Analysis of the Mechanical Properties of Bioconcrete

Il calcestruzzo è la spina dorsale delle moderne infrastrutture, un materiale così onnipresente da plasmare lo skyline di quasi ogni città e le fondamenta di quasi ogni strada. Eppure, nonostante la sua forza, il calcestruzzo ha un difetto fatale: si crepa. Queste fessure, spesso larghe quanto un capello, permettono all'acqua e alle sostanze chimiche nocive di infiltrarsi in profondità, corrodendo l'armatura in acciaio all'interno e indebolendo lentamente la struttura. Per decenni, la soluzione è stata l'intervento umano, che richiede squadre per iniettare resine o applicare toppe, un processo costoso, ripetitivo e spesso temporaneo. Il sogno di un edificio capace di ripararsi da solo, sigillando le proprie ferite proprio come un corpo umano guarisce un taglio, ha a lungo affascinato gli ingegneri. Questo concetto si basa su un trucco biologico: l'uso di batteri viventi per produrre un minerale che colmi i vuoti.

Un team di ricercatori della Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE in Ecuador si è posto l'obiettivo di testare questo sogno con un obiettivo specifico e pratico. Volevano vedere se fossero in grado di mescolare un comune batterio del suolo, noto come Bacillus subtilis, nel calcestruzzo per creare un materiale capace di riparare le proprie crepe senza perdere la propria resistenza strutturale. Per far sì che ciò funzionasse, avevano bisogno di una fonte di cibo per i batteri, che hanno fornito sotto forma di lattato di calcio, un nutriente che i microbi consumano per produrre carbonato di calcio. Questa sostanza bianca, simile a una roccia, è lo stesso materiale di cui sono fatti il calcare e il gesso e, nel contesto del calcestruzzo, agisce come un cemento naturale che ottura le crepe. I ricercatori erano particolarmente interessati a come questa miscela vivente si sarebbe comportata nelle specifiche condizioni della loro regione, dove l'alta umidità e i frequenti terremoti sollecitano costantemente gli edifici. Miravano a trovare l'equilibrio perfetto: abbastanza batteri per riparare efficacemente le crepe, ma non così tanti da rendere il calcestruzzo troppo debole o troppo flessibile per sostenere un edificio.

Il team ha iniziato verificando la qualità del loro ingrediente batterico, un prodotto commerciale venduto come fungicida. Hanno confermato che il liquido conteneva il numero corretto di batteri viventi e che erano puri, privi di altri contaminanti. Hanno poi progettato una serie di miscele di calcestruzzo, partendo da una ricetta standard e aggiungendo poi diverse quantità del nutriente lattato di calcio. Hanno testato tre livelli di questo nutriente, scoprendo che l'aggiunta dell'uno percento in peso del cemento aumentava significativamente la capacità del calcestruzzo di resistere alle forze di schiacciamento. Questa miscela, senza ancora i batteri, ha raggiunto una resistenza di 336,14 kg/cm² dopo 28 giorni, un miglioramento sostanziale rispetto alla miscela standard. Ciò suggeriva che il nutriente stesso non fosse solo cibo per i batteri, ma anche un additivo benefico che rendeva il calcestruzzo più denso e resistente.

Successivamente, i ricercatori hanno introdotto i batteri nella miscela, mantenendo il livello di nutriente all'ottimo dell'uno percento. Hanno variato la quantità di liquido batterico aggiunto, testando dosi del 2,5%, 5% e 10% del volume totale dell'acqua. Qui, i risultati hanno rivelato un delicato compromesso. Sebbene i batteri fossero essenziali per il processo di auto-riparazione, l'aggiunta di troppi di essi iniziava a indebolire il calcestruzzo. All'aumentare della dose di batteri, la capacità del materiale di resistere alle forze di schiacciamento diminuiva, pur rimanendo sufficientemente forte da soddisfare gli standard di sicurezza. Più importante ancora, i ricercatori hanno scoperto un costo nascosto nell'aggiunta dei batteri: il materiale diventava meno rigido. La rigidità è una misura di quanto un materiale si piega o si allunga sotto un carico prima di rompersi. Il calcestruzzo standard era rigido e manteneva bene la forma, ma le miscele con i batteri diventavano visibilmente più flessibili. La miscela con la dose batterica più bassa era ancora circa il 28% meno rigida rispetto a quanto previsto dai codici edilizi per un calcestruzzo di quella resistenza, e la miscela con la dose più alta era quasi il 50% meno rigida. Questo risultato è crucialo perché, sebbene il calcestruzzo potesse ancora sostenere il peso, si piegherebbe più facilmente sotto di esso, il che potrebbe influenzare il modo in cui un edificio oscilla durante un terremoto.

Per vedere se i batteri funzionassero effettivamente come previsto, il team ha preso la miscela con le migliori prestazioni — l'uno percento di lattato di calcio e il 2,5% di batteri — e ha intenzionalmente crepato i cilindri di calcestruzzo. Hanno poi posto questi pezzi crepati in acqua, simulando le condizioni umide in cui la guarigione avrebbe dovuto avvenire. Nel corso di 21 giorni, si è verificata una trasformazione straordinaria. I batteri, risvegliandosi in presenza di acqua e del loro nutrimento, hanno iniziato a moltiplicarsi e a produrre carbonato di calcio. Questo minerale bianco è cresciuto all'interno delle crepe, riempiendole completamente e sigillando il varco. Quando i ricercatori hanno esaminato le crepe guarite sotto un potente microscopio, hanno confermato che il deposito bianco era effettivamente carbonato di calcio, lo stesso minerale di cui è fatto il calcestruzzo stesso. Tuttavia, questo processo di guarigione dipendeva interamente dall'umidità. Quando hanno mantenuto campioni simili crepati in aria secca, non è avvenuta alcuna guarigione, dimostrando che i batteri hanno bisogno di acqua costante per risvegliarsi e svolgere il loro lavoro.

Lo studio conclude che il biocalcestruzzo è una tecnologia percorribile per regioni come l'Ecuador, dove l'umidità è elevata e l'attività sismica è comune, ma richiede una gestione attenta. La ricetta ideale trovata dai ricercatori combina l'uno percento di lattato di calcio con una piccola dose di batteri. Questa miscela offre un significativo aumento della resistenza e la capacità di sigillare completamente le crepe entro tre settimane, a condizione che la struttura rimanga umida. Tuttavia, il materiale non è un sostituto perfetto per tutti i tipi di calcestruzzo. Poiché i batteri riducono la rigidità del materiale, questo biocalcestruzzo è più adatto ad elementi non strutturali come marciapiedi, strati protettivi o serbatoi d'acqua, dove prevenire le perdite è più importante della rigidità estrema. Per le grandi travi o colonne strutturali, gli ingegneri dovrebbero misurare la rigidità della miscela specifica piuttosto che affidarsi ai calcoli standard, poiché la presenza di batteri viventi cambia il comportamento del materiale in modi che le formule standard non possono prevedere. La ricerca conferma che la natura può effettivamente aiutare a riparare il nostro ambiente costruito, ma ci ricorda anche che introdurre la vita in un materiale da costruzione ne cambia il carattere fondamentale, richiedendo una nuova comprensione di come queste strutture si comporteranno nel tempo.