Каждый год по всему миру тратятся колоссальные средства на ремонт дорожного полотна. К примеру, лишь на устранение выбоин в Британии в ближайшее десятилетие потребуется около £14 миллиардов. В Соединённых Штатах ежегодно уходит порядка $12 миллиардов на исправление трещин и повреждений бетонных конструкций. Россия также не является исключением: государство тратит сотни миллиардов рублей ежегодно на ремонт федеральных и региональных дорог, однако состояние многих трасс остаётся далеким от идеального. Такой «ремонтный конвейер» – это не только прямые бюджетные расходы, но и косвенные потери: заторы из-за дорожных работ, повышенный износ транспорта, аварийность.
Инженеры и учёные убеждены: если дорожные покрытия смогут залечивать трещины сами, это революционно снизит потребность в ремонте и сэкономит миллиарды. Именно такую цель преследует технология самовосстанавливающегося бетона – материала, который автономно «заживляет» образовавшиеся микротрещины. В этой статье мы проанализируем, как эти инновации работают, какие преимущества и вызовы несут, оценим экономический и экологический эффект, а также посмотрим на опыт разных стран – от Нидерландов до России – в стремлении построить дороги, которые чинят себя сами.
Содержимое
Как работает самовосстанавливающийся бетон: от бактерий до полимеров

Схема действия биобетона: трещина пропускает воду, «спящие» бактерии пробуждаются и производят известняк, заполняя повреждение (этапы 1–4). Такое самозалечивание защищает арматуру от коррозии и восстанавливает монолитность конструкции. Источник: JP Concrete Products Ltd
Обычный бетон обладает ограниченной способностью к самозатягиванию микротрещин за счёт непрореагировавшего цемента и карбонизации – так называемое автогенное самовосстановление. Однако этот естественный процесс действует лишь на мелкие трещины (десятки микрон) при наличии влаги. Современные технологии расширяют эти возможности, вводя в состав бетона специальные компоненты, которые запускают автономное заживление трещин значительно большего размера. Существует несколько подходов:
- Био-добавки (бактерии). В бетон вводятся капсулы или гранулы с спорами бактерий и питательными веществами (например, лактат кальция). При появлении трещины и проникновении воды бактерии пробуждаются и начинают продуцировать кристаллы карбоната кальция, заполняющие трещину. Такой «биобетон» впервые разработал профессо р Хенк Йонкерс в Делфтском университете (Нидерланды). Его агент Basilisk содержит споры бактерий рода Bacillus, способные десятилетиями находиться в спящем состоянии внутри высохшего бетона. При намокании трещины бактерии активно размножаются и выделяют известняк, герметично закупоривая трещину примерно за несколько недель. Примечательно, что споры Bacillus могут выживать до 200 лет, теоретически увеличивая срок службы конструкции в разы. В России подобный подход развивает, например, Южно-Уральский госуниверситет: их бетон с бактерией сенной палочки (B. subtilis) при -40 °C заживляет микротрещины в 5 раз быстрее обычного (за ~10 циклов мокро-сухо вместо 50).
- Капсулы с минеральными или клеевыми составами. Другой метод – добавление в бетон микрокапсул, заполненных герметизирующим реагентом. Когда образуется трещина, капсулы разрываются, высвобождая содержимое, которое заполняет и склеивает трещину. В качестве начинки используют, например, эпоксидные смолы, цианакрилат или жидкое стекло (силикат натрия). Такие капсулы могут быть полимерными, керамическими или из стекла – их подбирают так, чтобы они оставались целыми при замесе и выдерживали нагрузку, но разламывались при возникновении трещины. В Китае подобную технологию уже опробовали в инфраструктуре: микрокапсульный самовосстанавливающийся бетон применён при строительстве умного тоннеля Цяньхай в Шэньчжэне, способного самостоятельно залечивать трещины в стенах.
