Samoregenerační beton – beton budoucnosti

Cílem výzkumu je vývoj takového betonového materiálu, který se permanentně a samostatně monitoruje, reguluje, přizpůsobuje a regeneruje bez nutnosti vnějších zásahů. Inovativní nízkohmotnostní minerální a chemické přísady mohou navíc betonu přidat další nové znaky, jako jsou vylepšené mechanické vlastnosti, a zároveň prodlužují jeho životnost.

Konstrukce z betonu a železobetonu plní často vedle nosné funkce i funkci vodotěsnou. To vyžaduje minimalizaci vzniku trhlin. Beton je obecně tvořen cementovým pojivem, kamenivem různých zrnitostí a póry různých tvarů a velikostí. Pro dosažení vodotěsnosti je potřeba omezit prostup vody pórovým systémem betonu a zároveň předejít vzniku trhlin v konstrukci v důsledku objemových změn. Pórový systém je nutno vyplnit materiálem, který se při smršťování betonu plasticky tvaruje a zabraňuje vzniku trhlin. Mikrotrhliny v betonu se vlivem vnějšího prostředí zvětšují a bez včasné a správné péče mohou dosáhnout až k případným kovovým výztuhám staveb. K těm se následně dostane voda, kyslík a CO₂ a konstrukce začne korodovat. Následné opravy jsou velmi náročné a finančně nákladné (obr. 1).

Autogenní samoregenerace

Nevyžaduje použití specifických činidel přidávaných do matrice a vzniká hydratací nehydratovaných částic cementového materiálu. Krystaly uhličitanu vápenatého (CaCO₃) se vysrážejí v površích trhlin v důsledku chemických reakcí mezi Ca²⁺ (přítomným v matrici hydratovaného cementu) a CO₂ dostupného v trhlině. V tabulce 1 je uvedena receptura, která vyhovuje popsanému systému.

Tabulka 1 – Složení betonové směsi:

Název	hm. d.	Charakteristika	Funkce
Cement I 42,5 N	240	produkt z vápence s příměsí křemičitanu hlinitého (Al₂SiO₅)	pojivo
Voda	84	pitná voda	přísada
Hydroxid vápenatý	80	Ca(OH)₂, nerost portlandit, hašené vápno	tvrdidlo
Uhličitan sodný	40	Na₂CO₃ – soda	váže ionty Ca+; zajišťuje stabilitu pH
MDEA	40	methyldiethanolamin CH₃N(C₂H₄OH)₂; bezbarvá kapalina; η = 101 mPa.s	pohlcuje CO₂
Tributylfosfát	10	C₁₂H₂₇O₄P – bezbarvá kapalina; ester kyseliny fosforečné a butan-1-olu	změkčovadlo
Písek (0,05–2,0 mm)	135	křemen s obsahem živce, rohovce, křemence a slídy	plnivo
Vápenec	363	CaCO₃	plnivo
Oxid křemičitý	8	SiO₂	úprava rheologických vlastností

Autonomní samoregenerace

Problematikou samoregeneračních („samohojivých“) materiálů se v současné době začala zabývat řada výzkumných skupin, zejména v oblasti materiálů konstrukčního charakteru, mezi které patří i beton. Přístup založený na biologických principech v tomto typu interdisciplinární práce (propojení mikrobiologie, environmentálních oborů a materiálového inženýrství pro stavebnictví) vyniká velkou komplexitou, kterou určuje zejména pestrost uplatnění vhodných mikrobiálních taxonů, skladby živin, zdrojů vápníku a způsobů, jak zajistit mikroorganismům nejenom optimální podmínky pro přežití, ale i ty, které jsou potřeba pro jejich metabolickou aktivaci v momentě, kdy dojde k poškození betonu. Narušení pevnosti formou trhlin a prasklin představuje moment, jenž by měl být spouštěcím mechanismem pro samoregulační proces.

Pro lepší životnost betonových konstrukcí je pro zamezení jejich praskání využíváno bakterií, které při samoopravné funkci daného objektu tvoří krystaly CaCO₃, jež vznikající trhliny utěsňují. Dochází tedy ke snížení nákladů na údržbu, protože opravy se provádějí autonomně bez lidského zásahu. V tabulce 2 je uvedena receptura bakteriálního betonu.

