Марк Медовник - Из чего это сделано? Удивительные материалы, из которых построена современная цивилизация

Небоскреб «Осколок» в процессе строительства

Достигнув максимальной прочности, бетонное здание примет на себя вес двадцати тысяч своих обитателей. А также тысяч письменных столов и стульев, прочей мебели, компьютеров, плюс еще тонны воды. Оно будет выполнять эту работу день за днем без видимого ущерба. Межэтажные перекрытия будут все так же тверды и нерушимы. Башня тысячелетиями будет безропотно терпеть работающих в ней людей и защищать их от непогоды. Если, конечно, постоянно следить за железобетоном, потому что, несмотря на репутацию практически безупречного стройматериала, он все же нуждается в присмотре. По сути, его уязвимость – оборотная сторона его прочности, она коренится в его структуре.

В обычных условиях сталь, которая используется для армирования бетона, ржавеет от влаги. Однако внутри бетона щелочная среда образует на поверхности стали защитный слой гидроксида железа. Со временем износ наряду с сезонными расширениями и сжатиями приводит к появлению в бетоне маленьких трещин, куда попадает вода: зимой она замерзает и увеличивается в объеме, разрывая материал изнутри. Любая каменная постройка подвержена разрушению этого типа. Подобным же образом происходит эрозия горных пород. Для защиты каменных и бетонных сооружений примерно раз в пятьдесят лет им необходим ремонт.

Но железобетону грозит еще более страшная беда. Если внутрь попадает большое количество воды, она разъедает стальную арматуру, ржавчина расползается, и возникают новые трещины, угрожающие всему стальному каркасу. Всего опаснее соленая вода, которая легко разрушает защитный слой из гидроксида железа и ускоряет ржавление стали. Железобетонные мосты и дороги в странах с холодным климатом регулярно подвергаются воздействию соли (ее используют для уборки снега и льда) и потому особенно уязвимы. Недавно выяснилось, что Хаммерсмитская эстакада в Лондоне поражена ржавчиной.

Учитывая, что, без преувеличения, половина всех сооружений в мире сделана из бетона, уход за ними требует огромных, все возрастающих усилий. Сложность еще и в том, что многие из них расположены в таких местах, где не хочется бывать особенно часто: скажем, Эресуннский мост, соединяющий Швецию и Данию, или ядро реактора атомной электростанции. Идеальным выходом для таких случаев было бы предоставить бетон собственным заботам, то есть создать самовосстанавливающийся материал. Такой бетон существует и успел уже показать себя в деле.

История самовосстанавливающегося бетона началась с поисков организмов, способных выживать в экстремальных условиях. На дне вулканических щелочных озер ученые обнаружили новый вид бактерий. Водородный показатель (рН) воды в этих озерах составляет 9–11, у человека такая вода вызвала бы ожог кожи. Ранее считалось, и не без оснований, что жизнь в подобных серных водоемах попросту невозможна. Однако при более пристальном рассмотрении выяснилось, что жизнь гораздо выносливее, чем мы думали. В этих адских условиях, по свидетельству ученых, обитают алкалифильные бактерии, один из видов которых – аэробные бактерии Вacillus pasteurii – выделяет минеральный кальцит, компонент бетона. Эти бактерии необычайно живучи и могут десятилетиями «дремать» внутри горной породы.

Наряду с модифицированным крахмалом, который служит им своего рода пищей, аэробные бактерии входят в состав самовосстанавливающегося бетона. В обычных условиях они «спят» в объятиях фибрилл гидросиликата кальция, откуда их вызволяет трещина. Почуяв влагу, они просыпаются и начинают искать пропитание. Крахмал обеспечивает рост и размножение бактерий. В процессе жизнедеятельности они выделяют минеральный кальцит – разновидность карбоната кальция. Соединяясь с бетоном, кальцит формирует минеральную структуру, которая стягивает края трещины, крепко склеивает ее, не позволяя ей разрастаться дальше.

Оказалось, что идея самовосстанавливающегося бетона работает не только в теории, но и на практике. Исследования доказали, что треснувшая конструкция из самовосстанавливающегося бетона восстанавливает 90 % прочности за счет деятельности бактерий. Сейчас ведутся разработки такого бетона для его дальнейшего применения в реальных инженерных сооружениях.

Другой вид «живого» бетона – водопроницаемый. Он обладает особой ячеистой структурой, в которой могут поселиться природные бактерии. Сквозь ячейки-поры проникает вода, это уменьшает потребность в дренаже, причем обитающие в толще бетона микроорганизмы очищают воду, разлагая нефтепродукты и прочие загрязняющие вещества.