Samoopravitelný beton – inovativní materiál ve stavebnictví | Článek v časopise Mladý vědec

Samoopravitelný beton je revoluční technologie, která mění stavebnictví tím, že minimalizuje nutnost oprav a snižuje náklady na údržbu stavenišť. Díky přidání speciálních bakterií může takový beton jako živý organismus samostatně „zacelovat“ trhliny, které se objevují v jeho struktuře, a prodlužovat tak životnost konstrukcí.

A to nemluvíme o vzdálené budoucnosti. Samoopravitelný beton – Basilisk Self-Healing Agent – ​​je společným vývojem společností Aizawa Concrete Corporation (Tomakomai, Japonsko) a Delft University of Technology (Nizozemí). V létě 2022 byl samoopravný beton Basilisk HA registrován v informačním systému nové technologie (NETIS) a počátkem roku 2023 tento inovativní materiál obdržel cenu Excellence Prize na 9. ročníku Monodzukuri Nippon Grand Awards, kterou uděluje japonské ministerstvo hospodářství za mimořádné úspěchy ve výrobě.

Jak to funguje?

Inovativní vývoj je založen na vitální aktivitě bakterií Bacillus subtilis, kmene, který se již používá při výrobě fermentovaných sójových bobů. Vědci přišli na to, jak je využít k dosažení regenerace poškození betonu – okamžité opravy bez lidského zásahu.

Do betonového roztoku se při jeho výrobě přidávají granulované kapsle s obsahem bakterií odolných vůči zásadám a kyseliny polymléčné, která pro ně slouží jako zdroj potravy. Při kontaktu s kyslíkem a vodou, které se nevyhnutelně dostávají do trhliny vytvořené v betonu, se mikroorganismy aktivují a začnou se rychle množit. Přeměňují dostupné živiny na uhličitan vápenatý (vápenec), který zalepuje poškození. Když je mezera v betonu zcela vyplněna, bakterie se vrátí do klidového stavu. Poškození se tak samo opraví a zvýší se odolnost betonové konstrukce.

Kolonie mikroorganismů vyplní trhlinu v betonu v nejranějších fázích jejího vzniku (šířka až 1 mm), dlouho předtím, než lze toto poškození zjistit při technické prohlídce budovy. Protože proces obnovy začíná okamžitě, trhlina se dále nerozšiřuje. Vzhledem k tomu, že beton je navržen tak, aby vydržel až 100 let a bakterie se dělením opakovaně množí a jejich životnost může dosáhnout 200 let, stává se betonová konstrukce prakticky „věčnou“.

Výhody a perspektivy pro stavební průmysl

Samoopravitelný beton má velký potenciál řešit mnoho současných problémů ve stavebnictví, jako je znehodnocování konstrukcí a působivé náklady na jejich údržbu. Zavedení takových konkrétních řešení slibuje, že bude výstavba nákladově efektivnější a udržitelnější a zároveň pomůže dosáhnout cílů v oblasti snižování uhlíku.

1. Výrazné snížení nákladů na údržbu budov a staveb.
   • Ve srovnání s tradičními betonovými konstrukcemi, které vyžadují pravidelné opravy a kontroly, biobeton, který samostatně utěsňuje malá poškození ve své struktuře, minimalizuje riziko velkých trhlin a destrukce. To je zvláště důležité pro konstrukce vystavené značnému zatížení a nepříznivým povětrnostním podmínkám, jako jsou mosty, silnice a vodní stavby.
   • A speciální řešení opravného betonu se stejnými samoopravnými vlastnostmi vám umožní opravit tradiční beton, čímž se minimalizuje nutnost opakovaných oprav v budoucnu, což také v konečném důsledku vede ke snížení nákladů na údržbu budov a staveb.
2. Zvyšování trvanlivosti stavebních projektů. Samoopravný beton dokáže díky vysoké odolnosti vůči vnějším vlivům výrazně prodloužit životnost staveb, což přináší i ekonomické výhody.
3. Snížení nákladů a zjednodušení stavebních procesů. Utěsněním trhlin tento beton eliminuje potřebu speciálních nátěrů pro zlepšení vodoodpudivých vlastností konstrukce. Umožňuje také naplánovat menší množství požadované ocelové výztuže již ve fázi návrhu. Použití samoopravitelného betonu vede k úspoře stavebních materiálů a času na stavbu zařízení a obecně k optimalizaci stavebních nákladů.
4. Ekologický aspekt. Protože samoopravný beton minimalizuje potřebu oprav a výměny, pomáhá snižovat emise uhlíku spojené s výrobou a přepravou nového betonu. S tím, jak se stavební průmysl snaží snižovat svou uhlíkovou stopu, jsou taková řešení stále aktuálnější.