- Полимерные самозалечивающиеся системы. Инновации в химии полимеров дали рождение бетонам, которые чинят себя за считанные часы. Например, в лаборатории Pacific Northwest National Lab (США) создан цемент с особыми гибкими полимерами, который заживляет трещины менее чем за 24 часа. При появлении дефекта полимерные цепочки активно мигрируют в зону разрыва и образуют поперечные связи, скрепляя края трещины. Этот материал также обладает на 70% большей эластичностью, что предотвращает образование трещин от нагрузок и вибраций. В отличие от биобетона, здесь не требуется ждать роста кристаллов – полимер заполняет разрыв мгновенно при повреждении, многократно в течение всего срока службы.
- Гидроактивные добавки. Сюда относятся кристаллобразующие и гидрогелевые компоненты, которые улучшают природное автогенное самовосстановление. Примеры – специальные минералы и цементные добавки, образующие нерастворимые кристаллы в местах протечки воды, или суперпоглотители влаги (SAP), набухающие при намокании и закупоривающие поры трещины. Такие решения часто используются для повышения водонепроницаемости конструкций (например, проникновенные кристаллические пропитки для тоннелей и подземных сооружений). Хотя они не «ремонтируют» трещину в полном смысле, а лишь герметизируют её, в комплексе с другими методами это продлевает срок службы бетона.
Важно отметить, что перечисленные подходы можно комбинировать. Например, бактерии могут помещаться внутрь капсул или гелей, что защищает их в процессе строительства и даёт им сразу питательную среду. Также ведутся исследования сосудистых систем – закладывания в конструкцию сетки каналов с клеящим раствором, который поступает в трещину подобно кровотечению. Пока что такие сложные системы редки из-за удорожания, однако концепция показывает: строители все больше заимствуют идеи у биологии (костная ткань, кожа) для создания материалов, способных к саморегенерации.
Экономика устойчивости: эффект на бюджеты, логистику и климат
Развитие самовосстанавливающихся материалов обусловлено не только инженерными амбициями, но и холодным экономическим расчётом. Дороги и мосты из «вечного» бетона обещают кардинально сократить расходы на обслуживание инфраструктуры. Хотя стоимость такого бетона пока выше обычного (до двух раз), в перспективе это окупается с лихвой за счёт снижения затрат на ремонт и продления жизни сооружений.
Вообразим жизненный цикл шоссе или путепровода. Стандартный железобетонный мост рассчитан на ~30 лет службы, после чего требует капитального ремонта или замены пролетов. С применением самоисцеляющегося бетона этот срок можно увеличить до 100 лет и более при минимуме вмешательств. Ученые Дальневосточного федерального университета подсчитали, что споры бактерий B. cohnii живут до 200 лет и способны продлить срок эксплуатации конструкции почти в четыре раза. Таким образом, один раз вложившись в более дорогой «вечный» материал, можно избежать нескольких циклов дорогостоящих реконструкций. По оценке американских инженеров, внедрение самовосстанавливающихся покрытий могло бы экономить порядка $3,4 млрд ежегодно на инфраструктуре (мостах, дорогах, дамбах) за счёт сокращения ремонтных работ.
Сокращение ремонта – это не только прямая экономия бюджета, но и снижение накладных потерь для всей экономики. Реже перекрываются дороги – значит, меньше простаивают транспорт и грузоперевозки, бизнес не несёт убытки от задержек. Улучшается логистика: меньше пробок, обходных маршрутов, аварий из-за дорожных работ. Надёжные беспроблемные дороги имеют и социальный эффект – повышается безопасность, снижается стоимость владения автомобилем (меньше повреждений подвески из-за ям). По сути, каждый год дополнительной службы дороги без ремонта – это миллионы, остающиеся в экономике, а не уходящие в асфальтовые заплаты.
