Исследователи, которые ищут новые способы сделать дорожную инфраструктуру более надежной и долговечной, считают, что скоро крошечные бактерии смогут защитить дорожное покрытие от появления ям и выбоин после зимы.
Химические вещества, такие как хлорид кальция, называемые «дорожной солью», используются для предотвращения образования льда и накопления снега, которые могут создавать опасные ситуации на дорогах. Однако хорошо известно, что эти химикаты также являются причиной разрушения дорожного покрытия и появления выбоин. Такое разрушение происходит в результате реагирования химических веществ с бетоном и водой в виде льда и снега, вызывающего образование расширяющегося в объеме соединения, способного разрушать бетон за счет нарастания внутренних напряжений. Вредоносный состав, названный CAOXY — сокращение от оксихлорида кальция — также может отламывать куски бетона, так как впитывается в поверхность перед замерзанием и оттаиванием.
Подпись к изображению: Соединение, называемое CAOXY, которое образуется при взаимодействии дорожной соли с бетоном, стоит за ухудшением дорожного покрытия и образованием выбоин
В материалах исследования, недавно опубликованных в журнале «Строительство и строительные материалы», доктор наук Яхуб Фарнам, доктор наук Кристофер Сэйлз и доктор наук Каролина Шауэр, исследователи из инженерного колледжа Дрексельского университета, показывают, как добавление небольшого количества бактерий с бетоном может сократить образование CAOXY.
Группа пришла к этой идее, изучая штамм бактерий под названием Sporosarcina pasteurii. Этот штамм довольно необычен, потому что он способен вызвать химическую реакцию, в результате которой образуется карбонат кальция — вещество, которое часто называют «природным цементом». Только несколько типов бактерий способны исполнять этот трюк, называемый микробно-индуцированным выпадением в осадок карбоната кальция или «биоминерализацией», но их работу можно увидеть в минеральных отложениях, которые образуют известняк и мрамор.
За последнее десятилетие учеными изучалась возможность применения таких бактерий, как Sporosarcina pasteurii, как способ устранения трещин в статуях и бетонных конструкциях, а в последнее время как экологически безопасный вариант изготовления кирпича.
«На самом деле рассматривался конечный продукт химической реакции с участием этих бактерий — кальцит — но мы пришли к пониманию того, что способ, каким производят кальцит, может быть весьма полезным, когда речь идет о том, чтобы ослабить реакцию, превращающую дорожную соль в соединение, разрушающее дорогу, — сказал Фарнам. — Было известно, что бактерии нуждаются в хлориде кальция для производства кальцита, который является безвредным соединением. Поэтому, если бы можно было найти способ, при котором бактерии присутствовали в момент попадания дорожной соли хлорида кальция в бетон, она могла бы вступать во взаимодействие с бактериями и уменьшать воздействие реакции, которая вызывает разрушение дороги».
Чтобы проверить свою теорию, Сэйлз и Фарнам сделали несколько бетонных образцов, используя тип цемента, обычно используемый при строительстве дорог, и добавили в некоторые образцы смесь Sporosarcina pasteurii с питательными веществами, необходимыми для их выживания. После 28 дней воздействия раствора хлорида кальция, что соответствовало одному месяцу дорожной обработки в зимнее время, они провели серию испытаний на образцах, чтобы определить их структурную целостность и измерить количество присутствующего CAOXY.
Рассматривая как акустические колебания, так и развитие микропор в образце раствора (и то и другое является способами количественной оценки прочности образца), исследователи обнаружили, что бетон, изготовленный с применением бактерий, практически не разрушался после воздействия хлорида кальция.
Кроме того, уровни содержания CAOXY были намного ниже в образцах с бактериями в результате вызванного микробами образования карбоната кальция. Присутствие карбоната кальция предполагает, что взаимодействие бактерий также может быть использовано для укрепления дорожного покрытия, хотя, по мнению ученых, это применение потребует дополнительных исследований.
«Бактерии способны изменять микросреду вокруг себя, — сказал Сэйлз. — В частности, они создают среду с высоким pH фактором, превращая химические вещества в питательной суспензии в слабое основание, аммиак. Эта среда способствует выпадению ионов кальция и ионов карбоната с образованием карбоната кальция, а не CAOXY».
Поскольку бактерии встречаются в природе и не являются патогенными, они будут экологически безопасным решением проблемы разрушения дорог.