Biocement - beton koji se sam popravlja

Popravljanje betona je dugotrajan, skup i nužan posao. Istraživači motivirani potrebom za minimalnim ulaganjem u održavanje građevina stvorili su pametni materijali za samoiscjeljivanje, takozvani biocement, i razvili preventivne metode očuvanja betona. Pojava malih pukotina (<300 µm u širinu) u betonu je česta i neizbježna pojava zbog niske vlačne čvrstoće. Pukotine nužno ne uzrokuju rizik od urušavanja konstrukcije, ali zasigurno narušava funkcionalnost materijala, ubrzava degradaciju i smanjuje vijek trajanja.

Biocement ili poznatiji kao samoliječujući beton uglavnom se definira kao materijal sposoban da popravlja vlastite pukotine autogeno ili autonomno. Stimulirani autogeni mehanizmi općenito su ograničeni na širinu pukotina koje zacjeljuju do oko 100-150 µm. Većina autonomnih mehanizama samoliječenja djeluje brzo i može zaliječiti pukotine od 300 µm, ponekad i više od 1 mm.

Beton se može smatrati vrstom umjetne stijene sa svojstvima koja su uveliko slična pojedinim prirodnim stijenama. Prema članku iz časopisa Chemistry World, zahvaljujući svojoj čvrstoći i izdržljivosti, beton se koristi tisućljećima te je najkorišteniji građevinski materijal zadnjih 200 godina. Beton se sastoji od cementa, vode i agregata (najčešće šljunak ili pijesak) te zbog heterogenosti sastava osnovnih komponenti, kvaliteta i svojstva produkta mogu uvelike varirati. Beton se tipično odlikuje velikom tlačnom čvrstoćom, ali nažalost i prilično niskom vlačnom čvrstoćom. Međutim, primjenom pojačanja od čelika ili drugog materijala, niska vlačna čvrstoća se može povećati jer pojačanja preuzimaju dio vlačne sile.

Kako je biocement nastao?

Nadahnut mehanizmima zacjeljivanja kostiju, Henk Jonkers s Tehnološkog sveučilišta u Delftu u Nizozemskoj, razvija samoliječivi beton. Pri lomu, kost pomoću osteoblasta proizvodi minerale hidroksiapatita koji stvaraju strukturu nove kosti, spajajući dijelove kosti natrag u cjelinu. Osteoblast su stanice koje formiraju kost.

Sposobnost samoliječenja betona je postignuta dodavanjem inkapsulirane bakterije u hibernaciji Bacillus pseudofirmus ili Sporosarcina pasteurii i odgovarajuće hrane za bakteriju u smjesu betona. Bakterije prelaze u stanje hibernacije u nepovoljnim uvjetima za život i mogu biti u tom stanju tisućama godina, što je znatno duže od životnog vijeka većine modernih zgrada. Bakterija izlazi iz stanja hibernacije u slučaju stvaranja uvjeta povoljnih za život, a u ovom slučaju to je doticaj bakterije s vodom kada nastane pukotina u betonu i kapsula za bakterije se razgradi. Tada aktivne bakterije pretvaraju hranu i vodu u vapnenac kojim zapunjavaju pukotine i hidroizoliraju beton.

Pri dizajniranju ovog materijala ideja je bila stvoriti materijal koji od početka gradnje građevine ima sposobnost samoliječenja, no to je podrazumijevalo primjenu materijala samo na novim betonskim konstrukcijama. Budući da i stare, već izgrađene konstrukcije imaju iste probleme razvijen je i način impregnacije materijala na bazi bakterija u tekućini. Stvaranjem sustava impregnacije na bazi bakterija u tekućini omogućen je prijenos bakterija i hrane za bakterije u stare oštećene betonske strukture koje inicijalno nisu imale sposobnost samoliječenja. Očekuje se da će navedeni sustav značajno povećati vijek trajanja starih betonskih konstrukcija i uštedjeti troškove održavanja i popravaka. Od nedavno je moguće kupiti i betonske pločice sa sposobnosti samoliječenja.

