Betonové konstrukce vyžadují neustálou údržbu, která může být velmi nákladná. I malá, doslova mikroskopická trhlina se časem rozšiřuje, zvyšuje propustnost materiálu a zároveň snižuje jeho pevnost. Skrze zvýšenou propustnost se vlhkost dostává k ocelové výztuži stavby nebo třeba mostu, což nevyhnutelně vede ke korozi, dalšímu praskání a odlupování betonu. To vše přispívá k devastaci stavby a vysoce nákladným opravám. Těmto problémům by mohl předejít biologický beton.
Beton patří mezi největší producenty skleníkových plynů na světě, proto se vědci pokoušejí vyvíjet nové postupy, jak jeho dopad na klima zmírnit. Jednou z možností je vytvořit beton, který se dokáže „sám opravit“. Materiáloví vědci se snaží rozmanitými postupy zajistit, aby beton déle vydržel. Samoopravný beton je převratná technologická novinka, která dovede sama zacelit své praskliny.
Historie samoopravného betonu: Od Římanů po moderní výzkum
Starověcí Římané byli velmi zdatní inženýři a stavitelé. Dokládá to množství skvostných památek, které se uchovaly z dob Římské říše. Jsou staré kolem dvou tisíc let, a přesto je řada z nich ve velmi slušném stavu. Pro dnešní inženýry a materiálové vědce je antický římský beton velkou výzvou. Tajemství jeho výroby bylo totiž ztraceno během doby temna, která zahalila západní svět po pádu Římské říše.
Vědce dlouho vzrušovala neuvěřitelná trvanlivost betonu v římských stavbách. I neutěšený stav pražských mostů, starých pár desítek let, názorně dokládá, že stavitelé Kolosea museli znát něco, o čem se dnešním inženýrům ani nezdá. Analýzy provedené roku 2017 geology z University of Utah ukázaly, že tajemství odolnosti římského betonu se skrývá ve schopnosti zacelovat trhliny − a tu způsobilo složení směsi.
Tajemství římského betonu
Admir Masic, profesor z Massachusettského technologického institutu, autor studie zaměřené na kvality sebeopravného betonu, odhalil, že Římané beton vyráběli za pomoci hrudek vulkanické horniny, sopečného popelu, vápna a vody. Klíčem k trvanlivosti římských staveb byla speciální přísada, kterou tehdejší stavitelé do betonu přidávali. Tyto inkluze byly tvořeny drobnými částicemi ne zcela zreagovaného vápna, které zůstaly uvnitř betonové směsi, přičemž moderní výzkumy prokázaly, že je Římané do betonu přidávali zcela záměrně. Jakmile se v konstrukci časem objevila trhlina a dostala se k ní voda, vápenné „kapsy“ začaly reagovat a vytvořily nový uhličitan vápenatý - tedy stejný materiál, který původně beton zpevňoval.
Čtěte také: Složení betonu
Odborníci byli dlouhá léta přesvědčeni, že klíčem k neuvěřitelné trvanlivosti římského betonu, který velmi dobře odolává počasí, odpadní a mořské vodě nebo také dlouhodobé seismické činnosti, je jemný vulkanický popel zvaný pucolán. Masicův tým studoval mikrostrukturu římského betonu, který pocházel z lokality Privernum ve střední Itálii. Zajímali se o milimetrové kousky jasně bílého zbarvení, známé jako vápnité klastické částice (anglicky lime clasts), které se nacházejí v antickém římském betonu, ale v moderních betonech nikoliv. Doposud byly považovány za vedlejší produkt nedbalého míchání betonu nebo použití nekvalitních surovin. Masic s kolegy se s tím ale nesmířili a zmíněné částice detailně prostudovali pomocí pokročilých metod zobrazování a chemických analýz. Zjistili, že právě vápnité klastické částice poskytují římskému betonu samoopravné schopnosti, o nichž jsme doposud nevěděli. Spektroskopické analýzy prozradily, že je tvoří uhličitan vápenatý, a že vznikly za velmi vysoké teploty.
