Бетонные тоннели со временем покрываются трещинами. Через них просачивается вода, что приводит к коррозии арматуры, просадкам грунта и даже обрушению конструкций. Традиционные способы ремонта становятся либо неэффективны для узких трещин (цементные растворы), либо плохо работают во влажной среде и токсичны для экологии (химические смолы). Ученые Архитектурно-строительного института ЮУрГУ предложили уникальную альтернативу – бактериальную эмульсию.
Подселенная в состав бетона бактерия Sporosarcina pasteurii (в народе – «невидимый строитель»), выделяя уреазу, обладает способностью осаждать кальцит и затвердевать песок при наличии источника кальция и мочевины. Так в трещине образуются кристаллы кальцита, которые заполняют пустоты и перекрывают путь влаге. Но есть проблема – бактерии легко вымываются потоком воды, а их кристаллы получаются рыхлыми и быстро разрушаются под давлением.
Чтобы нивелировать это, авторы работы добавили в бактериальную эмульсию альгинат натрия – вещество, получаемое из бурых водорослей. Оно повышает вязкость смеси, не дает бактериям и частицам карбоната кальция вымываться, а при реакции с ионами кальция образует гель – дополнительный заполнитель трещин.
В лабораторных экспериментах исследователи сравнивали три типа составов: бактерии + альгинат, частицы карбоната + альгинат и полная эмульсия (бактерии + частицы + альгинат). Полная эмульсия снизила проницаемость бетона в 4-6 раз эффективнее, чем два других состава. Увеличение концентрации альгината и объема инъекции позволило снизить проницаемость еще два порядка.
При испытаниях под высоким давлением (до 2 бар) ремонтный слой на основе полной эмульсии повреждался примерно на 20% меньше, чем у составов без бактерий или без частиц карбоната. Для высококонцентрированной эмульсии (с двойным содержанием бактерий и карбоната) повреждения составили всего от 0 до 40% от первоначального ремонтного эффекта.
Электронная микроскопия показала, что в полной эмульсии гель альгината образует сетчатую структуру, которая «сшивает» кристаллы карбоната кальция между собой. Это повышает целостность и устойчивость ремонтного слоя к гидравлической эрозии. Повышение концентрации компонентов в смеси делает структуру материала еще более плотной.
Разработка может быть применена для ремонта трещин в тоннелях, подземных парковках, гидротехнических сооружениях. В перспективе технология позволит продлить срок службы бетонных конструкций и снизить затраты на их обслуживание. Исследование выполнено при поддержке Национального фонда естественных наук Китая. Результаты опубликованы в международном журнале Construction and Building Materials.
