra vo Waikato v procese tzv. fermentácie tuhého skupenstva (keď je množstvo prítomnej vody pod 10 %). V nanobiotechnologickom a biomineralizačnom procese regenerácie betónu využívajú baktérie, ktoré sú v prvom rade imobilizované vo vnútri nanočastíc železa. V betónovej zmesi potom tieto „utužené“ časti spoločne s nutrientami (oxid uhličitý) vyčkávajú na podnet v podobe prítomnosti preniknutej vlhkosti. V tomto okamžiku dochádza k aktivite baktérií, nastáva diskutovaná fermentácia a dochádza k produkcii uhličitanu vápenatého, ktorý vyplní vzniknuté praskliny v betónovom materiáli. Počas prebehnutých experimentov boli týmto procesom praskliny opravené za 28 dní.
Nekončiace bádanie s výsledkami na dosah ruky
Podobných výskumov je po svete naozaj veľa. Veľmi aktuálna je táto téma napríklad v USA, Indii a Číne, kde dochádza k výrazným problémom vyplývajúcich z narušenej historickej betónovej dopravnej infraštruktúry a to v ohromnom meradle. Cieľom všetkého bádania je vývoj takého betónového materiálu, ktorý sa permanentne a samostatne monitoruje, reguluje, prispôsobuje a regeneruje bez nutnosti vonkajších zásahov. Materiál tohto typu šetrí zdroje a znižuje emisie CO2 (v súčasnosti je 5 % zo svetových produkovaných emisií CO2 spôsobené práve výrobou betónu). Inovatívne nízkohmotnostné minerálne a chemické prísady môžu navyše betónu priznať ďalšie nové znaky ako sú vylepšené mechanické vlastnosti, či predlžujú jeho životnosť. Doterajšie mnohé úspechy a fakt, že sa výskumom v oblasti regenerácie betónu zaoberá veľké množstvo etablovaných pracovísk, naznačujú prísľub skorej širokej aplikácie v praxi. Tešíme sa na ňu.
Zdroje:
https://www.tudelft.nl/en/ceg/research/stories-of-science/self-healing-of-concrete-by-bacterial-mineral-precipitation/
https://spinoff.com/bioconcrete
https://www.waikato.ac.nz/news-opinion/media/2018/a-revolutionary-new-process-for-self-healing-concrete
https://www.basiliskconcrete.com/producten/?lang=en
https://www.binghamton.edu/news/story/938/using-fungi-to-fix-bridges
https://www.ugent.be/ea/structural-engineering/en/research/magnel/research/research3/selfhealing
