Самовідновлюваний бетон: механізми біомінералізації та інженерні перспективи

Вступ та проблематика

Деградація бетонних конструкцій через проникнення агресивних агентів залишається критичним викликом цивільної інженерії. Мікротріщини шириною 0,1–0,5 мм, утворені внаслідок усадки, термічних градієнтів або механічних навантажень, функціонують як транспортні канали для хлоридів і CO₂, прискорюючи корозію арматури та карбонатацію цементної матриці . Традиційні методи ремонту (ін'єктування епоксидів, гідроізоляція) є реактивними та локальними. Альтернатива — інтеграція автономних репаративних систем у матеріальну структуру на етапі виробництва.

Механізми самовідновлення: класифікація та принципи

Сучасні підходи поділяються на автономні та біологічні. Автономні системи використовують вбудовані мікрокапсули (діаметр 50–300 мкм) з ціанакрилатами або епоксидними смолами, що руйнуються при упертненні тріщини, герметизуючи дефект. Ефективність обмежена шириною тріщини (до 0,2 мм) та одноразовістю активації .

Біологічний підхід базується на біомінералізації — процесі індукованого мікроорганізмами осадження кальциту (CaCO₃). Спори алкалофільних бактерій родів Bacillus та Sporosarcina (концентрація 10⁶–10⁸ КУО/г цементу) інкапсулюються в гідрогелеві носії або пористі легкі агрегати для захисту від високого pH (>12) та температур гідратації. При утворенні тріщини та проникненні вологи бактерії активуються, метаболізуючи сечовину за реакцією:

CO(NH₂)₂ + 2H₂O → 2NH₃ + CO₂ → CO₃²⁻ + Ca²⁺ → CaCO₃↓

Осаджений кальцит щільно заповнює порожнини (щільність ~2,71 г/см³), відновлюючи міцність на розтяг до 80% від початкової при ширині тріщини 0,3 мм (Jonkers et al., Delft University, 2020). Гетерогенне залуження передбачає введення цементу з підвищеним вмістом C₃A для стимуляції еттрінгітоутворення в зонах пошкодження.

Емпіричні дані та інженерні обмеження

Пілотне впровадження в мостових конструкціях (Highways England, 2019–2024) продемонструвало зменшення проникності хлоридів на 40% порівняно з контрольними зразками . Проте масштабування стримується:

• втрата бактеріальної активності при температурі >50°C під час твердіння;

• еволюційна нестабільність штамів у довгостроковій перспективі (>50 років);

• додаткові витрати €80–120/м³ (LCC-аналіз показує окупність при терміні служби >60 років) .

Висновок

Самовідновлюваний бетон представляє парадигму матеріалів четвертого покоління з адаптивною функціональністю. Подальші дослідження мають зосередитися на термостабільних штамах та гібридних капсулях з контрольованим висвободженням для забезпечення багаторазової репарації.

Список джерел

Scrivener, K. L., John, V. M., & Gartner, E. M. (2018). Eco-efficient cements: Potential economically viable solutions for a low-CO₂ cement-based materials industry. Cement and Concrete Research, 114, 2–26. https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2018.03.015

White, S. R., et al. (2001). Autonomic healing of polymer composites. Nature, 409(6822), 794–797. https://doi.org/10.1038/35057232

Jonkers, H. M., & Schlangen, E. (2007). Self-healing of cracked concrete: A bacterial approach. Proceedings of the First International Conference on Self Healing Materials, 1–8.

Wang, J., et al. (2014). Self-healing concrete by use of microencapsulated bacterial spores. Cement and Concrete Research, 56, 139–152. https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2013.11.009

Wiktor, V., & Jonkers, H. M. (2011). Quantification of crack-healing in novel bacteria-based self-healing concrete. Cement and Concrete Composites, 33(7), 763–770. https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2011.03.012

Neville, A. (2011). Properties of Concrete (5th ed.). Pearson Education Limited.

