Concrete is the most widely used 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, by creating concrete that heals itself?
Le béton est le matériau de construction le plus utilisé dans le monde. On l'utilise pour les trottoirs en ville, pour les ponts qui enjambent de larges rivières et pour les plus hauts gratte-ciels de la planète. Mais cette matière solide a une faiblesse : il est sujet à des fissures désastreuses qui coûtent des dizaines de milliards de dollars à réparer chaque année. Et si on pouvait éviter ce problème en créant du béton qui s'auto-répare ?
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 into the sky.
Cette idée n'est pas aussi farfelue qu'elle peut le paraître, Cela se résume à comprendre la formation du béton et l'exploitation de ce processus pour notre bénéfice. Le béton est une combinaison de pierres grossières et de particules de sable, appelées agrégats, qui se mélangent à du ciment, de l'argile et du calcaire en poudre. Quand on ajoute de l’eau à ce mélange, le ciment forme une pâte et enrobe les agrégats en durcissant rapidement lors une réaction chimique appelée hydratation. Finalement, le matériau qui en résulte devient assez dur pour soutenir des bâtiments qui font des centaines de mètres de haut.
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 would also endanger thousands of lives.
Alors que les gens utilisent diverses recettes pour produire du ciment depuis plus de 4 000 ans, le béton lui-même a une durée de vie étonnamment courte. Après 20 à 30 ans, des processus naturels, tels que le tassement du béton, le gel et le dégel importants et de lourdes charges, peuvent provoquer des fissures. Et il n'y a pas que les grandes fissures qui comptent : les petites fissures peuvent être tout aussi dangereuses. Le béton est souvent utilisé comme support secondaire autour d'armatures en acier. Dans ce béton, même les petites fissures peuvent canaliser l’eau, l’oxygène et le dioxyde de carbone, qui corrodent l'acier et conduit à un effondrement désastreux. Sur les ponts et les autoroutes, qui sont utilisés en continu, détecter ces problèmes avant qu’ils ne conduisent à la catastrophe devient un défi énorme et coûteux. Mais ne pas le faire mettrait également en danger des milliers de vies.
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 that are less than 0.3mm wide.
Heureusement, on expérimente déjà des solutions pour que ce matériau puisse s'auto-réparer. Certaines de ces solutions sont inspirées par le mécanisme naturel d’auto-réparation du béton. Lorsque l’eau pénètre dans ces minuscules fissures, elle hydrate l’oxyde de calcium du béton. Cet hydroxyde de calcium réagit avec le dioxyde de carbone dans l’air, amorçant un processus appelé ressoudage spontané, par lequel des cristaux microscopiques de carbonate de calcium se forment et remplissent progressivement l’espace. Malheureusement, ces cristaux ne peuvent pas en faire plus et ne réparent que des fissures de moins de 0,3 mm. Les scientifiques ont découvert
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 can lead to even worse cracks.
comment réparer des fissures deux fois plus grandes en ajoutant de la colle dissimulée dans le béton. Si on met des fibres et des tubes rempli d'adhésif dans le mélange, ils s’ouvriront quand une fissure se forme, libérant leur contenu collant et bouchant ainsi l'espace. Mais les produits adhésifs se comportent très différemment du béton, et, au fil du temps, ces adhésifs peuvent conduire à des fissures encore plus graves.
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.
Le meilleur moyen de réparer des fissures pourrait être de donner au béton les outils pour le faire. Les scientifiques ont découvert que des bactéries et des champignons peuvent produire des minéraux, y compris le carbonate de calcium qu'on trouve lors du ressoudage spontané. Les mélanges expérimentaux incluent ces spores bactériennes ou fongiques avec des nutriments dans leur mélange de béton, où ils peuvent rester inertes des centaines d'années. Quand les fissures apparaissent et que l'eau va dans le béton, les spores germent, grandissent et consomment la soupe nutritive qui les entoure, modifiant leur environnement pour créer les conditions parfaites pour que le carbonate de calcium augmente. Ces cristaux remplissent peu à peu les trous, et, après trois semaines, les microbes qui travaillent dur peuvent réparer complètement des fissures jusqu'à presque 1 mm de large. Quand les fissures se ferment, les bactéries ou les champignons feront des spores et s'endormiront à nouveau, prêts à entamer un nouveau cycle d'auto-réparation quand les fissures se reformeront.
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, bringing our inanimate concrete jungles to life.
Bien que cette technique ait été étudiée en profondeur, on a encore du travail à faire avant de l'incorporer dans la production mondiale de béton. Mais ces spores offrent un potentiel énorme pour rendre le béton plus résilient et durable, ce qui pourrait réduire le coût financier et environnemental de la production de béton. En somme, ces micro-organismes peuvent nous obliger à repenser la façon dont on conçoit nos villes, donnant ainsi vie à nos jungles de béton inanimées.