Gradbeni vestnik • letnik 69 • januar 2020 2 SAMOCELJENJE BETONA ZARADI DELOVANJA BAKTERIJ BACTERIAL-BASED SELF-HEALING OF CONCRETE asist. dr. Petra Štukovnik, univ. dipl. geol. petra.stukovnik@fgg.uni-lj.si prof. dr. Violeta Bokan Bosiljkov, univ. dipl. inž. grad. violeta.bokan-bosiljkov@fgg.uni-lj.si Univerza v Ljubljani, Fakulteta za gradbeništvo in geodezijo, Jamova cesta 2, Ljubljana izr. prof. dr. Marjan Marinšek, univ. dipl. kem. marjan.marinsek@fkkt.uni-lj.si Univerza v Ljubljani, Fakulteta za kemijo in kemijsko tehnologijo, Večna pot 1 13, Ljubljana Znanstveni članek UDK 582.23:691.32 Povzetek l V prispevku poročamo o rezultatih prvih preiskav biobetona, ki ima lastnosti samoceljenja. Beton smo izdelali z uporabo dodatka za samoceljenje, kap- sul z bakterijami in hrano. Znano je, da lahko nekateri mikroorganizmi, zlasti bakterije, s svojo presnovo obarjajo karbonate. Kristali obarjenega kalcijevega karbonata polnijo razpoke, ki se oblikujejo na površini ali v notranjosti betona, ter jih postopoma popolno- ma zaprejo. S tem se poveča odpornost betona proti vdoru kapljevin in z njimi škodljivih snovi. Življenjska doba betona je lahko zato bistveno podaljšana. Obarjen kalcijev kar- bonat pa lahko izboljša tudi mehanske lastnosti betona. Na pripravljenih vzorcih smo spremljali rezultate delovanja bakterij v različnih okoljih, saj je aktivnost uporabljene vrste bakterij odvisna od pogojev okolja, v katerem je biobeton. Obarjanju CaCO 3 smo sledili s pomočjo mikroskopskih tehnik (optična in SEM-EDS mikroskopija), trdnost betona pa smo določili na prizmatičnih vzorcih. Rezultati preiskav so potrdili sovisnost med učinko- vitostjo samoceljenja biobetona in pogoji okolja. Pokazali smo tudi, da je CaCO 3 , ki se obarja v razpoki, sposoben zagotoviti določeno natezno trdnost v območju samozace- ljene razpoke. Ključne besede: razpoke v betonu, biobeton, delovanje bakterij, obarjanje kalcita, samoceljenje betona Summary l This article reports the results of tests carried out on self-healing bio-concrete. The concrete was made using self-healing additives, capsules with bacte- ria and their food. It is known that some microorganisms, especially bacteria, precipitate carbonates through their metabolism. Crystals of precipitated calcium carbonate fill and gradually completely close the cracks that form either on the surface or the inside of concrete. This increases the resistance of concrete to the penetration of liquids with harm- ful substances and thus considerably extends the life span of concrete structures. The precipitated calcium carbonate can also improve the mechanical properties of concrete. Prepared samples were used to monitor the results of bacterial activity in different envi- ronments, as their activity depends on the environmental conditions to which bio-con- crete was exposed. CaCO 3 precipitation was observed using microscopic techniques (optical and SEM-EDS microscopy), and concrete strength was determined on prismatic specimens. The results of the tests confirmed the correlation between the self-healing asist. dr. Petra Štukovnik, prof. dr. Violeta Bokan Bosiljkov, izr. prof. dr. Marjan Marinšek•SAMOCELJENJE BETONA ZARADI DELOVANJA BAKTERIJ Gradbeni vestnik • letnik 69 • januar 2020 3 SAMOCELJENJE BETONA ZARADI DELOVANJA BAKTERIJ•asist. dr. Petra Štukovnik, prof. dr. Violeta Bokan