Analysis of the Mechanical Properties of Bioconcrete

コンクリートは現代のインフラストラクチャのバックボーンであり、あらゆる都市のスカイラインを形作り、ほぼすべての道路の基礎となるほど普遍的な素材です。しかし、その強固さにもかかわらず、コンクリートには致命的な欠陥があります。それは「ひび割れ」です。髪の毛ほどの細さであっても、これらの亀裂から水や有害な化学物質が深部へと浸入し、中の鉄筋を腐食させ、構造物を徐々に弱体化させてしまいます。数十年にわたり、その解決策は人間の介入、つまり作業員が樹脂を注入したり補修材を塗布したりすることでしたが、これはコストがかかり、反復的で、しばしば一時的なものに過ぎませんでした。人間の体が切り傷を治癒するように、自ら傷を塞ぎ、自律的に修復できる建物の夢は、長年エンジニアたちを魅了してきました。この概念は、ある生物学的なトリック、すなわち、生きた細菌を利用して隙間を埋めるミネラルを作り出すという仕組みに基づいています。

エクアドルのアルメダ軍事大学（Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE）の研究チームは、この夢を検証するために、具体的かつ実用的な目標を掲げました。彼らは、一般的な土壌細菌である「バチルス・サブティリス（Bacillus subtilis）」をコンクリートに混合することで、構造強度を損なうことなく自らひび割れを修復できる素材を作れるかどうかをテストしたいと考えたのです。これを実現するためには、細菌の栄養源が必要であり、彼らはカルシウム乳酸塩という形でこれを提供しました。これは微生物が消費して炭酸カルシウムを生成するための栄養素です。この白い岩のような物質は、石灰岩やチョークを構成しているものと同じであり、コンクタクトの文脈においては、ひび割れを塞ぐ天然のセメントとして機能します。研究者たちは、高湿度で頻繁に地震が発生し、建物に常にストレスがかかる彼らの地域の特定の条件下で、この生きた混合物がどのように振る舞うかに特に注目しました。彼らは、ひび割れを効果的に修復できるのに十分な量の細菌を、建物が支えられなくなるほど弱くなったり柔軟になりすぎたりしない範囲で配合するという、完璧なバランスを見出すことを目指しました。

チームはまず、殺菌剤として販売されている商業製品である細菌成分の品質を確認することから始めました。彼らは、その液体に正しい数の生きた細菌が含まれていること、そしてそれらが純粋であり、他の汚染物質が含まれていないことを確認しました。次に、標準的なレシピから始め、異なる量のカルシウム乳酸塩を添加した一連のコンクリート混合物を設計しました。彼らはこの栄養素を3つのレベルでテストし、セメントの重量に対して1パーセントのカルシウム乳酸塩を添加することで、コンクリートの圧縮力に対する抵抗力が大幅に向上することを発見しました。細菌を加える前のこの混合物は、28日後に336.14 kg/cm²の強度に達しており、これは標準的な混合物よりも大幅な改善でした。このことは、栄養素自体が細菌の餌であるだけでなく、コンクリートをより緻密で強くする有益な添加物でもあることを示唆していました。

次に、研究者たちは細菌を混合物に導入しましたが、その際、栄養素のレベルは最適な1パーセントに維持しました。彼らは細菌液の添加量を、全水量の2.5%、5%、10%と変化させてテストしました。ここでの結果は、繊細なトレードオフを明らかにしました。細菌は自己修復プロセスに不可欠ですが、添加量が多すぎるとコンクリートを弱体化させ始めることが分かりました。細菌の投与量が増えるにつれて、材料の圧縮抵抗力は低下しましたが、安全基準を満たす強さは維持されていました。さらに重要なことに、研究者たちは細菌を添加することによる隠れた代償を発見しました。それは、材料の「剛性（硬さ）」が低下することでした。剛性とは、材料が破断する前に荷重によってどれだけ曲がったり伸びたりするかを示す尺度です。標準的なコンクリートは硬く、形状をよく保持しますが、細菌を含む混合物は目に見えて柔軟になりました。最も少ない細菌量を加えた混合物でも、その強度におけるコンクリートの規定値よりも約28%低く、最も多い量では、規定値より50%近くも低くなっていました。この発見は極めて重要です。なぜなら、そのコンクリートは依然として重さを支えることはできますが、その重みによってより容易にたわむことになり、それが地震の際の建物の揺れ方に影響を与える可能性があるからです。

細菌が意図通りに機能しているかを確認するため、チームは最も優れた性能を示した混合物（カルシウム乳酸塩1%および細菌2.5%）を用い、意図的にコンクリートのシリンダーにひびを入れました。その後、修復が必要となる湿潤な状況をシミュレートするため、これらのひび割れた破片を水の中に置きました。21日間にわたり、驚くべき変化が起こりました。水と栄養源の存在によって目覚めた細菌が繁殖し、炭酸カルシウムを生成し始めたのです。この白いミネラルがひび割れの中に成長して隙間を完全に埋め、封鎖しました。研究者が強力な顕微鏡で修復されたひび割れを観察したところ、その白い堆積物が、まさにコンクリート自体を構成している成分である炭酸カルシウムであることを確認しました。しかし、この修復プロセスは水分に完全に依存していました。同様にひび割れたサンプルを乾燥した空気中に置いたところ、修復は起こりませんでした。これは、細菌が目覚めて活動するためには、絶え間ない水が必要であることを証明しています。

本研究は、高湿度で地震活動が活発なエクアドルのような地域において、バイオコンクリートは実行可能な技術であるが、慎重な管理が必要であると結論付けています。研究者が見出した理想的なレシピは、1パーセントのカルシウム乳酸塩と少量の細菌を組み合わせたものです。この混合物は、構造物が濡れた状態に保たれていれば、3週間以内にひび割れを完全に封鎖する能力と、大幅な強度向上を提供します。しかし、この材料はあらゆる種類のコンクリートの完全な代替品ではありません。細菌が材料の剛性を低下させるため、このバイオコンクリートは、極端な剛性よりも漏水の防止がより重要となる歩道、保護層、または水槽などの非構造部材に最も適しています。主要な構造梁や柱については、細菌の存在が標準的な計算式では予測できない方法で材料の挙動を変化させるため、エンジニアは標準的な計算に頼るのではなく、特定の混合物の剛性を測定する必要があります。本研究は、自然が私たちの造形環境の修復を助けてくれることを裏付ける一方で、建築材料の中に生命を導入することは、その構造物の基本的な性質を変えてしまうものであり、それらが時間の経過とともにどのように機能するかについての新しい理解を必要とするのだということも教えてくれています。