Не менее значим экологический эффект. Производство цемента и бетона – один из крупнейших источников углекислого газа, отвечающий примерно за 7–8% глобальных выбросов CO₂. Причина – энергоёмкий обжиг клинкера и огромные объёмы строительства (около 10 млрд тонн бетона в год). Если конструкции служат дольше, потребность в новом бетоне уменьшается, а значит сокращаются выбросы парниковых газов. По оценке компании Basilisk, применение их биодобавки позволяет снизить углеродный след бетона на 30–50% благодаря увеличению долговечности и уменьшению количества ремонтных материалов. Дополнительный экологический плюс – снижение потребности в стали для армирования: самозалечивающиеся бетоны лучше защищают арматуру от коррозии, поэтому можно закладывать меньше металла. Это тоже уменьшает суммарные выбросы CO₂, ведь металлургия – энергозатратная отрасль.
Наконец, сокращение числа ремонтов означает меньше строительного мусора и расходных материалов (битумных смол, химических пропиток), которые регулярно требуются при традиционном уходе за дорогами. Значит – меньше свалок и переработки, более рациональное потребление ресурсов. В контексте борьбы с климатическими изменениями самовосстанавливающиеся дороги выглядят особенно привлекательными: они объединяют экономическую целесообразность с экологической устойчивостью. Недаром данная технология привлекает внимание во всем мире, и рынок самовосстанавливающихся материалов стремительно растёт – по прогнозам, его объём может вырасти с ~$34 млрд в 2021 году до астрономических ~$560 млрд к 2030 году.
Для наглядности сравним обычный и самовосстанавливающийся бетон:
Показатель | Обычный бетон | Самовосстанавливающийся бетон |
Срок службы | ~30–50 лет (мосты, дороги) | До 100+ лет (благодаря автозалечиванию) |
Частота ремонта | Регулярный капитальный ремонт каждые 5–10 лет | Требуется значительно реже; трещины закрываются автономно, сокращение ремонтов на ~30–40% |
Первоначальная стоимость | 100% (базовая смета) | ~200% (на ~100% выше из-за добавок) |
Стоимость жизненного цикла | Высокая, с учётом нескольких ремонтов и простоев | Ниже за счёт меньших затрат на ремонт (например, потенциал экономии ~$3,4 млрд/год на инфраструктуре) |
Выбросы CO₂ за цикл | Значительные – повторное производство цемента и материалов при ремонтах | Существенно ниже: продление жизни сокращает до 30–50% эмиссий |
География инноваций: примеры из Нидерландов, Японии, Китая и России
Технология самовосстанавливающегося бетона развивается параллельно в разных странах, и везде есть свои успехи.
Нидерланды. Именно здесь зародилась одна из первых в мире коммерческих реализаций биобетона. Группа из Делфтского технического университета под руководством проф. Хенка Йонкерса еще в 2010-х показала, что добавление Bacillus в бетон позволяет ему самозалечивать трещины шириной до 0,8 мм. На основе этих исследований возник стартап Basilisk, предлагающий готовые продукты для строительных компаний. Био-добавки Basilisk уже применяются в проектах по всей Европе – от герметизации туннелей и водных резервуаров до строительства парковок и аквариумов. Например, умный тоннель Qianhai в Шэньчжэне (Китай) построен с использованием микрокапсул Basilisk, благодаря чему его бетонные стены способны самостоятельно устранять трещины и протечки. Голландский биобетон делает конструкции водонепроницаемыми без мембран, позволяет экономить до 40% стальной арматуры (требования к трещиностойкости ниже) и сокращает углеродный след на 30–50%. Нидерланды, большая часть которых лежит ниже уровня моря, особо заинтересованы в таких решениях для дамб, каналов и мостов – инфраструктура там должна быть крайне надёжной и долговечной. Неудивительно, что опыт голландцев перенимают по всему миру.