Vytváření „živého“ betonu

Inovaci nebylo možné okamžitě uvést do praxe. Zpočátku se ukázalo, že je obtížné takový beton vyrábět ve velkém kvůli pracnému procesu enkapsulace bakterií. Aizawa tento problém vyřešil tím, že v roce 2017 vyvinul vysokorychlostní metodu dekompresního míchání, která umožňuje výrobu produktu ve velkém měřítku. V roce 2020 společnost začala vyrábět 10 tun biobetonu denně, což odpovídá 700 000 m² ročně. Dnes Japonci již používají taková betonová řešení k vytváření základů v regionech náchylných k přírodním katastrofám, jako jsou tsunami a zemětřesení.

Technologie samoopravného betonu je krokem vpřed k ekologičtějším a odolnějším stavebním řešením. V kontextu rychlého zhoršování infrastruktury a klimatických změn se stává důležitým nástrojem rozvoje moderního stavebnictví.

Surovenko, V. B. Samoopravitelný beton – inovativní materiál ve stavebnictví / V. B. Surovenko. — Text: přímý // Mladý vědec. — 2023. — Č. 23 (470). — S. 57-59. — URL: https://moluch.ru/archive/470/103378/ (datum přístupu: 12.02.2025).

Článek zkoumá přístupy k vytváření odolnějších a stabilnějších betonových konstrukcí. Jsou analyzovány výsledky experimentů na vývoji tzv. „samoopravných betonů“ modifikací betonových směsí mikrobiologickými přísadami – bakteriemi druhu bacillus subtitus.

Klíčová slova: beton, samoopravný beton, mikrobiologické přísady, pružný beton.

Beton je celosvětově jedním z nejpoužívanějších stavebních materiálů díky své pevnosti a hospodárnosti při výrobě. Podle různých odhadů se na celém světě ročně vyrobí asi 10 miliard tun betonové směsi.

Slavný stavební materiál má však po zamrznutí vlastnost, že se po určité době zdeformuje (praskne). Během používání se v něm při zatížení objevují praskliny, které jsou otevřeným kanálem pro pohyb vlhkosti. Po sérii cyklů zmrazování a rozmrazování se trhliny rozšíří a poté se voda dostane k výztuži a spustí proces koroze výztuže. Rez zabírá více místa než výztužný materiál a beton začíná praskat a oddělovat se.

V Rusku náklady na opravy a obnovu jednotlivých průmyslových staveb dosahují přibližně 20–25 % jejich hodnoty [1]. Problém zajištění trvanlivosti železobetonových konstrukcí je tedy jedním z hlavních ve stavebnictví.

Téma se tedy jeví jako samozřejmé: samoopravný beton spojený s výzkumem zaměřeným na získávání nových typů tradičních stavebních materiálů Samoopravitelný beton je revolučním stavebním materiálem, který řeší mnoho problémů a nepochybně je stavebním materiálem budoucnosti [2].

Samoléčení beton — je obecný název pro různý moderní vývoj a inovativní řešení navržená tak, aby změnila strukturu materiálu a učinila jej obnovitelným a odolným vůči různým vlivům. Často se beton modifikovaný mikrobiologickou přísadou nazývá také biologický beton (biobeton) [3].

