Бетон — самый распространённый строительный материал в мире. Несмотря на это, он трескается и разрушается под воздействием нагрузок и окружающей среды, а устранение этих повреждений — трудоёмкий и углеродоёмкий процесс. Чтобы решить эту проблему, исследователи работают над созданием самовосстанавливающегося бетона, который может самостоятельно затягивать трещины.

В Университете Бата группа ученых под руководством профессора Кевина Пейна использует в бетонных смесях спящие бактерии и питательные вещества, чтобы любые трещины в бетоне заполнялись известняком, который устраняет повреждения. В 2025–2026 годах их исследовательский проект «умного бетона» в рамках программы EPSRC RM4L завершился испытанием, в ходе которого была создана железобетонная панель для реконструкции шоссе с использованием бактерий, способствующих заживлению, и протестирована в условиях нагрузки. По словам профессора Пейна, их цель — разработать «умные материалы, [которые] могут эволюционировать в течение всего срока службы», обладая «самовосстанавливающимися свойствами и устойчивостью», чтобы повысить безопасность и сократить расходы на техническое обслуживание.

Почему бетон нуждается в заживлении

В бетонных конструкциях, таких как мосты, плотины, туннели и тротуары, неизбежно образуются микротрещины, через которые проникают вода и хлорид-ионы, что приводит к коррозии и разрушению. В Великобритании на ремонт таких конструкций ежегодно тратится около 40 миллиардов фунтов стерлингов. Из-за изменения климата, приводящего к экстремальным погодным явлениям, и прогнозируемого удвоения выбросов CO2, связанных с производством цемента, к 2050 году инженерам приходится искать экологичные и самовосстанавливающиеся конструкции. Одно из таких инновационных решений — использование естественной способности микроорганизмов осаждать минералы.

Основной принцип микробиологически индуцированного осаждения кальцита (МИОК) заключается в том, что экстремофильные бактерии, такие как Bacillus sp., могут находиться в состоянии покоя в щелочной среде, например в бетоне (pH 12–13). Однако при прорастании в среде с повышенной влажностью, например в трещине, они расщепляют такие соединения, как ацетат кальция, и в качестве побочного продукта выделяют известняк. В результате образуются известняковые перемычки, которые закрывают трещину.

Исследователи из Университета Бата отмечают, что в результате этого процесса образуются только углекислый газ и вода (что совместимо с бетоном). Например, команда ученых из Университета Бата пишет: «Если в бетоне появляется трещина, бактерии высвобождаются и подвергаются воздействию кислорода и воды. Они питаются питательной средой, размножаются, и в результате метаболических процессов образуется карбонат кальция (известняк), который закупоривает трещину, не давая ей расшириться». Таким образом задействуется естественный механизм «самовосстановления», аналогичный тому, как живые ткани восстанавливаются после повреждений.

Основная инженерная проблема заключается в том, как защитить бактерии во время смешивания и отверждения бетона. Смешивание бетона (высокий уровень pH и механическое воздействие) губительно для бактерий. Исследования, проведенные за последнее десятилетие, показали, что решением может стать микрокапсулирование бактериальных спор и питательных веществ в защитную оболочку (по аналогии с капсулой для доставки лекарств) до тех пор, пока они не понадобятся. В ходе предыдущих исследований лактат кальция, питательные вещества и споры помещали в легкие заполнители и/или капсулы. Группа ученых из Университета Бата разработала новый усовершенствованный метод. Профессор Пейн резюмирует: «Наш новый подход к разработке «умных» материалов может преобразить нашу инфраструктуру, обеспечив самовосстановление и устойчивость, чтобы конструкции могли меняться в течение всего срока службы. Это повысит их долговечность, ремонтопригодность, безопасность и снизит затраты на обслуживание».

Другими словами, самовосстанавливающийся бетон будет реагировать на повреждения, а не просто противостоять им, что изменит подход к строительству и обслуживанию зданий в будущем.

Пример из практики Университета Бата: испытания бактериального бетона

Команда из Бата под руководством доктора Сюзанны Гебхард и Пейна разработала смесь бетона (получившую название M2), в которую были добавлены вещества, способствующие заживлению. Для смешивания используется 90-литровый смеситель с наклонным барабаном. Состав смеси: портландцемент типа CEM II/B-V 32,5N, мелкий и крупный заполнитель, водоцементное соотношение примерно 0,40 и перлит с покрытием плотностью 45 кг/м3, пропитанный спорами Bacillus pseudofirmus.