Tabulka 2 – Směrná receptura samohojivého betonu:

Název	hm. d.	Charakteristika	Funkce
Cement I 42,5 N	160	hmota vzniká vypálením vápence	pojivo
Voda	80	pitná voda	přísada
Písek (0,05–2,0 mm)	210	křemenná zrna	plnivo
Kamenivo (2,0–3,0 mm)	520	sypká, usazená hornina	plnivo
Nosič bakterií	18	pórovitý materiál pro prodloužení životnosti bakterií	ochrana bakterií v prostředí pH 9–11
Alginát sodný	4	C₆H₇NaO₆; sodná sůl kyseliny alginové	tvorba absorpčního gelu na povrchu nosičů
Kvasnicový extrakt	0,6	kvasinky	živina
Síran amonný	0,2	(NH₄)₂SO₄	snižuje pH
Octan vápenatý	2,4	Ca(C₂H₃O₂)₂	zahušťovadlo a zdroj vápníku
Močovina	3,2	CO(NH₂)₂	zahajuje proces MICP
Bakteriální spory	1,6	ureolytické bakterie s koncentrací 10⁶ buněk/ml	sráží CaCO₃

Vzhledem k vnitřnímu prostředí betonu (silná alkalita – pH 9–11) závisí účinnost takových oprav na životaschopnosti bakterií. Je zřejmé, že různé druhy bakterií rodu Bacillus propůjčují různé výhody bakteriálnímu betonu prostřednictvím svých variací ve vlastnostech.

Popis složek

Cement I 42,5 N
Technické parametry:
Obsah SO₃: max. 4 %
Obsah Cl⁻: max. 0,1 %
Počátek tuhnutí: 60 min.
Pevnost v tlaku (28 dní): 42,5 MPa
Měrný povrch: max. 350 m^₂/kg

Písek
Obsahuje zrna o průměru 0,05 do 2,0 mm, barvy bílé až po žlutavou a hnědou. Největší množství zrn tvoří křemen, protože je ze všech běžných nerostů nejodolnější proti zvětrávání. Dále může obsahovat zrna živce, rohovce, křemence a lístky slídy. Nepodstatnou, ale vždy v písku obsaženou složkou jsou těžké nerosty, např. turmalín, granát, zirkon, korund, zlato, platina.

Kamenivo
Obsahuje převahu částic pevných hornin, z nichž alespoň 50 % má v průměru více než 2 mm. Úlomky mohou být ostrohranné (hranáče) nebo různou měrou opracované (valounky). Jde o sypkou usazenou horninu. Kvalitní kamenivo má mít stejnorozměrné částice a úlomky tvořené nezvětralými horninami. Nemá obsahovat sulfidy, jíl, slídy a organické látky.

Voda
Funguje jako přísada, čisticí prostředek, činidlo, rozpouštědlo a produkt v celém procesu vývoje a přípravy daných receptur. Pitná voda by měla splňovat tyto požadavky:
pH: 6,5–9,5
Alkalita: 80–120 mg/l
Tvrdost: 2–4 mmol/l
Obsah minerálů: max. 1 ml/l
Oxidovatelnost (podle Kubela): max. 3 mg/l
Obsah železa: max. 0,3 mg/l
Obsah aktivního chlóru: 0,05–0,3 mg/l
Obsah amoniaku a amonných iontů: max. 0,5 mg/l
Obsah dusitanů: max. 0,5 mg/l

Destilovaná voda se používá k přípravě roztoků pro kultivaci buněk s těmito hodnotami:
Měrná vodivost: max. 2 µS/cm
Oxidovatelnost (jako manganistanové číslo): max. 0,5 mg O₂/l

Alginát sodný
Alginát sodný je lineární polysacharid složený z monomerů kyseliny algidové (C₁₈H₂₃O₁₉)nNa. Působí jako zahušťovadlo, stabilizátor a hydratační složka. Je extrahován z hnědých řas, zejména ze druhů Laminaria a Macrocystis pomocí kyseliny solné. Díky schopnosti vytvářet gelovitou strukturu dokonale ulpívá na povrchu použitých nosičů.

