Инфраструктура поддерживает и облегчает нашу повседневную жизнь - думайте о дорогах, по которым мы едем, мостах и туннелях, которые помогают перевозить людей и грузы, офисных зданиях, где мы работаем, и плотинах, которые обеспечивают водой, которую мы пьем. Но не секрет, что американская инфраструктура стареет и отчаянно нуждается в восстановлении.
Бетонные конструкции, в частности, страдают от серьезного износа. Трещины очень распространены из-за различных химических и физических явлений, возникающих при повседневном использовании. Бетон сжимается при высыхании, что может привести к образованию трещин. Он может треснуть, когда есть движение внизу или благодаря циклам замораживания / оттаивания в течение сезонов. Простое наложение слишком большого веса может вызвать переломы. Что еще хуже, стальные стержни, встроенные в бетон в качестве арматуры, могут подвергаться коррозии со временем.
Очень маленькие трещины могут быть весьма вредными, поскольку они обеспечивают легкий путь для жидкостей и газов - и вредных веществ, которые они могут содержать. Например, микротрещины могут позволить воде и кислороду проникать и затем разъедать сталь, приводя к разрушению конструкции. Даже тонкое нарушение ширины волос может позволить достаточному количеству воды нарушить целостность бетона.
Но непрерывное техническое обслуживание и ремонтные работы трудны, потому что они обычно требуют огромного количества труда и инвестиций.
Так что с 2013 года я пытаюсь понять, как эти вредные трещины могут лечить себя без вмешательства человека. Идея была первоначально вдохновлена удивительной способностью человеческого организма излечивать себя от порезов, ушибов и переломов костей. Человек усваивает питательные вещества, которые организм использует для выработки новых заменителей для лечения поврежденных тканей. Таким же образом, можем ли мы предоставить необходимые продукты для бетона, чтобы заполнить трещины, когда происходит повреждение?
Мои коллеги из Университета Бингемтона Гуанвэнь Чжоу и Дэвид Дэвис, Нин Чжан из Университета Рутгерс и я нашли необычного кандидата, который поможет конкретному самовосстановлению: грибок Trichoderma reesei .
Исследователи просмотрели ряд грибков в поисках кандидата, который мог бы помочь заполнить бетонные трещины. (Конгруй Джин, CC BY-ND) Мы сначала проверили около 20 различных видов грибов, чтобы найти тот, который мог бы противостоять жестким условиям в бетоне. Некоторых мы изолировали от корней растений, которые росли на бедных питательными веществами почвах, в том числе от сосновых бесплодных пород Нью-Джерси и канадских Скалистых гор в Альберте.
Мы обнаружили, что при растворении гидроксида кальция в бетоне в воде pH нашей грибковой питательной среды увеличивался с почти близкого к нейтральному первоначального значения 6, 5 до очень щелочного 13, 0. Из всех протестированных нами грибов только T. reesei мог выжить в этой среде. Несмотря на резкое повышение рН, его споры прорастали в нитевидный мифелий и одинаково хорошо росли как с бетоном, так и без него.
Как только споры (слева) прорастают с добавлением воды, они превращаются в нитевидный мифелий (справа). (Конгруй Джин, CC BY-ND) Мы предлагаем включить грибковые споры вместе с питательными веществами во время начального процесса смешивания при строительстве новой бетонной конструкции. Когда происходит неизбежное растрескивание и вода проникает внутрь, спящие грибковые споры прорастают.
По мере роста они будут работать в качестве катализатора в условиях обогащения кальция в бетоне, способствуя осаждению кристаллов карбоната кальция. Эти минеральные отложения могут заполнить трещины. Когда трещины полностью замазаны и вода больше не может проникнуть, грибки снова образуют споры. Если снова появятся трещины и условия окружающей среды станут благоприятными, споры могут проснуться и повторить процесс.
T. reesei является экологически чистым и непатогенным, не представляет риска для здоровья человека. Несмотря на его широкое присутствие в тропических почвах, нет никаких сообщений о неблагоприятных воздействиях на водные или наземные растения или животных. Фактически, T. reesei имеет долгую историю безопасного использования в промышленных масштабах производства ферментов углеводов, таких как целлюлаза, которые играют важную роль в процессах ферментации во время виноделия. Конечно, исследователи должны будут провести тщательную оценку, чтобы исследовать любые возможные непосредственные и долгосрочные воздействия на окружающую среду и здоровье человека, прежде чем использовать его в качестве лечебного средства в конкретной инфраструктуре.
Будущие рецепты цемента могут включать в себя грибы. (Мидтаун Кроссинг в Тернер-Парке, CC BY) Мы до сих пор не до конца понимаем эту очень молодую, но многообещающую технику биологического восстановления. Бетон является суровой средой для грибка: очень высокие значения pH, относительно небольшие размеры пор, сильный дефицит влаги, высокие температуры летом и низкие температуры зимой, ограниченная доступность питательных веществ и возможное воздействие ультрафиолетовых лучей от солнечного света. Все эти факторы существенно влияют на метаболическую активность грибов и делают их уязвимыми для смерти.
Наше исследование все еще находится на начальной стадии, и предстоит сделать долгий путь, чтобы сделать самовосстанавливающийся бетон практичным и экономически эффективным. Но масштаб проблем американской инфраструктуры делает целесообразным поиск таких креативных решений.
Эта статья была первоначально опубликована на разговор.
Конгруй Джин, доцент кафедры машиностроения, Университет Бингемтона, Государственный университет Нью-Йорка
