PoÄetak 20. veka bilo je vreme kad su inženjeri bili oduÅ”evljeni idejom armiranog betona. ImajuÄi u vidu Äinjenicu da su betonske konstrukcije iz antiÄke proÅ”losti joÅ” uvek odolevale vremenu, smatrali su da Äe armirano-betonske konstrukcije trajati vrlo dugo. Jer, ako Panteon u Rimu traje skoro 2000 godina, mislili su, i armirano-betonske konstrukcije Äe biti bar upola toliko trajne.
MeÄutim, vreme je pokazalo da su se prevarili. Ispostavilo se da je životni vek ovakvih graÄevina daleko kraÄi i da se svodi samo na 50 do 100 godina. U mnogim zemljama, graÄevinske politike uglavnom zahtevaju da zgrade prežive nekoliko decenija, ali pogorÅ”anje stanja armiranog betona može poÄeti i za samo 10 godina.
Predstavu koju obiÄno imamo o betonu je da je to solidni, monolitni i homogeni materijal. U stvari, to je složena meÅ”avina cementa, vode, aditiva i Å”irokog spektra kamenih ili peskovitih agregata. Cement je opet priÄa za sebe i nastaje složenim procesom peÄenja i mlevenja meÅ”avine razliÄitih sirovina poput kreÄnjaka, peska i laporca (izvora glinenih minerala), uz dodatak gipsa. Sam kreÄnjak je sedimentna stena sastavljena od Å”koljki i korala, na Äije formiranje su uticali mnogi bioloÅ”ki, fiziÄki i klimatski faktori. LogiÄna, a ujedno i vrlo nepovoljna Äinjenica je da ti bioloÅ”ki, fiziÄki i klimatski faktori utiÄu i na oÅ”teÄenje i propadanje betona.
U svetu nauke se sve viÅ”e naglaÅ”ava da se neki materijali, kao Å”to su beton ili Äelik na primer, ne mogu viÅ”e posmatrati kao trajni i nepromenljivi, veÄ ih moramo prepoznati kao āživahneā i aktivne materijale. To je neophodno ako želimo da smanjimo Å”tetu od propadanja betona, smanjimo koliÄine graÄevinskog otpada, zagaÄenja i naravno troÅ”kove bespotrebne obnove. Beton inaÄe Äini najveÄi udeo graÄevinskog otpada, te predstavlja skoro treÄinu celokupnog otpada na deponijama u svetu.
Nauka u službi leÄenja betona
Jedini naÄin da svet optimizuje proizvodnju betona je izgradnja konstrukcija sa dugim vekom trajanja, uz adekvatno održavanje postojeÄih.
Upravo takvo razmiÅ”ljanje je uzrokovalo otkriÄe takozvanog samoleÄeÄeg betona. Naime, dodatkom odreÄenih aditiva beton dobija sposobnost da āsam od sebeā popunjava pukotine koje se neminovno pojavljuju tokom životnog veka i eksploatacije betona. Ovi aditivi mogu biti na bazi razliÄitih organskih i neorganskih supstanci, poput nanosilike, kalcijum-hidroksida, polimera i sl. Oni se mogu direktno umeÅ”avati u smeÅ”u betona, ili mogu biti unutar specijalnih ānosaÄaā (npr. staklenih tuba) koji, nakon Å”to se formira mikropukotina, pucaju zajedno sa supstratnim materijalom (tj. betonom) i oslobaÄaju ālekoviteā komponente koje popunjavaju pukotine. SamoleÄenje znaÄajno produžava upotrebni vek armiranog betona, koji se decenijama masovno koristi u graÄevinskim konstrukcijama Å”irom sveta. Ova oblast je vrlo veliki izazov za nauÄnike proteklih godina, a od nedavno u fokusu najnovijih nauÄnih istraživanja je i upotreba bakterija za leÄenje betona.
- Izgled pukotine pogodne za samoleÄenje
- Izgled pukotine pre leÄenja
- Popunjenost pukotine bakterijskim proizvodom, nakon 14 dana leÄenja
Vredne bakterije koje leÄe beton
Tehnologija samoleÄenja betona dodavanjem bakterija ima svoju perspektivu jer obezbeÄuje kontinuiranu efektivnost i efikasnost.Ā Osnovna ideja koriÅ”Äenja bakterijskih kultura, netoksiÄnih i neÅ”kodljivih za operatera i okolinu, leži zapravo u koriÅ”Äenju nusproizvoda njihovog metabolizma u funkciji leÄenja betona.
Ti nusproizvodi su zapravo supstance poput kalcijum-karbonata koje imaju kapacitet da ispunjavaju mikropukotine u betonu. Možemo reÄi da bakterije koje su dodate betonu, āspavajuā sve dok je beton āzdravā i bez pukotina.
MeÄutim, Äim se pojave prve mikropukotine, bakterije se ābudeā. Na primer, kad u betonu nastane mikropukotina zbog uticaja fiziÄkih faktora ā prvenstveno vlage, bakterije se aktiviraju i njihov metabolizam proradi. Äim proradi metabolizam bakterija i nastaje kalcijum karbonat, koji svojim rastom i aglomeracijom zatvara mikropukotinu. Time se spreÄava dalje prodiranje vode i agresivnih materija poput soli kroz beton.