Močovina
Diamid kyseliny uhličité, urea nebo karbamid, je organická sloučenina uhlíku, dusíku, kyslíku a vodíku s funkčním vzorcem CO(NH₂)₂. Ve směsích je hydrolyzována enzymem ureázou za vzniku amoniaku a kyseliny uhličité. Bakterie močovinu metabolizují a srážejí kalcit.

Nosiče bakterií

Liapor
Hlavním představitelem pórovitého umělého kameniva je Liapor (dříve Keramzit). Vyrábí se tepelnou expandací tzv. cyprisových jílů. Cyprisové jíly jsou terciérní (neogenní) jíly, které tvoří nadloží uhlonosných souvrství, zejména v sokolské pánvi. K expandaci dochází při teplotě zhruba 1100 °C, kdy vznikají lehké keramické kuličky – perly. Vypálené granule jsou následně tříděny na jednotlivé frakce. Chemické složení Liaporu je uvedeno v tabulce 3.
Z dalších zkoušených nosičů bakterií můžeme uvést perlit (Vermikulit), pemzu a pryžový granulát.

Tabulka 3 – Výsledné chemické složení Liasporu:

Chemické složení Liaporu		Liapor % hm.	Výrobky z Liaporu pojené cementem % hm.
tolerance pro jednotlivé složky je ±5 %
Oxid křemičitý	SiO₂	52	45
Oxid hlinitý	Al₂O₃	23	17
Oxid železitý	Fe₂O₃	10	8
Oxid vápenatý	CaO	5	20
Oxid draselný	K₂O	2	2
Oxid hořečnatý	MgO	2	2
Oxid titaničitý	TiO₂	2	1
Oxid fosforečný	P₂O₅	2	1
Ostatní složky		2	4

Laktát vápenatý (C₆H₁₀CaO₆ . H₂O)
Jde o látku, která slouží jako živina pro bakteriální aktivitu. Pro experimentální cementovou pastu ji lze použít jako nutriční přísadu samostatně nebo i s přídavkem kvasničného extraktu pro proces samohojení biologického betonu.

Kvasnicový extrakt
Bývá použit jako metabolický aktivátor (podle biochemických experimentů) v kombinaci s laktátem vápenatým (zdroj vápníku). Koncentrát obsahuje aminokyseliny, vitamíny skupiny B (B₁, B₂ a B₃), minerály a kyselinu glutamovou.

Octan vápenatý (Ca(C₂H₃O₂)₂)
Jde o vápenatou sůl kyseliny octové (ethanolové). Pohlcuje a zadržuje vlhkost důležitou pro růst mikroorganismů a zároveň brání vzniku rzi na výztuži v betonu. Je doplňujícím zdrojem vápníku i dobrým sekvestrantem.

Síran amonný ((NH₄)₂SO₄)
Obsahuje 21 % dusíku ve formě amonného kationtu a 24 % síry ve formě síranového aniontu. Doplňuje tvorbu amonných iontů a snižuje pH směsi.

Bacillus thuringiensis
Grampozitivní půdní bakterie z rodu Bacillus a kmene Firmicutes. Je aerobní a produkuje spory. Ty obsahují toxiny, které mají insekticidní účinky, a proto byla využita k produkci pesticidů. K bakteriální mineralizaci prasklin betonu lze s úspěchem použít geneticky modifikované bakterie.
Jde například o ureolytické bakterie se schopností mikrobiální indukované precipitace kalcitu (MICP), což představuje velký potenciál ve stavebním inženýrství a materiálových aplikacích. Tento biofyzikální jev byl zkoumán a předpokládá se tato sekvence reakcí:

– v počáteční fázi mikrobiální ureáza katalyzuje hydrolýzu močoviny na kyselinu karbamovou a amoniak
CO(NH₂)₂ + H₂O → [enzym] NH₂COOH + NH₃ (1)

– následná hydrolýza kyseliny karbamové přináší vznik kyseliny uhličité
NH₂COOH + H₂O → H₂CO₃ + NH₃ (2)

