الخرسانة هي مادة البناء الأكثر استخدامًا في العالم.
Concrete is the most widely used
يمكن العثور عليها في مساحات من أرصفة المدينة، الجسور الممتدة على الأنهار الشاسعة، وأطول ناطحات سحاب على الأرض. ولكن هذه المادة القوية لديها نقطة ضعف: إنها معرضة لتشقق كارثي يكلف عشرات مليارات الدولارات للصيانة كل عام. لكن ماذا لو استطعنا تفادي تلك المشكلة، بإنشاء خرسانة تعالج نفسها؟
construction material in the world. It can be found in swathes of city pavements, bridges that span vast rivers, and the tallest skyscrapers on earth. But this sturdy substance does have a weakness: it’s prone to catastrophic cracking that costs tens of billions of dollars to repair each year. But what if we could avoid that problem,
هذه الفكرة ليست بعيدة المنال كما تبدو.
by creating concrete that heals itself?
يتلخص الأمر في فهم كيفية تشكل الخرسانة وكيفية استغلال هذه العملية لصالحنا. الخرسانة عبارة عن خليط من الحجر الخشن وحبيبات رملية، تسمى الركام، تمزج مع الإسمنت، مسحوق من الطين والجير. عندما يضاف الماء لهذا الخليط، يشكل الإسمنت عجينة تغطي الركام تتصلب بسرعة من خلال تفاعل كيميائي يسمى الترطيب. في النهاية، المادة الناتجة تصبح قوية كفاية لدعم مباني ترتفع مئات الأمتار في السماء.
This idea isn’t as far-fetched as it may seem. It boils down to an understanding of how concrete forms, and how to exploit that process to our benefit. Concrete is a combination of coarse stone and sand particles, called aggregates, that mix with cement, a powdered blend of clay and limestone. When water gets added to this mix, the cement forms a paste and coats the aggregates, quickly hardening through a chemical reaction called hydration. Eventually, the resulting material grows strong enough to prop up buildings that climb hundreds of meters
بينما كان الناس يستخدمون وصفات متنوعة لإنتاج الإسمنت
into the sky.
لأكثر من 4,000 سنة، الخرسانة ذاتها لديها عمر قصير بشكل مدهش. بعد 20 إلى 30 سنة، العمليات الطبيعية كإنكماش الخرسانة، التجمد والذوبان المفرط، والأحمال الثقيلة قد تثير التشقق. والكسور الكبيرة ليست فقط ما يهم الشقوق الصغيرة يمكن أن تكون بذات الخطورة. الخرسانة تستخدم عادة كداعم ثانوي حول الحديد المسلح. في هذه الخرسانة، حتى الشقوق الصغيرة قد تمرر الماء، الأكسجين، وثاني أكسيد الكربون الذي يتلف الحديد فيؤدي إلى انهيار كارثي. على أبنية مثل الجسور والطرق السريعة التى تستخدم باستمرار، كشف هذه المشكلات قبل أن تؤدي إلى كارثة يصبح تحدى ضخم ومكلف. ولكن عدم فعل ذلك، سيعرض حياة الآلاف للخطر أيضًا.
While people have been using a variety of recipes to produce cement for over 4,000 years, concrete itself has a surprisingly short lifespan. After 20 to 30 years, natural processes like concrete shrinkage, excessive freezing and thawing, and heavy loads can trigger cracking. And it’s not just big breaks that count: tiny cracks can be just as dangerous. Concrete is often used as a secondary support around steel reinforcements. In this concrete, even small cracks can channel water, oxygen, and carbon dioxide that corrode the steel and lead to disastrous collapse. On structures like bridges and highways that are constantly in use, detecting these problems before they lead to catastrophe becomes a huge and costly challenge. But not doing so
لحسن الحظ، نحن بالفعل نختبر طرق لتبدأ هذه المادة في إصلاح نفسها.
would also endanger thousands of lives.
وبعض هذه الحلول مستوحات من آلية الخرسانة الطبيعية في علاج نفسها. عندما تدخل المياه لهذه الشقوق الصغيرة ترطب أكسيد الكالسيوم للخرسانة. هيدروكسيد الكالسيوم الناتج يتفاعل مع ثاني أكسيد الكربون في الجو، لبدأ علمية تسمى الاستشفاء الذاتي حيث تتشكل بلورات كربونات الكالسيوم المجهرية وتملأ الفراغ تدريجياً. مع الأسف، هذه البلورات لا تفعل الكثير تعالج التشققات الأصغر حجمًا من 0.3 ملم.
