Beton – „Sam svoj lekar”

Početak 20. veka bilo je vreme kad su inženjeri bili oduševljeni idejom armiranog betona. Imajući u vidu činjenicu da su betonske konstrukcije iz antičke prošlosti još uvek odolevale vremenu, smatrali su da će armirano-betonske konstrukcije trajati vrlo dugo. Jer, ako Panteon u Rimu traje skoro 2000 godina, mislili su, i armirano-betonske konstrukcije će biti bar upola toliko trajne.

Međutim, vreme je pokazalo da su se prevarili. Ispostavilo se da je životni vek ovakvih građevina daleko kraći i da se svodi samo na 50 do 100 godina. U mnogim zemljama, građevinske politike uglavnom zahtevaju da zgrade prežive nekoliko decenija, ali pogoršanje stanja armiranog betona može početi i za samo 10 godina.

Predstavu koju obično imamo o betonu je da je to solidni, monolitni i homogeni materijal. U stvari, to je složena mešavina cementa, vode, aditiva i širokog spektra kamenih ili peskovitih agregata. Cement je opet priča za sebe i nastaje složenim procesom pečenja i mlevenja mešavine različitih sirovina poput krečnjaka, peska i laporca (izvora glinenih minerala), uz dodatak gipsa. Sam krečnjak je sedimentna stena sastavljena od školjki i korala, na čije formiranje su uticali mnogi biološki, fizički i klimatski faktori. Logična, a ujedno i vrlo nepovoljna činjenica je da ti biološki, fizički i klimatski faktori utiču i na oštećenje i propadanje betona.

Photo by Henry & Co. from Pexels

U svetu nauke se sve više naglašava da se neki materijali, kao što su beton ili čelik na primer, ne mogu više posmatrati kao trajni i nepromenljivi, već ih moramo prepoznati kao „živahne” i aktivne materijale. To je neophodno ako želimo da smanjimo štetu od propadanja betona, smanjimo količine građevinskog otpada, zagađenja i naravno troškove bespotrebne obnove. Beton inače čini najveći udeo građevinskog otpada, te predstavlja skoro trećinu celokupnog otpada na deponijama u svetu.

Nauka u službi lečenja betona

Jedini način da svet optimizuje proizvodnju betona je izgradnja konstrukcija sa dugim vekom trajanja, uz adekvatno održavanje postojećih.

Upravo takvo razmišljanje je uzrokovalo otkriće takozvanog samolečećeg betona. Naime, dodatkom određenih aditiva beton dobija sposobnost da „sam od sebe“ popunjava pukotine koje se neminovno pojavljuju tokom životnog veka i eksploatacije betona. Ovi aditivi mogu biti na bazi različitih organskih i neorganskih supstanci, poput nanosilike, kalcijum-hidroksida, polimera i sl. Oni se mogu direktno umešavati u smešu betona, ili mogu biti unutar specijalnih „nosača“ (npr. staklenih tuba) koji, nakon što se formira mikropukotina, pucaju zajedno sa supstratnim materijalom (tj. betonom) i oslobađaju „lekovite“ komponente koje popunjavaju pukotine. Samolečenje značajno produžava upotrebni vek armiranog betona, koji se decenijama masovno koristi u građevinskim konstrukcijama širom sveta. Ova oblast je vrlo veliki izazov za naučnike proteklih godina, a od nedavno u fokusu najnovijih naučnih istraživanja je i upotreba bakterija za lečenje betona.

Vredne bakterije koje leče beton

Tehnologija samolečenja betona dodavanjem bakterija ima svoju perspektivu jer obezbeđuje kontinuiranu efektivnost i efikasnost. Osnovna ideja korišćenja bakterijskih kultura, netoksičnih i neškodljivih za operatera i okolinu, leži zapravo u korišćenju nusproizvoda njihovog metabolizma u funkciji lečenja betona.

Ti nusproizvodi su zapravo supstance poput kalcijum-karbonata koje imaju kapacitet da ispunjavaju mikropukotine u betonu. Možemo reći da bakterije koje su dodate betonu, „spavaju” sve dok je beton „zdrav” i bez pukotina.

Međutim, čim se pojave prve mikropukotine, bakterije se „bude”. Na primer, kad u betonu nastane mikropukotina zbog uticaja fizičkih faktora – prvenstveno vlage, bakterije se aktiviraju i njihov metabolizam proradi. Čim proradi metabolizam bakterija i nastaje kalcijum karbonat, koji svojim rastom i aglomeracijom zatvara mikropukotinu. Time se sprečava dalje prodiranje vode i agresivnih materija poput soli kroz beton.