– velmi slabá kyseliny uhličitá částečně disociuje do prvního stupně na
H₂CO₃ ↔ HCO₃⁻ + H⁺ (3)

– amoniak a kyselina uhličitá vytvoří ve vodě 2 moly amonných a hydroxylových iontů
2 NH₃ + 2 H₂O → 2 NH₄⁺ + 2 OH⁻ (4)

– produkce hydroxylových iontů má za následek zvýšení pH, což mění bikarbonátovou rovnováhu s následkem tvorby uhličitanových iontů
HCO₃⁻ + H⁺ + 2 NH₄⁺ + 2 OH⁻ ↔ CO₃²⁻ + 2 NH₄⁺ + 2 H₂O (5)

– produkované uhličitanové ionty se vysrážejí v přítomnosti vápenatých iontů jako krystaly uhličitanu vápenatého v nukleačních místech bakteriálních buněk (spor)
Buňka^–Ca²⁺ + CO₃²⁻ → Buňka^–CaCO₃ (6)

Práce s živými organismy vyžaduje citlivý, odborný přístup. Má-li takový organismus sloužit člověku, musí mu člověk vytvořit optimální prostředí a podmínky. Podmínky při průmyslovém využití dotváří strojní zařízení, které je nedílnou součástí komplexu aplikace vědeckých a technických principů, obecně nazývaných biotechnologií.

S biotechnologií vedoucí k produkci pesticidů se u nás začalo v roce 1980, kdy v obci Hrobice se postupně vybudoval areál světové úrovně s výrobou Bathurinu 82 s aktivní složkou Bacillus thuringiensis s tvorbou bipyramidálního krystalu polypeptické povahy, který je nositelem insekticidní aktivity (obr. 2). Zároveň probíhal i utajený výzkum jiných preparátů, jehož součástí byl i mikroorganismus produkující kalcit.

V Hrobicích bylo instalováno původní a světově nové zařízení fermentace (nerezové fermentační tanky s nerezovými rozvody) a zavedeny měřicí postupy k průběžné kontrole a analýze fyzikálněchemických procesů při biotechnologických operacích (obr. 3).

Na základním výzkumu se podílely JZD Slušovice, Bioveta Terezín, VÚAB Roztoky, MBÚ Praha, Spofa Praha a Stavební výzkum, Zlín.

Po roce 1989, kdy došlo k rozpadu JZD Slušovice, byly postupně následnými společnostmi oba provozy Bio A a Bio B rozkradeny. S fermentační kapacitou výroby mikroorganismů s produkcí cca 250 kg/den sušených spor by byla dnes předpokládaná spotřeba samoregeneračního betonu v ČR pokryta.

Na tento základní výzkum se navázalo v roce 2017, kdy VUT Brno, Fakulta stavební, UTB Zlín a Stavební výzkum, Zlín, dokončily laboratorní vývoj biobetonu. Po provedení celé řady zkoušek vytvrdlého betonu bylo docíleno při volbě optimální receptury zvýšení tlakových a tahových parametrů. Pevnost vzorku betonu v tlaku se pohybuje kolem 65 MPa (obr. 4).

Je zřejmé, že produkce kalcitu bakteriemi sníží rapidně pórovitost betonu, a tím dochází i ke zvyšování pevností (obr. 5).

V závěrečné fázi tohoto výzkumu byla vyvinuta i receptura pro zalévání radioaktivního odpadu betonem, před uložením do podzemních prostor. Beton nepraská a podzemní voda nemůže vyvolat chemické reakce se složkami přítomnými v radioaktivním odpadu.

Biochemici uvádějí v literatuře, že spory některých bakterií mohou žít v betonu až 200 let a teoreticky mohou na stejnou dobu prodloužit i životnost struktur. To je téměř 3× více než 50–70 let životnosti běžného betonu.

Se zlepšenými vlastnostmi bakteriálního betonu jsou však spojeny zvýšené náklady na m³ (o 10 až 20 %) v důsledku složitějších výrobních kroků a zabudování speciálních přísad do receptury.