Ve světě zatím neexistuje obdoba betonu jako stavebního materiálu, což jej činí jedinečným. Není proto divu, že beton byl neustále upravován a získával nové vlastnosti. Není to tak dávno, co byl objeven samoopravitelný beton, jehož vlastnosti hovoří sám za sebe. Ve srovnání s běžným betonem se ve studiích prokázalo, že tento typ betonu má schopnost regenerace, je také elastičtější, odolnější vůči trhlinám a o 40–50 % lehčí než klasický beton. Nápad na výrobu takového betonu byl převzat z obyčejných mořských mušlí, které obsahují různé minerály, které jim dodávají pevnost a pružnost [4].

Materiál poprvé navrhl mikrobiolog Henk Jonkers z Delft University of Technology v Nizozemsku v roce 2005. Jonkersovi trvalo tři roky, než znovu vytvořil prototyp samoopravitelného betonu. Hlavním cílem bylo najít bakterie, které by mohly přežít v drsných podmínkách betonu [5].

Abychom vyřešili problém sucha, bylo rozhodnuto použít tyčinkovité bakterie kvůli jejich odolnosti a dlouhé životnosti. Ale k výrobě vápence k vyplnění mikrotrhlin bylo nutné poskytnout bakteriím živiny. Zkusili použít cukr, ale ten zhoršil vlastnosti betonu a snížil jeho pevnost. Následně byl jako zdroj potravy zvolen laktát vápenatý.

Pro ochranu bakterií a jejich zdroje potravy budou umístěny v malých kapslích vyrobených z biologicky odbouratelného plastu, které se rozpouštějí, když jsou vystaveny vodě. Při interakci bakterií s laktátem vápenatým dochází k chemické reakci, která vytváří vápenec, který vyplňuje trhliny. Proces vytvrzování gelu trvá sedm dní.

Tyto bakterie mohou zůstat nečinné až dvě století. Bakterie, které se nacházejí v mikrotrhlinách, plní mikroproužky odpadními produkty své životně důležité činnosti a chrání před vznikem hlubokých trhlin v betonové struktuře.

Použití samoopravného betonu snižuje pracnost a náklady na opravy budov a také snižuje emise uhlovodíků při výrobě výrobní směsi. Podle výzkumů a experimentů je takový beton pevnější a hustší. Stojí za zmínku, že tento typ betonu byl vyvinut s cílem prodloužit životnost a ušetřit na velkých opravách budov a konstrukcí.

Dnes probíhají finální přípravy na vstup nového materiálu na světový trh. A samozřejmě novinka vyjde minimálně ve dvou verzích. Půjde o vápennou maltu na utěsnění trhlin a samotný samoopravný beton.

Když se mluví o konceptu samoopravitelného betonu, nelze jej chápat jako jeden konkrétní materiál. Je to spíše obecný název pro moderní vývoj, ve kterém je struktura materiálu nahrazena, takže je náchylná na různé vnější faktory. V dnešní době existuje několik druhů samoopravných betonů [4].

Kromě výše popsaného samoopravitelného betonu, který objevili nizozemští vědci před 18 lety, jsou dalším typem polymerové „náplasti“ sestávající z polymerních kapslí. Jedná se o materiál používaný jako nátěr na monolitické betonové desky. Pokud se na desce pokryté takovým materiálem objeví prasklina, tyto polymerní kapsle se otevřou, což způsobí, že se praskliny vyplní tekutým polymerem. Pak je potřeba ultrafialové záření, pod jehož vlivem polymery tvrdnou, a tím obnovují vlastnosti betonu. Takové náplasti jsou vědci z Jižní Koreje stále ve fázi vývoje, ale v tuto chvíli testy dávají pozitivní výsledky. Tato technologie má však jednu velkou nevýhodu: účinek takové záplaty trvá pouze jeden rok. Proto je nutný další vývoj této technologie s prodlužováním doby jejího používání [4].