To je od velikog znaÄaja jer, kad je u pitanju armirani beton, ovo spreÄava da voda i agresivne materije doÄu u kontakt sa armaturom unutar betona, Äime se spreÄava korozija armature, Å”to je jedan od glavnih razloga propadanja armirano-betonskih elemenata i prouzrokuje troÅ”kove održavanja i popravki koji se kreÄu od 4 do 6 milijardi evra godiÅ”nje u Evropskoj uniji.
Å taviÅ”e, procenjuje se da troÅ”kovi korozije predstavljaju Äak 3% svetskog bruto domaÄeg proizvoda (BDP) Å”to iznosi oko 2,2 biliona ameriÄkih dolara.
Drugim reÄima, dok god su uslovi za razvijanje bakterija prisutni, tj. dok postoje mikropukotine kroz koje ulazi voda dajuÄi bakterijama neophodnu vlažnu sredinu za rast, stvaraÄe se nusproizvodi metabolizma bakterija. Ti nusproizvodi Äe ispunjavati mikropukotine i spreÄavati propadanje betona i unutraÅ”nje ÄeliÄne konstrukcije. Ovaj pristup, ako se pokaže efikasan u uslovima realne eksploatacije, biÄe neuporedivo jeftinije i bezbednije reÅ”enje problema propadanja ÄeliÄne konstrukcije unutar betona od sadaÅ”njih tehnologija kao Å”to je recimo katodna zaÅ”tita, koja podrazumeva povezanost cele konstrukcije sa elektriÄnom strujom koja inhibira stvaranje rÄe. Kontinualno samoleÄenje betona meÄutim, ima i tu prednost Å”to je potpuno neotrovna i bezbedna tehnologija, za razliku od tretiranja betona hemijskim supstancama za inhibiciju rÄe, Å”to može biti veoma toksiÄno i zato neprikladno za zgrade. Bakterijske kulture koje se primenjuju su naravno nepatogene, Å”to znaÄi da su potpuno bezopasne po Äoveka i okolinu.
Eksterno samoleÄenje betona
Za sada se u istraživanjima u svetu veÄina postupaka dodavanja bakterija betonu bazira na dodavanju bakterijskih aditiva u fazi izgradnje. Naime, bakterijski aditivi se dodaju joÅ” u fazi meÅ”anja betona. Iako se ovaj postupak pokazao kao efikasan, oÄigledno je da ovaj pristup može biti primenjen i imati koristi samo za izgradnju novih zgrada i infrastrukture.
Upravo je to razlog zaÅ”to se naÅ”a interdisciplinarna grupa saÄinjena od istraživaÄa sa Katedre za inženjerstvo materijala i Katedre za biotehnoloÅ”ko i farmaceutsko inženjerstvo TehnoloÅ”kog fakulteta u Novom Sadu fokusirala na istraživanje i razvoj bakterijskih suspenzija za popravljanje mikropukotina na betonskim elementima koji su veÄ u upotrebi.
- Primena bakterijske kulture u realnim uslovima
- Monitoring uspeÅ”nosti samoleÄenja, na osnovu brzine prostiranja ultrazvuÄnih talasa
Nasuprot internom samoleÄenju, ovo je takozvano eksterno samoleÄenje koje ima za cilj razvijanje postupka koji Äe se efikasno primenjivati u održavanju betonskih konstrukcija.
Postupak se svodi na primenu suspenzije specijalno odabrane bakterijske kulture koja može da odoli veoma nepovoljnim uslovima koji vladaju u supstratima da bazi cementa, a to je pre svega visoka pH vrednost i smanjen sadržaj vlage. U ovoj poÄetnoj fazi projekta koriste se komercijalne bakterijske kulture kao i posebno formulisana āhranaā neophodna za rast bakterija. Krajnji cilj je koriÅ”Äenje lokalno izolovanih nepatogenih bakterija (npr. iz Dunava) i nusproizvoda agroindustrije koji bi mogli predstavljati pogodan izvor nutrijenata (hrane za bakterije). Iako smo joÅ” u pilot-fazi projekta, rezultati koje smo dobili su obeÄavajuÄi i pokazuju da postoji potencijal za razvoj ovakvih biomaterijala na bazi bakterija. Ova eksperimentalna tehnologija je veÄ testirana na zonama nekoliko objekata u realnom okruženju.
NaÅ” istraživaÄki tim veruje da ovaj pravac istraživanja ide u prilog naporima za stvaranje globalnog sistema ekoloÅ”ke samoodrživosti na planu graÄevinarstva i urbanizma. Isto tako, naÅ”a istraživanja imaju za cilj da aktivno doprinesu oÄuvanju arhitektonskog nasleÄa kako u Srbiji, tako i u svetu.
U tom smislu nadamo se da Äe rezultati naÅ”eg rada doprineti efikasnom i pristupaÄnom održavanju mostova i zgrada u naÅ”em okruženju, ali i oÄuvanju nasleÄa velikih arhitekata kao Å”to su DragiÅ”a BraÅ”ovan i Frenk Lojd Rajt.
Autori teksta: Timovi Laboratorije za ispitivanje materijala u kulturnom nasleÄu i Katedre za biotehnoloÅ”ko i farmaceutsko inženjerstvo, TehnoloÅ”kog fakulteta u Novom Sadu