Bosiljkov, izr. prof. dr. Marjan Marinšek 1•UVOD 2•ŠTUDIJA ODZIVA BIOBETONA V RAZLIČNIH OKOLJIH Beton je material, ki ga na svetu proizvedemo in uporabimo največ. Več porabimo le vode. Na vsakega prebivalca Zemlje proizvedemo 1 m 3 betona na leto, to je skupaj okoli 7,7 mili- jarde m 3 . Ker je beton krhek material, se v njem oblikujejo razpoke, od mikrorazpok do makrorazpok. Prve so v osnovi neproblem- atične, dokler se ne začnejo širiti in združe- vati. Prisotnost razpok v armiranem betonu ogroža najprej njegovo obstojnost, saj lahko škodljive snovi enostavno prodrejo v beton. Posledica je pogosto tudi korozija armature, kar na daljši rok ogroža stabilnost objektov. Zato raziskovalci iščejo različne rešitve, kako bi te razpoke čim prej in čim bolj učinkovito zaprli – jih zacelili. Poznamo več procesov samoceljenja betona; ki jih delimo na narav- ne (avtogene), biološke in kemične procese [Amirreza Talaiekhozan, 2014]. Zadnje desetletje potekajo intenzivne pre- iskave na področju samoceljenja betona s pomočjo mikroorganizmov, predvsem bak- terij, ki omogočajo zapolnitev razpok do širine 1 mm v nekaj dneh [De Muynck, 2010]. 2.1 Sestava in postopek priprave biobetona in vzorci Za namen spremljanja samoceljenja beto- na smo pripravili samozgoščevalno (SCC) betonsko mešanico, ki je poleg osnovnih sestavin vsebovala tudi kapsule z bakteri- jami in hranilom. Uporabljen agregat v be- tonu je bil triasni dolomit, v katerem mineral dolomit predstavlja 98,1 % kamnine, mine- ral kalcit pa približno 1,9 %. Za mineralno polnilo smo uporabili dolomitno moko. Vir dolomitne moke je enak kot pri agrega- tu. Hidravlično vezivo v betonu je bil čisti portlandski cement z oznako CEM I 42,5N [SIST, 201 1], katerega kemijska sestava je podana v preglednici 1. Specifična površi- na cementa znaša 3520 cm 2 g -1 , medtem ability of bio-concrete and environmental conditions. Additionally, we were able to show that CaCO 3 , which precipitates in the crack, is able to provide certain tensile strength to the self-healed crack. Key words: cracks in concrete, bioconcrete, bacterial activity, calcite precipitation, self-healing of concrete Znano je, da lahko mikroorganizmi, zlasti bakterije, obarjajo različne vrste mineralov, kot so karbonati, sulfidi, silikati in fosfati. Zaradi svoje združljivosti z betonsko sestavo je najbolj primeren za zapolnitev razpok v betonu kalcijev karbonat (CaCO 3 ). Bakterije, ki proizvajajo CaCO 3 , so najprej uporabljali tako, da so jih nanašali na površine, ki so jih želeli zaščititi, sanirati ali jim povečati trdnost. Pristop so uporabljali na kamnu, apnenih ometih in pri sanaciji površinskih razpok v betonu [Belie, 2016]. Kristali kalci- jevega karbonata so zmanjšali površinsko poroznost in/ali zapolnili površinske razpoke [Vijay, 2017]. V primeru, da želimo zapolniti tudi razpoke v notranjosti armiranobetonskih elementov, je treba bakterije vmešati v beton. Ker pa je bazičnost betona visoka, lahko v ta namen uporabljamo le tako imenovane alkalnofilne bakterije, ki lahko v takem okol- ju preživijo. To so pogosto bakterije, ki pri presnavljanju kalcijevega laktata obarjajo kalcijev karbonat (enačba 1) ([Siddique, 201 1], [Vijay, 2017]). (1) Ker bakterije za presnovo potrebujejo kisik, se zmanjša koncentracija kisika v betonu, kar zmanjša nevarnost korozije jekla v betonu in s tem še dodatno poveča obstojnost infrastruk- ture