Dalším typem inovativního betonu je flexibilní beton (ConFexPave). Tento inovativní materiál vyvinuli vědci ze Singapuru. Z hlediska vlastností je tento typ betonu podobný ocelové výztuži a jeho pružnost je dvakrát vyšší než u běžné cementové struktury. Do složení takového betonu se přidává polymerní mikrovlákno, které zvyšuje pružnost konstrukce a zvyšuje její přilnavost (vazbu) k natíranému povrchu. V důsledku toho lze takový beton již nazvat kompozitním materiálem, protože je poměrně lehčí a pevnější. To je velmi důležitý faktor při výstavbě konstrukcí jako jsou silnice, mosty a také při výstavbě výškových budov. Pružný beton je mimo jiné schopen odolat zemětřesení, což je velmi důležité při stavbě konstrukcí v seismicky nebezpečných zemích. Proto je výroba takového betonu velmi rozvinutá v Japonsku a USA. Pružný beton je nepochybně průlom ve stavebnictví, má však značnou nevýhodu – náklady. Pružný beton stojí třikrát více než běžný beton [4].

Protože je biobeton stále ve fázi vývoje, používá se tento typ betonu v omezeném měřítku a není široce rozšířen. Hlavní překážkou jsou výrobní náklady. V současnosti jsou náklady na výrobu samoopravného betonu přibližně 2x vyšší než na výrobu běžného betonu. Proto výzkum pokračuje pomocí různých přístupů ke snížení nákladů a nalezení levnějšího materiálu (náhrada laktátu vápenatého nějakou jinou látkou).

Při studiu betonových směsí a vlastností betonu se vědci kupodivu inspirují kulturou starověkého Říma. Složení materiálů ve starověkých římských budovách bylo studováno již dlouhou dobu. Vyznačují se pevností, odolností a dlouhou životností. Budovy, které se dnes staví z monolitického betonu, jsou navrženy tak, aby vydržely až 120 let, zatímco stavby postavené ve starověkém Římě stojí více než 2000 let a pravděpodobně ještě dlouho stát budou.

Cílem práce je analyzovat pevnostní, výkonové a nákladové charakteristiky biobetonu.

Novou technologií lze do betonu přidávat speciální mikroorganismy, které jsou během svých životních procesů schopny uvolňovat derivátové složky vápence, zejména kalcit, který je schopen vzniklé mikrotrhliny pomocí tohoto pojiva „utáhnout“.

Způsob výroby biobetonu je popsán v [6]. Podstata metody je následující: do betonového odlitku se vnese kultura bakterií, která během svého životního procesu produkuje vápník (v podstatě stejný cementový kámen). Tyto bakterie, které se skrývají na dně mikrotrhlin, plní mikroproužky odpadními produkty své životně důležité činnosti (vápníkem), čímž eliminují tyto prekurzory hlubokých trhlin ve struktuře betonu. Navíc aktivita biologických kultur v kyselém prostředí betonové konstrukce již byla potvrzena praktickými experimenty.

Autoři článku [7] popisují experiment, ve kterém studovali využití kalcitu produkovaného bakteriemi pro zvýšení životnosti budov a konstrukcí. Výsledky studie potvrdily pozitivní vyhlídky použití uhličitanu produkovaného bakterií Bacillus sphaericus k utěsnění trhlin v betonu. Výzkumný tým uvedl úplné utěsnění uměle vytvořených trhlin o šířce 0,3 mm a hloubce 10 mm a poznamenal, že propustnost betonu byla výrazně nižší, než když byly trhliny utěsněny cementovou maltou. V [8] bylo rovněž uvedeno, že při ošetření betonu mikrobiologicky získaným kalcitem lze obnovit pevnost v tlaku ošetřených vzorků na 84 %.

Protože je biobeton stále ve fázi vývoje, používá se tento typ betonu v omezeném měřítku a není široce rozšířen. Jednou z překážek jsou vysoké výrobní náklady. V současnosti jsou náklady na výrobu samoopravného betonu přibližně 2x vyšší než u běžného betonu. Proto výzkum pokračuje ve zkoumání různých přístupů ke snížení nákladů a hledání levnějšího materiálu (náhrada laktátu vápenatého nějakou jinou látkou), aby byl nový beton dostupnější [9, 10]. Samoopravitelný beton má více výhod než nevýhod a je materiálem budoucnosti.

