Téma týdne

Samohojivý bakteriální beton

Smart materiály se samohojivou funkcí mají potenciál snížit náklady na údržbu a opravy, snížit emise uhlíku v důsledku výroby a možná i zajistit bezpečnější stavby. Dr. Henk Jonkers z Delftské univerzity se podílí na výzkumu betonu, který by mohl znamenat výrazné zlepšení pro inženýrské projekty. Zacelující složka, využívající bakterie přeměňující živiny na vápenec a jeho sloučeniny, je od roku 2006 vyvíjena fakultou Civil Engineering and Geosciences v Delftu. Projekt je součástí širšího výzkumu zabývajícího se samohojivým potenciálem dalších materiálů, jako jsou polymery, kompozity atd. Dr. Henk Jonkers, mikrobiolog, jenž se specializuje na chování bakterií v různých prostředích, vyvinul samohojivý beton v úzké spolupráci s inženýry.

Samohojivý bakteriální beton
Samohojivý bakteriální beton

Beton zůstává nejdůležitějším stavebním materiálem pro budování infrastruktur, betonové konstrukce jsou však náchylné k výskytu trhlin. Malé povrchové trhliny činí celou konstrukci zranitelnou, protože voda se vsakuje hluboko do trhlin, narušuje beton a může ohrožuje armatury korozí.
Beton je velmi odolný vůči zátěži v tlaku, ale méně v tahu. Když je vystaven tahovým silám, vznikají drobné trhliny, což je důvod, proč bývá armován ocelovou výztuží. Obzvláště pak stavby vybudované ve vysoce vlhkém prostředí, jako např. sklepy, a stavby přicházející do kontaktu s mořskou vodou jsou vystaveny korozi ocelového vyztužení. Silniční mosty jsou taktéž zranitelné, a to kvůli solím, jež jsou používány k odstranění námrazy. Tyto soli pronikají do trhlin v betonu a mohou korozi ještě urychlit. V mnoha stavebních strukturách mohou tahové síly vytvářet trhliny, které se objeví relativně brzy poté, co je stavba dokončena.

Samohojivý beton je materiál, který dokáže biologickou cestou vyrábět vápenaté sloučeniny, který zacelí povrchové trhliny. Vybrané bakterie rodu Bacillus společně se živným substrátem založeným na vápníku, laktátu vápenatém, dusíku a fosforu vytvářejí zacelující složky, které jsou přidávány do betonové směsi ve formě malých pelet 2–4 mm z expandovaného jílu (keramzit se používá jako kamenivo do lehčených betonů). Oddělené pelety zajišťují, že obě složky spolu nezačnou účinkovat již během procesu míchání cementu. Samohojivé prvky pak mohou ležet nečinné po dobu až 200 let. Když je ale betonová konstrukce poškozena a voda začne vsakovat do trhlin, spory bakterií se začnou aktivovat ve spojení s vodou a výživou. Když jsou aktivovány, začnou se živit laktátem vápenatým. Jak se bakterie živí, kyslík je spotřebováván a rozpustný laktát vápenatý je přeměňován na nerozpustný vápenec. Vzniklý vápenec je solidifikován na povrchu betonu a tím ho zaceluje. Proces napodobuje přirozené hojení kostí, kdy lidské tělo léčí fraktury osteoblasty – kostními buňkami, které mineralizují, aby znovu zformovaly kost. To, že bakterie konzumují při proměně kyslík, má ještě jednu nespornou výhodu. Kyslík je totiž klíčovým prvkem při korozi oceli. A pokud ho bakterie spotřebují, zvýší to stabilitu ocelových vyztužujících prvků. V laboratorních podmínkách bylo odzkoušeno, že po aktivaci vodou se bakterie velmi rychle probudí a začnou se množit – proces hojení pak trvá okolo sedmi dnů. Předpokládaná rychlost účinku v reálných podmínkách, tj. za nižších teplot, je několik týdnů.

Počátečním bodem výzkumu bylo najít bakterie, jež by přežily v extrémně zásaditém prostředí. Cement promíchaný s vodou ve směs má hodnotu pH okolo 13, což vytváří nepříznivé podmínky pro jakýkoliv život. Většina organismů v prostředí s pH hodnotou převyšující 10 dlouhodobě nepřežívá.
Výzkum se zaměřil na mikroby, prospívající v přirozeně alkalických prostředích, jaká nalezneme např. v alkalických jezerech v Rusku. Podmínky zde přežijí pouze bakterie schopné vytvářet spory s mimořádně silnými buděčnými stěnami, zatímco čekají na vhodnější podmínky k množení. Pokud jsou „pohřbeny“ v betonu, probudí se až v okamžiku, kdy voda prosákne do trhlin a výživa je k dispozici. Tento proces totiž sníží pH do hodnot 10 –11,5.
Jako vhodný živný substrát pro bakterie byl po dlouhém hledání a zkoušení vybrán laktát vápenatý – zdroj uhlíku, který poskytuje biomasa. Tento materiál má tu výhodu, že pokud se začne rozpouštět už během procesu míchání cementové směsi, neovlivní dobu tuhnutí betonu.

Jakkoliv magickým řešením se samohojivý beton může zdát, není všespásný. Jeho rozšíření ve velkém měřítku zatím brání dvě důležité překážky. První je cena, jež v současnosti činí dvojnásobek ceny běžného betonu. Vysoká cena je způsobena hlavně cenou laktátu vápenatého a také tím, že pelety vyrábějí ve vakuu. Nutno dodat, že v průmyslové výrobě velkého měřítka by se tyto náklady významně snížily a také že v případě předpokládaného prodloužení životnosti stavby o 30 % by se poměr cena/kvalita přiklonil na stranu nového materiálu.
Druhým záporem je skutečnost, že pelety s hojivými činiteli tvoří 20 % celkové hmoty. Tyto pelety z expandovaného jílu jsou v porovnání s kamenivem běžně používaným do směsi velmi měkké a jejich použití v tomto poměrném zastoupení snižuje odolnost betonu v tlakovém zatížení o celých 25 %, což by například znemožňovalo využití samohojivého betonu pro výškové budovy.
Výzkum možností samohojivého betonu s obsahem bakteriálních kultur je ovšem stále v procesu a k jeho hlavním cílům patří snížení nákladů na jeho výrobu a zlepšení jeho technických vlastností. Blízka budoucnost jistě ukáže, zda jsou tyto cíle realistické.