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?
Beton is het meestgebruikte bouwmateriaal ter wereld. Je vindt het in de bestrating van steden, in bruggen die brede rivieren overspannen, en in de hoogste wolkenkrabbers die er zijn. Dit stevige materiaal heeft echter een zwakte. Het is vatbaar voor rampzalige scheuren die jaarlijks miljarden kosten aan reparaties. Als we dat probleem nou eens konden voorkomen met beton dat zichzelf repareert?
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.
Dat idee is minder vergezocht dan je zou denken. Het komt voort uit de kennis over de vorming van beton en hoe je dat proces kunt benutten. Beton is een combinatie van ruwe steen en zanddeeltjes, aggregaat genoemd, dat je mengt met cement, een poedermengsel van klei en kalksteen. Wanneer je water toevoegt, vormt het cement een pasta dat het aggregaat omgeeft en snel hardt door een chemische reactie die hydratatie heet. Uiteindelijk wordt het materiaal sterk genoeg om gebouwen te ondersteunen die honderden meters de lucht in gaan. Hoewel men allerlei recepten heeft gebruikt voor cement,
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.
al meer dan 4 000 jaar, heeft beton zelf juist een heel korte levensverwachting. Na 20 tot 30 jaar kunnen natuurlijke processen als betonkrimp, extreme koude en warmte en zware belasting scheuren veroorzaken. Het gaat niet alleen om de grote scheuren: kleine scheurtjes zijn net zo gevaarlijk. Beton wordt vaak gebruikt als een extra ondersteuning om staalversterkingen heen. In dit beton kunnen zelfs kleine scheuren water, zuurstof en CO2 doorlaten waardoor het staal kan gaan roesten en leiden tot een desastreuze aftakeling. Bij bouwwerken als bruggen en snelwegen die continu worden gebuikt, kan het vinden van problemen voordat het tot rampen leidt, een gigantisch kostbare uitdaging worden. Als je dat niet zou doen, zou je duizenden levens in gevaar brengen.
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.
Gelukkig wordt er al geëxperimenteerd met manieren om beton zichzelf te laten repareren. Sommige oplossingen zijn geïnspireerd op het zelfreparerend vermogen van beton. Als er water in de scheurtjes komt, wordt het calcium-oxide van het beton nat. Het calciumhydroxide dat overblijft, reageert met kooldioxide uit de lucht, en start een proces op dat autogeen herstel heet, waarbij microscopisch kleine calciumcarbonaatkristallen ontstaan die geleidelijk de scheur vullen. Helaas kunnen deze kristallen dat alleen doen bij scheuren die smaller zijn dan 0,3 mm. Materiaalwetenschappers ontdekten
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.
hoe dubbel zo grote scheuren kunnen worden gerepareerd door lijm mee te mengen in het beton. Als we met lijm gevulde vezels en slangetjes in de mix stoppen, knappen die als er scheuren komen, en stroomt de plakkerige inhoud eruit en die lijmt de scheur. Chemische lijm gedraagt zich echter vaak heel anders dan beton, en na verloop van tijd kan lijm zelfs tot nog ergere scheuren leiden.
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.
Dus misschien kan je grote scheuren het beste repareren door beton de nodige middelen mee te geven om zichzelf te helpen. Onderzoekers ontdekten dat sommige bacteriën en schimmels mineralen kunnen aanmaken, waaronder calciumcarbonaat dat bij autogene reparatie wordt gevonden. Experimentele betonmengsels hebben deze bacteriën en schimmelsporen samen met voeding in hun betonmengsel, waar ze eeuwen kunnen blijven slapen. Als er dan scheuren ontstaan en er water in het beton sijpelt, zullen de sporen ontkiemen, groeien en de voeding om hen heen opnemen, en hun omgeving zo aanpassen dat het de perfecte omgeving wordt om calciumcarbonaat te laten groeien. Kristallen vullen geleidelijk de scheuren, en na zo'n drie weken kunnen de ijverige microben scheuren tot bijna 1 mm volledig repareren. Als de scheuren sluiten, maken de bacteriën en schimmels sporen en gaan weer slapen -- klaar voor een nieuwe zelfreparerende cyclus zodra er weer scheuren zijn ontstaan.
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.
Hoewel deze techniek al uitgebreid bestudeerd is, is er nog veel te doen tot het kan worden toegepast bij de wereldwijde betonproductie. Toch hebben deze sporen grote mogelijkheden om beton zelfherstellend te maken en duurzamer -- waardoor kosten en druk op het milieu enorm kunnen dalen. Uiteindelijk zetten deze micro-organismen ons aan het denken over de manier waarop we onze steden met onaangename betonjungles weer tot leven brengen.