建筑物,隧道和桥梁可能很快就会修复。 地平线杂志


随着时间的流逝,天气,振动,地面运动和一般磨损可能会破坏建筑物中使用的砖石和混凝土。

但是,保持建筑物处于良好的维修状态可能既昂贵又困难。 墙面以下的发际线裂缝和其他损坏可能很难检测到。 欧洲拥有大量历史悠久的建筑和陈旧的基础设施,因此要使其建筑保持良好状态,就面临着艰巨的任务。

仅维护和修理欧盟的110万座桥梁,每年的预算估计为4到60亿欧元,而更换桥梁的成本可能超过4,000亿欧元。 根据2015年的数据,欧盟约有五分之一的房屋已有69年以上的历史,将这些房屋保持在可居住状态将成为建筑业日益增加的负担。

这导致一些科学家开始质疑建筑物是否有可能照顾自己。

“尽管天然石材的结构和物体可能已经存在了多个世纪,但风化和日常压力会造成破坏和恶化,”英国建筑环境中心生物技术中心的工程师兼纽卡斯尔大学学术研究员马格达里尼·西奥多里杜博士说。 “这可能会损害建筑物的结构完整性和安全性,并降低其美学吸引力。

“利用内置的免疫系统为砖石和石工提供产品,可以在损害变得严重之前就可以使用,这将极大地延长其使用寿命并减少维护需求。”

“利用内置的免疫系统为砖石和石工提供产品,可以在损害变得严重之前就可以使用,这将极大地延长其使用寿命

英国建筑环境生物技术中心Magdalini Theodoridou博士

为了使建筑物能够自我修复,Theodoridou博士一直在使用细菌,这些细菌的作用与人体的免疫细胞非常相似,这些免疫细胞负责检测伤害并帮助康复。

在卡迪夫大学(Cardiff University)担任研究员期间,她参与了GEOHEAL项目,该项目开发了利用细菌修复天然石材和砖石破坏的方法。
其他小组先前的工作表明,可以通过在细菌孢子上播种来创建自愈混凝土。 孢子与营养物质一起被包含在微小的胶囊中。

当混凝土结构中出现裂缝时,胶囊破裂,暴露的细菌繁殖,产生碳酸钙,这是石灰石的主要成分,存在于海洋生物的外壳中。 这硬化成稳定的方解石矿物,从而将裂缝粘合在一起。

但是,虽然可以将特定的强壮细菌(能够承受结构可能遇到的各种条件)在混合过程中添加到混凝土中,但将它们掺入天然石材中则更具挑战性。

GEOHEAL团队开发了一种技术,使他们可以用含有天然土壤细菌的液体喷洒或刷刷现有的石材。 然后它们进入多孔岩石,最终在发生损坏时进行修复。 该处理还包含钙以及细菌生长和产生方解石所需的营养素。

所使用的两种土壤细菌– 巴斯德孢子虫脲孢菌 –可以轻松地在石头里安家,GEOHEAL项目的协调员,英国卡迪夫大学地球环境工程高级讲师Michael Harbottle博士说。

他说,由于岩石和地质材料的矿物学组成和多孔的微观结构,它们具有自然的生物吸收能力。 “我们使用的细菌只要能够获得水,氧气和营养物质(包括钙离子源),就可以在这样的环境中快乐地生活并导致新的矿物质形成。”

自我修复

尽管细菌可以取食某些天然岩石类型(例如石灰石,大理石和砂岩)中已经包含的钙,但这可能会使周围的石材降解。 相反,研究人员为细菌提供了额外的钙,使其转化为坚硬的方解石。

哈博特尔博士说:“我们为钙离子提供营养,以提高自我修复系统的效率,并防止主体材料的天然纤维分解。”

研究人员还开发了一种自修复砂浆,通过在砂浆糊中添加休眠细菌以及含有营养成分的“静脉”网络,将石头和砖块粘合在一起。 当砂浆损坏时,这些静脉破裂,为细菌提供食物,使细菌繁殖并修复裂缝。 当他们这样做时,它们会重新封装自己,再次变得休眠,并准备在发生进一步的损坏时再次开始修复过程。

