Микробная цементация и живой бетон

Углеродная проблема цемента химическая прежде, чем тепловая. Обжиг известняка — CaCO₃ → CaO + CO₂ при температуре около 1450 °C — выделяет углекислый газ из самой породы, и эту половину выбросов сменой топлива не убрать. Микробная цементация вместо этого образует вяжущее при обычной температуре.

Уреолиз и почему он осаждает кальцит

Господствующий маршрут использует уреазоположительные бактерии, обычно Sporosarcina pasteurii, которым дают мочевину и источник кальция.

Уреаза гидролизует мочевину до аммиака и карбамата, тот распадается дальше, и итогом становятся аммоний плюс карбонат. Действующая часть — аммоний: он делает окружающий раствор щелочным. С ростом pH карбонатное равновесие смещается от гидрокарбоната к карбонат-иону, и как только произведение активностей карбоната и кальция превышает предел растворимости, осаждается карбонат кальция.

Значит, бактерия не изготавливает известняк. Она изготавливает то значение pH, при котором известняк становится нерастворимым, — и держать механизм в голове полезнее именно так, поскольку отсюда понятно, что может пойти не так.

Клетки делают и ещё одно. Бактериальная стенка заряжена отрицательно, поэтому притягивает Ca²⁺ из раствора и сосредоточивает его у поверхности. Клетка тем самым работает центром зародышеобразования, и осаждение начинается на бактериях и вокруг них, а не где придётся. Поэтому кальцит и образует мостики в точках контакта частиц, где скапливаются клетки, а не заполняет поровое пространство равномерно, — тот же довод об экономичности, что и у литейного связующего: прочность дают мостики в точках контакта, а не объёмное заполнение.

Самозалечивающийся бетон: задача покоя

Встроить это в бетон значит сохранить организм живым и бездеятельным внутри одной из самых недружелюбных матриц в строительстве. Поровый раствор свежего бетона держится около pH 13, а сам материал сух и механически неистов при перемешивании.

Поэтому применяют спорообразующие организмы: эндоспоры годами переносят высушивание и крайние значения pH. Но и они по большей части раздавливаются или инактивируются при перемешивании и гидратации, если оставить их незащищёнными, — потому их инкапсулируют: в частицы вспученной глины, в гидрогели или в микрокапсулы, вместе с питательным источником кальция, обычно лактатом кальция.

Спусковым крючком служит сама трещина. Трещина впускает воду и кислород, вскрывает капсулы по своему пути, и споры прорастают и осаждают кальцит, пока трещина не запечатается и подача воды не прекратится. Система самоограничивающаяся и покоится, пока не возникнет повреждение.

Честные пределы здесь размерные и количественные. Залечивание работает на трещинах примерно до миллиметра, поскольку более широким нужно больше кальцита, чем способны дать местные капсулы. Инкапсуляция слегка снижает прочность бетона, так как капсулы суть слабые включения. И каждая капсула срабатывает один раз.

Побочный продукт, стесняющий всё остальное

Уреолитическая цементация даёт аммоний в стехиометрическом количестве — примерно два моля азота на моль карбоната. Это не следовая примесь, а половина реакции.

Следствия вполне реальны и составляют главное препятствие масштабированию. Аммиак выделяется газом, раздражает и портит воздух рабочей зоны в закрытых помещениях. Оставшийся аммоний окисляется до нитрата, который вымывается в грунтовые воды. А соединения азота способны провоцировать коррозию заложенной стальной арматуры.

Неуреолитические маршруты этого избегают: осаждение через карбоангидразу, через фотосинтетическое поглощение CO₂ или через окисление органических кислот вроде лактата кальция с прямым получением карбоната. Они чище и, как правило, медленнее, и там, где биокирпич получают биоцементацией песка при обычной температуре, выбор маршрута есть во многом выбор того, что станет с азотом.