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, dünyada en çok kullanılan inşaat malzemesidir. Şehir kaplamaları, geniş nehirleri kapsayan köprüler ve yeryüzündeki en yüksek gökdelenlerde bulunabilir. Ancak bu sağlam maddenin bir zayıflığı var: Her yıl on milyarlarca dolarlık bir maliyete yol açan yıkıcı bir çatlamaya eğilimlidir. Peki ya bu sorunu önlemek için, kendini iyileştiren bir beton üretirsek?
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.
Bu fikir göründüğü kadar inanılmaz değil. Betonun nasıl oluştuğuna ve bu süreçten nasıl yararlanacağımıza dair bir anlayışı özetler. Beton, agrega olarak adlandırılan kaba taş ve kum parçacıklarının, toz hâline getirilmiş kil ve kireç taşı karışımının birleşimi olan çimento ile karıştırılmasıdır. Bu karışıma su eklendiğinde, çimento bir macun oluşturur ve agregatları kaplar, hidrasyon olarak adlandırılan kimyasal reaksiyonla hızla sertleşir. Sonuç olarak, ortaya çıkan malzeme yüzlerce metreye tırmanan yapıları gökyüzüne taşıyacak kadar güçlü bir şekilde büyür.
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.
İnsanlar 4.000 yıldan fazla bir süredir çimento üretmek için çeşitli tarifler kullanıyor olsalar da, betonun kendisi şaşırtıcı derecede kısa bir ömre sahiptir. 20 ila 30 yıl sonra, beton büzülmesi, aşırı donma ve çözülme gibi doğal işlemler ve ağır yükler çatlamayı tetikleyebilir. Ve bu sadece önemli kırılmalar değil: Küçük çatlaklar da tehlikeli olabilir. Beton, çelik takviyelerin etrafında sıklıkla bir destek olarak kullanılır. Bu betonda, küçük çatlaklar bile çeliği aşındıran ve yıkıcı çöküşe neden olan su, oksijen ve karbondioksiti kanalize edebilir. Sürekli kullanımda olan köprüler ve otoyollar gibi yapılarda, bu sorunları felakete yol açmadan tespit etmek büyük ve masraflı bir olay hâline gelir. Ama bunu yapmamak da binlerce hayatı tehlikeye atar.
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.
Neyse ki, bu materyalin kendini düzeltmeye başlayabileceği yollarla denemeler yapıyoruz. Ve bu çözümlerin bazıları, betonun kendini iyileştirme mekanizmasından ilham alıyor. Su bu küçük çatlaklara girdiğinde, betonun kalsiyum oksitini nemlendirir. Ortaya çıkan kalsiyum hidroksit, havadaki karbondioksit ile reaksiyona girerek, mikroskopik kalsiyum karbonat kristallerinin oluştuğu ve aşamalı olarak boşluğu doldurduğu otojen iyileşme denilen bir işlem başlatır. Ne yazık ki, bu kristaller 0,3 mm genişliğinden küçük çatlakları iyileştiremez.
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.
Malzeme bilimcileri, beton karışımına gizli yapıştırıcı ekleyerek bundan iki kat büyüklükteki çatlakları nasıl iyileştirebileceklerini buldular. Yapışkan dolgulu lifleri ve tüpleri karışıma koyarsak, bir çatlak oluştuğunda yapışır, yapışkan içeriğini serbest bırakır ve boşluğu kapatır. Ancak yapışkan kimyasallar genellikle betondan çok farklı davranır ve zamanla bu yapıştırıcılar daha da kötü çatlaklara yol açabilir.
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.
Bu yüzden büyük çatlakları iyileştirmenin en iyi yolu, betonun kendisine yardım araçları vermektir. Bilim insanları, bazı bakteri ve mantarların, otojen iyileşmede bulunan kalsiyum karbonat dâhil, mineraller üretebildiğini keşfettiler. Betonun deneysel karışımları, bu bakteriyel veya mantar sporlarını, yüzlerce yıldır uykuda durabilecekleri beton karışımlarındaki besin maddelerini içerir. Çatlaklar ortaya çıktığında ve su betona damlatıldığında, sporlar çimlenmekte, büyümekte ve onları çevreleyen besin çorbasını tüketmekte, kalsiyum karbonatın büyümesi için mükemmel koşulları yaratmak için yerel ortamlarını değiştirmektedir. Bu kristaller yavaşça boşlukları doldurur ve kabaca üç hafta sonra, çalışkan mikroplar neredeyse 1 mm genişliğe kadar çatlakları tamamen tamir edebilir. Çatlaklar kapandığında bakteri veya mantarlar bir kez daha spor yapar ve hareketsizleşir. Çatlaklar tekrar oluştuğunda yeni bir iyileşme döngüsüne başlamaya hazırdır.
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.
Bu teknik ile ilgili kapsamlı bir şekilde çalışılsa da, küresel beton üretimine dâhil edilmeden önce gitmemiz gereken bir yolumuz var. Ancak, bu sporlar betonu daha esnek ve uzun ömürlü yapmak için büyük bir potansiyele sahiptir. Bu da beton üretiminin mali ve çevresel maliyetlerini büyük ölçüde azaltabilir. Sonuç olarak, bu mikroorganizmalar, şehirlerimiz hakkında düşündüklerimizi yeniden düşünmemize ve cansız beton ormanlarımızı hayata geçirmeye zorlayabilir.