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 to najbardziej powszechny materiał budowlany na świecie. Występuje w chodnikach, mostach rozciągających się nad rzekami i najwyższych wieżowcach na Ziemi. Ale ta wytrzymała substancja ma pewną słabość. Jest podatna na katastrofalne w skutkach pęknięcia, których naprawa kosztuje miliardy dolarów rocznie. A gdyby uniknąć tego problemu, tworząc beton, który sam by się leczył?
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.
Ten pomysł nie jest tak wydumany, jak mogłoby się wydawać. Sprowadza się do zrozumienia, jak tworzy się beton i jak wykorzystać ten proces na naszą korzyść. Beton składa się z gruboziarnistego kamienia i drobinek piasku, zwanych kruszywem, zmieszanych z cementem, sproszkowaną mieszanką gliny i wapnia. Po dodaniu wody cement staje się papką, która pokrywa kruszywo i szybko twardnieje dzięki reakcji chemicznej zwanej hydratacją. Powstały materiał jest tak wytrzymały, że może tworzyć budynki sięgające setki metrów do nieba. Choć do produkcji cementu w ciągu ponad 4000 lat używano różnych przepisów,
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.
beton sam w sobie ma zaskakująco krótką żywotność. Po 20-30 latach naturalne procesy jak skurcz betonu, nadmiernie zamarzanie i rozmrażanie oraz duże obciążenie mogą powodować pęknięcia. Nie chodzi tu tylko o duże pęknięcia. Te małe mogą być równie niebezpiecznie. Beton jest często używany jako dodatkowe wzmocnienie zbrojeń. W takim betonie nawet w małe pęknięcia mogą dostać się woda, tlen i dwutlenek węgla, który korodując stal, prowadzi do katastrofy. Wykrycie tych problemów w stale używanych obiektach jak mosty i autostrady i zapobiegnięcie katastrofie to ogromne i kosztowne wyzwanie. Ale zrezygnowanie z tego naraziłoby na niebezpieczeństwo tysiące osób.
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.
Na szczęście szuka się sposobów, dzięki którym ten materiał mógłby naprawiać się sam. Niektóre z rozwiązań są zainspirowane naturalnymi mechanizmami samonaprawy betonu. Kiedy woda wnika do drobnych pęknięć, dochodzi do hydratacji tlenku wapnia zawartego w betonie. Powstały wodorotlenek wapnia wchodzi w reakcję z dwutlenkiem węgla z powietrza, rozpoczynając proces samozaleczania autogenicznego. Powstają mikroskopijne kryształki węglanu wapnia, które stopniowo wypełniają otwór. Niestety kryształki nie mogą wiele zrobić, bo leczą pęknięcia węższe niż 0,3 milimetra. Naukowcy inżynierii materiałowej znaleźli sposób na zaleczenie
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.
do dwóch razy szerszych pęknięć przez dodanie kleju do mieszanki betonu. Kiedy do mieszanki dodamy włókna i kapsułki z klejem, pękną one przy powstawaniu pęknięć betonu, wypełniając je kleistą zawartością i uszczelniając. Substancje klejące zachowują się jednak często inaczej niż beton, a z czasem mogą powodować jeszcze gorsze pęknięcia. Może najlepszym sposobem na zaleczenie dużych pęknięć betonu
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.
jest udostępnienie mu narzędzi, dzięki którym sam by sobie pomógł. Naukowcy odkryli, że niektóre bakterie i grzyby produkują minerały, włącznie z węglanem wapnia występującym w samozaleczaniu autogenicznym. Eksperymentalne mieszanki betonu zawierają takie przetrwalniki bakterii czy grzybów razem ze składnikami odżywczymi, więc ich faza spoczynkowa może trwać setki lat. Gdy pojawią się pęknięcia, a woda wcieknie w beton, przetrwalniki kiełkują i rosną, pożywiając się składnikami odżywczymi z otoczenia. Modyfikują lokalne środowisko, stwarzając idealne warunki do rozwoju węglanu wapnia. Kryształy stopniowo wypełniają pęknięcie, a po około trzech tygodniach zapracowane mikroby mogą całkowicie naprawić pęknięcie na prawie 1 milimetr. Po uszczelnieniu pęknięcia bakterie i grzyby tworzą przetrwalniki i znów przechodzą w fazę spoczynkową, pozostając gotowe do rozpoczęcia nowego cyklu samozaleczania w razie kolejnych pęknięć.
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.
Mimo że ta technika jest kompleksowo badana, minie dużo czasu, zanim będzie można używać jej w światowej produkcji betonu. Przetrwalniki są nadzieją na wytrzymalszy i bardziej długotrwały beton, co mogłoby drastycznie obniżyć finansowe i ekologiczne koszty jego produkcji. Ostatecznie te mikroorganizmy mogą zmusić nas do zmiany sposobu myślenia o naszych miastach przez ożywienie martwych betonowych dżungli.