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?
Betonul este cel mai larg răspândit material de construcții din lume. Poate fi găsit în rosturile pavajelor din orașe, în poduri ce se-ntind peste râuri vaste și în cei mai înalți zgârie-nori de pe Pământ. Dar această substanță solidă are și o slăbiciune: e predispusă la crăpături catastrofice care costă anual zeci de miliarde de dolari pentru a fi reparate. Cum ar fi dacă am putea evita acea problemă, creând un tip de beton care se repară singur?
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.
Ideea nu e atât de exagerată pe cât pare. Se reduce la a înțelege cum se formează betonul și cum să exploatăm acel proces spre beneficiul nostru. Betonul e o combinație de piatră grosieră și particule de nisip, numite agregate, amestecate cu ciment, o pulbere fină din argilă și var. Când apa e adăugată acestui amestec, cimentul formează o pastă și acoperă agregatele, întărindu-se rapid printr-o reacție chimică numită hidratare. În cele din urmă, materialul rezultat devine suficient de puternic pentru a susține clădiri care se înalță sute de metri înspre cer. Deși oamenii au folosit diverse rețete pentru a produce ciment
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.
pe parcursul a peste 4000 de ani, betonul în sine are o durată a vieții suprinzător de scurtă. După 20 sau 30 de ani, procese naturale precum contracția betonului, înghețarea și dezghețarea succesivă și încărcăturile grele pot declanșa crăparea. Și nu doar rupturile mari contează: crăpăturile mici pot fi la fel de periculoase. Betonul este de obicei folosit ca sprijin secundar în jurul armăturilor de oțel. În acest beton, chiar și crăpăturile mici pot duce la infiltrarea apei, a oxigenului și a dioxidului de carbon ce corodează oțelul și pot duce la prăbușiri catastrofale. În structuri ca podurile și autostrăzile, ce sunt constant în uz, detectarea acestor probleme înainte ca ele să ducă la catastrofe devine o provocare imensă și costisitoare. Dar a sta cu mâinile în sân ar pune în pericol mii de vieți.
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.
Din fericire, deja cercetăm moduri prin care acest material ar putea începe să se repare singur. Iar unele dintre aceste soluții sunt inspirate de mecanismul de auto-reparare naturală a betonului. Când apa intră în aceste mici crăpături, hidratează oxidul de calciu din beton. Hidroxidul de calciu rezultat reacționează cu dioxidul de carbon din aer, declanșând un proces numit reparare autogenă, în care cristale microscopice de carbonat de calciu se formează și umplu, treptat, golul. Din păcate, aceste cristale au abilități limitate, reparând doar crăpături mai mici de 3 mm.
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.
Cercetătorii au descoprit cum să repare crăpături duble în dimensiune prin adăugarea unui adeziv ascuns în amestecul de beton. Dacă punem fibre și tuburi umplute cu adeziv în amestec, acestea se vor rupe la formarea crăpăturilor, eliberând conținutul lor adeziv și sigilând golul. Dar substanțele chimice adezive se comportă deseori foarte diferit de beton, iar, în timp, acești adezivi pot duce la crăpături chiar mai severe. Deci probabil cea mai bună metodă de reparare
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.
a crăpăturilor mari e de a da betonului mijloacele prin care să se repare singur. Cercetătorii au descoperit că unele bacterii și unii fungi pot produce minerale, inclusiv carbonatul de calciu ce se găsește în repararea autogenă. Amestecurile experimentale de beton includ acești spori fungici și de bacterii, pe lângă nutrienți în amestecul lor de beton, unde pot rămâne latenți timp de sute de ani. Când crăpăturile apar într-un final și apa intră în beton, sporii germinează, se dezvoltă și consumă supa de nutrienți care îi înconjoară, modificând mediul lor înconjurător pentru a crea condițiile perfecte pentru dezvoltarea carbonatului de calciu. Aceste cristale umplu gradual golurile, iar în circa trei săptămâni, microbii care au muncit din greu pot repara complet crăpăturile cu lățime de până la 1 mm. Când crăpăturile se sigilează, bacteriile și fungii vor face spori și vor deveni iar latente, pregătite să înceapă un nou ciclu de auto-reparare când se vor forma crăpături din nou.
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.
Deși această tehnică a fost studiată extensiv, mai e încă mult până să o putem încorpora în producția globală de beton. Cu toate acestea, acești spori au un potențial imens de a face betonul mai rezistent și mai longeviv, ceea ce ar putea reduce drastic costurile financiare și de mediu ale producției de beton. În cele din urmă, aceste microorganisme ne-ar putea forța să reevaluăm modul în care ne percepem orașele, aducând junglele inanimate de beton la viață.