Bakterienzement zur Bodenstabilisierung

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Um Sand- oder Kiesböden zu verstärken, hat das EPFL-Labor für Bodenmechanik eine leicht reproduzierbare Technik auf der Grundlage von Bakterien und Harnstoff entwickelt. Chemische Reaktionen führen zur schnellen Bildung von Mineralkristallen, die als Bindemittel zwischen den Bodenpartikeln fungieren.

Die für das Bauen günstigen Böden in städtischen Gebieten sind schon weitgehend besetzt. Die verbleibenden Flächen müssen oft aufwendig stabilisiert und verstärkt werden, um die langfristigen Risiken im Zusammenhang mit Spalten und Umweltgefahren zu minimieren. Die heute benutzten Konsolidierungstechniken wie Betoneinspritzung oder der Bau tiefer Fundamente können die Erwartungen hinsichtlich Umweltverträglichkeit, wirtschaftlicher Rentabilität und Einfachheit der Nutzung nur schwer erfüllen. Dimitrios Terzis und Lyesse Laloui vom EPFL-Labor für Bodenmechanik (LMS) haben ein Verfahren auf der Grundlage von Bakterien und Harnstoff entwickelt. Damit können die Bodenpartikel nachhaltig mit Kalzitkristallen gebunden werden. Dieser biologische, einfach anzuwendende und günstige, vielversprechende und widerstandsfähige Biozement war Gegenstand eines Artikels in der Rubrik Scientific Reports der Fachzeitschrift Nature.

Gewünschtes Ergebnis in wenigen Tagen

Für die Bildung der Kalzitkristalle sind mehrere chemische Reaktionen erforderlich. Um das Verfahren in Gang zu setzen, nutzen die Forscher Bakterien namens Sporosarcina Pasteurii, die sie für eine einfache Verwendung gefriergetrocknet haben. Sie werden auf dem Boden verteilt, binden sich an die Sandkörner oder Kieselsteine, vermehren sich und bilden schliesslich einen haftenden und schützenden Film. Die Mikroorganismen dienen als Mittler zwischen dem Harnstoff, einem höchst löslichen und nicht giftigen Synthesemolekül, und auf der Oberfläche pulverisiertem Kalzium.

Die Bakterien zersetzen die Harnstoffmoleküle, um sich zu ernähren und ihr Umfeld zu verbessern. Dabei setzen sie Karbonat frei, das sich mit dem Kalzium verbindet und Kalzitkristalle bildet. Diese wiederum krallen sich an den Bodenpartikeln fest, werden zahlreicher und grösser. Sie können mehrere Hundert Mikrometer gross werden. Das ebenfalls von den Bakterien während ihrer Verdauung freigesetzte Urease-Enzym beschleunigt den Prozess. Dieser Zeitgewinn ist nicht zu vernachlässigen, denn die Reaktion läuft so 1000 mal schneller ab, sodass das gewünschte Ergebnis in wenigen Stunden oder einigen Tagen vorliegt. Die Enzyme können die Zersetzung der Harnstoffmoleküle sogar ganz allein replizieren, wenn die Bakterien abgebaut sind. Da der Prozess so wirksam ist wie bei ganzen Bakterien, haben die Forscherinnen und Forscher erfolgreich versucht, auf Letztere zu verzichten. «Eine zellenlose Alternative ermöglicht eine Anwendung im grossen Massstab und reduziert die Kosten», betont Prof. Lyesse Laloui vom Labor für Bodenmechanik.

«Der Biozement kann vor Ort zu geringeren Kosten, bei Umgebungstemperatur und mit begrenztem Energiebedarf hergestellt werden.»

Unterschiedliche Zementierungsniveaus möglich

Die Widerstandsfähigkeit dieser Zementierung sowie ihre Mikrostruktur wurden ebenfalls auf verschiedenen Böden getestet und zeigten hervorragende Ergebnisse. Parallel dazu entwickelte das Labor für Bodenmechanik eine neue Methode für die quantitative Beobachtung. Die Forscherinnen und Forscher bedienten sich mikrotomografischer Röntgenanalysen sowie dreidimensionaler Rekonstruktionen, um die Art des Wachstumsmechanismus und des inneren Zustandes der Kristallverbindungen in Echtzeit beobachten zu können. Auf diese Weise liessen sich Aspekte wie Grösse, Anzahl und Ausrichtung der Verbindungen abklären. Dadurch konnten die Funktionsprinzipien der Technik besser verstanden werden.

Der Biozement kann vor Ort zu geringeren Kosten, bei Umgebungstemperatur und mit begrenztem Energiebedarf hergestellt werden. Dabei können unterschiedliche Zementierungsniveaus gewählt und gemäss den Bedürfnissen des Bauprojekts eingesetzt werden. Schon mit geringen Mengen Kalzit kann eine ausreichende Widerstandsfähigkeit erreicht werden, damit Kiesböden Scherkräften von starken Erdbeben standhalten oder um Lösungen für die Stabilisierung von Abhängen oder die Restaurierung bestehender Fundamente zu bieten. Bei einem höheren Kalzitgehalt kann der Werkstoff als Baumaterial betrachtet oder sogar für die Bodenabdichtung verwendet werden.

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