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?
Bê tông là vật liệu xây dựng được sử dụng rộng rãi nhất trên thế giới. Ta có thể tìm thấy nó từ nơi vỉa hè thành phố, đến cầu bắc ngang sông, và những tòa nhà chọc trời. Nhưng vật liệu vững chắc này có một khuyết điểm: nó rất dễ bị rạn nứt nghiêm trọng làm tiêu tốn mười tỷ đô la để sửa chữa mỗi năm. Sẽ ra sao nếu ta có thể giải quyết vấn đề đó, bằng cách tạo ra bê tông tự làm lành vết nứt?
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.
Ý tưởng này không còn xa vời. Mấu chốt nằm ở việc thấu hiểu cấu tạo của bê tông, và tận dụng được nó. Bê tông được cấu tạo từ đá thô và cát hạt, được gọi là cốt liệu cát, trộn với xi măng và một hỗn hợp bột gồm đất sét và đá vôi. Khi pha nước vào, xi măng trở thành vữa xây với cốt liệu cát, hỗn hợp nhanh chóng cứng lại thông qua một phản ứng được gọi là ngậm nước. Vật liệu thu được cuối cùng đủ vững để chống đỡ các tòa chọc trời cao tới hàng trăm mét. Người ta sử dụng rất nhiều công thức để tạo xi măng
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.
trong hơn 4000 năm qua, bản thân bê tông lại có tuổi thọ ngắn đáng kinh ngạc. Sau 20 đến 30 năm, các quá trình tự nhiên như co rút bê tông, đóng và tan băng, và tải nặng dẫn đến nứt vỡ. Bên cạnh những miếng vỡ lớn đếm được, những vết nứt nhỏ cũng có thể gây nguy hiểm. Bê tông thường được sử dụng như lớp hỗ trợ xung quanh cốt thép. Trong khối bê tông, ngay cả những vết nứt nhỏ cũng có thể trở thành kênh dẫn nước, oxy, và CO2 để ăn mòn thép, dẫn tới những sụp đổ thảm họa. Ở những cấu trúc được sử dụng liên tục như cầu và đường cao tốc, việc phát hiện những vấn đề này trước khi thảm họa xảy ra là một thách thức lớn và tốn kém. Nhưng nếu không làm vậy, có thể gây nguy hiểm cho hàng ngàn người. May thay, ta đã thử nghiệm
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.
với loại vật liệu có thể tự sửa lỗi. Một số giải pháp được lấy ý tưởng từ cơ chế tự chữa tự nhiên của bê tông. Khi nước đi vào những vết nứt nhỏ, nó khiến canxi oxit của bê tông ngậm nước. Kết quả là canxi hydroxit - CA(OH)2 phản ứng với CO2 trong không khí, bắt đầu một quá trình được gọi là tự khắc phục, các tinh thể canxi cacbonat vi mô hình thành và dần lấp đầy khoảng trống. Tuy nhiên, những tinh thể này chỉ có thể khắc phục các vết nứt với kích thước nhỏ hơn 0.3mm chiều rộng. Các nhà khoa học vật liệu đã tìm ra cách
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.
xử lý vết nứt với kích thước gấp đôi bằng cách pha keo ẩn vào hỗn hợp bê tông. Nếu cho các xơ dính và ống vào hỗn hợp, chúng sẽ mở ra khi một vết nứt hình thành, tiết ra chất dính và khóa chặt khoảng trống. Nhưng hóa chất kết dính thường hoạt động rất khác so với bê tông. Theo thời gian, những chất kết dính có thể gây nên những vết nứt tồi tệ hơn. Có lẽ cách tốt nhất để xử lý những vết nứt lớn
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.
là cho bê tông công cụ để tự phục hồi. Các nhà khoa học đã tìm ra một số loại vi khuẩn và nấm có thể sản xuất khoáng chất bao gồm canxi cacbonat cần thiết cho sự tự phục hồi. Hỗn hợp bê tông thử nghiệm gồm các bào tử vi khuẩn hoặc nấm cùng với các chất dinh dưỡng trong hỗn hợp bê tông, nơi chúng có thể ngủ yên suốt trăm năm. Khi các vết nứt xuất hiện và nước chảy vào bê tông, bào tử nảy mầm, phát triển và tiêu thụ chất dinh dưỡng xung quanh, điều chỉnh môi trường, tạo điều kiện hoàn hảo cho canxi cacbonat phát triển. Các tinh thể này dần lấp đầy khoảng trống, và sau khoảng ba tuần, những hạt vi khuẩn chăm chỉ có thể hoàn tất việc sửa chữa vết nứt lên đến gần 1mm chiều rộng. Khi các vết nứt được phục hồi, vi khuẩn hoặc nấm sẽ trở lại thành bào tử và ngủ yên — sẵn sàng cho chu kỳ tự phục hồi kế tiếp khi các vết nứt mới xuất hiện.
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.
Dù đã nghiên cứu rộng rãi, người ta vẫn đang tìm cách triển khai kỹ thuật này trước khi đưa vào quy trình sản xuất bê tông toàn cầu. Nhưng chúng có tiềm năng rất lớn để tạo ra loại bê tông bền bỉ và lâu dài — giúp giảm đáng kể thiệt hại về kinh tế và môi trường Cuối cùng, những vi sinh vật này buộc ta phải xem xét cách nhìn của ta về thành phố, khi mang vào đó những rừng bê tông vô hồn.