БИО-БЕТОН BIO-CONCRETE Двойшес Леонид Инженер. Институт интеграции и профессиональной адаптации. Нетания(Израиль). Тел. +(972)507457773, е-mail: leonad45@gmail.com Dvoishes Leonid Engineer. Institute of Integration and Professional Adaptation, Netanya (Israel). Tel. +(972)507457773, е-mail: leonad45@gmail.com Аннотация. В настоящее время во многих странах ведутся разработки по созданию био-бетонa. Ученые создают раствор с определенной бактерией, добавляют в него питательные элементы для бактерии и смешивают всё это с песком. Продуктом жизнедеятельности этой бактерии является кальцит, который осаждается между песчинками и скрепляет их между собой. По прошествии некоторого времени смесь кальцита и песка застывает, образуется очень твердый камень, из которого можно строить здания и другие сооружения. В статье представлены наиболее интересные по мнению автора материалы из Интернета. Ключевые слова: биоцемент, биобетон, технология, бактерия, кальцит, уреаза, мочевина, самовосстанавливающийся бетон, почва. Abstract. Currently, in many countries, developments are underway to create bio-concrete. Scientists create a solution with a specific bacterium, add nutrients for the bacteria to it and mix it all with sand. The vital product of this bacterium is calcite, which precipitates between grains of sand and holds them together. After some time, the mixture of calcite and sand solidifies, a very hard stone is formed, from which you can build buildings and other structures. The article presents the most interesting materials from the Internet according to the author. Keywords:biocement, bio-concrete, technology, bacteria, calcite, self-healing concrete, urease, urea, sand, soil. The 19th and 20th centuries were the ages of Chemistry and Physics. The 21st Century is the age of Biology. В Институте интеграции и профессиональной адаптации, г. Нетания мы занимаемся проблемами, касающимися освоения побережья и прибрежной зоны Израиля. Нас интересуют те материалы, которые можно использовать для этого. В настоящее время во многих странах ведутся разработки по созданию био-бетонa. Ученые создают раствор с определенной бактерией, добавляют в него питательные элементы для бактерии и смешивают всё это с песком. Продуктом жизнедеятельности этой бактерии является кальцит, который осаждается между песчинками и скрепляет их между собой. По прошествии некоторого времени смесь кальцита и песка застывает, образуется очень твердый камень, из которого можно строить здания и другие сооружения. Следующие работы показывают обилие исследований и направлений по данной теме, причем почти каждый из разработчиков от Японии до Америки считают себя единственным изобретателями, а в Интернете можно увидеть сотни публикаций – статьи, патенты, диссертации: 1. Быстроеокаменениепеска – Speedy stone from sand to rock [1,2]. Если кто-то думает, что для образования камней требуются миллионы лет, то эксперименты, проведенные исследователями наверняка опровергнут эту идею. Ученые установили, что почвенная бактерияSporosarcinapasteuriiспособна вырабатывать цементирующее вещество, которое связывает частицы песка. Результаты исследования показали, что такая «биоцементная технология» станет большим благом для строительной промышленности и, возможно, когда-нибудь заменит обычный цемент. Изобретение австралийского ученого было воспринято с особенным воодушевлением в Нидерландах, для которых строительство дамб — жизненно важная задача. По мнению голландских ученых, после открытия этого свойства бактерии, опасность размывания морских дамб можно существенно уменьшить. 2. Устойчиваяпочва - The earth friendly solution to a more stable planet [3]. Рис. 1. Эрозия склона [3]. Рис.2. Разжижен ие почвы [3]. В UniversityofIdaho (USA) определили класс бактерий, присутствующих почти на всех почвах на Земле, которые могут гидролизовать мочевину в присутствии хлорида кальция с образованием осадка карбоната кальция. Этот процесс может значительно снизить проницаемость и сжимаемость почвы, значительно увеличивая ее прочность. В отличие от других процессов осаждения кальцита, вызванных микробами, использование местных бактерий является более надежным, менее дорогостоящим и создает более однородный результат. Уплотнение почвы на строй-площадках -Было показано, что BioCement снижает потенциал разжижения в почвах от 100% до 0,07%.