Япония. Страна, известная своими высокими сейсмическими и климатическими нагрузками на инфраструктуру, активно внедряет инновации в бетон. В 2017 году компания Aizawa Concrete из Хоккайдо получила лицензию от делфтских разработчиков и наладила первое в мире массовое производство самовосстанавливающегося бетона. Японский биобетон (торговая марка Basilisk HA) содержит споры бактерий и поли-молочную кислоту в качестве «корма». При появлении трещины вода и кислород проникают внутрь, пробуждая бактерии, и те заполняют трещины известняком. Утверждается, что здания из такого бетона смогут простоять в разы дольше обычных – ведь бактерии остаются активными и через 50, и через 100 лет, каждый раз возобновляя свою работу при новом поступлении влаги. Япония возлагает большие надежды на эту технологию в контексте борьбы со старением инфраструктуры: более 20% мостов и тоннелей в стране уже превысили проектный срок службы, и к 2030 г. эта доля вырастет многократно. Децентрализация технологии тоже примечательна – Aizawa не монополизирует чудо-бетон, а наоборот, распространяет лицензию среди других производителей, стремясь ускорить декарбонизацию строительной отрасли. Таким образом, Япония видит в самовосстанавливающемся бетоне не просто ноу-хау, а стратегический инструмент снижения расходов на инфраструктуру и достижения углеродной нейтральности.
Китай. Огромный объем строительства и дорог в Китае делает тему самозалечивающихся материалов крайне актуальной. Китайские исследователи экспериментируют со всеми упомянутыми подходами – от бактерий до полимеров. Уже есть примеры внедрения: помимо названного тоннеля в Шэньчжэне, сообщается о строительстве опытных участков скоростных автострад, где бетон дорожного полотна способен самозакрывать трещины от перегрузок и перепадов температур. В 2023 году группа из Шанхайского института передовых материалов представила новую формулу бетона, способного защитить себя от трещин всего за 24 часа – в разы быстрее классических био-методов. Секрет – особые модифицированные полимеры, внедрённые в цементный камень (возможно, аналогичные описанным разработкам PNNL). Такой бетон выдерживает землетрясения и экстремальные погодные явления, сразу «залечивая» микроповреждения, и рассчитан прежде всего на высоконагруженные сооружения и мосты. Одновременно в Китае изучают биотехнологии: есть проекты с капсулированными спорами бактерий, позволяющими бетону генерировать кальцит при трещинах по тому же принципу, что и западные аналоги. Китайские дороги, испытывающие интенсивный трафик и нередко страдающие от суровых зим (на севере) и влажного климата (на юге), могут значительно выиграть от таких инноваций. Можно ожидать, что в ближайшие годы Китай, обладающий ресурсами для масштабного внедрения, станет одним из лидеров по применению самовосстанавливающегося бетона на практике.
Россия. В нашей стране также ведутся исследования и появляются первые кейсы использования самозалечивающегося бетона. В 2021 году ученые ДВФУ (Владивосток) представили образец бетона с бактериями Bacillus cohnii, который самостоятельно устраняет трещины шириной 0,2–0,6 мм за ~28 дней. Бактерии «спят» внутри до появления повреждения, после чего начинают вырабатывать кальцит, восстанавливая прочность конструкции. Примечательно, что B. cohnii – крайне живучий штамм, его споры могут пережить до 200 лет, что теоретически продлевает срок службы бетона практически в четыре раза по сравнению с обычным. Эта разработка особенно актуальна для влажных приморских регионов и сейсмоопасных зон России, где микротрещины из-за циклических нагрузок – частое явление.
Совсем свежая новость конца 2023 года из Челябинска: первый российский морозостойкий самовосстанавливающийся бетон создан в ЮУрГУ. Он способен работать в условиях сурового климата (до –40 °C) и содержит споры B. subtilis, заключённые в специальные гранулы с питательным веществом. При появлении трещины гранула разрушается, и бактерии, «поев» лактат кальция, сразу берутся за работу – трещины затягиваются примерно за 10 циклов намокания-высыхания, то есть за один сезон дождей. Без бактерий на естественное зарастание таких же трещин ушло бы около 50 циклов. Новый материал уже позиционируется как перспективный для строительства бетонных дорог в России (в особенности в северных и сибирских регионах), а также для мостов, тоннелей и других объектов, подверженных перепадам температур. Российские дороги традиционно делаются асфальтовыми, но бетонные трассы (как, например, участки трассы М-11 «Нева») служат дольше и требуют меньше ухода. Добавление же функции самовосстановления может сделать их ещё выгоднее. Можно ожидать, что в ближайшие годы подобные решения перейдут от лабораторных образцов к пилотным внедрениям на отечественных автомагистралях.