Перлитовые гранулы содержали споры, а ацетат кальция (3,8 % от массы цемента) и дрожжевой экстракт (0,1 %) были инкапсулированы во вторую партию перлита. Перед смешиванием каждую партию перлита замачивали в соответствующем растворе, а затем покрывали силикатом натрия и золой-унос, чтобы инкапсулировать питательные вещества и бактерии. Такая двухэтапная инкапсуляция гарантировала, что споры не прорастут в процессе смешивания. Споры прорастают только после того, как в бетоне появляются трещины, через которые внутрь попадают вода и кислород.

Целью испытаний было решить две задачи: обеспечить доставку и эффективность. Во-первых, можно ли смешивать споры и питательные вещества в твердом виде с пригодным для укладки бетоном без ущерба для его качества? Испытания, проведенные в лаборатории в Бате, подтвердили, что да, можно. Предварительные смеси с содержанием ацетата кальция от 1,9% до 3,8% от массы цемента имели прочность через 28 дней ~30–33 МПа (немного ниже, чем у контрольных образцов, но приемлемо). Важно отметить, что, несмотря на наличие добавок, «заметной задержки в схватывании или наборе прочности не наблюдалось». Тесты на жизнеспособность спор, инкапсулированных в перлит, показали, что практически все споры были живы. За 30 дней в покрытии погибло всего 0,01% спор.

Во-вторых, как ведет себя самовосстанавливающаяся смесь при реальных нагрузках на конструкцию? Для этого в Бате изготовили железобетонную панель с самовосстанавливающейся смесью в «слабом» участке, где, как ожидается, должны появиться трещины на высоте ~500 мм. Всего было отлито пять панелей: одна контрольная и четыре панели с различными самовосстанавливающимися системами, в том числе с бактериальной смесью. Это было сделано для проекта строительства автомагистрали в Уэльсе. Панель, изготовленная из смеси бактерий, была создана на основе смеси M2 и перлита с покрытием (45 кг/м³), содержащего ~4×10¹³ спор/м³. Рядом с предполагаемым местом образования трещин была добавлена капиллярная сеть из полых полипропиленовых трубок для возможного введения дополнительных питательных веществ.

Пять отлитых панелей. Самовосстанавливающаяся бетонная панель на основе бактерий — третья слева. (Университет Бата)

Через 36 дней после отверждения панель была надрезана гидравлическим домкратом, чтобы открыть трещину шириной 0,1 мм (рис. 7). Во время испытаний команда тщательно оснастила панель измерительными приборами: датчиками ширины трещины, линейными датчиками перемещения, тензодатчиками, датчиками DEMEC и оптическими микроскопами для наблюдения за ростом и заживлением трещин в режиме реального времени. После надрезания в трещину была добавлена вода, чтобы активировать бактерии. В течение следующих недель в трещине под микроскопом начали появляться видимые минеральные отложения (кальцит). На момент публикации материала компания Bath отметила «определенную степень восстановления трещин» на панели с бактериями, но благоразумно отложила дальнейшие испытания, чтобы подтвердить биогенный источник. Важно отметить, что добавки не оказали негативного влияния на прочность и долговечность конструкции. Bath сообщает, что даже после полного затвердевания «механические свойства сохраняются, а на процесс схватывания и затвердевания не влияют инкапсулированные вещества».

Инженерные результаты

В ходе испытаний также было сделано несколько важных технических наблюдений. Прочность кубика из бактериального бетона через 7 дней составила ~30 МПа, а прочность через 28 дней сравнима с прочностью обычного бетона. Это немного меньше, чем ожидалось (контрольные кубики имели прочность ~35–40 МПа), вероятно, из-за наличия перлита (более легкого заполнителя) и сложностей с его смешиванием на месте. Тем не менее самовосстанавливающаяся панель работает должным образом.

Визуальный осмотр также показал, что перлит с покрытием не вымывается раньше времени. В свежем бетоне были видны белые гранулы, но питательные вещества не вымывались до тех пор, пока не появились трещины. Тесты на жизнеспособность показали, что количество спор оставалось относительно постоянным в течение месяца, то есть бактерии находились в спящем состоянии и были готовы к работе. Это позволяет предположить, что самовосстанавливающийся бетон теоретически можно хранить в течение длительного времени, не расходуя при этом восстанавливающие вещества.

