Бактериите, които могат да помогнат на сградите да се възстановяват, са тествани в абатството Тинтърн в Уелс и са показали, че подобряват микроструктурата на камъка, без да засягат цвета или дишането му.
Каменни и бетонни конструкции със способността да се самовъзстановяват по подобен начин чрез живите организми, когато са повредени, могат да дадат насока как в бъдеще да бъдат изграждани по-устойчиви, по-безопасни и по-дълголетни сгради.
С течение на времето атмосферните влияния, вибрациите, земните движения и общото износване могат да окажат своето влияние върху зидарията и бетона, използвани в сградите.
Но поддържането на сградите в добро състояние може да бъде скъпо и трудно. Трудно е да се открият пукнатини под фасадите и други повреди под повърхността на стените.
С голям брой исторически постройки и застаряваща инфраструктура, Европа е изправена пред трудоемката задача да поддържа сградите си в добро състояние.
Само за поддържането и ремонта на своите ок. 1,1 милиона моста на ЕС му е необходим бюджет от 4-6 милиарда евро всяка година, докато замяната им може да струва повече от 400 милиарда евро.
И тъй като около една пета от къщите в ЕС са на повече от 69 години – според данни от 2015 г. – поддържането им в добро и функциониращо състояние ще се превърне в нарастваща тежест за строителната индустрия.
Това накара някои учени да се запитат дали не е възможно сградите да се грижат сами за себе си.
„Въпреки че естествените каменни конструкции и предмети може да са оцелели през вековете, атмосферните влияния и ежедневните стресове причиняват щети и влошаване“, казва д-р Магдалини Теодориду, инженер и научен сътрудник от университета в Нюкасъл и Хъба за биотехнологии в застроена среда във Великобритания. “Това може да компрометира структурната цялост и безопасността на сградите, както и да намали естетическата им привлекателност.
Предоставянето на тухлена и каменна зидария с вградена имунна система, готова за работа, преди повредата да стане критична, значително ще облагодетелства дълголетието им и ще намали нуждите им от поддръжка.“
Бактериите
За да позволи на сградите да се самопоправят, д-р Теодориду използва бактерии, които могат да действат подобно на имунните клетки в човешкото тяло, отговорни за откриване на наранявания и подпомагане на заздравяването.
Докато работи като научен сътрудник в университета в Кардиф, тя е част от проекта GEOHEAL, който разработва начини за използване на бактерии за възстановяване на щети по естествен камък и зидария.
Предишна работа на други екипи демонстрира, че е възможно да се създаде “самолекуващ” се бетон чрез засяване с бактериални спори. Спорите се съдържат в малки капсули, заедно с хранителни вещества.
Когато в бетонната конструкция се появи пукнатина, капсулите се разкъсват и излезлите от тях бактерии се размножават, образувайки калциев карбонат – основната съставка на варовика, намираща се и в черупките на морските обитатели. После това нещо се втвърдява в стабилен минерален калцит, който циментира пукнатината.
Така че специфични издръжливи видове бактерии – способни да оцеляват на диапазона от условия, които структурата може да изпита – могат да бъдат добавени към бетона, като се смесят с него. Вкарването им в естествен камък обаче е по-голямо предизвикателство.
Екипът на GEOHEAL е разработил техника, която им позволява да напръскват или четкат съществуваща каменна зидария с течност, съдържаща естествени почвени бактерии. След това те сами си проправят път в порестата скала и в крайна сметка лекуват щетите, когато те възникнат. Лечението съдържа и калций, заедно с хранителни вещества, от които бактериите се нуждаят, за да се размножават и да произвеждат калцит.
Използваните два вида почвени бактерии – Sporosarcina pasteurii и Sporosarcina ureae – могат лесно да направят свои домове вътре в камъка, твърди д-р Майкъл Харботъл, координатор на проекта GEOHEAL и старши преподавател по геоинженерство в университета в Кардиф, Великобритания.
„Камъкът и геоложките материали по природа са биорецептивни, благодарение на минералогичния им състав и порестата микроструктура“, казва той. „Бактериите, които използвахме, могат да живеят щастливо в такава среда и да доведат до образуване на нови минерали, стига да имат достъп до вода, кислород и хранителни вещества, включително източник на калциеви йони.“
Самолечението
Докато бактериите могат да се хранят с калция, който вече се съдържа в някои естествени видове скали като варовик, мрамори и пясъчници, това може да разяде околния камък. Вместо това изследователите осигуряват допълнителен калций за превръщането на бактериите във втвърден калцит.
„Предоставяме на калциевите йони хранителни вещества, за да повишим ефективността на самолечебната система, както и да предотвратим разлагането на естествената тъкан на гостоприемните материали“, обяснява д-р Харботъл.
Изследователите са разработили също самозаздравяващ се хоросан за спояване на камъни и тухли, като добавят спящи бактерии към хоросанната смес заедно с мрежа от „вени“, съдържащи хранителни вещества. Когато хоросанът е повреден, тези вени се отварят, осигурявайки храна за бактериите, която ги кара да се размножават и да възстановяват пукнатините. Докато го правят, те се капсулират отново, преминавайки в латентно състояние и готови да започнат процеса на ремонт отново, ако възникнат допълнителни повреди.
