Vědci z Fakulty stavební ČVUT a VŠCHT zpevňují betonový prach pomocí bakterií
Jak využít nejjemnější část betonového odpadu, pro kterou dnes recyklace jen obtížně hledá uplatnění a která často končí na skládkách? Vědci Fakulty stavební ČVUT v Praze a Fakulty potravinářské a biochemické technologie VŠCHT Praha v rámci výzkumného projektu prokázali, že tento betonový prach lze pomocí bakteriálně řízených procesů spojit do soudržného materiálu - a to bez použití cementu. Výzkum přitom přinesl nečekané zjištění: účinnější než původně testované ureolytické bakterie byly bakterie využívající jiný mechanismus biomineralizace, při kterém nevzniká jako vedlejší produkt amoniak. Projekt ohodnotila Grantová agentura ČR jako vynikající a na dosažené výsledky nyní navazuje další základní výzkum.
Nejjemnější betonový prach tvoří přibližně pětinu recyklovaného materiálu. Kvůli jeho vlastnostem ho nelze ve větším množství vracet do nových cementových směsí, většinou končí jako odpad nebo nekvalitní zásyp a představuje tak dlouhodobý problém. Cílem společného výzkumu odborníků z Fakulty stavební ČVUT a VŠCHT s názvem „Mikrobiologicky indukované srážení kalcitu při recyklaci betonu pro produkci materiálů se zápornou uhlíkovou stopou" proto bylo ověřit, zda lze betonový prach biologickou cestou zpevnit a vytvořit z něj materiál s potenciálem pro další využití ve stavebnictví.
„Je známé, že bakterie dokážou vytvářet minerální krystaly, které fungují jako přírodní „lepidlo". Ve světě se používají na zpevňování zemin a písků, na opravy kamene nebo na samohojivý beton. Avšak aplikace na nejjemnější odpadní frakci betonu v literatuře popsána nebyla, šlo o naprosto nezmapovaný terén," vysvětluje unikátnost svého výzkumu doc. Václav Nežerka, hlavní řešitel projektu z Katedry fyziky Fakulty stavební ČVUT. Jak dále popisuje, cílem výzkumného týmu nebylo vytvořit nový stavební materiál za každou cenu, ale zjistit, zda lze biologickými procesy využít nejproblematičtější část recyklovaného betonu, která dnes prakticky využití nemá.
„Právě tento projekt ukazuje, jak důležitý je základní výzkum a interdisciplinární spolupráce. Spojení stavebního inženýrství, fyziky, mikrobiologie a biochemie nám umožňuje hledat řešení tam, kde by jednotlivé obory samostatně narážely na své hranice. Ne každý výzkum musí přímo směřovat ke konkrétnímu produktu - jeho smyslem je také překračovat hranice zavedených postupů, ověřovat nové principy a hledat odpovědi na otázky, které zatím zůstávají otevřené. A právě z takových objevů mohou vyrůst technologie budoucnosti," říká prof. Petr Konvalinka, děkan Fakulty stavební ČVUT v Praze.
Odborníci z Fakulty potravinářské a biochemické technologie VŠCHT Praha pod vedením doc. Hany Stiborové v projektu zajišťovali především kultivaci bakterií a přípravu samotných kompozitních vzorků. Fakulta stavební ČVUT v Praze naopak zkoumala dodané kompozity a jejich vlastnosti, a to před působením bakterií i po něm. Oba týmy si průběžně předávaly vzorky i výsledky.
Při výzkumu se vědci původně plánovali soustředit na běžně využívané ureolytické bakterie, zejména na bakterii Sporosarcina pasteurii, která podporuje vznik uhličitanu vápenatého rozkladem močoviny. Nicméně poté otestovali také bakterie využívající enzym karbonátanhydrasu a k jejich překvapení se tento přístup ukázal nejen jako šetrnější k životnímu prostředí, protože nevzniká amoniak, ale také účinnější při zpevňování materiálu.
„Výzkum přinesl několik významných zjištění. Potvrdilo se, že z jemného betonového odpadu lze skutečně vytvořit soudržný materiál. Zjistili jsme, že při zpevňování materiálu nehrají roli pouze očekávané krystaly uhličitanu vápenatého, ale také AFt fáze, mezi něž patří ettringit a thaumasit. Právě jejich vznik v materiálu obsahujícím sádrovec významně souvisel se zvýšením jeho soudržnosti. Tento objev tak patří k nejvýznamnějším výsledkům projektu," uvádí doc. Václav Nežerka.
Tříletý výzkumný projekt byl náročný v řadě ohledů. „Největším problémem přitom bylo zachovat životaschopnost bakterií v silně alkalickém prostředí a rovnoměrně je distribuovat do celého objemu sypké, kompaktní hmoty. A pak samozřejmě interpretace analýz a hledání spojitostí mezi složením vstupních materiálů, technologií výroby a výslednou pevností," vysvětluje doc. Hana Stiborová. V potaz bylo nutné brát i časovou náročnost, kdy kultivace a aplikace bakterií trvaly sice jen dny, ale na následné biologické zpevňování a sušení bylo nutné počítat s týdny.
Ačkoliv je technologie zatím ve fázi základního výzkumu a výsledný materiál zatím nedosahuje pevnosti běžných stavebních výrobků, mohl by v budoucnu najít uplatnění například jako výplňový materiál nebo při výrobě zahradních a krajinářských prvků. Jeho hlavní přínos spočívá v možnosti využít odpadní materiál, který dnes zůstává prakticky bez využití, a současně omezit spotřebu přírodních surovin i potřebu cementu, jehož výroba patří mezi významné zdroje emisí oxidu uhličitého.
Projekt 22-02702S „Mikrobiologicky indukované srážení kalcitu při recyklaci betonu pro produkci materiálů se zápornou uhlíkovou stopou", podpořený Grantovou agenturou ČR, byl ukončen v roce 2024 a získal prestižní hodnocení vynikající. Výzkum bude pokračovat navazujícím projektem, který se zaměří na další zvyšování mechanických vlastností materiálu, optimalizaci biologického procesu i hodnocení jeho environmentálních přínosů.