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?
Il calcestruzzo è il materiale edile più usato al mondo. Si trova nei marciapiedi urbani, nelle campate dei ponti che attraversano ampi fiumi e nei grattacieli più alti del mondo. Ma questo robusto materiale ha un punto debole: tende a catastrofiche rotture da riparare ogni anno. Ma se potessimo evitare il problema inventando un calcestruzzo che si ripara da solo? Non è un'idea assurda
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.
come può sembrare. Sta tutto nel capire come si fabbrica il calcestruzzo e come sfruttare il processo a nostro favore. Il calcestruzzo è una mescola di pietrisco e parti sabbiose, chiamate aggregati, che si legano al cemento, una miscela in polvere di argilla e composti calcarei. Quando si aggiunge acqua alla miscela il cemento forma una pasta e incorpora gli aggregati, indurendosi tramite l’idratazione, una reazione chimica rapida. In seguito il materiale ottenuto si rinforza abbastanza da sostenere un edificio che sale centinaia di metri verso l’alto.
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.
Sebbene esistano varie formule per il calcestruzzo da oltre 4000 anni, esso ha una durabilità sorprendentemente breve. Dopo circa 20 o 30 anni, processi naturali come il ritiro del calcestruzzo, eccessivi cicli di gelo e disgelo, e carichi pesanti possono originare delle crepe. Non incidono solo le crepe grandi: quelle piccole sono ugualmente gravi. Il calcestruzzo serve spesso come sostegno secondario attorno alle armature in acciaio. Qui anche minuscole crepe possono penetrare acqua, ossigeno, e anidride carbonica, che corrodono l’acciaio e provocando disastrosi crolli. Su ponti e autostrade soggette a un traffico intensivo individuare queste criticità per prevenire una catastrofe può essere un compito costoso e difficile. Ma non farlo minaccerebbe migliaia di vite.
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.
Per fortuna si stanno già testando modi in cui il materiale possa ripararsi da solo. Alcune di queste soluzioni sono ispirate dal suo sistema naturale di autoriparazione: quando l’acqua penetra nelle minuscole fessure, idrata gli ossidi di calcio presenti. L'idrossido di calce che si forma reagisce con l’anidride carbonica presente nell’aria iniziando un processo chiamato riparazione autogena, in cui microscopici cristalli di carbonato di calcio si formano gradualmente riempiendo la fessura. Sfortunatamente questi cristalli hanno il limite di riparare crepe inferiori a 0,3 mm. La scienza dei materiali ha scoperto come riparare crepe grandi il doppio
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.
aggiungendo un collante alla pasta cementizia. Se inseriamo fibre e tubi con prodotti adesivi alla mescola, essi si apriranno non appena si forma una crepa liberando il contenuto colloso e sigillando la fessura. Ma spesso i collanti chimici non reagiscono come il calcestruzzo e nel tempo questi ultimi possono aggravare le crepe. Perciò il miglior modo di riparare le crepe maggiori
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.
è fornire al calcestruzzo gli strumenti per autoripararsi. Gli scienziati hanno scoperto che alcuni funghi e batteri producono minerali, incluso il carbonato di calcio essenziale all’autoriparazione. Miscele di calcestruzzi sperimentali includono questi batteri e spore fungine insieme a sostanze nutritive così restano inattivi nella mescola per centinaia di anni. Quando appare una crepa e l’acqua percola nel calcestruzzo le spore si attivano, crescono e consumano il nutriente brodo che le circonda modificando l’ambiente circostante per stabilire le condizioni perfette alla formazione di carbonato di calcio. I suoi cristalli riempiono gradualmente le crepe e dopo circa tre settimane i microbi stakanovisti riescono a riparare totalmente crepe larghe fino 1 millimetro. Una volta sigillate i batteri o i funghi producono le spore e si inattivano nuovamente, pronti a ricominciare un nuovo ciclo quando le crepe si riformeranno.
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.
Sebbene questa tecnica sia stata accuratamente studiata, serve ancora tempo prima di adottarla nella filiera produttiva globale. Ma le spore offrono un enorme potenziale per rendere il calcestruzzo più resiliente e durevole, riducendo radicalmente i costi produttivi e l’impatto ambientale dell'industria del calcestruzzo. In futuro, questi microorganismi potrebbero farci riconsiderare il modo di progettare le città, infondendo vita alle nostre inanimate giungle di cemento.