Бактерии могут сформировать систему самовосстановления бетонной инфраструктуры.
В надежде создать бетонные конструкции, способные устранять трещины, исследователи из Инженерного колледжа Университета Дрекселя предлагают новый подход к старому трюку для повышения долговечности бетона.
Армирование волокнами существует с тех пор, как первые каменщики смешивали конский волос с грязью. Однако исследовательская группа Drexel выводит этот метод на новый уровень, превращая армирующие волокна в систему живых тканей, которая доставляет бактерии , заживляющие бетон , к местам трещин, чтобы устранить повреждения.
Недавно в журнале « Строительство и строительные материалы» сообщалось , что «BioFiber» компании Drexel представляет собой полимерное волокно, заключенное в насыщенный бактериями гидрогель и защитную, устойчивую к повреждениям оболочку. Команда сообщает, что сетка из биоволокон, встроенная в бетонную конструкцию, может повысить ее долговечность, предотвратить рост трещин и обеспечить самовосстановление .
«Это захватывающее развитие в продолжающихся усилиях по улучшению строительных материалов , используя вдохновение природы», — сказал Амир Фарнам, доктор философии, доцент Инженерного колледжа, который был руководителем исследовательской группы.
«Каждый день мы видим, что наши стареющие бетонные конструкции испытывают повреждения, которые снижают их функциональный срок службы и требуют дорогостоящего серьезного ремонта. Представьте себе, что они могут исцелиться сами? В нашей коже наши ткани делают это естественным образом через многослойную волокнистую структуру, наполненную наша самовосстанавливающаяся жидкость — кровь. Эти биоволокна имитируют эту концепцию и используют камнеобразующие бактерии для создания чувствительного к повреждениям живого самовосстанавливающегося бетона».
Увеличение срока службы бетона — это не просто выгода для строительного сектора, оно стало приоритетом для стран по всему миру, которые работают над сокращением выбросов парниковых газов. На процесс изготовления ингредиентов бетона — сжигание смеси минералов, таких как известняк, глина или сланец, при температуре, превышающей 2000 градусов по Фаренгейту, — приходится 8% глобальных выбросов парниковых газов.
Бетонные конструкции могут разрушаться всего за 50 лет, в зависимости от окружающей среды. В условиях замены и растущего спроса на новые здания бетон является наиболее потребляемым и востребованным строительным материалом в мире.
Производство бетона, который может прослужить дольше, стало бы большим шагом в уменьшении его вклада в глобальное потепление, не говоря уже о сокращении долгосрочных затрат на ремонт инфраструктуры, поэтому Министерство энергетики США недавно предприняло усилия, направленные на его улучшение.
За последнее десятилетие Drexel лидировал в поиске путей повышения устойчивости и долговечности бетона, а лаборатория Фарнама является частью команды, участвующей в усилиях Министерства обороны по укреплению стареющих конструкций.
«В течение нескольких лет концепция биосамовосстанавливающихся цементных композитов разрабатывалась в Лаборатории передовых инфраструктурных материалов», — сказал Мохаммад Хаушманд, докторант лаборатории Фарнама, который был ведущим автором исследования.
«Проект BioFiber представляет собой совместную междисциплинарную работу, объединяющую опыт из области гражданского строительства, биологии, химии и материаловедения. Основная цель — стать пионером в разработке многофункциональной самовосстанавливающейся технологии BioFiber, устанавливая новые стандарты на стыке эти разнообразные дисциплины».
Подход команды к созданию BioFibers был вдохновлен способностью тканей кожи к самовосстановлению и ролью сосудистой системы в помощи организмам в заживлении собственных ран. Он использует разработанную ими биологическую технику, обеспечивающую самовосстановление бетонной инфраструктуры с помощью биоминерализующих бактерий.
В сотрудничестве с исследовательскими группами под руководством Кэролайн Шауэр, доктора философии, кафедры инженерных наук Маргарет К. Бернс, Кристофера Сейлса, доктора философии, доцента, и Ахмада Наджафи, доктора философии, доцента, все Группа из Инженерного колледжа определила штамм бактерий Lysinibacillus sphaericus как биовосстановительный агент для клетчатки.
Устойчивые бактерии, обычно встречающиеся в почве, обладают способностью запускать биологический процесс , называемый микробиологическим осаждением карбоната кальция, создавая камнеподобный материал, который может стабилизироваться и затвердевать, превращаясь в заплатку для открытых трещин в бетоне.
Когда бактерии начинают образовывать эндоспоры, они могут выжить в суровых условиях внутри бетона, находясь в состоянии покоя, пока не будут призваны к действию.
«Одна из удивительных особенностей этого исследования заключается в том, что каждый подходит к проблеме, исходя из своего разного опыта, и благодаря этому решения по созданию новых биоволокон становятся намного эффективнее», — сказал Шауэр.
«Выбор правильной комбинации бактерий, гидрогеля и полимерного покрытия имел центральное значение для этого исследования и функциональности BioFiber. Черпать вдохновение из природы — это одно, но воплотить это в приложении, состоящем из биологических ингредиентов, которые могут сосуществовать в функциональном структура — это довольно сложная задача, для успешной реализации которой потребовалась многопрофильная команда экспертов».
Чтобы собрать BioFiber, команда начала с сердцевины из полимерного волокна, способной стабилизировать и поддерживать бетонные конструкции . Он покрыл волокно слоем насыщенного эндоспорами гидрогеля и покрыл всю сборку чувствительной к повреждениям полимерной оболочкой, как ткани кожи. Вся сборка имеет толщину чуть больше полмиллиметра.
Помещенный в сетку по всему бетону во время заливки, BioFiber действует как усиливающий поддерживающий агент. Но его истинные таланты раскрываются только тогда, когда трещина проникает в бетон настолько, чтобы пробить внешнюю полимерную оболочку волокна.
По мере того, как вода проникает в трещину и в конечном итоге достигает BioFiber, она заставляет гидрогель расширяться и выталкиваться из оболочки вверх к поверхности трещины. Пока это происходит, бактерии активируются из своей эндоспоровой формы в присутствии углерода и источника питательных веществ в бетоне. Вступая в реакцию с кальцием в бетоне, бактерии производят карбонат кальция, который действует как цементирующий материал, заполняя трещины до самой поверхности.
Время заживления в конечном итоге зависит от размера трещины и активности бактерий — механизма, который команда в настоящее время изучает, — но первые признаки позволяют предположить, что бактерии могут выполнить свою работу всего за один-два дня.
«Хотя предстоит проделать большую работу по изучению кинетики самовосстановления, наши результаты показывают, что это жизнеспособный метод остановки образования, стабилизации и ремонта трещин без внешнего вмешательства», — сказал Фарнам. «Это означает, что однажды BioFiber можно будет использовать для создания «живой» бетонной инфраструктуры и продления ее срока службы, предотвращая необходимость дорогостоящего ремонта или замены».
Теги: биотехнологии