Hank Jonkers je testirao izum na prvoj građevini izgrađenoj od samoliječivog cementa, kući stanice za spašavanje na jezeru u Delftu u Nizozemskoj. Testiranje je proveo uz pomoć Erika Schlangena, osobe koja je također imala doprinos u razvoju ovog materijala. Redovitim praćenjem stanja građevine utvrđeno je da struktura ostaje vodonepropusna od 2011. godine. Izum je također 2015. godio zaslužio nominaciju za Europsku nagradu za izumitelje Europskog patentnog ureda. Niže možete pogledati CNN-ov intervju s Hankom Jonkersom o materijalu i radu na kući za spašavanje na jezeru.

Istraživanja u svijetu

U tijeku su mnoga istraživanja u svijetu u svrhu usavršavanja samoliječivog betona. Istraživači sa Sveučilišta Bath, Sveučilišta Cardiff i Cambridgea također su razvili materijal koji sadrži bakterije za popunjavanje pukotina, predviđen za popravak cesta i drugih infrastruktura. Korištenje takvog materijala bi vjerojatno moglo smanjiti troškove održavanja infrastruktura u pola. Znanstvenici s MIT-a radili su na betonskom sustavu za liječenje koji koristi sunčevu svjetlost za aktiviranje polimernih mikrokapsula, koje bi začepile pukotine. Victor Li, inženjer sa Sveučilišta Michigan smislio je beton s mikrovlaknima koji se savija umjesto da se lomi; ako se ipak pojave sitne pukotine, materijal se širi i pojačava kalcijevim karbonatom.

Victor Li i suradnici , kažu da će uspjeh ove tehnologije zamijeniti dosadašnju praksu popravljanja degradacije civilne infrastrukture u ciklusima s onom za samoodržavanje stanja struktura bez vanjske intervencije. Očekuje se da će implementacija infrastrukture za samoiscjeljivanje utjecati na gospodarski razvoj, održivost okoliša i porast kvalitete života će biti značajan. Međutim, priznaju da postoje i ograničenja samoliječivog cementa koja će zahtijevati dodatno istraživanje prije nego što se ostvari vizija samopopravljive civilne infrastrukture.

Nedostatak materijala

Najveći nedostatak samoliječivog materijala je pojava pukotina na istom mjestu. Pri pojavi loma na određenom mjestu, ulazi voda u pukotinu te aktivira bakterije u blizini loma. Međutim, kada se ponovi lom na istom mjestu, ukoliko nisu bakterije preživjele ili nisu neke ostale u hibernaciji, ne postoje bakterije koje bi izvršile popravak pukotine. Iz navedenog možemo zaključiti da se samoliječenje može dogoditi samo jednom na istom mjestu oštećene strukture. Taj problem je moguće riješiti mikrokapsulama veličine zrnaca cementa, jer onda može biti broj bakterija dovoljan da se održe u samoobnavljajućoj funkciji čak i pri višestrukim oštećenjima na istom mjestu. Izazov je osigurati popunjavanje prostora pukotine s obzirom na ograničenu količinu ljekovitih kemikalija koje bi se mogle ugraditi u takve mikrokapsule. Nažalost, još uvijek nije utvrđena sposobnost bakterija da ostanu vitalne u betonu tijekom cijelog životnog vijeka betonske strukture.

Prema statističkim podacima Statista ukupni volumen proizvodnje cementa u svijetu iznosio je procijenjenih 4,1 milijardi tona u 2020, te ukazuju na stabilan rast proizvodnje cementa još od 1995. godine. Navedeno nas dovodi do sljedećeg problema- proizvodnje CO2. Kraljevski institut za međunarodne poslove (Chatham House) je izvijestio da je 2016. godine proizvodnjom cementa stvoreno oko 2,2 milijarde tona CO2 – što je ekvivalentno 8% ukupne globalne proizvodnje CO2. Svaka tehnologija koja čini betonske konstrukcije dugotrajnijima ima potencijal ne samo da smanji troškove, već i smanji naš ugljičnog otiska, te je vrijedna vremena i resursa da se razvije. Cijena ovog materijala je još uvijek visoka, ali povećanjem potražnje i pronalaskom jeftinije varijante hrane za bakterije bi trebali značajno smanjiti cijenu i učiniti materijal šire dostupnim.