Dans l’espoir de produire des buildings en béton capables de réparer leurs fissures, des chercheurs du Collège d’ingénierie de l’Université Drexel apportent une nouvelle tournure à une vieille astuce visant à améliorer la durabilité du béton. Le renforcement par fibres existe depuis que les premiers maçons mélangeaient du crin de cheval à leur boue. Mais l’équipe de recherche de Drexel fait passer cette méthode à un niveau supérieur en transformant les fibres de renforcement en un système tissulaire vivant qui précipite les bactéries cicatrisantes du béton vers le web-site des fissures pour réparer les dommages.
Récemment rapporté dans la revue Building and Constructing Materials, la « BioFiber » de Drexel est une fibre polymère enfermée dans un hydrogel chargé de bactéries et une coque protectrice réactive aux dommages. L’équipe rapporte qu’une grille de BioFibers intégrée dans une composition en béton peut améliorer sa durabilité, empêcher la croissance des fissures et permettre l’auto-guérison.
« Il s’agit d’un développement passionnant pour les efforts en cours visant à améliorer les matériaux de design en s’inspirant de la character », a déclaré Amir Farnam, PhD, professeur agrégé à la Faculté d’ingénierie et chef de l’équipe de recherche. « Nous constatons chaque jour que nos constructions vieillissantes en béton subissent des dommages qui réduisent leur durée de vie fonctionnelle et nécessitent des réparations critiques et coûteuses. Imaginez, elles peuvent se guérir toutes seules ? Dans notre peau, nos tissus le font naturellement grâce à une structure fibreuse multicouche imprégnée de notre fluide car-cicatrisant – le sang. Ces biofibres imitent ce idea et utilisent des bactéries productrices de pierre pour créer un béton vivant vehicle-cicatrisant réactif aux dommages.
L’allongement de la durée de vie du béton n’est pas seulement un avantage pour le secteur du bâtiment, c’est devenu une priorité pour les pays du monde entier qui s’efforcent de réduire les gaz à effet de serre. Le processus de fabrication des ingrédients du béton – brûlant un mélange de minéraux, tels que le calcaire, l’argile ou le schiste à des températures supérieures à 2 000 degrés Fahrenheit – représente 8 % des émissions mondiales de gaz à effet de serre.
Les buildings en béton peuvent se dégrader en 50 ans seulement, selon leur environnement. Entre les remplacements et la demande croissante de nouveaux bâtiments, le béton est le matériau de development le furthermore consommé et le as well as demandé au monde.
Produire du béton capable de durer moreover longtemps constituerait un grand pas en avant dans la réduction de sa contribution au réchauffement climatique, sans parler de la réduction du coût à extended terme de la réparation des infrastructures. C’est pourquoi le ministère américain de l’Énergie a récemment lancé des initiatives visant à l’améliorer.
Au cours de la dernière décennie, Drexel a ouvert la voie en cherchant comment améliorer la durabilité et la durabilité du béton, et le laboratoire de Farnam fait partie d’une équipe participant à un exertion du ministère de la Défense visant à fortifier ses constructions vieillissantes.
« Depuis plusieurs années, le concept de composites cimentaires bio-vehicle-cicatrisants a été développé au sein du State-of-the-art Infrastructure Materials Lab », a déclaré Mohammad Houshmand, doctorant au laboratoire de Farnam et auteur principal de la recherche. « Le projet BioFiber représente un effort collaboratif et multidisciplinaire, intégrant l’expertise des domaines du génie civil, de la biologie, de la chimie et de la science des matériaux. L’objectif principal est d’être pionnier dans le développement d’une technologie BioFiber multifonctionnelle et vehicle-réparatrice, établissant de nouvelles normes au niveau mondial. croisement de ces diverses disciplines.
L’approche de l’équipe dans la création de BioFibers s’est inspirée de la capacité d’auto-guérison des tissus cutanés et du rôle du système vasculaire pour aider les organismes à guérir leurs propres blessures. Et il utilise une system biologique qu’ils ont développée pour permettre l’auto-réparation des infrastructures en béton à l’aide de bactéries biominéralisantes.
En collaboration avec des équipes de recherche dirigées par Caroline Schauer, PhD, titulaire de la chaire Margaret C. Burns en ingénierie, Christopher Income, PhD, professeur agrégé, et Ahmad Najafi, PhD, professeur adjoint, tous du Faculty of Engineering, le groupe a identifié une souche de bactérie Lysinibacillus sphaericus comme agent de bio-guérison pour la fibre. La bactérie sturdy, que l’on trouve généralement dans le sol, a la capacité de déclencher un processus biologique appelé précipitation de carbonate de calcium induite par des microbes pour créer un matériau semblable à de la pierre qui peut se stabiliser et durcir pour previous une zone de fissures exposées dans le béton.
Lorsqu’elles sont incitées à former une endospore, les bactéries peuvent survivre aux circumstances difficiles à l’intérieur du béton, restant en dormance jusqu’à ce qu’elles entrent en action.
« L’une des choses étonnantes de cette recherche est la façon dont chacun aborde le problème à partir de ses différentes expertises et les alternatives pour créer de nouvelles biofibres sont bien moreover solides grâce à cela », a déclaré Schauer. « La sélection de la bonne combinaison de bactéries, d’hydrogel et de revêtement polymère était au cœur de cette recherche et de la fonctionnalité de BioFiber. S’inspirer de la nature est une selected, mais traduire cela en une application composée d’ingrédients biologiques qui peuvent tous coexister dans une composition fonctionnelle. est toute une entreprise, qui a nécessité une équipe d’experts aux multiples facettes pour la mener à bien. »
Pour assembler le BioFiber, l’équipe a commencé avec un noyau en fibre polymère capable de stabiliser et de soutenir les buildings en béton. Il a recouvert la fibre d’une couche d’hydrogel chargé d’endospores et a recouvert l’ensemble d’une coque polymère smart aux dommages, comme les tissus cutanés. L’ensemble fait un peu additionally d’un demi-millimètre d’épaisseur.
Placé en grille dans tout le béton au fur et à mesure de son coulage, le BioFiber agit comme un agent de assistance de renforcement. Mais ses véritables skills ne se révèlent que lorsqu’une fissure pénètre suffisamment dans le béton pour percer l’enveloppe polymère externe de la fibre.
Au fur et à mesure que l’eau pénètre dans la fissure, atteignant finalement la BioFiber, l’hydrogel se dilate et se fraye un chemin hors de la coque vers la surface de la fissure. Pendant ce temps, les bactéries sont activées à partir de leur forme endospore en présence de carbone et d’une supply nutritive présente dans le béton. En réagissant avec le calcium présent dans le béton, les bactéries produisent du carbonate de calcium qui agit comme un matériau cimentaire pour combler la fissure jusqu’à la surface area.
Le temps de guérison dépend en fin de compte de la taille de la fissure et de l’activité de la bactérie – un mécanisme que l’équipe étudie actuellement – mais les premières indications suggèrent que la bactérie pourrait faire son travail en aussi peu qu’un à deux jours.
« Bien qu’il reste beaucoup de travail à faire pour examiner la cinétique d’auto-réparation, nos résultats suggèrent qu’il s’agit d’une méthode practical pour arrêter la formation, stabiliser et réparer les fissures sans intervention extérieure », a déclaré Farnam. « Cela signifie que BioFiber pourrait un jour être utilisé pour créer une infrastructure en béton « vivante » et prolonger sa durée de vie, évitant ainsi le besoin de réparations ou de remplacements coûteux. »
