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?
콘크리트는 세계에서 가장 널리 사용되는 건설 재료입니다. 도시의 도로 포장에도 쓰이고 넓은 강을 건너는 다리나 지구상 가장 높은 건물에서도 볼 수 있죠. 하지만 이 견고한 물질은 한 가지 단점이 있습니다. 균열이 발생하기 쉬워서 이를 보수하는 데만 매년 수백억 달러의 비용이 든다는 점이죠. 이 문제를 피할 수 있다면 어떨까요? 균열을 스스로 치유하는 콘크리트를 개발한다면요?
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.
이 아이디어가 그리 터무니없는 것은 아닙니다. 이 문제의 핵심은 콘크리트가 어떻게 만들어지는지 이해하고 형성 과정을 이용해서 원하는 결과를 얻는 데에 있습니다. 콘크리트에는 거친 돌과 모래 입자가 배합되어 있습니다. 골재라고 부르는 것들이죠. 점토와 석회석 분말이 혼합된 시멘트를 그 골재와 섞습니다. 이 혼합물에 물을 첨가하면 시멘트는 반죽 형태가 되어 골재 표면을 감싸게 되고 수화반응이라는 화학 반응을 통해 빠르게 굳어집니다. 그렇게 만들어진 최종 재료는 충분히 강해서 하늘로 수백m에 달하는 건물을 지탱할 수 있을 정도가 되죠.
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.
사람들은 지금까지 다양한 제조법으로 시멘트를 만들어 왔습니다. 그 역사가 4,000년이 넘죠. 콘크리트는 의외로 짧은 수명을 가지고 있습니다. 20에서 30년이 지나면 콘크리트의 수축, 동결 융해 같은 자연적인 거동이나 무거운 하중 때문에 균열이 생기기 시작합니다. 눈에 띄는 큰 균열뿐만 아니라 아주 작은 균열도 그만큼 위험하죠. 때로는 철근을 감싸는 2차 부재로서 콘크리트가 활용되기도 합니다. 이 경우, 콘크리트에 생긴 작은 균열이 물, 산소, 이산화탄소의 운반 통로가 됩니다. 그것이 철근을 부식시키면 처참한 붕괴로 이어지게 되죠. 사람들이 늘 이용하는 다리와 고속도로 같은 구조물에서 재앙이 일어나기 전에 균열 문제를 감지하는 것은 엄청난 비용이 드는 과제입니다. 하지만 그렇게 하지 않으면 수많은 사람이 위험에 빠지게 되죠. 다행히도 우리는 이미 실험을 통해서
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.
이 재료가 균열을 스스로 고치는 방법을 찾고 있습니다. 그리고 콘크리트 고유의 자가 치유 메커니즘에서 몇몇 해결책을 얻었죠. 작은 균열을 통해서 물이 흘러들어가면 콘크리트의 산화칼슘과 수화 반응을 일으킵니다. 그 결과로 만들어진 수산화칼슘은 공기 중의 이산화탄소와 반응하여 자가 치유라 불리는 과정을 시작하게 됩니다. 미세한 탄산칼슘 결정체가 형성되어 서서히 틈새를 메우는 것이죠. 유감스럽게도 이 결정체는 기껏해야 0.3mm보다 작은 폭의 균열만 막을 수 있습니다. 재료학자들은 그 2배 크기의 균열을 치유할 방법을 찾아냈습니다.
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.
콘크리트 혼합물에 숨겨진 접착제를 추가하는 거죠. 접착제를 채운 섬유와 튜브를 혼합물에 섞어 넣어두면 균열이 발생했을 때 그것이 열리게 되면서 끈적한 내용물이 흘러나와 틈을 메우는 것입니다. 그러나 접착력이 있는 화학물은 종종 콘크리트와 다른 거동을 보입니다. 그리고 시간이 지나면 이 접착제는 더욱 심각한 균열을 불러오기도 하죠. 아마도 큰 균열을 치유하는 가장 좋은 방법은
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.
콘크리트에게 치유에 도움이 되는 도구를 제공하는 방법일 겁니다. 과학자들은 몇몇 박테리아와 곰팡이가 무기질을 만들어낸다는 걸 발견했습니다. 그 부산물에는 자연 치유 과정에서 볼 수 있는 탄산칼슘도 포함되어 있죠. 실험적인 콘크리트 혼합물에 그 박테리아 또는 곰팡이 포자를 추가하고 영양소를 함께 섞어 두면 수백 년간 휴면 상태를 유지합니다. 마침내 균열이 나타나서 콘크리트로 물이 스며들면 포자는 싹을 틔워 성장하고 주위의 영양소를 소모하면서 그들의 주위 환경을 바꾸어 탄산칼슘을 생성하기 위한 완벽한 조건을 만들어 냅니다. 이 결정체들이 서서히 균열을 메우기 시작하고 약 3주가 지나면 미생물의 노력으로 최대 1mm의 균열이 완전히 복구되죠. 일단 균열이 메워지면 박테리아나 곰팡이가 만든 포자는 다시 휴면기에 들어가게 되고 자가 치유를 위한 새로운 순환을 준비합니다. 균열이 다시 생길 때를 위해 말이죠.
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.
이 기술에 대해서 지금까지 많은 연구가 있었지만 대규모 콘크리트 생산에 적용하기에는 아직 갈 길이 많이 남아있습니다. 그러나 이 포자가 가진 엄청난 잠재력은 콘크리트를 더욱 회복력 있고 오래 견딜 수 있게 해주고 콘크리트 생산의 경제적, 환경적 비용을 과감하게 줄이게 될 것입니다. 결국 이 미생물은 우리로 하여금 도시에 대한 관점을 바꾸도록 만들고 생기없는 콘크리트 정글을 우리 삶으로 가져다 줄 것입니다.