Что дальше? Возможности, риски и размышления о будущем дорог
Самовосстанавливающийся бетон уже перестал быть научной экзотикой – он уверенно движется к тому, чтобы стать новой нормой в строительстве. Тем не менее, впереди ещё ряд шагов и открытых вопросов, которые определят будущее дорог без ремонта.
Возможности и перспективы. По мере удешевления технологий мы, вероятно, увидим всё более широкое внедрение «вечного» бетона. Массовое применение самовосстанавливающихся материалов способно сформировать новый подход к инфраструктуре: дороги и мосты будут проектироваться на столетия вперёд, с минимальным обслуживанием. Это повлечёт экономию бюджетов, которые можно направить на другие нужды. Кроме того, открываются пути к созданию по-настоящему умных дорог: материал,который сам диагностирует и устраняет повреждения, можно сочетать с датчиками и системой мониторинга, передающей информацию о состоянии полотна в режиме онлайн. Представьте автомагистрали, которые не знают выбоин, а также не требуют ежегодного латания – для многих стран это избавление от «вечной проблемы». В глобальном масштабе выиграет климат: снижение цементных выбросов поможет выполнить целевые показатели по углеродной нейтральности. Недаром эксперты называют самовосстанавливающийся бетон одним из ключевых материалов для устойчивых городов будущего.
Не стоит забывать, что параллельно развиваются и другие инновации для дорог. Например, создаётся самовосстанавливающийся асфальт: в его состав вводят стальные волокна и капсулы с битумным маслом. При прокале дороги индуктором (электромагнитным нагревом) волокна нагреваются и расплавляют окружающий битум, залечивая трещины в покрытии без снятия асфальта. Уже проводятся испытания такого «индукционного асфальта» в Нидерландах и на автобанах Германии. Другой подход – добавка в асфальт микрокапсул с регенерирующим маслом, которое выделяется при растрескивании и размягчает битум, восстанавливая эластичность дорожного слоя. Таким образом, и бетон, и асфальт в будущем могут стать саморемонтирующимися, каждый со своими технологиями.
Трудности и риски. Несмотря на впечатляющие достижения, широкому внедрению самовосстанавливающегося бетона пока мешают несколько факторов. Во-первых, это стоимость. Как отмечалось, такие материалы сейчас почти вдвое дороже, что увеличивает смету строительства. До тех пор, пока не появится эффект масштаба и конкуренция, цена останется барьером. Однако с ростом спроса цены обязательно пойдут вниз – рынок уже демонстрирует высокие темпы роста, привлекая новых игроков. Во-вторых, недостаток полевых данных о долгосрочной работе. Большинство испытаний проводилось на опытных участках и в лабораториях. Инженерам потребуется время, чтобы убедиться, как ведёт себя самозалечивающийся бетон через 10, 20, 50 лет эксплуатации в реальных условиях – не снижаются ли его свойства, нет ли непредвиденных эффектов. В-третьих, консерватизм отрасли. Строительная индустрия во всём мире известна осторожностью: новые материалы не спешат внедрять без веских доказательств надёжности и экономии. Многие заказчики и проектировщики пока занимают выжидательную позицию. Требуется разъяснение выгод в терминах совокупной стоимости владения: да, надо больше вложить сразу, зато в горизонте 30–50 лет выгода очевидна.