Поскольку BioCement не изменяет объем почвы, его можно использовать для снижения потенциала разжижения вокруг существующей инфраструктуры, не причиняя ущерба. Выращивание кирпичей с помощью бактерии [4]. BioMASON разработал процесс выращивания кирпичей с помощью бактерии в надежде в конечном итоге сократить выбросы СО2, которые в настоящее время в громадном количестве выбрасывается в атмосферу при производстве бетона и кирпичей. В компании смешивают воду и песок с бактериями. Они дают бактерии питательные и химические вещества, в следствии чего в результате жизнедеятельности бактерий образуется карбонат кальция, склеивающий песок в кирпичи (рис.3). В отличие от традиционных производителей бетона и кирпича, эта технология не требует нагрева. Метод выполняется при температуре окружающей среды с живыми микроорганизмами.Форму заполняют песком и добавляют «цементирующего раствора», содержащего бактерии, хлорид кальция и мочевину. За несколько дней работы бактерии связывают отдельные песчинки в прочный монолит (рис.4). Бактерии делают это за неделю. 3. Рис.3 [4]. Рис.4 [4]. Бактериальный порошок для быстрой стабилизации поверхностей [5]. Лаборатория механики грунта разработала легко воспроизводимый метод с использованием бактерий и мочевины для укрепления песчаной или гравийной поверхности. Ряд химических реакций приводит к быстрому образованию минеральных кристаллов, которые связывают частицы земли вместе. Большая часть застроенных земель в городских районах уже используется. То, что остается часто, необходимо стабилизировать и укрепить, чтобы минимизировать долгосрочные экологические риски и возможность образования трещин. Исследователи из Лаборатории механики почвы (LMS), придумали органическое, простое в использовании и недорогое решение, которое объединяет бактерии и мочевину. В качестве запускающего агента исследователи использовали бактерии Sporosarcina pasteurii. Бактерии расщепляют молекулы мочевины для использования в качестве пищи. Это высвобождает карбонат, который связывается с кальцием с образованием кристаллов кальцита. Кристаллы прикрепляются к измельченным частицам и растут как по количеству, так и по размеру - в некоторых случаях достигающие нескольких сотен микрометров в поперечнике. Уреаза, фермент, также выделяющийся в процессе пищеварения бактерий, значительно ускоряет этот процесс в 1000 раз - и конечный продукт достигается за считанные дни или даже часы. Поскольку уреаза так же эффективна, как и бактерии, исследователи попытались - успешно удалить бактерии из процесса. «Бесклеточная альтернатива облегчила бы использование этого метода в очень больших масштабах при меньших затратах», - говорит Лиссе Лалуи, профессор LMS. Уреаза — гидролитический фермент, обладающий специфическим свойством катализировать гидролиз мочевины до диоксида углерода и аммиака: CO(NH₂)₂ + H₂O → CO₂ + 2NH₃ . 4. Ремонт бетонных конструкций с помощью био-цемента [6]. Биобетон представляет собой самовосстанавливающуюся форму бетона, предназначенную для ремонта собственных трещин (рис.5, рис.6). Он был разработан голландским исследователем и микробиологом Хендриком Йонкерсом с использованием дополнительного ингредиента, действующего в качестве лечебного средства, и не требует вмешательства человека для ремонта после размещения. 5. . Рис. 5. [7]. Рис.6. [8]. 6. Биост енаархитект ораМ. Ларссона (Швеция) Turning dunes into architectu re [6]. Величайшая в мире пустыня Сахара занимает почти четверть африканского континента, вытянувшись с запада на восток на 5700 километров. Она продолжает расширятся, продвигаясь ежегодно на шесть - десять километров вглубь Сахеля - переходной полупустынной зоны, за которой лежит плодородная саванна. Если это движение песков не остановить, то, по подсчетам специалистов, через несколько веков Сахара доберется до экватора, а со временем овладеет и всем материком. Но как остановить великую пустыню? Уникальное решение проблемы предложил недавно шведский архитектор и дизайнер. Его