Onderzoekers van het Worcester Polytechnic Institute (WPI) gebruiken een enzym dat in rode bloedcellen wordt aangetroffen om zelfherstellend beton te maken dat vier keer duurzamer is dan traditioneel beton. verlengt de levensduur van op beton gebaseerde constructies en elimineert de noodzaak voor dure reparaties of vervangingen. Het werk, gepubliceerd in het peer-reviewed tijdschrift Toegepaste materialen vandaag , gebruikt een enzym dat automatisch reageert met atmosferisch koolstofdioxide (CO ₂ ) om calciumcarbonaatkristallen te maken, die qua structuur beton nabootsen, kracht, en andere eigendommen, en kan scheuren opvullen voordat ze structurele problemen veroorzaken.

"Het wereldwijde gebruik van beton is alomtegenwoordig, " zei Nima Rahbar, universitair hoofddocent civiele en milieutechniek en hoofdauteur van het artikel. Beton is het meest gebruikte door de mens gemaakte bouwmateriaal ter wereld:het is een essentieel onderdeel van alles, van bruggen tot hoogbouw, gezinswoningen, voetpaden, en parkeergarages. Maar beton is broos en vatbaar voor barsten door blootstelling aan water, thermische veranderingen, spanning, strooizout, ontwerpfouten, en andere factoren die kunnen leiden tot een verlies van structurele integriteit en de noodzaak van dure reparaties of vervangingen.

"Als kleine scheurtjes automatisch kunnen worden gerepareerd wanneer ze voor het eerst beginnen, ze zullen geen grotere problemen worden die gerepareerd of vervangen moeten worden. Het klinkt sciencefiction, maar het is een echte oplossing voor een groot probleem in de bouwsector."

Geïnspireerd door het proces van CO ₂ overdracht in de natuur, Rahbars onderzoek, die eerder financiering ontving van het Massachusetts Clean Energy Center (MassCEC), maakt gebruik van koolzuuranhydrase (CA), een enzym gevonden in rode bloedcellen dat snel CO . overdraagt ₂ van de cellen naar de bloedbaan. Het CA-enzym, die aan het betonpoeder wordt toegevoegd voordat het wordt gemengd en gegoten, werkt als een katalysator die atmosferische CO . veroorzaakt ₂ om calciumcarbonaatkristallen te maken, waarvan de matrix vergelijkbaar is met die van beton. Wanneer zich een kleine scheur vormt in het enzymatische beton, het enzym in het beton verbindt zich met CO ₂ in de lucht, waardoor de groei van een nieuwe matrix wordt veroorzaakt die de scheur opvult.

"We keken naar de natuur om te ontdekken wat de snelste CO . veroorzaakt ₂ overdracht, en dat is het CA-enzym, " zei Rabar, die al vijf jaar onderzoek doet naar zelfherstellend beton. "Omdat enzymen in ons lichaam verbazingwekkend snel reageren, ze kunnen worden gebruikt als een efficiënt mechanisme om betonconstructies te repareren en te versterken."

Het proces, die Rahbar heeft gepatenteerd, kan scheuren op millimeterschaal binnen 24 uur genezen.

Het onderzoeksrapport, getiteld "Een enzymatisch zelfherstellend cementgebonden materiaal, " werd gepubliceerd in Toegepaste materialen vandaag , een peer-reviewed tijdschrift gericht op geavanceerde toepassingen van nieuwe materialen. Co-auteurs zijn Suzanne Scarlata, hoogleraar Scheikunde &Biochemie; Jessica Rosewitz, voormalig Ph.D. student en nu een adjunct-instructeur van Engineering; en Ph.D. student Shuai Wang.

Het team heeft een drieledige aanpak ontwikkeld met een concrete mix die, wanneer gebruikt om een ​​structuur te bouwen, zal autonoom kleine scheurtjes herstellen die zich vormen; een mengsel dat zelfgenezing kan veroorzaken in grotere scheuren of gaten; en een proces dat kan worden toegepast op traditioneel beton om scheuren te herstellen.

Om een ​​grotere scheur of gat te herstellen, Rahbar zei calcium en CO ₂ kan worden toegepast om autonome genezing te stimuleren. Hetzelfde mengsel kan worden gebruikt, maar met een ander aanvraagproces, om genezing te initiëren in reeds gezet traditioneel beton.

"Het genezen van traditioneel beton dat al in gebruik is, is van cruciaal belang, te, en zal helpen de noodzaak te verminderen om extra beton te produceren en te verzenden, die een enorme milieu-impact heeft, ' zei Rabar.

Beton levert een belangrijke bijdrage aan CO ₂ uitstoot, broeikasgassen die bijdragen aan klimaatverandering. Volgens een rapport uit 2018 van het Chatham House, een beleidsinstituut met hoofdkantoor in Londen, elk jaar wordt er meer dan 4 miljard ton cement geproduceerd, goed voor ongeveer 8 procent van de wereldwijde CO ₂ uitstoot. Verlenging van de levensduur kan milieubelastende CO . verminderen ₂ uitstoot wereldwijd.

Onderzoekers hebben lang geprobeerd processen te ontwikkelen om beton aan te sporen zichzelf te genezen en te voorkomen dat kleine scheurtjes uitgroeien tot grotere scheuren of gaten om het materiaal te helpen zijn sterkte te behouden, waterdichtheid, en duurzaamheid. Rahbar voorspelt dat zelfherstellend beton de levensduur van een constructie kan verlengen van 20 jaar, bijvoorbeeld, tot 80 jaar.

Ander onderzoek naar het maken van zelfherstellend beton was gericht op het toevoegen van microben en Bacillus megaterium, een sporenvormende bacterie die een enzym produceert dat in het betonmengsel wordt uitgestoten. Rahbar koos ervoor om enzymen direct te gebruiken in plaats van bacteriën, opmerkend dat de bacteriën duurder zijn en langzamer werken - tot een maand duren om een ​​scheur van 10 micron te genezen die de enzymen in 24 uur kunnen genezen - en er zijn zorgen over mogelijke gezondheidsproblemen op de lange termijn die verband houden met het gebruik ervan.