Есть и технические ограничения. Самовосстановление эффективно для мелких и средних трещин (до миллиметра). Если же произошло серьёзное разрушение или авария – никакие бактерии не помогут, нужен традиционный ремонт. Поэтому такие материалы не отменяют полностью обслуживание, а сводят к минимуму и предотвращают деградацию на ранних стадиях. Также разные технологии имеют свои условия срабатывания: бактериям нужна вода и тепло, полимерам – определённый температурный диапазон, и т.п. В засушливом климате биобетону может не хватать влаги для запуска реакции – возможно, придётся продумывать систему увлажнения трещин. Полимерные же добавки могут терять свойства при слишком высоких температурах (актуально, например, для жарких стран). Всё это требует учёта при проектировании дорог под конкретные условия эксплуатации.
Будущее дорог без ремонта. Аналитики сходятся во мнении, что мы находимся на пороге масштабной трансформации дорожной отрасли. Если XX век дал миру бетон, который сделал возможными современные магистрали, то XXI век, вероятно, подарит бетон с функцией саморемонта, изменив парадигму содержания инфраструктуры. Представьте города, где больше нет ежегодных раскопок асфальта после зимы – вместо этого дороги переживают зиму с минимальными повреждениями, а весенние дожди лишь помогают им залечить трещины. Это не утопия: уже сегодня в университетах и инновационных компаниях различных стран ведутся работы над такими материалами.
В целом, перспектива дорог, которые «чинят себя сами», вдохновляет. Она демонстрирует, как сочетание биологии, химии и инженерии может решить давнюю утилитарную проблему, сэкономив огромные ресурсы. Конечно, как и любая новая технология, самовосстанавливающийся бетон – не панацея и не заменит разумного проектирования или контроля качества. Однако он может стать мощным инструментом в арсенале инженеров, стремящихся к устойчивой и долговечной инфраструктуре. Дороги будущего, вероятно, будут напоминать живой организм: они смогут самостоятельно реагировать на повреждения, адаптироваться к климатическим изменениям (например, более частым циклам замерзания-оттаивания) и служить гораздо дольше, прежде чем потребуют капитального вмешательства.
Подводя итог, можно сказать, что самовосстанавливающийся бетон – яркий пример инновации, где вдохновение природой ведёт к реальным экономическим выгодам. Дороги без привычного ремонта – это не фантастика, а вполне достижимая реальность ближайших десятилетий. И когда эта реальность наступит, миллиарды, которые сегодня «трещат по швам» вместе с асфальтом, смогут быть направлены на новое строительство и развитие, двигая вперёд прогресс, а не латая дыры прошлого.
Источники и исследования:
- Medium – Putting Potholes in their Place
- (PDF) PNNL – SELF-HEALING CEMENT Dynamically Repairs Itself to Extend its Useful Lifespan
- Государственная компания «Российские автомобильные дороги» – Мифы и факты о стоимости строительства дорог в России
- JP Concrete Products Ltd – Seawalls & Coastal Defences
- Wikimedia Foundation, Inc. – Self-healing concrete
- ООО «ТРАНСТРОЙНЬЮС» – В России с помощью бактерий создали самовосстанавливающийся бетон
- JSTORIES – Japanese company shares “self-healing” concrete tech
- Elsevier B.V. – ScienceDirect – Self-healing of microcapsule-based materials for highway construction: A review
- RICS – Building a sustainable future: the incredible potential of self-healing concrete
- ФГБУ «Редакция «Российской газеты» – Ученые на Дальнем Востоке создали самовосстанавливающийся бетон
- Basilisk – The benefits of self-healing concrete
- Our Media Ltd. www.ourmedia.co.uk – Science Focus – www.sciencefocus.com – How bacteria and self-healing roads could soon fix the UK’s 750,000 potholes
- Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет)» – www.susu.ru – Челябинские ученые «заживляют» трещины в бетоне при помощи бактерий
- IFLScience – Goodbye Potholes? Biobased Spores Could Soon Make Self-Healing Roads A Reality