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