При условие, че бактериите имат достъп до вода или кислород, процесът на самолечение може да се осъществи на всякаква дълбочина в камъка, където може да се появи пукнатина. Повечето лечения за възстановяване и защита на стара зидария обикновено се ограничават до покрития на повърхността на зидарията, казва д-р Теодориду.
По време на двугодишния проект, приключил в началото на 2020 г., изследователите си сътрудничат и с уелското правителство, за да видят дали тяхната бактериална система може да помогне за запазването на историческото абатство Тинтърн в Монмътшър (Уелс). Тестовете, проведени върху каменни проби от обекта, показаха, че бактериите могат да подобрят микроструктурата на зидарията.
От решаващо значение е и това, че те също така установиха, че външният вид на самия камък не се е променил.
„Например не бяха открити промени в цвета, които биха могли да бъдат забелязани от човешкото око“, казва д-р Харботъл. Бактериалното третиране също не е повлияло и на „дишането“ на камъка – нещо, което може да бъде проблем при конвенционалните обработки за защита на камъни и уплътнители, което може да доведе до отлепване на повърхностния слой, тъй като зад него се натрупват соли. А това на свой ред може да ускори изветрянето на камъка, който е изложен отдолу.
Инфраструктурата
Д-р Теодориду добавя, че използването на бактериални самовъзстановителни лечения може да бъде особено полезно за критична инфраструктура и труднодостъпни съоръжения, като мостове и тунели. Това също може да помогне за удължаване на живота на по-стари сгради, които са претърпели щети.
Този похват може да допринесе за постигане на глобални цели за устойчивост, казва тя.
Строителната индустрия е отговорна за около 5-12% от емисиите на парникови газове в Европа и 11% в целия свят, което я прави основен фактор за изменението на климата. Като помагат на сградите да издържат по-дълго с по-малко ремонти, самолечебните материали могат да намалят тези емисии.
За конструкции като мостове, тунели и земни подпорни стени способността за самолечение също може значително да подобри тяхната безопасност. Увреждането на тези критични инфраструктури може да доведе до катастрофални повреди, ако те не се поддържат редовно.
През 2018 г. колапсът на моста Моранди в Генуа, Италия, отне живота на 43 души, а разследващите комисии идентифицираха корозирали кабели и повреди по бетона като частична причина за аварията.
Големи части от тези структури обаче се налага да бъдат прокарани под земята, което прави поддръжката и инспекциите им още по-трудна задача. Самовъзстановяващият се бетон в тези ситуации може да помогне да се спестят до 120 милиона евро всяка година от разходи за поддръжка и ремонт на европейските тунели и подпорни стени, според изследователи, работещи по проекта GEOBACTICON.
Почвите
Повечето изследвания на самолекуващия се бетон са съсредоточени върху структури, изложени на въздух или вода, а не толкова върху вкопани в почвата. Различните типове почви с различна влага и киселинност могат да повлияят на бетона по различни начини.
„Не е ясно дали процесът на самовъзстановяване е ефективен при конкретни елементи, изложени на толкова сложни почвени условия“, казва д-р Адам Суид, инженер от Университета в Дерби (Великобритания) и главен изследовател на GEOBACTICON. Проектът, който приключи през декември, се опитваше да разгадае как самолечението на базата на бактерии ще се отрази на бетон, заровен под земята.
Той и колегите му смесват богати на калций капсули гел, пълни с почвените бактерии Bacillus subtilis, в бетон и ги оформят на блокове. След това блоковете са умишлено повредени и заровени в различни видове естествено срещащи се почви. В резултат на експеримента учените откриват, че в някои почви други почвени бактерии могат да проникнат в пукнатини и да се конкурират с “лечебните” бактерии.
Размерът и съставът на почвените частици също могат да създадат проблеми, тъй като те могат да проникнат в пукнатините, докато количеството вода, насищаща почвата, също е важно, тъй като може да генерира натиск вътре в порите и пукнатините, които влияят на полученото заздравяване. Изследователите установяват, че по-наситените почви имат по-добро заздравяване.
Крайните констатации са предоставили на екипа жизненоважни улики за това как да се подобрят процесите на самолечение в подземните структури, които те сега започват да изследват. Ако те са успешни обаче, би било жизненоважно не само за поддържането на целостта на самия бетон, но и защитата на стоманените пръти, затворени в бетона, за укрепване на големи конструкции.
Ако е изложена на влага, киселинни съединения и други химикали, намиращи се в почвите, стоманата може да корозира и да отслабне, казва д-р Суид. „Бактериалната технология за саморемонтиране на бетон може да защити стоманобетонните конструкции и инфраструктури активно и трайно, без човешки разследвания, контрол или намеса.“
Самовъзстановяването на каменна зидария и бетон може дори да доведе до вълнуващи нови форми на архитектурата в бъдеще, смята д-р Теодориду. „При новото строителство възможността за включване на самовъзстановяващи се материали и структурни елементи би позволила по-смели и по-устойчиви проекти.“
Източник: horizon-magazine.eu
Превод: Радослав Тодоров