Doteď převažoval názor, že Římané při výrobě betonu používali hašené vápno. Jak ale zjistil Masicův tým, tento postup nevede ke vzniku pozorovaných vápnitých klastických částic. K tomu je nutné použít reaktivnější pálené vápno, čili oxid vápenatý. Právě horké míchání betonu by mělo být oním velice dlouho a usilovně hledaným tajemstvím výroby superodolného římského betonu. Podle Masice se s horkým mícháním pojí dvě zásadní výhody. Betonová směs se zahřeje na vysokou teplotu, díky čemuž v betonu vzniknou látky a struktury, které by jinak nevznikly. Zároveň dochází k podstatnému urychlení výroby betonu a tím i celé stavby. Badatelé své závěry potvrdili v sérii experimentů. Vyrobili vzorky různých typů betonu podle moderních i starověkých receptů. Poté je záměrně poškodili, vystavili vodě a sledovali, co se bude dít. Beton vyrobený horkým mícháním se během dvou týdnů samovolně zacelil, zatímco beton vyrobený bez použití páleného vápna takovou schopnost neměl.
Tento princip dnes inspiruje výzkum „samoopravných“ materiálů.
Moderní přístupy k samoopravnému betonu
Nutno podotknout, že samoopravný beton není úplnou novinkou - o mikroorganismech, které v jeho struktuře dokážou opravovat praskliny, se mluví už desítky let. „Samoopravný beton řízený mikroorganismy se zkoumá už více než třicet let. Biologický beton má dvojnásobně delší životnost než tradiční beton, dokáže zacelit trhliny do 24 hodin a je o 70 % tažnější než tradiční cement. Dokáže přilnout k ocelovým konstrukčním i výztužným prvkům a odolává vysoké teplotě a tlaku.
Beton s bakteriemi
Vědci z nizozemské univerzity TU Delft (Delft University of Technology) se o něco takového pokusili cíleně u moderního železobetonu. V Dánsku se zaměřili na opravu trhlin, tentokrát s pomocí bakterií. Eric Schlangen a Henk Jonkers, mikrobiologové z Technologické univerzity v Delftu, se do prvních pokusů pustili už v roce 2012. O tři roky později použili materiál pro stavbu první budovy, domku pro plavčíky, a tím materiálu pootevřeli dveře do světa stavebnictví.
Čtěte také: Betonová dlažba Brož
Princip je přitom překvapivě jednoduchý. Do betonové směsi se přidávají speciální bakterie, které v konstrukci zůstávají neaktivní. Ve chvíli, kdy se v betonu objeví prasklina a pronikne do ní voda, bakterie se aktivují a začnou produkovat vápenec. Ten postupně trhlinu vyplní a uzavře. Hendrik Jonker vyšel z faktu, že těla živočichů dovedou vyléčit své kosti mineralizací a zkoumal, zda by nebylo možné vyřešit podobným způsobem právě problém praskání betonu. Smíchal proto betonovou směs s bakteriemi, které produkují vápence. A výsledek pokusů byl úžasný, zjistil, že jakékoli praskliny, které se v betonu vytvořily, byly bakteriemi následně opraveny.
Ke svým pokusům využil bakterie Bacillus pseudofirmus a Sporosarcina pasteurii, které žijí ve volné přírodě ve vysoce alkalických jezerech poblíž sopek a jsou schopny přežít až 200 let bez kyslíku a zdroje potravy. Aktivují se, když přijdou do kontaktu s vodou, a poté používají jako zdroj potravy laktát vápenatý, ze kterého vytvářejí vápenec. A právě ten uzavírá trhliny v betonu. Aby se bakterie udržely v klidu až do doby, kdy je jich třeba, umístil je do malých biologicky rozložitelných kapslí obsahujících živiny. Jakmile beton praskne a do mezery pronikne voda, která přijde do styku s bakteriemi a též zdrojem potravy, bakterie se aktivují a začne proces „hojení“ betonu. Bakterie se živí laktátem vápenatým, spojují vápník s uhličitanem, čímž vytvářejí vápence a fixují jimi praskliny.
