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?
Бетон — самый популярный строительный материал в мире. Из него сделаны многие городские тротуары, перекинутые через широкие реки мосты и самые высокие небоскрёбы планеты. Однако у этого прочного вещества всё же есть недостаток: он ужасно трескается, и на ремонт бетонных конструкций ежегодно тратят миллиарды долларов. Но что, если эту проблему можно решить, создав самовосстанавливающийся бетон?
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.
Идея может казаться притянутой за уши, но это не так. Для начала нужно изучить процесс создания бетона и выяснить, как доработать его до нужного нам результата. Бетон состоит из наполнителей — щебня и песка, которые смешивают с цементом — порошковой смесью глины и известняка. Когда в смесь добавляют воду, цемент превращается в пасту, покрывает наполнители и быстро застывает из-за химической реакции под названием гидратация. В итоге получается материал достаточно прочный для возведения из него зданий, устремляющихся на сотни метров ввысь.
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.
Более 4 000 лет люди использовали разные способы создания цемента, но сам по себе бетон по-прежнему остаётся поразительно недолговечным. Спустя 20–30 лет естественные процессы — усадка цемента, чрезмерное замораживание и нагрев, сильные нагрузки — приводят к появлению трещин. Речь идёт не только о больши́х разломах: крошечные трещины могут быть не менее опасными. Бетон часто используют для создания вспомогательных опор вокруг стальной арматуры. В этом случае даже крошечные трещины могут пропускать воду, кислород и углекислый газ, которые вызывают коррозию стали и ведут к катастрофическим разрушениям. В конструкциях, испытывающих постоянную нагрузку, например, мостах и шоссе, выявление этих проблем, прежде чем они приведут к катастрофе, довольно затратно и трудоёмко. Однако бездействие подвергнет опасности тысячи жизней.
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.
К счастью, мы уже ищем способы, которые позволят бетону самовосстанавливаться. В основе некоторых решений лежит природный механизм самовосстановления бетона. Когда в мелкие трещинки попадает вода, она насыщает оксид кальция, входящий в состав бетона. Получающийся в итоге гидроксид кальция на воздухе вступает в реакцию с углекислым газом, и начинается процесс аутогенного заживления: формируются крошечные кристаллы карбоната кальция и заполняют зазоры. К сожалению, эти кристаллы могут заполнить трещины не шире 0,3 мм.
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.
Материаловеды выяснили, как восстанавливать трещины вдвое шире, добавив в бетонную смесь скрытый клей. Если добавить в смесь волокна и трубки, наполненные вяжущим веществом, при появлении трещин они разорвутся, высвобождая клейкое содержимое, которое заполнит разломы. Однако клеящие вещества часто ведут себя непредсказуемо с бетоном, и со временем клей может вызвать даже больше трещин.
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.
Возможно, лучший способ устранить крупные трещины — дать бетону инструменты для самовосстановления. Учёные обнаружили, что некоторые бактерии и грибки производят минералы, например, карбонат кальция, которые участвуют в аутогенном заживлении. Экспериментальные бетонные смеси содержат эти бактерии или грибковые споры — окружённые питательными веществами, они могут находиться «в спячке» сотни лет. Когда появляются трещины и вода просачивается в бетон, споры пробуждаются, растут и поглощают окружающий их питательный суп, создавая для себя комфортную среду и идеальные условия для образования карбоната кальция. Его кристаллы постепенно заполняют пустоты, и примерно через три недели микробы-трудяги могут полностью восстановить трещины шириной почти один миллиметр. Запечатав щели, бактерии или грибки создают споры и вновь засыпают, готовые начать новый цикл самовосстановления, когда трещины появятся вновь.
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.
Эта техника уже прошла множество исследований, но впереди ещё длинный путь до её внедрения в массовое производство бетона. Как бы то ни было, у этих спор есть огромный потенциал сделать бетон более стойким и долговечным, что сможет значительно снизить финансовые и экологические затраты на производство бетона. Однажды эти микроорганизмы могут заставить нас изменить наше представление о городах, вдохнув жизнь в эти холодные каменные джунгли.