Předložené poznatky v tomto článku by mohly být základem pro následnou praktickou aplikaci, kdy betonárky budou vybaveny sily pro dávkování živin s mikroorganismy a biobeton bude odvážen domíchávači přímo na stavby (obr. 6). To ale ještě chvíli potrvá, než se zvládnou veškeré technické problémy s takovou realizací spojené.

Závěr

Ve světě se vyrobí 14 miliard m³ betonu za rok. Údaj odpovídá cca 30 bilionům kg. Tato produkce si vyžádá 4,55 bilionu kg cementu. Přitom vzniká 60 % emisí při chemické reakci zvané kalcinace:

CaCO₃ → [teplo] CaO + CO₂ (7).

40 % emisí je pak teplo potřebné k výrobě cementu. Průměrně připadá na 1 t cementu vznik 1,1 t CO₂. Čili tato výroba způsobí únik cca 5 miliard t CO₂ do atmosféry, což představuje 8 % světových emisí. Studie společnosti PNNL (Pacific Northwest National Laboratory) dále uvádí, že předložená technologie může znamenat budoucí úspory ve výši 3,4 miliardy dolarů ročně na infrastruktuře, jako jsou přehrady, mosty, silnice, tunely, stavby a mrakodrapy v USA.

Při vyrobeném množství 4,254 milionu t cementu v ČR (rok 2022) vzniklo 4,7 milionu t CO₂, což odpovídá asi 2,7 % celkových emisí skleníkových plynů v ČR. Při výrobě 3 484 000 m³ betonu v ČR za rok se na údržbu a opravy trhlin předpokládají náklady 3370 Kč/m³, což ročně představuje cca 12 miliard Kč. Náklady na opravy a údržbu betonových staveb v zemích EU se ročně pohybují kolem 6 miliard eur. Beton se samohojivou funkcí má potenciál tyto náklady výrazně snížit a je zřejmé, že již 5% účast na trhu ukazuje na budoucí efektivitu takového záměru.

---

Ing. Adolf Musil (* 1945)
Po maturitě na Střední průmyslové škole strojírenské ve Zlíně vystudoval na VUT Brno, Fakultě technologické obor syntetických polymerů. V roce 1970 nastoupil do VÚPS Praha na pozici odborného asistenta vývoje polymerních a elastomerních těsnicích materiálů. Během působení v této společnosti obdržel řadu patentů. V roce 1982 jako člen JZD Slušovice řídil výstavbu biotechnologických laboratoří a provozů a později se stal zástupcem ředitele. Je autorem knihy „Spárové těsnicí tmely ve stavebnictví“, kterou v r. 1985 vydalo SNTL Praha. Od r. 1991 samostatně podniká jako OSVČ ve výzkumu a vývoji lepicích a těsnicích směsí včetně betonových s využitím bioremediace.

Ing. Petr Mitáček (* 1972)
Vystudoval Technickou univerzitu ve Zvoleně, Fakulta dřevařská. V současné době pracuje pro Mendelovu univerzitu v Brně ve Zkušebně stavebně truhlářských výrobků ve Zlíně v oblasti posuzování shody a certifikace.

---

Literatura
1. Studie PNNL (Richland, WA, USA) v čas. „One Earch“, 2024
2. Studie SVC (Svaz výrobců cementu v ČR), 2022
3. Self-healing cement concrete composites for resilient infrastructures: Areview, Wei Zhang et al., Composites B; Engineering, 2020, Impact Factor: 14,2
4. Musil, A.: Výroba Bathurinu 82, 30 s., JZD Slušovice, BCHZ II, Hrobice, 1984
5. Patent USA č. 9 868 667
6. He, Z. et al.: Cement-based materials modified with superab sorbent polymers, Comtr. Build. Mater, 2019
7. Singh, H., Gupta, R.: Cellulase fiber as bacteriacarrier in mortar, J. Build Eng. 28, 2020
8. Teall, O. et al.: Self-healing concrete full-scale site trials, Civ. Eng. FIB, 2016
9. Cuenca, E., Ferrara, L.: Fracture toughness parameters to assess crack healing capacity of fiber reinforced concrete under repeated cracking-heling cycles, Theoretical and Applied Fracture Mechanics, 100, 2020