Бетон, который умеет залечивать собственные трещины

Бетон, способный самостоятельно закрывать появившиеся в нём трещины, уже не фантастическая идея. Такие материалы существуют и несколько лет проходят лабораторные и полномасштабные испытания. Учёные пытаются создать бетон, которому после повреждения не потребуется немедленный ремонт, организованный человеком.

Одно из наиболее известных направлений развивает Технический университет Делфта в Нидерландах. Группа исследователей под руководством инженера Хенка Йонкерса разработала бетон с бактериями, способными после появления трещины производить карбонат кальция — фактически известняк, который постепенно заполняет повреждение. В лабораторных условиях такой материал позволял залечивать трещины шириной до 0,8 миллиметра.

Но интерес к самозалечивающемуся бетону не ограничивается одной технологией. Исследователи по всему миру изучают несколько способов заставить строительный материал самостоятельно восстанавливать повреждения — от использования бактерий и микрокапсул до процессов, которые бетон способен осуществлять без каких-либо дополнительных компонентов.

Как бетон может «починить» себя

На самом деле определенная способность к самозалечиванию есть даже у обычного бетона.

После затвердевания внутри цементного материала остаются частицы, которые не успели полностью прореагировать с водой. Если бетон получает новую порцию влаги через образовавшуюся трещину, гидратация может продолжиться. Продукты этой реакции постепенно заполняют часть свободного пространства.

Другой важный механизм связан с образованием карбоната кальция. В подходящих условиях химические реакции внутри цементного камня приводят к появлению кристаллов кальцита, которые осаждаются на стенках трещины и постепенно уменьшают ее размер. Именно продолжение гидратации и образование карбоната кальция относятся к основным механизмам так называемого автогенного самозалечивания.

Однако естественные возможности обычного бетона ограничены. Поэтому ученые пошли дальше и попытались встроить механизм «ремонта» непосредственно в материал.

Бактерии, которые превращают трещину в камень

Именно этим занимается группа Йонкерса в Делфте.В бетон добавляют специальные бактериальные споры и источник питания — лактат. Внутри неповрежденного бетона бактерии находятся в неактивном состоянии. Когда появляется трещина и в нее проникает вода, создаются условия для их активации.

Бактерии используют доступный источник питания и способствуют образованию карбоната кальция. В результате внутри трещины постепенно формируется минеральный материал, который заполняет пространство между ее стенками.

Получается необычная конструкция: микроорганизмы фактически становятся частью строительного материала и активируются именно тогда, когда появляется повреждение.

Технология уже вышла за пределы небольших лабораторных образцов. Исследователи из Делфта использовали бактериальный самозалечивающийся материал в нескольких полноразмерных демонстрационных проектах — в том числе при строительстве бетонных конструкций и ремонтных растворов. Испытания показали, что добавление бактериального компонента не приводило к негативным последствиям для строительных характеристик материала.

При этом эксперимент выявил и важную проблему: конструкции оказались настолько хорошо защищены от образования трещин, что исследователям было трудно проверить сам механизм самозалечивания в реальных условиях. Поэтому в следующих демонстрационных проектах они планировали специально допускать образование более заметных трещин и уменьшать количество обычной арматуры, которая ограничивает их ширину.

Это уже работает, но пока не заменяет ремонт

Именно здесь проходит граница между научной разработкой и массовой технологией.

Самозалечивающийся бетон действительно способен закрывать определенные трещины, но это не означает, что повреждённый мост или многоэтажный дом сможет полностью восстановить себя без участия инженеров.

Эффективность зависит от ширины и геометрии трещины, количества влаги, температуры, состава бетона и других условий. Даже в лаборатории две трещины одинаковой ширины могут вести себя совершенно по-разному, поскольку их внутренняя трехмерная структура отличается.

Поэтому исследователи сейчас решают не столько задачу «можно ли заставить бетон залечивать трещины», сколько гораздо более практическую: насколько надежно этот процесс работает в настоящих конструкциях и можно ли на него рассчитывать при проектировании зданий и инфраструктуры.

Это особенно важно для водонепроницаемых сооружений и железобетона. Трещина становится не только эстетической проблемой: через неё вода и растворенные вещества могут проникать внутрь конструкции и ускорять коррозию стальной арматуры. Если самозалечивание сможет надежно перекрывать такие пути, срок службы сооружений потенциально можно будет увеличить.