Инфраструктура поддерживает и облегчает нашу повседневную жизнь — подумайте о дорогах, по которым мы едем, мостах и тоннелях, которые помогают перевозить людей и грузы, офисных зданиях, где мы работаем, и плотинах, которые обеспечивают воду, которую мы пьем. Но не секрет, что инфраструктура стареет и отчаянно нуждается в восстановлении.
В частности, серьезному износу подвержены бетонные конструкции. Трещины очень распространены из-за различных химических и физических явлений, возникающих при повседневном использовании. Бетон дает усадку при высыхании, что может привести к появлению трещин. Он может треснуть при движении под ним или из-за циклов замораживания/оттаивания в течение сезона. Если просто приложить к нему слишком большой вес, это может привести к переломам. Хуже того арматура в бетонной конструкции со временем может подвергнуться коррозии.
Очень крошечные трещины в бетоне могут быть опасными, потому что они обеспечивают легкий путь для жидкостей, газов и вредных веществ, которые они могут содержать. Например, микротрещины позволяют воде и кислороду проникнуть внутрь, а затем вызвать коррозию стали, что приведет к разрушению конструкции. Даже благодаря небольшой бреши шириной с волос вода проникнет внутрь и нарушит целостность бетона.
Но постоянное техническое обслуживание и ремонт сложны, потому что обычно требуют огромных затрат труда и инвестиций.
Как же вредоносные трещины могут зажить сами по себе без постоянного обслуживания бетонных конструкций? Идея изначально была вдохновлена удивительной способностью человеческого тела заживлять порезы, ушибы и переломы. Человек получает питательные вещества, которые организм использует для производства новых заменителей для заживления поврежденных тканей. Таким же образом, можем ли мы предоставить бетону необходимую продукцию для заполнения трещин в случае повреждения?
Ученые из Бингемтонского университета в США Гуанвен Чжоу и Дэвид Дэвис нашли необычного кандидата, который поможет бетону вылечить сам себя: грибок под названием Trichoderma reesei.
Сначала они проверили около 20 различных видов грибов, чтобы найти тот, который может выдержать суровые условия в бетоне. Некоторые из них выделили из корней растений, которые росли на почвах с низким уровнем питательных веществ, в том числе в сосновых пустошах Нью-Джерси и канадских Скалистых горах в Альберте.
Ученые обнаружили, что при растворении гидроксида кальция из бетона в воде pH нашей среды для роста грибов увеличился с почти нейтрального исходного значения 6,5 до очень щелочного 13,0. Из всех протестированных грибов только T. reesei смог выжить в подобной среде. Несмотря на резкое повышение pH, его споры прорастали в нитевидный мицелий гиф и одинаково хорошо росли как с бетоном, так и без него.
Ученые предлагают включать споры грибов вместе с питательными веществами во время начального процесса смешивания бетонной смеси при строительстве новой конструкции. Когда происходит неизбежное растрескивание и вода попадает внутрь, споры грибов прорастают.
По мере роста они будут работать как катализатор в богатых кальцием условиях бетона, способствуя осаждению кристаллов карбоната кальция. Эти минеральные отложения могут заполнить трещины. Когда трещины будут полностью заделаны и вода не сможет проникнуть внутрь, грибок вновь образует споры. Если трещины образуются снова и условия окружающей среды станут благоприятными, споры могут проснуться и повторить процесс.
T. reesei экологически чистый и непатогенный, не представляющий известного риска для здоровья человека. Несмотря на его широкое распространение в тропических почвах, ни разу не появлялось информации о неблагоприятных воздействиях на водные или наземные растения или животных. Фактически, T. reesei имеет долгую историю безопасного использования в промышленном производстве ферментов карбогидразы, таких как целлюлаза, которая играет важную роль в процессах ферментации во время виноделия. Конечно, исследователям необходимо будет провести тщательную оценку, чтобы изучить любые возможные немедленные и долгосрочные воздействия на окружающую среду и здоровье человека, прежде чем использовать его в качестве лечебного средства в бетонном строительстве.
До сих пор не до конца изучен этот очень молодой, но многообещающий метод биологического восстановления конструкций и фундаментов. Бетон представляет собой суровую среду для гриба: очень высокие значения pH, относительно небольшие размеры пор, серьезный дефицит влаги, высокие температуры летом и низкие температуры зимой, ограниченная доступность питательных веществ и возможное воздействие ультрафиолетовых лучей солнечного света. Все эти факторы резко влияют на метаболическую активность грибов и возможность их выживания.
Исследования американских ученых все еще находятся на начальной стадии, и предстоит пройти долгий путь, чтобы сделать самовосстанавливающийся бетон практичным и рентабельным. Но масштаб проблем международной бетонной инфраструктуры делает целесообразным поиск творческих решений, подобных этому.
