Co zrobić, żeby beton nie pękał? W ostatnich latach branża budowlana wzbogaciła się o wiele innowacyjnych materiałów, wśród których poczesne miejsce zajmuje beton zdolny do samoregeneracji. Nowy materiał ma wszelkie dane ku temu, by zrewolucjonizować podejście do budownictwa oraz eksploatacji obiektów i budynków.
Beton to materiał konstrukcyjny powszechnie stosowany w budownictwie ze względu na prostotę jego przygotowania, trwałość i długowieczność. Ten ostatni parametr zakłada jednak istnienie idealnych warunków, o które trudno w realnym świecie – zmienne warunki pogodowe prowadzą do powstawania w jego wnętrzu uszkodzeń. Mikropęknięcia pod wpływem wahań temperatury rozszerzają się, a wilgoć uruchamia procesy, które niszczą beton. Mechanizm samonaprawy odbudowuje ubytki na ich wczesnym etapie, nie pozwalając, by osiągnęły znaczne rozmiary.
Beton posiadający zdolność do regeneracji to materiał, wewnątrz którego zachodzą samoistne procesy zaleczania pęknięć i innych uszkodzeń. Ta wyjątkowa zdolność pozwala znacząco wydłużyć żywotność betonu, bez konieczności dokonywania w nim częstych napraw. Na obecny moment mechanizm samonaprawy jest kształtowany na kilka sposobów. Pierwszy z nich to umieszczenie w strukturze betonu… bakterii.
Śpiące bakterie
Uczeni z Uniwersytetu Drexela opracowali beton z włóknami biologicznymi, które uwalniają bakterie w miarę powstawania w nim pęknięć. Włókna pokryte są warstwą hydrożelu, który zawiera endospory – przetrwalnikowe formy bakterii, które odżywają, gdy pozwalają im na to warunki. Kiedy w wyniku pęknięcia do włókien przedostaje się woda, hydrożel ulega rozszerzeniu, uwalniając uśpione bakterie. Gdy te ostatnie zaczynają pobierać z otoczenia wodę oraz substancje odżywcze, powstaje węglan wapnia jako produkt ich metabolizmu. On właśnie wypełnia wnętrze pęknięcia, „zaleczając” uszkodzenie.
Enzymy krwi ludzkiej a beton
Choć brzmi to niewiarygodnie, dodanie do zaprawy betonowej enzymów ludzkiej krwi jest niezwykle skutecznym sposobem naprawy i wzmacniania konstrukcji betonowych. Na pomysł wykorzystania enzymów w pracach nad samoregenerującym się betonem wpadli uczeni Worcester Polytechnic Institute. W swoim wynalazku naukowcy wykorzystali enzymy z grupy anhydraz węglanowych (CA), obecne w czerwonych krwinkach i odpowiedzialne za transport dwutlenku węgla do krwiobiegu. Kiedy w betonie powstaje szczelina, enzym reaguje z atmosferycznym CO2 i zaczyna produkować kryształy węglanu wapnia, które wypełniają ubytek. Zdaniem uczonych ta metoda samoleczenia betonu może wydłużyć okres eksploatacji konstrukcji z 20 do 80 lat.
Polimery w kapsułkach
Południowokoreańscy uczeni opracowali z kolei polimerowe kapsułki. Z chwilą pojawienia się w betonie pęknięcia kapsułki ulegają zniszczeniu, uwalniając płynny polimer, który zastyga pod wpływem promieniowania UV i wypełnia powstałe ubytki. Choć technologia polimerowa zapewnia konstrukcjom betonowym trwałość na około rok czasu, kryje w sobie duży potencjał.
Puste włókna
To rozwiązanie wykorzystuje puste włókna wypełnione środkiem naprawiającym. Tak jak w przypadku kapsułek, w chwili pojawienia się pęknięć włókna ulegają rozerwaniu, a materiał naprawczy wypełnia ubytki, scalając strukturę betonu. Taki beton odznacza się wysoką odpornością na pękanie i elastycznością, podobnie jak metal.
Beton zdolny do samoregeneracji – plusy i minusy
Do bezwzględnych zalet nowego materiału zaliczyć należy jego żywotność i trwałość. Dzięki zdolności do samoregeneracji, beton jest odporniejszy na zużycie i uszkodzenia. W odróżnieniu od tradycyjnego materiału nowy beton jest też bardziej przyjazny dla środowiska. Wydłużenie jego żywotności przekłada się na rzadsze naprawy, które z kolei przyczyniają się do zwiększonej emisji CO2 do atmosfery. Niektóre rozwiązania nie tylko zmniejszają ślad węglowy, ale też nadają betonowi zdolność do absorpcji dwutlenku węgla z atmosfery. Taką właściwość posiada wynalazek Richarda Rimana nowy typ spoiwa (Solidia Concrete), pozyskiwany metodą „odwróconego utwardzania”. Wreszcie, zmniejszona potrzeba napraw i renowacja oznacza mniejsze koszty eksploatacyjne.
Minusem nowego betonu są wysokie koszty jego produkcji, wyższe niż w przypadku tradycyjnego materiału. Niektóre rodzaju „inteligentnego” betonu mogą być również mniej odporne na odkształcenia w porównaniu z tradycyjnym materiałem. I uogólniając, ich jakość – nie tylko sprężystość – w dużej mierze uzależniona jest od użytych składników i warunków ich produkcji.
Samonaprawiający się beton – perspektywy rozwoju
Samoregenerujący się beton to rozwiązanie, które zaczęło nabierać realnych kształtów. Już dziś inżynierzy w Europie i Azji wdrażają tę technologię na skalę eksperymentalną. Realizowane przez nich projekty mają pomóc ocenić skuteczność samoregenerującego się betonu w różnych warunkach klimatycznych i przy różnym obciążeniu, dostarczając cennych danych do dalszych prac nad rozwojem materiału.
Jakby tego było mało, trwają prace nad opracowaniem smart-betonu, który poza zdolnością do samoregeneracji potrafi też przekazywać dane na temat swojej bieżącej kondycji. Umożliwiają to wbudowane w jego strukturę czujniki. Ta technologia otwiera drogę do tworzenia „żywych” konstrukcji, zdolnych do informowania o konieczności naprawy, zanim problem urośnie do znacznych rozmiarów.
Nowoczesne technologie w budownictwie nie stoją w miejscu, oferując coraz skuteczniejsze i ekologiczne rozwiązania. Samonaprawiający się beton otwiera nowe horyzonty w budownictwie, pozwalając na opracowanie trwalszych i bardziej długowiecznych konstrukcji. Te innowacje mogą w znaczący sposób zmniejszyć koszty związane z naprawą i eksploatacją budynków, sprawiając, że sam proces budowania będzie bardziej ekonomiczny i przyjazny dla środowiska.
Autorem tekstu jest Justyna Jarmułowicz
Źródła:
https://blog.richardvanhooijdonk.com/en/innovations-in-construction-from-eco-friendly-concrete-to-anti-earthquake-coatings/
https://dzienniknaukowy.pl/samoregenerujacy-sie-beton-ktory-lata-swoje-pekniecia-dzieki-enzymom-pochodzacym-z-ludzkiej-krwi
https://www.inzynieriaibudownictwo.pl/images/artykuly/inzyn-8_PAWE-UKOWSKI.pdf
https://bzg.pl/poradnik/artykul/dziury-znikna/id/16615