Vědci z Mordovian State University pojmenovali po Ogareva spolu se spoluautory z Iráku získala čtvrtý euroasijský patent na vynález samoopravitelného betonu. K dnešnímu dni již Mordovská státní univerzita vyvinula 3 druhy samoopravného betonu, vynález z roku 2022 se vyznačuje technologií využití mikroorganismů různé povahy a speciálních modifikátorů [11]. Objeví-li se trhliny v konstrukcích na bázi samoopravného betonu, dochází k jejich „zacelení“ pod kontrolou bakterií v důsledku tvorby minerálního sedimentu. Beton získaný touto technologií a železobetonové konstrukce na ní založené mají úroveň trvanlivosti více než 3krát vyšší a úroveň pevnosti 1,5krát vyšší než u tradičního betonu [12].

Závěrem podotýkáme, že biologický beton je základním materiálem pro výrobu vícevrstvých panelů, ze kterých se pak konstruuje systém vertikálních zahrad [13].

1. Karpenko N. I. et al. O moderních metodách zajištění trvanlivosti železobetonových konstrukcí //Akademia. Architektura a stavebnictví. -2015. -č. 1. S.93–102.
2. Tokarev A. S., Panin P. A., Medveděv V. S. Samoopravný beton. dokumenty Yandex. Režim přístupu: docs.yandex.ru/samovosstanavlivayushchiysya-beton.pdf (přístup 20.05.2023).
3. Zhukova G. G., Safiulina A. I. Studie aplikace samoopravitelného betonu // Stavebnictví a geotechnika. — 2020
4. Aleksandrova E. V., Losev G. V. Inovativní technologie při výstavbě zemědělských staveb: samoopravný beton // Bulletin rozvoje venkova a sociální politiky. 2020. č. 4 (28), str. 27–30.
5. Kodzoev M.Kh., Isachenko S.L. Samoléčivý beton // Bulletin vědy a praxe. -2018. Vol.4, č.4.str.287–290.
6. Čajkovskaja L. V., Esedullave R. M. Samoopravitelný beton // Stavba a rekonstrukce. -2022. –T.2. S.
7. Bochkarev V.A., Zhurbenko M.D., Čeredničenko T.F., Provozní spolehlivost konstrukcí ze samoopravitelného betonu / Sborník prací Mezinárodní vědecké a praktické konference, 2. S. 2021–159.
8. Sanchez-Moral S., Canaveras JC, Laiz L. And et. Al. Biomediovaná precipitace metastabilních fází uhličitanu vápenatého v hypogeanských prostředích: Krátká recenze// Geomicrobiology journal. 2003. Sv. 20(5). Pp. 491–500.
9. Hearn, N., Morley, CT Samotěsnící vlastnost betonu. Experimentální důkazy // Materiály a struktury. 1997. V. 30. S. 404–411.
10. Erofeev V. T., Dulaimi Salman Davud, Smirnov V. F. Bakterie pro získání samoopravitelného betonu// Internetový časopis „Dopravní stavby. -2018. -č. 4, v.5. Režim přístupu: docs. yandex.ru. O7SATS418.pdf.
11. Webové stránky Mordovian State University: ru/news/uchenye-mordovii-zapatentovali- … (datum přístupu – 24.05.2023).
12. Al Dulaimi Salman Dawood Salman, Samoopravitelný beton modifikovaný mikrobiologickými příměsemi. Abstrakt práce. diss…..cand. technické vědy, spec. 05.23.05. Moskva, 2019.
13. Kolchina T. O. Biobeton – nová generace samoopravného betonu / Sborník vědeckých prací na základě materiálů celoruské vědecké a praktické konference „Bezpečné a pohodlné město“, Orel. — 2018. S.102–106.

Základní pojmy (vygenerováno automaticky): beton, pružný beton, typ betonu, běžný beton, vlastnost betonu, fáze vývoje, biologický beton, levný materiál, Starověký Řím, snížení nákladů.