Beton je jedan od najčešće korištenih građevinskih materijala i ima veliku tendenciju pri stvaranju pukotina. Ove pukotine dovode do značajnog smanjenja životnog vijeka betona i visokih troškova zamjene. Iako nije moguće spriječiti stvaranje pukotina, postoje razne vrste tehnika za sanaciju pukotina. Pokazano je da su neke od trenutnih metoda obrade betona kao što su primjena hemikalija i polimera izvor zdravstvenih i okolišnih rizika, a što je još važnije, učinkovite su samo u kratkom roku. Stoga je velika potražnja za metodama iscjeljenja koje su ekološki prihvatljive i dugotrajne. Pristup za samoizlječenje mikrobima odlikuje se potencijalom za dugotrajan, brz i aktivan popravak pukotina, a istovremeno je ekološki prihvatljiv. Nadalje, mikrobno samoiscjeljivanje prevladava nad ostalim tehnikama popravke zbog efikasnog povezivanja i kompatibilnosti s betonskim sastavima. Ova studija daje pregled mikrobioloških pristupa za proizvodnju kalcijumovog karbonata (CaCO3). Raspravlja se o potencijalnim izazovima u tretmanu mikrobioloških pukotina, a daju se i preporuke za istraživanje ublažavanja pukotina.

Uvod

Beton, kao jedan od najčešće korištenih građevinskih materijala, igra nezamjenjivu ulogu na mnogim poljima. Široko se koristi u izgradnji zgrada, brana, spremnika, morskih luka, puteva, mostova, tunela, podzemnih željeznica i drugih infrastruktura. Beton je uglavnom kombinacija vode, agregata (grubog i sitnog) i cementa. Cement je najvažniji dio betonskog materijala. Veže agregate i ispunjava praznine između grubih i sitnih čestica. Visoka čvrstoća pritiska, raspoloživost, trajnost kao i susretljivo ponašanje s armaturnim šipkama, niska cijena, jednostavna priprema i mogućnost lijevanja u željenim oblicima i veličinama čine beton materijalom izbora za brojne primjene. Osim prednosti betona, ima veliku tendenciju stvaranja pukotina agresivne hemikalije koje se uvlače u strukturu. Pukotine su jedan od glavnih uzroka propadanja betona i smanjenja trajnosti. Pukotine se mogu formirati i u plastičnim i u čvrstim stanicama. Kretanje oplate, taloženje plastike i skupljanje plazme zbog brzog gubitka vode s betonske površine rezultira stvaranjem pukotina tijekom plastične mase, dok vremenske neprilike, skupljanje i sušenje, termička naprezanja, greška u oblikovanju i pojedinostima, hemijska reakcija, stalno preopterećenje i vanjsko opterećenje doprinosi pukotinama u čvrstom stanju. Štaviše, betonske konstrukcije trpe relativno nisku zateznu čvrstoću i duktilnost. Da bi se osigurala čvrstoća, beton je obično ojačan čeličnim rešetkama ugrađenim u njega. Ojačane šipke imaju pozitivan učinak na ograničenje širine pukotina, kontrolišući plastično skupljanje; međutim, oni ne mogu sprečiti stvaranje pukotina.

