Biocement in beton, ki se popravi sam

Takoj za vodo je beton najbolj pogosto uporabljena snov na svetu. Beton in cement se uporabljata za gradnjo prebivališč, industrijskih objektov, priobalnih branikov in druge infrastrukture, zato sta dobesedno temelj za življenje.

Po drugi strani pa ima gradbeništvo zelo velik vpliv na okolje. Proizvodnja cementa je odgovorna za skoraj osem odstotkov svetovnih izpustov ogljika, to je več kot letalska industrija (2,5 odstotka) in nekaj manj kot kmetijstvo (12 odstotkov). Prav zato raziskovalci iščejo trajnostne, vsestranske in cenovno ugodne rešitve, med drugim so izdelali zelo trpežen beton, na temeljih biologije pa biocement. »Če pomislimo na vse potrebe, povezane s prehodom na čistejše oblike energije, lahko rečemo, da prehoda ne moremo izvesti brez betona,« pravi Liberato Ferrara, profesor strukturne analize in snovanja na Politehniški univerzi v Milanu.

Bil je vodja projekta ReSHEALience, v katerem so razvijali novo vrsto ultratrpežnega betona (UHDC), ki kljubuje skrajnim razmeram in se samopopravi. »Gre za nekatere najbolj agresivne razmere, v katerih se lahko znajdejo betonski objekti,« pojasnjuje Ferrara. Te mešanice betona so močne in trpežne zaradi posebnih sestavin, kot so kristalasti aditivi, nanovlakna iz glinice in nanokristali iz celuloze.

Beton sčasoma vedno popoka, vendar je ena od lastnosti kristalastih mešanic, da spodbujajo samodejno popravljanje poškodb. Ko reagirajo z vodo in sestavnimi deli betona, tvorijo iglaste kristale, ki zrastejo tako, da zapolnijo razpoke. Primešana nanovlakna pa povečajo mehansko trdnost materiala in pripomorejo k trpežnosti, tako da lahko beton prenese ekstremne razmere.

UHDC so testirali kot trpežen nadomestek tradicionalnih lesenih splavov, ki se uporabljajo za gojenje školjk, in kot sestavino plavajočih podstavkov za vetrne turbine. Prav tako so ga preizkusili v zahtevnih razmerah, kakršne so v geotermalnih elektrarnah, in obnesel se je bolje od tradicionalnih gradbenih materialov. Z uporabo pri obnovi starega vodnega stolpa na Malti so prikazali tudi potencial, ki ga ima ta beton pri vzdrževanju arhitekturne dediščine.

Recikliranje

»Pilotni projekti v vseh pogledih izpolnjujejo pričakovanja,« nadaljuje prof. Ferrara. »Dokazali smo, da je UHDC inherentno trajnosten material. Omogoča, da za gradnjo enake strukture porabimo manj materiala, to pa na koncu prinese manjši okoljski odtis in boljši finančni rezultat.«

Poraba virov je pri tem materialu občutno manjša, saj zanj že na začetku potrebujejo manj surovin, poleg tega pa zdrži dlje časa. Prof. Ferrara meni, da bo lahko zdržal 50 let, preden bo na njem treba opraviti večja vzdrževalna dela. Proizvajati ga je mogoče iz lokalnih materialov, na zelo različnih lokacijah in za širok nabor namenov. Kot kaže, pa bi bil zdrobljen UHDC uporaben tudi kot reciklirana sestavina za izdelavo novega betona, saj ima enake mehanske lastnosti in enako trpežnost kot prvotni beton.

Biocement

Znanost se ozira tudi po rešitvah, ki jih je »razvila« narava.

Za železnice je posedanje tal na nasipih pod tiri velika težava in strošek. Ponavadi ta pojav odpravljajo z mehanskimi postopki za utrjevanje zdrobljenih materialov ali pa s kemikalijami za utrjevanje. Toda ti rešitvi sta zamudni in dragi, poleg tega imata stranske učinke za okolje in v ozračje izpuščata ogljik. Cilj sodelujočih v projektu Nobilis je, da bi to delo opravile bakterije, saj tla vidijo kot živ organizem, ne pa kot brezoblične kupe zemlje, ki jih buldožerji prestavljajo sem in tja.

Projekt sloni na teoriji, da lahko trdnejša tla, ki nastanejo s postopkom »biocementacije«, zmanjšajo potrebo po zemeljskih delih in materialih, kot je beton.

V postopku biocementiranja z zagotavljanjem hranil in tako imenovanih sredstev za cementiranje pospešujejo rast in presnovo bakterij. Encimi, ki jih proizvedejo bakterije, potem katalizirajo reakcije, iz katerih na koncu nastanejo snovi, kot je kalcijev karbonat, ki vežejo skupaj delce prsti. Potencial tega pristopa so prepoznali predvsem pri prsti z večjimi delci, na primer pri peščeni. Lahko gre za nastajanje skal na obali, ki preprečujejo obalno erozijo, lahko pa bi bil uporaben tudi v gradbeništvu in okoljskem inženirstvu.

Večji izziv je drobnozrnata prst, na primer glina in šota, kjer je gibanje bakterij, vode in drugih snovi bolj omejeno. Vendar se pri projektu Nobilis ne bojijo ovir in že raziskujejo, kako bi biocementiranje uporabili tudi pri drugih vrstah prsti. Pred kratkim so na vzhodu Anglije pokazali, da je možno biocementirati šotno prst. Cilj projekta je, da bi s preizkusi razširili obseg uporabe teh procesov, pravi profesorica Maria Mavroulidou, raziskovalka v geotehniki in projektna vodja na Univerzi South Bank v Londonu (LSBU).

Prof. Mavroulidou dodaja, da so za pristop, ki temelji na biologiji, potrebni novi načini razmišljanja in zaupanje v še neraziskane pristope. »Če gradbenemu strokovnjaku poveš, da boš tla utrdil z bakterijami, bo skeptičen,« pravi, saj gre za spremembo paradigme v panogi.

Wilson Mwandira, raziskovalec v okoljskem inženirstvu, ki prav tako prihaja z LSBU, pojasnjuje, da v projektu Nobilis proučujejo tudi pristope za zaklepanje ogljikovega dioksida v tleh pri procesu biocementiranja ter možnosti za uporabo več domorodnih bakterij v postopku. Z uporabo bakterij, ki so že v tleh, bi se izognili negativnim posledicam za organizme, ki so v okolju domači, razloži Mwandira. »Če v skupnost vneseš novo bakterijo, bodo nastale motnje v sistemu.«

Raziskovalci upajo, da bodo ti pristopi k biocementiranju postali bolj splošno uporabni v gradbeništvu. »Pristop poskušamo razširiti še na druge geotehniške materiale, ki jih najdemo v temeljih zgradb in drugih objektov,« nadaljuje profesor Michael Gunn, inženir geotehnike na LSBU. »Pri vsaki gradnji je treba nekako poskrbeti za tla.«

Meni, da bi lahko preteklo še kar nekaj časa, preden bomo te pristope uporabljali bolj rutinsko, a je ključno, da raziskujemo take inovativne metode za spoprijemanje z dolgoročnimi izzivi v gradbeništvu. »Velik del izpustov toplogrednih plinov oziroma ogljikovega dioksida prihaja iz gradbeništva. Zato moramo poiskati alternative tradicionalnim pristopom.«

–––

Raziskave, omenjene v članku, ​je financirala EU. Članek je bil prvotno objavljen v reviji Horizon, reviji EU za raziskave in inovacije.