оригинальный проект выглядит столь заманчиво, что идеей сразу же заинтересовались не только в Северной Африке, но и практически во всех странах, на территории которых имеются крупные пустыни, в том числе Китай, Австралия, США, Саудовская Аравия, среднеазиатские республики... Замысел шведа заключается в том, чтобы построить на пути расширяющейся Сахары могучую стену, которая остановит пески, а может, и повернет их вспять (рис.7). Общая длина такой стены, которая пройдет через весь континент, составит порядка 6 тысяч километров. Ларссон считает, что затраты будут сравнительно невелики, ибо главным строительным материалом станет сам песок Сахары, а основную часть работы выполнят, трудясь без перерыва, бактерии. Рис.7. [6]. Стена из песчаника сделает 3 дела: 1. Она добавит неровности к поверхности дюн и свяжет песчинки; 2. Она предоставит физическую опору для деревьев; 3. Физическое пространство для проживания внутри дюн. Речь идет о специальных почвенных микроорганизмах Bacilluspasteurii, удивительные свойства которых открыл американский профессор Джейсон Де Йонг [9]. Правда, сам Де Йонг исследовал эти бактерии с другой целью - укрепить почву при возведении зданий в сейсмоопасных зонах. Калифорнийский университет в Дэвисе, Университет штата Аризона, Университет штата НьюМексико и Технологический институт Джорджии объединили свои усилия, чтобы создать Центр биоиндуцированной и биоoпосредованной геотехники (CBBG), чтобы расширить быстро развивающуюся область биогеотехнической инженерии. Национальный научный фонд (NSF) поддержит этот новый центр пятилетним грантом в размере 18,5 млн.$ - крупнейшей в стране единственной инвестицией в геотехнические исследования. Еще в 2006 году его лаборатория опубликовала первую рецензируемую журнальную статью, в которой рассказывалось как биологические процессы могут улучшить затвердевание рыхлых песков [9]. ПОСЛЕСЛОВИЕ. Для чего это может пригодиться нам? Перед вами два фото (рис.8), сделанные мною прошедшей зимой на пляже Нетании. Волны бьют в защитное ограждение берегового откоса, в некоторых местах оно разрушено. Этим летом ограждение немного восстановлено, чтобы следующей зимой быть опять разрушенным. Возможно биоцемент может использоваться при восстановлении морского берега Нетании, разрушенного зимними штормами. Рис.8. Я обратился в несколько израильских университетов и получил из университета Хайфы, Техниона и Института Вейцмана примерно один ответ : «I don't know anyone relevant for this. In general, there is quite limited microbiology research here nowadays». «И честно говоря, не знаю, кто бы мог заинтересоваться этой темой. К сожалению, ни чем не могу Вам помочь. Удачи в поисках». Т.е., похоже, что в Израиле эта перспективная отрасль пока что “Terra incognita”. БИБЛИОГРАФИЯ 1. Microbial CaCO3 precipitation for the production of biocement.https://researchrepository.murdoch.edu.au/id/eprint/399/ 2. David Catchpoole. Speedy stone.https://creation.com/Speedy-stone-from-sand-to-rock/ 3. BioCement Technologies, Inc. http://www.biocementtech.com/ 4. BioMasonhttps://www.youtube.com/watch?v=6BqoM4am8kw/; http://biomason.com/ 5. Cécilia Carron. A bacterial powder for quickly stabilizing gravel surfaces. Ecole Polytechnique Federale de Lausanne. JANUARY 23, 2018.https://phys.org/news/2018-01-bacterial-powder-quicklystabilizing-gravel.html 6. M.Larsson: Turning Dunes into Architecture. https://www.stem.org.uk/resources/elibrary/ resource/35456/magnus-larsson-turning-dunes-architecture designboom.com/architecture/magnus-larssonsculpts-the-saharan-desert-with-bacteria/ 7. Innovations in concrete: self-healing, programmable, and translucent. July 17, 2018. https://omrania.com/insights/innovations-in-concrete-self-healing-programmable-and-translucent/, 8. Diederik van der Hoeven. Self-healing concrete in full development. Bio Based Press. 14 February 2018. https://www.biobasedpress.eu/2018/02/self-healing-concrete/, 9. Geotechnical Engineer Jason Dejong Explores “Bio-Soil” Method to Stabilize Future Dams, Bridges And Buildings By Derrick Bang/Jason DeJong Profile. https://engineering.ucdavis.edu/engineering-news/magazine/jason-dejong-profile/