Fortunately, we’re already experimenting with ways this material could start fixing itself. And some of these solutions are inspired by concrete’s natural self-healing mechanism. When water enters these tiny cracks, it hydrates the concrete’s calcium oxide. The resulting calcium hydroxide reacts with carbon dioxide in the air, starting a process called autogenous healing, where microscopic calcium carbonate crystals form and gradually fill the gap. Unfortunately, these crystals can only do so much, healing cracks
علماء المادة اكتشفوا طريقة لعلاج التشققات بضعف ذلك الحجم
that are less than 0.3mm wide.
عن طريق إضافة غراء مخفي داخل مزيج الخرسانة. إذا وضعنا ألياف مملوءة بالمادة اللاصقة وأنابيب داخل الخليط، سوف تفتح عندما يتشكل شق، مطلقة محتواها اللزج ومغلقة للفراغ. لكن المواد الكيميائية اللزجة تتصرف بشكل مختلف جدًا عن الخرسانة، ومع الوقت، هذه المواد اللاصقة قد تؤدي إلي تشققات أسوء.
Material scientists have figured out how to heal cracks up to twice that size by adding hidden glue into the concrete mix. If we put adhesive-filled fibers and tubes into the mixture, they’ll snap open when a crack forms, releasing their sticky contents and sealing the gap. But adhesive chemicals often behave very differently from concrete, and over time, these adhesives
إذا ربما الطريقة الأفضل لعلاج الشقوق الكبيرة
can lead to even worse cracks.
هي إعطاء الخرسانة الأدوات لتساعد نفسها. العلماء اكتشفوا أن بعض البكتيريا والفطريات تستطيع أن تنتج معادن، من ضمنها كربونات الكالسيوم الموجودة في الاستشفاء الذاتي. خلطات تجريبية من الخرسانة تتضمن هذه البكتيريا أو البذيرات الفطرية بالإضافة إلى مغذيات في خليطها الخرساني، حيث يمكنهم المكوث في سبات لمئات السنين. عندما تظهر التشققات أخيرًا وتتسرب المياه داخل الخرسانة تنبت البذيرات، تنمو، وتستهلك الشراب المغذي الذي يحيط بها، تعدل بيئتها المحيطة لتخلق الظروف المناسبة لنمو كربونات الكالسيوم. هذه البلورات تملأ الفراغ تدريجيًا، وبعد حوالي ثلاث أسابيع، الميكروبات العاملة تستطيع أن تصلح الشقوق بشكل تام إلى ما يقارب 1 ملم. حين تغلق الشقوق بإحكام، البكتيريا أو الفطريات ستصنع بذور وتعود للسبات مجددًا مستعدة لتبدأ دورة جديدة من الإصلاح الذاتي عندما تتشكل الشقوق مجددًا.
So perhaps the best way to heal large cracks is to give concrete the tools to help itself. Scientists have discovered that some bacteria and fungi can produce minerals, including the calcium carbonate found in autogenous healing. Experimental blends of concrete include these bacterial or fungal spores alongside nutrients in their concrete mix, where they could lie dormant for hundreds of years. When cracks finally appear and water trickles into the concrete, the spores germinate, grow, and consume the nutrient soup that surrounds them, modifying their local environment to create the perfect conditions for calcium carbonate to grow. These crystals gradually fill the gaps, and after roughly three weeks, the hard-working microbes can completely repair cracks up to almost 1mm wide. When the cracks seal, the bacteria or fungi will make spores and go dormant once more— ready to start a new cycle of self-healing when cracks form again.
رغم أنه تم دراسة هذه التقنية بشكل واسع مازال لدينا مشوار طويل قبل دمجها في الإنتاج العالمي للخرسانة. لكن، هذه البذيرات لديها إمكانية كبيرة لجعل الخرسانة أكثر مرونة ودوام. مما سيقلل التكلفة المالية والبيئية لإنتاج الخرسانة بشكل كبير. بالنهاية، هذه الكائنات الدقيقة قد تجبرنا على إعادة النظر في طريقة تفكيرنا في مدننا، فتعيد غاباتنا الخرسانية غير الحية للحياة.
Although this technique has been studied extensively, we still have a ways to go before incorporating it in the global production of concrete. But, these spores have huge potential to make concrete more resilient and long-lasting— which could drastically reduce the financial and environmental cost of concrete production. Eventually, these microorganisms may force us to reconsider the way we think about our cities,