Des veines de bactéries pourraient former un système d'auto-guérison pour les infrastructures en béton

Dans l'espoir de produire des structures 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 des fibres existe depuis que les premiers maçons mélangeaient du crin de cheval à leur boue. Cependant, 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 site des fissures pour réparer les dommages.

Récemment rapporté dans la revue Construction et matériaux de construction, la « BioFiber » de Drexel est une fibre polymère enfermée dans un hydrogel chargé de bactéries et une coque protectrice résistante aux dommages. L'équipe rapporte qu'une grille de BioFibers intégrée dans une structure 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 construction en s'inspirant de la nature”, a déclaré Amir Farnam, Ph.D., professeur agrégé au College of Engineering et chef de l'équipe de recherche.

« Nous constatons chaque jour que nos structures vieillissantes en béton subissent des dommages, ce qui réduit leur durée de vie fonctionnelle et nécessite des réparations critiques et coûteuses. Imaginez-vous qu'elles puissent se guérir elles-mêmes ? Dans notre peau, nos tissus le font naturellement grâce à une structure fibreuse multicouche imprégnée de notre fluide auto-cicatrisant : le sang. Ces biofibres imitent ce concept et utilisent des bactéries productrices de pierre pour créer un béton vivant auto-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, c'est-à-dire la combustion d'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 structures 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 construction le plus consommé et le plus demandé au monde.

Produire du béton capable de durer plus longtemps constituerait un grand pas en avant dans la réduction de sa contribution au réchauffement climatique, sans parler de la réduction du coût à long terme de la réparation des infrastructures. C'est pourquoi le ministère américain de l'Énergie a récemment lancé des efforts 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 effort du ministère de la Défense visant à fortifier ses structures vieillissantes.

“Depuis plusieurs années, le concept de composites cimentaires bio-auto-cicatrisants a été développé au sein du Advanced 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 auto-réparatrice, établissant de nouvelles normes à l'intersection de ces diverses disciplines.

L'approche de l'équipe pour créer des 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. Il utilise une technique 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, Ph.D., de la Chaire Margaret C. Burns en ingénierie, Christopher Sales, Ph.D., professeur agrégé, et Ahmad Najafi, Ph.D., professeur adjoint, tous du College of Engineering, le groupe a identifié une souche de bactérie Lysinibacillus sphaericus comme agent de bio-guérison pour la fibre.

La bactérie durable, 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 former une zone de fissures exposées dans le béton.

Lorsqu’elles sont incitées à former une endospore, les bactéries peuvent survivre aux conditions difficiles à l’intérieur du béton, restant en sommeil 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 solutions pour créer de nouvelles biofibres sont bien plus 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 chose, mais traduire cela en une application composée d'ingrédients biologiques qui peuvent tous coexister de manière fonctionnelle. La structure est toute une entreprise, qui a nécessité une équipe d'experts aux multiples facettes pour réussir.

Pour assembler le BioFiber, l'équipe a commencé avec un noyau en fibre polymère capable de stabiliser et de soutenir les structures en béton. Il a recouvert la fibre d’une couche d’hydrogel chargé d’endospores et a recouvert l’ensemble d’une coque polymère sensible aux dommages, comme les tissus cutanés. L'ensemble fait un peu plus 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 support de renforcement. Mais ses véritables talents 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 source nutritive 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.

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 viable 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.”