Dokonce bylo zjištěno, že lze tyto bakterie přidávat do kapaliny, která by mohla být vstřikována do poškozených míst stávajících budov.
BioFiber: polymerní vlákna s bakteriálními spory
Pozoruhodný nápad měli na americké Drexel University ve Filadelfii. A právě zde přichází na řadu vlákno BioFiber vyvinuté Drexlerovou univerzitou. Tato polymerní vlákna fungují nejen jako fyzická výztuž, ale mají důležitý dvojí život jako samoléčebný mechanismus. Vlákna BioFiber podle vedoucího výzkumného týmu Amira Farnama vlastně napodobují opravování živé tkáně látkami a buňkami, které jsou obsažené v krvi. V naší kůži to naše tkáň dělá přirozeně prostřednictvím vícevrstvé vláknité struktury napuštěné naší samoléčivou tekutinou - krví.
Vlákna jsou potažena vrstvou hydrogelu, který obsahuje endospory - spící formy bakterií, které mohou odolávat extrémním podmínkám a pak se samy oživí, když se situace pro ně stane příznivější. Hydrogel je ještě chráněný tenkým polymerovým filmem. Podobné pokusy s bakteriemi v betonu se objevily již dříve. Obvykle se ale potýkaly s tím, jak zajistit, aby mikroby v betonu vydržely delší dobu v použitelném stavu. Technologie BioFiber to elegantně řeší endosporami, které mohou čekat v dormantním stavu velmi dlouho.
Čtěte také: Půjčovna pil na beton – vyplatí se?
BioFiber lze používat jako každý jiný beton, ale jeho tajná superschopnost se projeví až později, když praskne. Když se voda dostane k BioFiberu, hydrogel se rozpíná, vyrazí ze svého obalu a tlačí se nahoru k povrchu. Přitom se probudí dřímající bakterie, které se začnou živit uhlíkem a vápníkem z okolního betonu. BioFiber je podle počátečních testů v zacelování betonových prasklin docela rychlý, dokáže je vyplnit za den či dva. Mikrospkopický snímek samoregeneračního betonu BioFiber ukazuje efektivitu této technologie.
Amir Farnam k tomu dodává: „Je to vzrušující pokrok v pokračující snaze o zlepšení stavebních materiálů s využitím inspirace z přírody. Denně se setkáváme s tím, že naše stárnoucí betonové konstrukce trpí poškozením, které snižuje jejich funkční životnost a vyžaduje velké opravy, které jsou nákladné. Představte si, že se mohou samy uzdravit?“
Syntetický lišejník a další inovace
Výzkumníci k zacelování prasklin tentokrát využili syntetický lišejník, jenž umí autonomně zacelovat praskliny, navíc bez doplňování dodatečných živin. Jejich tým se rozhodl jít jinou cestou a sáhl po inspiraci z přírody. Tu konkrétně našel v lišejnících, které běžně rostou na stromech nebo skalách a které tvoří složitý symbiotický systém sinic, hub a řas. Právě houby totiž dokážou navázat ionty vápníku, čímž spouštějí tvorbu uhličitanu vápenatého, tedy extrémně pevné látky, která se přirozeně vyskytuje například v lasturách, korálech nebo v onom slavném římském betonu. V laboratorních testech dokázal zmíněný lišejník zacelit praskliny i v běžném betonu - a to čistě jen s pomocí slunečního světla a vzduchu. Autoři studie nyní zkoumají, zda by stejný princip mohl fungovat i na již existující poškození.
Souběžně se výzkumu biobetonu věnuje Pentagon, konkrétně jejich Agentura pro pokročilé obranné výzkumné projekty neboli DARPA. Pod programem BRACE zkoumají samoopravné schopnosti živých organismů, například hub, a jejich využití v přimíchávání do betonu a cementu.