如果细菌可以接触水或氧气,则自修复过程可以发生在石材可能出现裂缝的任何深度。 Theodoridou博士说,大多数恢复和保护旧砌体的方法往往仅限于砌体表面的涂层。

在为期两年的项目中,该项目于2020年初结束,研究人员还与威尔士政府合作,研究他们的细菌系统是否有助于保护威尔士蒙茅斯郡历史悠久的廷登修道院。 对现场的石材样品进行的测试表明,细菌可以改善砖石的微观结构。

至关重要的是,他们还发现石材本身的外观没有改变。

哈博特尔博士说:“例如,没有发现人眼可察觉到的颜色变化。” 细菌处理也没有影响石材的“透气性”,这对于常规的石材保护处理和密封剂来说可能是一个问题,随着盐分在其后面堆积,会导致表层剥落。 然后,这可以加速暴露在下面的石头的风化。

基础设施

Theodoridou博士补充说,对于关键基础设施以及桥梁和隧道等难以接近的基础设施,使用细菌自我修复处理可能特别有用。 这也可能有助于延长遭受破坏的旧建筑物的寿命。

她说,这可能有助于实现全球可持续发展目标。

在欧洲,建筑业约占温室气体排放量的5-12%,在世界范围内占11%,这使其成为气候变化的主要贡献者。 通过帮助建筑物减少维修次数,使用寿命更长,自我修复材料可以减少这些排放。

对于桥梁,隧道和挡土墙等结构,自愈能力也可以大大提高其安全性。 如果不定期维护这些关键基础架构,则可能导致灾难性故障。 2018年,意大利热那亚Morandi桥的倒塌夺走了43人的生命,调查人员确定腐蚀的电缆和对混凝土的损坏是部分原因。

但是,这些结构的大部分都倾向于掩埋在地下,这使得维护和检查变得更加困难。 据GEOBACTICON项目的研究人员称,在这种情况下,自愈混凝土每年可帮助欧洲隧道和土挡土墙的维护和维修成本节省高达1.2亿欧元。

关于自我修复混凝土的大多数研究都集中在暴露于空气或水中的结构,而不是浸入土壤中的结构。 水分和酸度不同的不同土壤类型会以多种方式影响混凝土。

英国德比大学工程师,GEOBACTICON首席研究员Adam Souid博士说:“尚不清楚在暴露于如此复杂地面条件的混凝土构件中,自愈过程是否有效。” 该项目于12月结束,旨在试图弄清埋在地下的混凝土中基于细菌的自我修复的行为。

他和他的同事们将富含钙的凝胶胶囊与土壤细菌混合在一起 枯草芽孢杆菌 制成混凝土并将它们成型为块。 然后将它们故意破坏,并埋入各种类型的天然土壤中。 他们发现,在某些土壤中,其他土壤细菌可能会渗入裂缝并与愈合细菌竞争。

土壤颗粒的大小和组成也可能引起问题,因为它们会渗入裂缝,而饱和土壤的水量也很重要,因为它可能在孔隙和裂缝内部产生压力,从而影响修复效果。 研究人员发现,饱和土壤越多,愈合效果越好。

这些发现为该团队提供了有关如何改善地下结构的自愈过程的重要线索,他们现已开始对其进行调查。 但是,如果成功了,那么不仅维护混凝土本身的完整性,而且还保护包裹在混凝土中的钢筋以加固大型结构至关重要。

Souid博士说,如果暴露于土壤中发现的水分,酸性化合物和其他化学物质中,钢会腐蚀并减弱。 “细菌自修复混凝土技术可以在不进行人类调查,控制或干预的情况下,积极,持久地保护钢筋混凝土结构和基础设施。”

Theodoridou博士认为,自修复的石材和混凝土甚至可能在将来导致激动人心的新建筑形式。 “在新建筑中,整合自我修复材料和结构元素的可能性将使设计更加大胆,更具可持续性。”

本文中的研究由欧盟资助。 如果您喜欢这篇文章,请考虑在社交媒体上分享。



This article – “建筑物,隧道和桥梁可能很快就会修复。 地平线杂志
” – was originally published in Horizon, the EU Research & Innovation magazine

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