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?
O betão é o material de construção mais usado em todo o mundo. Encontra-se nas faixas dos pavimentos de cidades, nas pontes que atravessam largos rios e nos mais altos arranha-céus do planeta. Mas esta substância robusta tem um ponto fraco: é propensa a rachas catastróficas que custam dezenas de milhares de milhões de dólares em reparações, todos os anos. E se pudéssemos evitar este problema, criando betão que se autorregenerasse?
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.
Esta ideia não é tão rebuscada como pode parecer. Resume-se à compreensão de como se forma o betão e como explorar esse processo em nosso benefício. O betão é uma mistura de pedras britadas e de partículas de areia, que se chamam os agregados que se misturam com cimento, uma mistura poderosa de barro e calcário. Quando se acrescenta água a esta mistura, o cimento forma uma pasta que envolve os agregados e que endurece rapidamente, através duma reação química, chamada hidratação. Por fim, o material resultante fica suficientemente forte para sustentar edifícios que se elevam a centenas de metros até ao céu. Embora as pessoas tenham usado
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.
uma série de receitas para produzir o cimento há mais de 4000 anos, o betão tem uma duração de vida surpreendentemente curta. Ao fim de 20 a 30 anos, processos naturais, como a contração do betão, o congelamento e descongelamento excessivo e cargas pesadas podem provocar rachas. E não são só as grandes rachas que contam, as pequenas rachas podem ser igualmente perigosas. O betão é usado com frequência como um suporte secundário em volta de reforços de aço. Neste betão, até as pequenas rachas podem canalizar água, oxigénio e dióxido de carbono que corroem o aço e levam a um colapso desastroso. Em estruturas como pontes e autoestradas que são usadas permanentemente, detetar estes problemas, antes de acontecer uma catástrofe, é um problema enorme e dispendioso. Mas, se não o fizéssemos, também poríamos em perigo milhares de vidas.
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.
Felizmente, já estamos a experimentar formas de este material se autorregenerar. Algumas dessas soluções inspiram-se no mecanismo de auto-cura natural do betão. Quando a água entra por essas pequenas rachas, hidrata o óxido de cálcio do betão. O resultante hidróxido de cálcio reage com o dióxido de carbono do ar, iniciando um processo chamado cura autógena, em que se formam microscópicos cristais de carbonato de cálcio que preenchem gradualmente o espaço. Infelizmente, esses cristais só conseguem curar rachas com menos de 0,3 mm de largura. Os cientistas de materiais conseguiram descobrir
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.
como curar rachas com o dobro deste tamanho acrescentando cola oculta na mistura do betão. Se introduzirmos na mistura fibras e tubos cheios de produtos adesivos estes abrir-se-ão quando se formar uma racha libertando o seu conteúdo adesivo e selando a racha. Mas os químicos adesivos comportam-se com frequência de forma muito diferente do betão e, com o tempo, esses químicos podem provocar ainda mais rachas. Por isso, talvez a melhor forma de curar rachas grandes
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.
seja dar ao betão os instrumentos para se curar a si mesmo. Os cientistas descobriram que algumas bactérias e fungos podem produzir minerais, incluindo o carbonato de cálcio que se encontra na cura autógena. Misturas experimentais de betão incluem esporos dessas bactérias ou fungos, juntamente com nutrientes na mistura do betão, onde eles podem manter-se adormecidos durante centenas de anos. Quando aparecem as rachas e a água entra no betão, os esporos germinam, crescem e consomem a sopa nutriente que os rodeia, modificando o ambiente local para criar as condições perfeitas para o carbonato de cálcio crescer. Esses cristais enchem a racha, pouco a pouco e, ao fim de umas três semanas, os micróbios esforçados podem reparar totalmente as rachas com 1 mm de largura. Quando a racha fica selada, as bactérias ou fungos produzirão esporos e voltam a adormecer, prontas para iniciar um novo ciclo de auto-cura, quando se voltarem a formar rachas.
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.
Embora esta técnica já tenha sido estudada extensivamente, ainda temos muito a fazer antes de a incorporar na produção global do betão. Mas estes esporos têm um enorme potencial de fazer um betão mais resistente e de maior duração o que pode reduzir drasticamente o custo financeiro e ambiental da produção do betão. Um dia, estes micro-organismos podem forçar-nos a reconsiderar a forma como pensamos as nossas cidades, fazendo reviver as nossas floresta inanimadas de betão.