Yang, Y., et al. (2009). A self-healing cementitious composite using oil core/silica gel shell microcapsules. Cement and Concrete Composites, 31(9), 611–617. https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2009.05.006

Achal, V., et al. (2011). Strain improvement of Sporosarcina pasteurii for enhanced urease and calcite production. Journal of Industrial Microbiology & Biotechnology, 38(4), 555–563. https://doi.org/10.1007/s10295-010-0801-4

Jonkers, H. M., et al. (2010). Application of bacteria as self-healing agent for the development of sustainable concrete. Ecological Engineering, 36(2), 230–235. https://doi.org/10.1016/j.ecoleng.2008.12.036

Alghamri, R., et al. (2020). The influence of crack width on the healing capability of bacterial concrete. Construction and Building Materials, 247, 118563. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2020.118563

De Belie, N., et al. (2018). A review of self-healing concrete for damage management of structures. Advanced Materials Interfaces, 5(17), 1800074. https://doi.org/10.1002/admi.201800074

Будуємо майбутнє: Інновації та співпраця на EuroBudExpo 2025

З 14 по 16 жовтня 2025 року у Міжнародному виставковому центрі Києва відбулась Міжнародна будівельна виставка «ЄвроБудЕкспо». На заході були представлені сучасні матеріали, техніка та рішення для будівництва, а професіонали галузі могли налагодити контакти та обговорити майбутні проєкти.

Загалом захід об’єднав спеціалістів з усіх секторів будівельної промисловості та суміжних з нею галузей: архітекторів, містобудівників, інвесторів, працівників будівельних компаній, комунальних служб, представників центральних органів влади, обласних та районних держадміністрацій, місцевих органів самоврядування, державних і приватних підприємств, міжнародних організацій та фондів, а також науковців та освітян.

Приємно відзначити, що до участі у заході долучились і студенти будівельного факультету Криворізького національного університету, а також  доцент кафедри промислового, цивільного і міського будівництва Олександр Паливода, який провів майстер-клас щодо застосування сучасних рішень для збірного та монолітного залізобетону у рамках співпраці із нашим стейкхолдером ТОВ «ПЕЙККО УКРАЇНА».

Студенти підкреслюють, що тенденції, які можуть викристалізуватись найближчим часом у галузі, пов’язані із використанням префаб-технологій. Для прикладу можна взяти з’єднання для збірних конструкцій, які було яскраво представлено в ході проведення майстер-класу. Так, за допомогою болтових з’єднань колон можна легко встановлювати колони на фундаменти або з’єднувати колони між собою. З’єднання здійснюється за допомогою колонних башмаків і анкерних болтів. Башмаки колон заливаються в збірні залізобетонні колони, а анкерні болти заливаються у фундамент або в іншу колону, утворюючи з’єднання колон.

Хоча сьогодні в Україні зведення будинків за індустріальною технологією активно не використовують, це може стати практичним рішенням при відновленні зруйнованого житла та споруд різного призначення. Насамперед це надійно і водночас швидко. Також цей метод будівництва передбачає мінімальне залучення робочих рук до процесу монтажу, що буде актуальним під час відбудови.

Студентству сучасний простір!

Нажаль насьогодні на теренах нашої країни вирує жорстока та підступна війна! Але життя триває і фронтерами реального життя як і завжди виступає студентство! Студентська громада нашого університету активно долучається до різних волонтерських заходів й звичайної допомоги менш захищеним верствам населення та багато-багато іншого.

Для спілкування, взаємодії та оперативного реагування на сучасні виклики студентство потребує  створення сучасного цікавого простору. Саме для вирішення цього питання голова студради КНУ – Вікторія Черноок, за підтримки керівництва КНУ в особі проректора по науково-педагогічної та виховної роботі – Тетяни Сулими, ініціювала переобладнання ауд. 330 головного корпусу КНУ під приміщення студради, що потребує розроблення необхідної проєктної документації.

В березні 2025 року роботу по створенню відповідного дизайн-проєкту було доручено ПКБ (проектно-конструкторському бюро) КНУ, що працює при будівельному факультеті, керівник – Вадим Шимко, ст. викладач кафедри промислового, цивільного і міського будівництва. До роботи над проєктом були залучені студенти-будівельники: Алла Назаренко (гр.БІ-22-1) та Софія Пугачова (гр.БІ-21). Дівчата дуже відповідально віднеслися до цієї роботи: виконали обмірювальні креслення з фотофіксацією, надали багато різних варіантів дизайну, виконали креслення та перспективні зображення тощо. Робота добігає кінця і можна вже побачити їх дизайнерські напрацювання.

Головною концепцією було те, щоб аудиторію поділити на 2 зони. В першій розмістити демонстраційне обладнання зі стільцями для проведення різних презентацій, майстер-класів тощо, а в другій – обладнання  для безпосередньої роботи студради.

В цілому вийшло по-сучасному, гарно  та достатньо професійно!!! Тепер вже є мета, до якої можна рухатись! А попереду створення рекреаційного простору у вестибюлі головного корпусу!