iz armiranega betona. Mikroorganizmi (spore bakterij) in hranilo (npr. Ca-laktat) se v cementno matrico navadno dodajo na pasiven način. To pomeni, da se direktno vmešajo v sveži beton. Za najbolj učinkovito se je pokazala rešitev z inkapsulaci- jo spor in hranila, na primer v glinene kapsule. Ta rešitev omogoča, da spore v strjenem betonu preživijo tudi več desetletij. Zbudijo se le, če pridejo v stik z vodo, in to se zgodi le, če se oblikuje razpoka. Takrat bakterije začnejo oksidirati kalcijev laktat in pri tem nastane CaCO 3 , ki postopno zapolni razpoko. Preiskave biobetona, o katerih poročamo v tem članku, so, glede na razpoložljive po- datke, prve preiskave te napredne tehnologi- je v Sloveniji. Sodelovanje v mednarodnem projektu COST Action CA 15202 Self-healing as preventive repair of concrete structures – SARCOS nam je omogočilo dostop do do- datka za samoceljenje z bakterijami, ki smo ga uporabili za izdelavo biobetona. ko je gostota zrn 3,1 1 g cm -3 . Z namenom zagotavljanja ustrezne obstojnosti ter last- nosti betona SCC v svežem stanju smo izbrali vodocementno (v/c) razmerje 0,45 in maso cementa enako 400 kg. Masa dolo- mitne moke za zagotavljanje stabilnosti in sposobnosti prehajanja betona SCC je bila 250 kg, količina superplastifikatorja PCE za doseganje samozgoščevalnih lastnosti pa 0,6 % na maso praškastih delcev (cement in mineralno polnilo). V mešanico smo dodali še polipropilenska vlakna z namenom laž- jega nadzora nad oblikovanjem induciranih razpok. Proizvod z bakterijami za samoceljenje smo vmešali čisto na koncu, da bi med pripravo betona čim manj poškodovali kapsule. Proiz- vod smo dodali v količini, ki je navedena v tehničnem listu. Iz betona SCC smo izdelali vzorce v ob- liki valjev ( ϕ = 10 mm, d = 5 mm) za mikroskopske preiskave ter prizme (40 x 40 x 160 mm) za spremljanje mehanskih karakteristik. Po 24 urah smo vzorce vzeli iz kalupov ter jih obremenili do oblikovanja razpok. Širina induciranih razpok je bila okrog 0,5 mm. Na prizmah smo razpoko in- Preglednica 1• Kemijska sestava cementa CEM I 42,5N. Oksid SiO 2 Al 2 O 3 Fe 2 O 3 CaO MgO Na 2 O K 2 O Cl SO 3 (%) 20,31 4,49 3,25 63,72 1,53 0,26 0,60 0,05 0,75 Gradbeni vestnik • letnik 69 • januar 2020 4 ducirali na sredini dolžine prizme z upogibno obremenitvijo. V nadaljevanju smo vzorce izpostavili različnim okoljem: pitni vodi iz različnih slovenskih vodovodnih sistemov, zračni vlagi, ciklom močenja in sušenja, morski vodi, vodni raztopini NaCl, zakopali pa smo jih tudi v zemljo. Naša hipoteza je namreč bila, da je aktivnost uporabljene vrste bakterij odvisna od pogojev okolja, v katerem je biobeton. 2.2 Analizne metode Za spremljanje samoceljenja betona z vključenimi bakterijami so najprimernejše mikroskopske metode, saj je treba spremljati polnjenje razpok s CaCO 3 , ki se obarja kot rezultat delovanja bakterij. V okviru naših preiskav smo mikroskopske analize opravili z elektronskim mikroskopom FE-SEM Zeiss Ultra Plus, ki je opremljen z EDS-detektorjem (Oxford X-Max SDD 50 mm 2 106 detektor in INCA 4.14 5 X-ray microanalysis software) ter optičnim mikroskopskim sistemom HIROX KH 3000 [Štukovnik, 201 1], ki omogoča časovno spremljanje obarjanja kalcita v razpokah. Preiskave tlačne in upogibne trdnosti prizem so bile opravljene skladno s standardom EN 196-1 [SIST, 2005]. Za upogibne preiskave smo uporabili univerzalni