To je od velikog značaja jer, kad je u pitanju armirani beton, ovo sprečava da voda i agresivne materije dođu u kontakt sa armaturom unutar betona, čime se sprečava korozija armature, što je jedan od glavnih razloga propadanja armirano-betonskih elemenata i prouzrokuje troškove održavanja i popravki koji se kreću od 4 do 6 milijardi evra godišnje u Evropskoj uniji.

Štaviše, procenjuje se da troškovi korozije predstavljaju čak 3% svetskog bruto domaćeg proizvoda (BDP) što iznosi oko 2,2 biliona američkih dolara.

Drugim rečima, dok god su uslovi za razvijanje bakterija prisutni, tj. dok postoje mikropukotine kroz koje ulazi voda dajući bakterijama neophodnu vlažnu sredinu za rast, stvaraće se nusproizvodi metabolizma bakterija. Ti nusproizvodi će ispunjavati mikropukotine i sprečavati propadanje betona i unutrašnje čelične konstrukcije. Ovaj pristup, ako se pokaže efikasan u uslovima realne eksploatacije, biće neuporedivo jeftinije i bezbednije rešenje problema propadanja čelične konstrukcije unutar betona od sadašnjih tehnologija kao što je recimo katodna zaštita, koja podrazumeva povezanost cele konstrukcije sa električnom strujom koja inhibira stvaranje rđe. Kontinualno samolečenje betona međutim, ima i tu prednost što je potpuno neotrovna i bezbedna tehnologija, za razliku od tretiranja betona hemijskim supstancama za inhibiciju rđe, što može biti veoma toksično i zato neprikladno za zgrade. Bakterijske kulture koje se primenjuju su naravno nepatogene, što znači da su potpuno bezopasne po čoveka i okolinu.

Monitoring samolečenja u realnim uslovima, Termovizijska snimanja

Eksterno samolečenje betona

Za sada se u istraživanjima u svetu većina postupaka dodavanja bakterija betonu bazira na dodavanju bakterijskih aditiva u fazi izgradnje. Naime, bakterijski aditivi se dodaju još u fazi mešanja betona. Iako se ovaj postupak pokazao kao efikasan, očigledno je da ovaj pristup može biti primenjen i imati koristi samo za izgradnju novih zgrada i infrastrukture.

Upravo je to razlog zašto se naša interdisciplinarna grupa sačinjena od istraživača sa Katedre za inženjerstvo materijala i Katedre za biotehnološko i farmaceutsko inženjerstvo Tehnološkog fakulteta u Novom Sadu fokusirala na istraživanje i razvoj bakterijskih suspenzija za popravljanje mikropukotina na betonskim elementima koji su već u upotrebi.

Nasuprot internom samolečenju, ovo je takozvano eksterno samolečenje koje ima za cilj razvijanje postupka koji će 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 početnoj fazi projekta koriste se komercijalne bakterijske kulture kao i posebno formulisana „hrana“ neophodna za rast bakterija. Krajnji cilj je korišćenje lokalno izolovanih nepatogenih bakterija (npr. iz Dunava) i nusproizvoda agroindustrije koji bi mogli predstavljati pogodan izvor nutrijenata (hrane za bakterije). Iako smo još u pilot-fazi projekta, rezultati koje smo dobili su obećavajući i pokazuju da postoji potencijal za razvoj ovakvih biomaterijala na bazi bakterija. Ova eksperimentalna tehnologija je već testirana na zonama nekoliko objekata u realnom okruženju.

Naš istraživački tim veruje da ovaj pravac istraživanja ide u prilog naporima za stvaranje globalnog sistema ekološke samoodrživosti na planu građevinarstva i urbanizma. Isto tako, naša istraživanja imaju za cilj da aktivno doprinesu očuvanju arhitektonskog nasleđa kako u Srbiji, tako i u svetu.

U tom smislu nadamo se da će rezultati našeg rada doprineti efikasnom i pristupačnom održavanju mostova i zgrada u našem okruženju, ali i očuvanju nasleđa velikih arhitekata kao što su Dragiša Brašovan i Frenk Lojd Rajt.

Autori teksta: Timovi Laboratorije za ispitivanje materijala u kulturnom nasleđu i Katedre za biotehnološko i farmaceutsko inženjerstvo, Tehnološkog fakulteta u Novom Sadu