Selvhelbredende beton kan mangedoble strukturers levetid

Forskere ved Worcester Polytechnic Institute (WPI) bruger et enzym, der findes i røde blodlegemer, til at skabe selvhelbredende beton, der er fire gange mere holdbar end traditionel beton. forlænge levetiden af ​​betonbaserede konstruktioner og eliminere behovet for dyre reparationer eller udskiftninger. Arbejdet, offentliggjort i det peer-reviewede tidsskrift Anvendte materialer i dag , bruger et enzym, der automatisk reagerer med atmosfærisk kuldioxid (CO ₂ ) for at skabe calciumcarbonatkrystaller, som efterligner beton i strukturen, styrke, og andre ejendomme, og kan udfylde revner, før de forårsager strukturelle problemer.

"Den globale brug af beton er allestedsnærværende, " sagde Nima Rahbar, lektor i Civil- og Miljøteknik og hovedforfatter på papiret. Beton er det mest udbredte menneskeskabte byggemateriale i verden:det er en kritisk komponent i alt fra broer til højhuse, familiehuse, fortove, og parkeringshuse. Men beton er skørt og tilbøjelig til at revne ved eksponering for vand, termiske ændringer, stress, vejsalt, fejl i design, og andre faktorer, der kan føre til tab af strukturel integritet og behovet for dyre reparationer eller udskiftninger.

"Hvis små revner automatisk kunne repareres, når de først starter, de bliver ikke til større problemer, der skal repareres eller udskiftes. Det lyder sci-fi, men det er en reel løsning på et væsentligt problem i byggebranchen."

Inspireret af processen med CO ₂ overførsel i naturen, Rahbars forskning, som tidligere modtog støtte fra Massachusetts Clean Energy Center (MassCEC), bruger kulsyreanhydrase (CA), et enzym, der findes i røde blodlegemer, og som hurtigt overfører CO ₂ fra cellerne til blodbanen. CA enzymet, som tilsættes betonpulveret, før det blandes og hældes, fungerer som en katalysator, der forårsager atmosfærisk CO ₂ at skabe calciumcarbonatkrystaller, hvis matrix ligner betonens. Når der dannes en lille revne i den enzymatiske beton, enzymet inde i betonen forbindes med CO ₂ i luften, udløser væksten af ​​en ny matrix, der udfylder revnen.

"Vi kiggede på naturen for at finde, hvad der udløser den hurtigste CO ₂ overførsel, og det er CA-enzymet, " sagde Rahbar, der har forsket i selvhelbredende beton i fem år. "Da enzymer i vores kroppe reagerer utrolig hurtigt, de kan bruges som en effektiv mekanisme til at reparere og styrke betonkonstruktioner."

Processen, som Rahbar har patenteret, kan hele millimeterskala revner inden for 24 timer.

Forskningspapiret, med titlen "Et enzymatisk selvhelbredende cementmateriale, " blev offentliggjort i Anvendte materialer i dag , et fagfællebedømt tidsskrift med fokus på banebrydende anvendelser af nye materialer. Medforfattere er Suzanne Scarlata, professor i kemi og biokemi; Jessica Rosewitz, tidligere ph.d. studerende og nu adjungeret instruktør i Engineering; og ph.d. studerende Shuai Wang.

Teamet har udviklet en trestrenget tilgang, der inkluderer en konkret blanding, når det bruges til at bygge en struktur, vil selvstændigt reparere små revner, der dannes; en blanding, der kan fremkalde selvhelbredelse i større revner eller huller; og en proces, der kan anvendes på traditionel beton for at reparere revner.

For at reparere en større revne eller hul, Rahbar sagde calcium og CO ₂ kan anvendes til at anspore autonom heling. Den samme blanding kan bruges, men med en anden ansøgningsproces, at igangsætte heling i allerede sat traditionel beton.

"Det er yderst gavnligt at helbrede traditionel beton, der allerede er i brug, også, og vil hjælpe med at reducere behovet for at producere og sende yderligere beton, som har en stor miljøpåvirkning, " sagde Rahbar.

Beton er en væsentlig bidragyder til CO ₂ emissioner, drivhusgasser, der bidrager til klimaforandringerne. Ifølge en rapport fra 2018 fra Chatham House, et politisk institut med hovedkontor i London, hvert år produceres der mere end 4 milliarder tons cement, tegner sig for omkring 8 procent af den globale CO ₂ emissioner. Forlængelse af levetiden kan reducere miljøskadelig CO ₂ emissioner på verdensplan.

Forskere har længe søgt at udvikle processer til at anspore beton til at hele sig selv og forhindre små revner i at vokse til større revner eller huller for at hjælpe materialet med at bevare sin styrke, vandtæthed, og holdbarhed. Rahbar forudser, at selvhelbredende beton kan forlænge en strukturs levetid fra 20 år, for eksempel, til 80 år.

Anden forskning i at skabe selvhelbredende beton har fokuseret på at tilføje mikrober og Bacillus megaterium, en sporedannende bakterie, der producerer et enzym, der udstødes i betonblandingen. Rahbar valgte at bruge enzymer direkte i stedet for bakterier, bemærker, at bakterierne er dyrere og arbejder langsommere - det tager op til en måned at hele en 10-mikron revne, som enzymerne kan hele på 24 timer - og der er bekymringer om potentielle langsigtede sundhedsproblemer relateret til deres brug.