Uspjeh autogenog liječenja uveliko ovisi o faktorima kao što su prisustvo vode ili vlage u okruženju, količina nehidriranog cementa i sastava betonske matrice. Pored toga, primijećeno je da se autogenim zacjeljivanjem mogu popuniti samo pukotine u rasponu od 0,1 do 0,3 mm. Praktičan način poboljšanja autogenog zacjeljivanja je smanjenje odnosa vode prema cementu (w / c). Međutim, povećani dio za smanjenje omjera w / c ima različit učinak na skupljanje i obradivost i zahtijeva više proizvodnje cementa. Kapsulacija polimernog materijala je još jedna vrsta aktivnog tretmana . Ova metoda može doprinijeti popunjavanju pukotina pretvaranjem ljekovitog sredstva u pjenu u prisustvu vlage. Iako ispuštanjem hemikalija ugrađenih šupljih vlakana unutar betona mogu popuniti pukotine, ovi materijali se ne ponašaju isto kao betonski sastavi u mnogim uvjetima, a u nekim slučajevima uzrokuju širenje postojećih pukotina. Pored toga, ova tehnika zahtijeva kapsule koje se lako mogu miješati s betonom i mogu preživjeti u betonskoj matrici. Što je još važnije, ugrađene kapsule moraju zaštititi obnavljajuće sredstvo duži vremenski period i ne smiju utjecati na obradivost betona i mehanička svojstva. Ovi zahtevi čine metodu inkapsulacije teškom praksom za komercijalnu primjenu samozacjeljenja betona. S obzirom na nedostatke postojećih tretmana, tražene su alternativne inovativne metode aktivnog obnavljanja. S druge strane, biotehnološki pristupi privukli su pažnju istraživača kao obećavajući način za rješenje pitanja povezana s aktivnim i pasivnim tretmanima. Proces biološkog liječenja zasnovan je na proizvodnji kalcijumovog  ugljena kroz biomineralizaciju. Uspješna primjena ove inovativne metode obnove rezultirat će dužim trajanjem betonskih konstrukcija kao i značajnim smanjenjem proizvodnje cementa i zamjene konstrukcija.

Biomineralizacija

Biomineralizacija se odnosi na proces stvaranja minerala od živih organizama koji je široko rasprostranjena pojava. Biomineralizacija se može postići procesom biološki inducirane mineralizacije. Biološki inducirana mineralizacija obično se javlja u otvorenom okruženju kao nekontrolisana posljedica mikrobalmetaboličke aktivnosti. U ovom se procesu biominerali formiraju reakcijom metaboličkih produkata koje stvaraju mikroorganizmi s okolnim okruženjem. Predcititacija minerala događa se uspješnim spajanjem pozitivno nabijenih jona na negativno nabijene stanice mikrobioloških ćelija. Biološki inducirana mineralizacija obično se javlja u anerobnom okruženju ili na oksi-anoksičnoj granici. Njegova efikasnost jako ovisi o koncentraciji otopljenog inorganskog ugljika, mjestu nukleacije, pH, temperaturi. Među široko rasprostranjenom proizvodnjom minerala putem biomineralizacije, taloženje kalcijumovog karbonata izazvalo je interes zbog efikasnog svojstva vezivanja i kompatibilnosti s betonskim sastavima.

Taloženje kalcijumovog karbonata

Poznato je da mikroorganizmi, konkretno bakterije, mogu proizvesti širok spektar minerala poput karbonata, sulfida, silikata i fosfata. Kalcijumkarbonat je jedno od najprikladnijih punila za beton zbog velike kompatibilnosti s cementnim sastavima. Kalcijum-karbonat se može nataložiti procesom biološki inducirane mineralizacije u prisustvu izvora kalcijuma. U ovom procesu, karbonat se stvara mikroorganizmom, koji se sastoji od celičnih stanica, kroz dva metabolička puta, autotrofnim i heterotrofnim.

