Kleine bacteriën kunnen binnenkort inbreken om te voorkomen dat wegen in de winter afbrokkelen, volgens onderzoekers van de Drexel University die nieuwe manieren zoeken om onze infrastructuur veerkrachtiger te maken.

Chemicaliën, zoals calciumchloride - gewoonlijk "strooizout" genoemd, wordt gebruikt om de vorming van ijs en sneeuwophoping te voorkomen die kan leiden tot gevaarlijke reisomstandigheden. Maar ze zijn ook bekende boosdoeners achter kuilen en verslechtering van het wegdek. Deze degradatie wordt veroorzaakt door de chemicaliën die reageren met het beton en het water in ijs en sneeuw om een ​​expansieve verbinding te vormen die beton kan afbreken door interne uitzettingen en spanningen te veroorzaken. CAOXY genaamd - een afkorting van calciumoxychloride - kan ook brokken beton uitzetten als het het wegdek infiltreert voordat het bevriest en ontdooit.

In hun onderzoek hebben onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Constructie en bouwmaterialen , Yaghoeb Farnam, doctoraat, Christoffel Verkoop, doctoraat, en Caroline Schauer, doctoraat, onderzoekers van Drexel's College of Engineering, laten zien hoe het mengen van een beetje bacteriën in beton de vorming van CAOXY kan beperken.

Het paar kwam tot hun theorie tijdens het bestuderen van een bacteriestam genaamd Sporosarcina pasteurii . S. pasteurius is nogal ongebruikelijk omdat het de chemische reactie kan induceren die calciumcarbonaat creëert, een stof die vaak wordt aangeduid als 'natuurcement'. Slechts een paar soorten bacteriën kunnen deze truc uithalen, microbieel geïnduceerde calciumcarbonaatprecipitatie genoemd, of "biomineralisatie, " maar je kunt hun werk zien in de minerale afzettingen die kalksteen en marmer vormen.

In de afgelopen tien jaar hebben bacteriën zoals S. pasteurius zijn onderzocht als een manier om scheuren in standbeelden en betonnen infrastructuur te repareren, en, recenter, als een ecologisch duurzame optie voor het maken van bakstenen. Maar de Drexel-onderzoekers realiseerden zich dat een van de andere talenten van de bacterie ook heel nuttig zou kunnen zijn om te voorkomen dat die scheuren zich in de eerste plaats vormen.

"We keken eigenlijk naar het eindproduct van een chemische reactie waarbij deze bacteriën betrokken waren - calciet - maar we kwamen tot het besef dat de manier waarop ze het produceren heel nuttig zou kunnen zijn als het gaat om het omleiden van de reactie die strooizout verandert in een wegverslechterende verbinding, " zei Farnam. "We wisten dat de bacteriën calciumchloride nodig hebben om het calciet te produceren, wat een onschadelijke verbinding is. Dus als we een manier zouden kunnen vinden om de bacteriën aanwezig te laten zijn wanneer het calciumchloride-strooizout het beton raakt, kan het een interactie aangaan met de bacteriën en de reactie die de aantasting van de weg veroorzaakt, inperken."

Om hun theorie te testen, Sales en Farnam hebben een reeks betonmonsters gemaakt met het type cement dat gewoonlijk wordt gebruikt in wegen en hebben een mengsel toegevoegd van: S. pasteurius en de voedingsstoffen die ze nodig hebben om te overleven voor sommige van de monsters. Na 28 dagen blootstelling aan een oplossing van calciumchloride - waarmee een maand wegbehandeling in de winter werd gesimuleerd - voerden ze een reeks tests uit op de monsters om hun structurele integriteit te bepalen en de hoeveelheid aanwezige CAOXY te meten.

Kijkend naar zowel de akoestische trillingen als de ontwikkeling van microporiën in het mortelmonster, die beide manieren zijn om de sterkte van het monster te kwantificeren, de onderzoekers ontdekten dat het beton gemaakt met het bacteriemengsel bijna geen verslechtering ondervond na blootstelling aan het calciumchloride.

In aanvulling, de niveaus van CAOXY waren veel lager in de met bacteriën beladen monsters, als gevolg van de microbieel geïnduceerde calciumcarbonaatprecipitatie. En de aanwezigheid van calciumcarbonaat suggereert dat de interactie van de bacteriën ook kan worden gebruikt om het wegdek te versterken, hoewel deze toepassing meer onderzoek zou vereisen, volgens de ploeg.

"De bacteriën zijn in staat om de micro-omgeving om hen heen te veranderen, " zei Sales. "Specifiek, ze creëren een omgeving met een hoge pH door de chemicaliën in de voedingssuspensie om te zetten in een zwakke base, ammoniak. Deze omgeving bevordert de precipitatie van calciumionen en carbonaationen in calciumcarbonaat, in plaats van de vorming van CAOXY."

Omdat de bacteriën in de natuur voorkomen en niet pathogeen zijn, ze zouden een milieuvriendelijke oplossing zijn voor het probleem van de achteruitgang van de weg. Sales en Farnam hopen dit werk naar een hoger niveau te tillen door samen te werken met lokale en nationale transportafdelingen voor aanvullende tests en ontwikkeling.