Scott White z Illinois University, jedna z největších kapacit v oboru samoopravitelných materiálů, před svou smrtí uvedl: "Loni bylo publikováno okolo dvou set vědeckých prací na téma materiálů, které se samy obnovují. Dá se proto očekávat, že tento obor zažije v nejbližších letech velkou expanzi." Scottova výzkumná skupina na Beckman Institute for Advanced Science and Technology tvořila elektroniku, baterie, látky a další předměty, které detekují poškození nebo je samy zacelí. K jejím úspěchům patří například kompozitní plast obsahující mikrovlákna nebo mikrokapsle s pryskyřicí, jež v případě poškození postižené místo zacelí a zpevní.
Zhruba den potřebuje k obnovení průhledný elektricky vodivý materiál vyvinutý na University of California. Benjamin Blaiszik z Argonne National Laboratory k tomu dodává: "Představte si, že dojde k mechanickému poškození uvnitř mikročipu roveru Curiosity na Marsu v důsledku termomechanického namáhání nebo k přerušení vodivých drah při přistání. Zatím není žádná šance takový problém vyřešit." Možná ale už brzy bude. Blaiszik je členem týmu, který pracuje na řešení postaveném na materiálech, jež se umí samy opravit. Předvedli systém schopný obnovit funkci elektrických obvodů po mechanickém poškození. Dokáže to, protože jím kolují mikrokapsle obsahující tekutý kov. V místě, kde dojde k nárazu, popraská nejen obvod, ale i kapsle. Kov se vylije a zacelí trhliny ve vodivých drahách − a funkce čipu je bez zásahu zvenčí obnovena.
Výzvy a budoucnost
„Právě mikrotrhliny přitom patří mezi hlavní důvody, proč se betonové konstrukce postupně zhoršují. Voda a vzduch skrze ně pronikají dovnitř, narušují výztuž a urychlují degradaci. Zásadní přínos této technologie spočívá v prodloužení životnosti staveb. To může mít přímý dopad nejen na ekonomiku, ale i na ekologii. Výroba cementu, základní složky betonu, je totiž mimořádně energeticky náročná a celosvětově se podílí zhruba na osmi procentech emisí oxidu uhličitého. Nové studie navíc ukazují, že moderní varianty tohoto betonu mohou dosahovat srovnatelné, nebo dokonce vyšší pevnosti než klasické směsi.“
Technologie samoregeneračního betonu se v posledních letech posouvá z akademického výzkumu do praxe. „Samoregenerační beton zapadá do širšího trendu takzvaných chytrých materiálů. Vedle něj se objevují například materiály schopné reagovat na změny teploty, vlhkosti nebo zatížení. Přestože je technologie zatím dražší než běžný beton a čeká ji další vývoj, její potenciál je značný.“
Problémem je však cena, bakterie zvyšují pořizovací náklady betonu na dvojnásobek. Cenu zvyšuje především cena laktátu vápenatého, proto jsou zkoumány možnosti jiné výživy bakterií (např. na bázi cukru). Přes všechny slibné výsledky ale zůstává plošné nasazení „samoopravného“ betonu zatím velkou výzvou. Tato technologie totiž vyvíjí a vyrábí jen několik firem na světě a její produkce je stále nákladnější než u běžného betonu.
| Typ betonu | Výhody | Nevýhody / Výzvy |
|---|---|---|
| Tradiční beton | Levný, pevný | Náchylný k praskání, vyžaduje údržbu, ekologická zátěž (CO₂ emise) |
| Římský beton | Vynikající trvanlivost, samoopravné schopnosti (díky vápnitým klastickým částicím) | Tajemství výroby bylo ztraceno, obtížná replikace |
| Beton s bakteriemi (např. TU Delft) | Samoopravný mechanismus, prodlužuje životnost | Vyšší cena (laktát vápenatý), nutnost zajistit dlouhodobou aktivitu bakterií |
| Beton s BioFiber (Drexel University) | Fyzická výztuž, samoopravný mechanismus (endospory bakterií), rychlé zacelování (1-2 dny) | Vyšší pořizovací náklady, stále ve fázi vývoje |
| Beton se syntetickým lišejníkem | Autonomní zacelování prasklin bez dodatečných živin (sluneční světlo a vzduch) | Plošné nasazení je výzvou, stále v rané fázi vývoje |
tags: #beton #ktery #se #sam #opravuje #informace