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 concreto é o material de construção mais amplamente usado no mundo. Ele pode ser encontrado em faixas de pavimentação, em pontes que atravessam rios enormes e nos mais altos arranha-céus do mundo. Mas essa substância tão firme possui uma fraqueza: é propensa a rachaduras catastróficas que custam dezenas de bilhões de dólares em reparos todos os anos. Mas e se pudéssemos evitar esse problema criando um concreto que se conserta sozinho?
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.
Essa ideia não é tão improvável quanto parece. Tudo se resume a entendermos como o concreto é produzido e como podemos usar esse processo ao nosso favor. O concreto é uma combinação de pedra bruta e partículas de areia, chamados de agregados, que são misturados com cimento, pó feito à base de argila e calcário. Quando acrescentamos água a essa mistura, o cimento forma uma massa que encobre os agregados e endurece rapidamente por meio de uma reação química chamada hidratação. Por fim, o material resultante fica forte o bastante para sustentar edifícios de centenas de metros de altura.
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.
Diversas receitas para produção de cimento têm sido usadas há mais de 4 mil anos, mas o concreto em si é surpreendentemente bem mais recente. Após 20 ou trinta anos, processos naturais como o encolhimento do concreto, congelamento e descongelamento excessivos e cargas pesadas podem ocasionar rachaduras. E não são só as grandes rachaduras que preocupam. Rachaduras minúsculas também podem ser perigosas. O concreto é normalmente usado como apoio secundário em volta de armações de aço. Nesse concreto, até rachaduras pequenas podem deixar passar água, oxigênio e dióxido de carbono, que corroem o aço e levam a desabamentos desastrosos. Em estruturas como pontes e avenidas, que estão sob constante utilização, detectar esses problemas antes que ocasionem catástrofes é um desafio caro e gigantesco. Mas não fazer isso também pode pôr em risco milhares de vidas. Felizmente, já estamos testando formas
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.
de esse material começar a se consertar sozinho. Algumas dessas soluções se baseiam no mecanismo de autorreparo do concreto. Quando a água entra nessas rachaduras minúsculas, ela hidrata o óxido de cálcio do concreto. O hidróxido de cálcio resultante reage com o dióxido de carbono do ar, dando início a um processo chamado reparo autoproduzido, no qual cristais microscópicos de carbonato de cálcio se formam e preenchem gradualmente a rachadura. Infelizmente, esses cristais só podem fechar rachaduras com menos de 0,3 mm de espessura. Cientistas de materiais descobriram
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 reparar rachaduras até duas vezes maiores adicionando cola à mistura de concreto. Se colocarmos fibras adesivas e tubos na mistura, estes se abrirão quando uma rachadura se formar, liberando o conteúdo pegajoso e selando a rachadura. Mas substâncias adesivas se comportam de forma bem diferente do concreto e, com o tempo, esses adesivos podem levar a rachaduras ainda piores.
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.
Então, talvez a melhor forma de reparar grandes rachaduras seja dar ao concreto ferramentas para se autorreparar. Os cientistas descobriram que algumas bactérias e fungos podem produzir minerais, inclusive o carbonato de cálcio encontrado no autorreparo. Misturas experimentais de concreto incluem esporos de bacterianos e fúngicos, bem como nutrientes na mistura do concreto, onde poderiam ficar inativos por centenas de anos. Quando as rachaduras finalmente aparecem e a água escorre pra dentro do concreto, os esporos germinam, crescem e consomem a sopa de nutrientes que os cerca, modificando seu ambiente local e criando as condições ideais para que o carbonato de cálcio se desenvolva. Esses cristais preenchem gradualmente as rachaduras e, após umas três semanas, os dedicados micróbios podem reparar totalmente rachaduras de quase 1 mm de largura. Após seladas as rachaduras, as bactérias e fungos produzem esporos e ficam inativos novamente, preparados para começar um novo ciclo de autorreparo quando surgirem novas rachaduras.
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 essa técnica tenha sido estudada extensivamente, ainda precisamos estudá-la antes de incorporá-la na produção mundial de concreto. Mas esses esporos têm grande potencial para produzir um concreto mais resistente e duradouro, o que pode reduzir drasticamente o custo financeiro e ambiental da produção de concreto. Por fim, esses micro-organismos podem nos forçar a repensar a forma como planejamos nossas cidades, trazendo à vida nossas inanimadas selvas de pedra.