preizkuševalni stroj Roell-Amsler s kapaciteto 100 kN, tlačne preiskave pa so bile opravljene na stiskalnici s kapaciteto 5000 kN ob uporabi 500 kN tlačne doze. 3•REZULTATI IN DISKUSIJA Napokani vzorci betona SCC s proizvodom za samoceljenje so bili izpostavljeni različnim pogojem okolja. Po sedmih dneh je bila stop- nja celjenja razpok v betonu med 0 in 100 % (preglednica 2), odvisno od izbranega okolja. Rezultati preiskav v preglednici 2 potrjujejo postavljeno hipotezo. Vidimo lahko, da je stopnja obarjanja CaCO 3 ter s tem zapolnitve razpok odvisna od okolja. Prvi rezultati kažejo, da so bakterije učinkovito sredstvo za tesnjen- je razpok v betonu, izpostavljenem pitni vodi iz ljubljanskega vodovoda in raztopini soli, ter v betonu, zakopanem v zemlji. Predvsem stalna visoka vlaga je tisti parameter, ki omogoča hitro obarjanje CaCO 3 , kar je v skladu s po- datki v literaturi. Učinkovito delovanje bakterij v pitni vodi iz ljubljanskega vodovoda in vodni raztopini soli ter njihova slaba učinkovitost v pitni vodi iz vodovoda Ivančna Gorica in morski vodi pa kažejo na to, da je kemijska sestava raztopine pomemben parameter, ki nadzoruje učinkovitost delovanja bakterij v betonu. Ob ugodnih pogojih začnejo bakterije z obarjanjem CaCO 3 v nekaj urah, kar je lepo razvidno na sliki 1, kjer se je razpoka začela polniti že po 4 urah. Bakterije lahko v betonski mešanici kot spore »spijo« tudi desetletja (slika 2). Ob nastanku razpoke in vdoru vode v razpoko pa se zbudijo in se začnejo prehranjevati. Rezultat presnove je CaCO 3 , ki se obarja na površini sten raz- poke in jo na ta način popravlja. Poleg tega se v okolju z visoko alkalnostjo oblikuje še dodatni CaCO 3 zaradi CO 2 , ki ga proizvedejo bakterije [Knoben, 201 1]. Kot posledica opisanih mehanizmov se v relativno kratkem času (celo v nekaj dneh) lahko razpoka zapolni z obarjenim CaCO 3 (sliki 3 in 4). Z delovanjem bakterij v betonih lahko zacelimo razpoke širine do 1 mm. Obar- janje CaCO 3 kot posledica delovanja bakterij v Številka vzorčka slika vzorčka pogoji stopnja celjenja (0-100) 1 vodovodna voda (Ljubljana) 90 2 raztopina soli 90 3 izmenično vodovodna voda – zračna vlaga 0 4 zakopan pod 2 cm zemljine – zunanji vremenski pogoji (Ljubljana) 70 5 vodovodna voda (Ljubljana) 100 6 zunanji vremenski pogoji 0 7 notranja zračna vlaga 0 asist. dr. Petra Štukovnik, prof. dr. Violeta Bokan Bosiljkov, izr. prof. dr. Marjan Marinšek•SAMOCELJENJE BETONA ZARADI DELOVANJA BAKTERIJ Gradbeni vestnik • letnik 69 • januar 2020 5 biobetonu je prikazano na sliki 3, ki prikazuje SEM-posnetke visokih povečav. Kristali CaCO 3 se začnejo odlagati na stenah razpoke (slika 3, levo). Sledi naraščanje debeline kalcitnih slojev, dokler se nasprotno rastoča sloja ne srečata in povežeta, približno na sredini razpoke (slika 3, sredina). Kljub temu lahko delovanje bakterij poteka še naprej in rezultat Slika 1• Delovanje bakterij: v vzorcu 1 se je obarjanje CaCO 3 začelo v 4 urah. Slika 2• Vzorec betona s proizvodom za samoceljenje. Slika 3• Obarjanje CaCO 3 v razpoki zaradi delovanja bakterij – mikrografi. Preglednica 2• Delovanje bakterij v različnih okoljih. 