При растрескивании перлитовые шарики намеренно разбивались, высвобождая питательные вещества и споры в трещину. Последующее наблюдение (с помощью оптической визуализации) действительно показало, что части трещины были перекрыты кальцитовыми отложениями. В отчете Университета Бата отмечается, что для выявления биомеханизма необходимы дополнительные исследования, но предварительные результаты обнадеживают: трещины в бетоне, которые обычно остаются открытыми, начали затягиваться.

Инженеры Bath подчеркивают, что для повышения надежности используется двухкомпонентная капсула (отдельные шарики для бактерий и питательных веществ). Они также отмечают устойчивость к перепадам температур: среди изолятов Bath есть психротрофные пещерные бактерии, которые прорастают при температуре 5–20 °C, что обеспечивает заживление в условиях холодного климата. Еще одним новшеством стала капиллярная сеть, позволяющая при необходимости вводить воздух или питательные вещества после завершения строительства.

Профессор Кевин Пейн называет полученные результаты «новаторскими», отмечая, что большинство данных о бактериях получены при температуре человеческого тела, и им пришлось проверять эффективность при низких температурах. На практике команда из Бата подтвердила, что самовосстановление происходит даже при температуре около 20 °C (и планирует провести испытания при 5 °C). Что особенно важно, полномасштабные испытания показали, что добавление бактерий и питательных веществ не влияет на основные свойства бетона. Как отмечается в одном из выводов, эти «самовосстанавливающиеся бетоны... успешно продемонстрировали сохранение механических свойств». Другими словами, инженеры могут использовать эти материалы без ущерба для прочности и безопасности.

Отраслевые последствия

Для строительной отрасли бетон с добавлением бактерий — это потенциальный прорыв. Он позволяет сократить расходы на обслуживание и продлить срок службы конструкций. Как отмечает профессор Кардиффского университета, руководитель проекта «Устойчивые материалы» Боб Ларк, это значительно повысит экологичность инфраструктуры: «Мы уверены, что наше исследование окажет существенное влияние на экологичность нашей инфраструктуры». Это означает, что если трещины будут заживать сами по себе, стоимость ремонта значительно снизится, как и выбросы углекислого газа при производстве нового бетона. С точки зрения углеродного следа, более долговечные здания означают меньший объем выбросов углекислого газа в течение всего срока службы конструкции. Кроме того, появляются новые бизнес-модели для страховых компаний и управляющих активами: здания могут прослужить дольше, чем предполагалось, не из-за морального устаревания, а благодаря самовосстановлению.

Конечно, технические и нормативные барьеры все еще существуют. Процесс, используемый в Бате, требует соблюдения строгих правил смешивания, в том числе использования специальных наполнителей и покрытий. Кроме того, необходим контроль качества, чтобы обеспечить жизнеспособность бактерий. Этот процесс также потребует внедрения новых стандартов для стандартизации материалов, используемых в массовом производстве. Тем не менее крупные игроки отрасли прислушиваются к этим требованиям. Недавние испытания в ЕС и США, в том числе проведенные компаниями BAM, Siemens, Toshiba и другими, свидетельствуют о растущем интересе к биобетону. В проекте участвуют различные промышленные предприятия, а также государственные организации, разрабатывающие инфраструктурные стратегии. Если компании смогут успешно внедрить самовосстанавливающиеся компоненты в процесс производства готовых смесей, потенциальная выгода будет огромной.

Как отмечает профессор Пейн, «умный» бетон — это часть более масштабной тенденции к созданию того, что он называет «биоинтегрированной» инфраструктурой. Он видит будущее, в котором возраст материалов будет учитываться как ресурс, а здания будут следить за своим состоянием и адаптироваться по мере старения. Самовосстанавливающийся бетон хорошо сочетается с сенсорными технологиями и цифровыми двойниками, благодаря которым трещины в конструкции могут служить предупреждением о повреждении, а затем устраняться сами по себе, требуя лишь периодической проверки. По мнению ученых из Университета Бата, внедрение живых компонентов в бетон позволит инфраструктуре восстанавливаться изнутри, продлит срок ее службы и снизит воздействие на климат.

Самовосстанавливающийся бетон может привести к появлению дорог, которые сами затягивают трещины, и мостов, которые со временем становятся прочнее. По крайней мере, на данный момент пример компании Bath демонстрирует как перспективные возможности, так и пути развития: инженеры-строители переосмысливают бетон изнутри, подражая природе (выбирая устойчивые штаммы Bacillus) и фармацевтической инженерии (капсульная технология).