Allungare la durata del calcestruzzo con l'uso di fibre a base di batteri

Un BioFibra ingegnerizzata può stabilizzare e riparare il calcestruzzo danneggiato.

Immaginate una superficie in calcestruzzo che, se incrinata o danneggiata, possa "auto-ripararsi". Ebbene, è ciò che è stato sviluppato da un team della Drexel University a Philadelphia con BioFiber, una fibra polimerica avvolta in un idrogel carico di batteri e una guaina protettiva sensibile al danno, il tutto in uno spessore di poco più di mezzo millimetro.

Secondo il team della Drexel, una griglia di BioFibre inserite all'interno di una struttura in calcestruzzo può migliorarne la durabilità, prevenire l'espansione delle crepe e persino consentire l'auto-riparazione, in maniera simile alla pelle umana.

Quando una persona si taglia la pelle, il sangue fuoriesce e il tessuto inizia a guarire. Ovviamente, questo non accade con le infrastrutture. Così, il team si è ispirato al concetto umano e l'ha bio-ingegnerizzato per un materiale fragile.

"Quando le nostre infrastrutture subiscono danni o crepe, sono statiche," ha detto il Professore Associato Amir Farnam. "Non si riparano; non sono materiali viventi. La nostra idea principale era: 'Come possiamo renderla una struttura vivente, così che risponda come il nostro corpo?' Come quando ci si taglia e poi si guarisce."

Il gruppo ha utilizzato un ceppo di batteri Lysinibacillus sphaericus come agente bio-riparatore per la fibra.

Tipicamente presente nel suolo, ha la capacità di attivare un processo biologico chiamato precipitazione del carbonato di calcio indotta dai microbi per creare un materiale simile alla pietra che può stabilizzare e indurire. Una volta indotti a formare un endospora, i batteri possono sopravvivere alle dure condizioni all'interno del calcestruzzo, rimanendo dormienti fino al loro utilizzo.

Posizionata in una griglia all'interno del calcestruzzo durante la colata, la BioFiber agisce come agente di supporto rinforzante. Ma le sue vere capacità vengono rivelate solo quando una crepa penetra il calcestruzzo, abbastanza da perforare la guaina esterna polimerica della fibra.

Quando l'acqua penetra nella crepa, provoca l'espansione dell'idrogel, che fuoriesce dalla guaina e si muove verso la superficie della crepa. In questo processo, i batteri vengono attivati dalla loro forma di endospora in presenza di carbonio e di una fonte di nutrienti nel calcestruzzo. Reagendo con il calcio nel calcestruzzo, i batteri producono carbonato di calcio, che funge da materiale cementante per riempire completamente la crepa.

Il tempo di guarigione dipende dalle dimensioni della crepa e dall'attività dei batteri, ma le indicazioni preliminari suggeriscono che i batteri possano svolgere il loro lavoro in appena uno o due giorni.

"È lo stesso principio [della guarigione della pelle]," ha detto Caroline Schauer, titolare della cattedra Margaret C. Burns in Ingegneria. "Quando si incrina il cemento, l'acqua penetra e rilascia ciò che è contenuto al suo interno per poi auto-ripararsi. Stiamo creando qualcosa di dinamico. Stiamo realizzando qualcosa che cambia una volta danneggiato, che cambia per auto-ripararsi."

La produzione di calcestruzzo auto-riparante è molto più ecologica di quanto si possa pensare; rappresenta un modo incredibile per ridurre le emissioni di gas serra, poiché il processo di produzione degli ingredienti — bruciare minerali a più di 2.000 °F — è responsabile di circa l'8% di tutte le emissioni globali di gas serra. Creare un calcestruzzo che duri più a lungo sarebbe una svolta.

Schauer ha aggiunto che i prossimi passi del team sono duplice: il gruppo sta considerando la produzione come passo successivo, ma sta anche esaminando l'ambiente che queste fibre dovranno affrontare.
"Abbiamo sviluppato queste fibre. I prossimi passi sono l'ingrandimento del processo di produzione delle fibre. E con l'ingrandimento, si tratta di scoprire come funzionerà in un'applicazione reale sul campo. Quindi, creiamo calcestruzzo, versiamo alcuni pavimenti e poi aspettiamo alcuni anni per vedere i risultati," ha detto Farnam.

Ha aggiunto che, nelle applicazioni reali, il calcestruzzo molto probabilmente sarà esposto agli elementi: sale, neve, veicoli e altre variabili. Tuttavia, è fiducioso che la tecnologia possa essere implementata più presto che tardi.

Una possibile applicazione è la posa dei biopolimeri sulla pista dell'aeroporto di Philadelphia. Tuttavia, ciò è in attesa del permesso della FAA.

"Basandomi sulla mia esperienza precedente, circa sette-dieci anni di ricerca e un lavoro su larga scala devono essere svolti per le nuove tecnologie," ha detto Farnam. "Questo è il tempo necessario quando si parte da zero. Abbiamo iniziato l'idea quattro anni fa, quindi, speriamo, mancano solo tre o quattro anni."

Fonte dell'articolo:

Lengthening the Lifespan of Concrete with Bacteria