8 morska voda 0 9 vodovodna voda (Ivančna Gorica) 0 je večja gostota obarjenega kalcita v razpoki (slika 3, desno). Največja prednost delovanja bakterij v bio- betonu je ponovna vzpostavitev tesnosti v ob- močju razpok ter s tem znižanje prepustnosti betona za kapljevine in povečanje njegove obstojnosti in s tem življenjske dobe. Bi pa lahko obarjanje kalcita v betonu izboljšalo tudi njegove mehanske lastnosti. Slika 4 prikazuje rezultat delovanja bakterij, kot ga vidimo s prostim očesom. Kalcit zapolnjuje inducirano razpoko vzdolž njene celotne širine in višine. Vidimo pa lahko, da je bilo delovanje bakterij najbolj intenzivno v srednji tretjini širine vzorca, ob robovih pa manj. Razlogov za to še ne poznamo. V nadaljevanju smo preverili, ali je SAMOCELJENJE BETONA ZARADI DELOVANJA BAKTERIJ•asist. dr. Petra Štukovnik, prof. dr. Violeta Bokan Bosiljkov, izr. prof. dr. Marjan Marinšek Gradbeni vestnik • letnik 69 • januar 2020 6 zapolnjenost razpoke s kalcitom vplivala na povečanje upogibne trdnosti prizme. Na sliki 5 so prikazani rezultati merjenja upogibne in tlačne trdnosti betona SCC z dodanim proizvodom za samoceljenje. Pov- prečna upogibna trdnost (treh) intaktnih (ne- razpokanih) prizem je po 28 dneh znašala 1 1,5 MPa, medtem ko je bila povprečna upogibna trdnost razpokanih prizem, ki so bile v okolju z zračno vlago, enaka nič, kar je v skladu s pričakovanji. Šele mokro okolje namreč omogoči, da se bakterije zbudijo, se začnejo prehranjevati in presnavljati, po- sledica česar je obarjanje CaCO 3 in s tem samoceljenje razpoke. To potrjujejo rezultati upogibne trdnosti razpokane prizme, ki je bila potopljena v pitno vodo iz ljubljanskega vodovoda. V tem primeru je obarjeni CaCO 3 delno zapolnil razpoko in tako omogočil po- rast povprečne vrednosti upogibne trdnosti razpokane prizme na 1,03 MPa. Preizkušenih je bilo 6 vzorcev. Po opravljenih upogibnih pre- iskavah smo na polovičkah prizem določili še tlačno trdnost biobetona. Razpoka, ki smo jo namerno oblikovali, na rezultate tlačne trdnosti tako ni vplivala. To dokazujejo tudi rezultati za povprečno tlačno trdnost pri starosti 28 dni, ki je pri vzorcih brez razpok znašala 68 MPa in pri vzorcih z delno polno razpoko 70 MPa. Rezultati meritev upogibne trdnosti so pokazali, da obarjanje CaCO 3 zaradi delovanja bakterij lahko ugodno vpliva tudi na mehanske karakteristike betonov. Slika 4• Obarjanje CaCO 3 v razpoki zaradi delovanja bakterij – makronivo. Slika 5• Mehanske karakteristike betona SCC z dodanim proizvodom za samoceljenje; rezultati upogibne trdnosti (levo) in tlačne trdosti (desno). 4•ZAKLJUČKI V prispevku smo prikazali rezultate prvih preiskav biobetona, ki so bile opravljene na Univerzi v Ljubljani. Dodatek za samocel- jenje so bile bakterije, ki pri presnovi kalcije- vega laktata obarjajo CaCO 3 . Ker je CaCO 3 prisoten in relativno obstojen tudi v običaj- nem betonu, predstavlja obarjanje CaCO 3 v razpokah kompatibilen način samoceljenja betona. Način oblikovanja induciranih razpok in njihovo omejevanje s pomočjo polipro- pilenskih vlaken sta se izkazala za prim- erna pristopa, ko proučujemo lastnosti samoceljenja. Oblikovane razpoke so se v ugodnih pogojih okolja zapolnile s CaCO 3 že v enem tednu, s časom pa se je še dodatno manjšala poroznost tesnilnega mineralnega sloja. Zaključimo lahko, da je učinkovitost samoceljenja zelo odvisna od okolja, v katero umestimo betonske elemente. Že v primeru pitne vode so se pokazale velike razlike med vodo iz ljubljanskega vodovoda, ki predstavlja idealne razmere za samoceljenje, in vodo iz vodovoda Ivančna Gorica, kjer