Ugradnja mikroorganizma u betonsku mješavinu

Ljekovito sredstvo (bakterije i hranjive tvari) može se umetnuti u betonsku matricu kroz vaskularnu mrežu ili se direktno miješati tokom pripreme betona. Vaskularna metoda je inspirisana strukturom ljudske kosti. Kost se sastoji iz dva dijela. Spoljni sloj je kortikalna kost koja je kompaktna, a unutarnja spongilastija je trabekularna kost. Vaskularna tehnika isporučuje ljekovito sredstvo izvan strukture upotrebom raspodijeljenih vaskularnih mreža koje su već bile ugrađene u mješavinu tokom pripreme betona. Kako se pojavljuju pukotine, obnavljajujće sredstvo se kreće kroz posudu zbog pritiska između izvora sredstva i položaja pukotina, to je mehanizam samoobnavljanja u kojem su unutrašnji i vanjski betonski dijelovi spojeni jednostrukim ili višestrukim, svježim vaskularnim vlaknima. U drugom istraživanju simulirali su vaskularne mreže cilindričnim betonom, čija su jezgra i vanjski dijelovi bili porozni i kompaktni. Porozna jezgra distribuira obnovljivo sredstvo kroz betonsku mješavinu i može se aktivirati kada se pukotina pojavi u vanjskom dijelu strukture. Metoda vaskularne mreže čini se nepraktičnim zbog nekoliko kratkih dolaska. Prvo, sredstvo za iscjeljivanje treba da ima stalnu viskoznost kroz životnu dob betona, kako bi se spriječilo curenje pod okolnim okolnostima. Ako je količina oslobađajućeg sredstva veća od pukotine, to izaziva estetska tkiva. Pored toga, bilo bi teško distribuirati posude homogeno po cijeloj strukturi. Treće, ugradnja vaskularnog sistema u beton može smanjiti vezu između betonskih kompozicija i, samim tim, dovodi do strukturnog uklanjanja ostataka. Bakterije i hranjive supstance mogu se takođe ugraditi direktno u betonsku matricu tokom pripreme betona i kastinga. U ovom procesu, obnavljajuća sredstva se rastvaraju u vodi, a zatim se smjesa dodaje u cement i pijesak. Alkalifilne bakterije poput vrsta Bacillus mogu tolerisati ekstremno betonsko okruženje; stoga su one najatraktivnije vrste za biološko samozacijeljivanje betona. Studije pokazuju da ove bakterije koje stvaraju spužvastu membranu mogu preživjeti bez hranjivih sastojaka i do stotina godina. Štoviše, endospore mogu podnijeti promjene okoliša ili hemikalija kao i ultraljubičasta zračenja i mehaničke napone. Međutim, direktno uklapanje mikroorganizma u građevinske materijale poput betona dramatično utječe na metaboličku aktivnost. Visoki pH (tj.> 11) i suho stanje betona čak i čine bakterije ranjivim na spojeve bacillus izravno u betonsku matricu.

Izvođenje biokon betona

Najznačajnija svojstva betona su čvrstoća na pritisak i trajnost. Utjecaj biomineralizacije na ove atribute treba procijeniti. Pukotine, veličina pora i njihova distribucija imaju štetne utjecaje na svojstva betona i posljedično dob trajanja betonskih konstrukcija. Trajnost betona može se poboljšati smanjenjem apsorpcije, propusnosti i difuzije kao glavnih mehanizama za transport tečnosti i gasova. Za razliku od trajnosti, postoje kontradiktorni rezultati koji se tiču ​​utjecaja sredstava za liječenje na bazi biološkog materijala na čvrstoću betona. Objavljeno je da primjena inkapsuliranog B. sphaericus u malteru rezultira smanjenjem čvrstoće na pritisak za 15 do 34%. Ovi rezultati mogu se pripisati krhkosti proizvedenog kalcijum-karbonata. Pored toga, upotreba različitih medija i kultura kao i uslovi okoline mogu rezultirati dodatnim promjenama. Osim površinskih pukotina, proces biomineralizacije može ugraditi poroznosti i praznine unutar betonske matrice.

Zaključak

Primjena bio-samoiscjeljujućeg pristupa pohvalila se postojećim metodama iscjeljenja zbog efikasnog povezivanja, kompatibilnosti s betonskim aditivima i održivosti. Sposobna je da popunjava duboke mikropukotine, a i ograničava razvoj pukotina. To može smanjiti troškove pregleda i održavanja. Pored toga, smanjuje se emisija ugljen dioksida zbog smanjenja proizvodnje cementa. Smanjenje poroznosti strukture, čini beton vodonepropusnim, zatim dobru kompatibilnost između istaloženih kalcijum-karbonata i betonskih sastava i povoljna termička ekspanzija su druge prednosti ove metode. Ova metoda pruža sigurnije, održivije, dugotrajnije i ekonomičnije građevinske materijale.

m-Kvadrat