bakterije niso delovale (se niso zbudile). Zato je treba v prihod- nje vzporedno s preiskavami biobetonov opraviti tudi kemijske analize raztopin ali zemljin, v katere potopimo ali zakopljemo vzorce, saj bomo le tako lahko identificirali elemente, ki zavirajo delovanje bakterij v betonu. Mehanske preiskave so potrdile, da je CaCO 3 , ki se obarja v razpoki, sposoben prenesti določene natezne napetosti, refe- renčna upogibna nosilnost betona (pred induciranjem razpoke) pa s procesom samoceljenja verjetno ne more biti nikoli v celoti dosežena. Je pa res, da je glavni namen samoceljenja betona ponovna vzpostavitev tesnosti betona in s tem po- večanje njegove obstojnosti. asist. dr. Petra Štukovnik, prof. dr. Violeta Bokan Bosiljkov, izr. prof. dr. Marjan Marinšek•SAMOCELJENJE BETONA ZARADI DELOVANJA BAKTERIJ Gradbeni vestnik • letnik 69 • januar 2020 7 6•LITERATURA Amirreza Talaiekhozan, A. K., Arezo Shafaghat, Ramin Andalib, M. Z., Abd Majid, Mohamad Ali Fulazzaky, Rosli Mohamad Zin, Chew Tin Lee, Mohd Warid Hussin, Norhaliza Hamza, Nur Fatimah Marwar, Haidar, H. I., A Review of Self-healing Concrete Research Development, Journal of Environ- mental Treatment Techniques, 2, 1: 1-1 1, 2014. De Belie, N., Application of bacteria in concrete: a critical review, RILEM Technical Letters, RILEM, 2016. De Mujnck, W., De Belie, N., Verstraete, W., Microbial carbonate precipitation in construction materials: a review, Ecological Engineering, 36, 1 18–136, 2010. Knoben, W., Could bacteria breathe new life into an ancient construction material? Materials today, 14 (9), 444, 201 1. Siddique, R., Chahal, N. K., Effect of ureolytic bacteria on concrete properties, Construction and Building Materials, 25, 10, 3791-3801, 201 1. SIST, Slovenski inštitut za standardizacijo, SIST EN 196-1:2005-Metode preskušanja cementa - 1. del: Določanje trdnosti, Ljubljana, 2005. SIST, Slovenski inštitut za standardizacijo, SIST EN 197-1:201 1-Cement - Part 1: Composition, specifications and conformity criteria for common cements, Ljubljana, 201 1. Štukovnik, P ., Čepon, F., Bokan-Bosiljkov, V., 201 1. Analiza poškodb objektov stavbne dediscine s 3D mikroskopom, v: Zbornik 33. zborovanje grad- benih konstruktorjev Slovenije, Bled, 6.-7. oktober 201 1, J. Lopatič, F. Saje, (ur.), Slovensko društvo gradbenih konstruktorjev, Bled, 253-260, 201 1. Vijay, K., Murmu, M., Deo, S. V., Bacteria based self healing concrete – A review. Construction and Building Materials, 152: 1008-1014, 2017. 5•ZAHVALA Avtorji se zahvaljujemo Agenciji za raziskovalno dejavnost Republike Slovenije, ki financira naše raziskave v raziskovalnih programih P2-0185 in P1-0175 ter raziskovalnem projektu J2-8194. Zahvala velja tudi študentom, vključenim v projekt Po kreativni poti do praktičnih znanj – Razvoj samopopravljivega betona, ki so pomagali pri pripravi vzorcev in izvedbi preiskav. Na območju Slovenije je razmišljanje o samopopravljivih betonskih konstrukcijah novost. Samopopravljivi betoni predstav- ljajo novo družino betonskih materialov, ki imajo velik potencial predvsem pri armiranobetonskih objektih, ki so težko dostopni ali z njimi ščitimo biosfero pred nevarnimi snovmi in jih zato v primeru propadanja ali poškodb težko saniramo. SAMOCELJENJE BETONA ZARADI DELOVANJA BAKTERIJ•asist. dr. Petra Štukovnik, prof. dr. Violeta Bokan Bosiljkov, izr. prof. dr. Marjan Marinšek