Edifici, tunnel e ponti potrebbero presto ripararsi da soli

Edifici, tunnel e ponti potrebbero presto ripararsi da soli
I batteri che possono aiutare gli edifici a guarire da soli sono stati testati a Tintern Abbey in Galles e hanno dimostrato di migliorare la microstruttura della pietra senza alterare il colore o la traspirabilità. Credito: Nilfanion/Wikimedia, CC BY-SA 4.0

Strutture in pietra e cemento con la capacità di autoguarirsi in modo simile agli organismi viventi quando danneggiate potrebbero aiutare a rendere gli edifici più sicuri e durare più a lungo.

Nel tempo le condizioni atmosferiche, le vibrazioni, i movimenti del suolo e l’usura generale possono incidere negativamente sulla muratura e sul calcestruzzo utilizzati negli edifici.

Ma mantenere gli edifici in buono stato di manutenzione può essere costoso e difficile. Le crepe sottili e altri danni sotto la superficie del muro possono essere difficili da rilevare. Con un gran numero di edifici storici e infrastrutture obsolete, l’Europa deve affrontare un compito enorme per mantenere i suoi edifici in buono stato.

La sola manutenzione e riparazione di 1,1 milioni di ponti dell’UE richiede un budget stimato di ?-6 miliardi ogni anno, mentre la loro sostituzione potrebbe costare più di 鈧?00 miliardi. E poiché circa un quinto delle case nell’UE ha più di 69 anni secondo i dati del 2015, mantenerle in uno stato vivibile diventerà un onere crescente per il settore delle costruzioni.

Ha portato alcuni scienziati a chiedersi se sia possibile per gli edifici prendersi cura di se stessi.

“Sebbene le strutture e gli oggetti in pietra naturale possano essere sopravvissuti nel corso dei secoli, gli agenti atmosferici e gli stress quotidiani causano danni e deterioramento”, ha affermato il dott. Magdalini Theodoridou, ingegnere e ricercatore accademico dell’Università di Newcastle presso l’Hub for Biotechnology in the Built Environment, Regno Unito. “Ciò potrebbe compromettere l’integrità strutturale e la sicurezza degli edifici, oltre a ridurne il fascino estetico.

“Fornire alle murature e alle opere in pietra un sistema immunitario integrato, pronto a funzionare prima che il danno diventi critico, andrà a vantaggio in modo significativo della loro longevità e ridurrà le loro esigenze di manutenzione”.

batteri

Per consentire agli edifici di ripararsi da soli, il Dr. Theodoridou ha utilizzato batteri che possono agire in modo molto simile alle cellule immunitarie del corpo umano responsabili della rilevazione delle lesioni e dell’aiuto alla guarigione.

Mentre lavorava come ricercatrice presso l’Università di Cardiff, ha fatto parte del progetto GEOHEAL che ha sviluppato modi di utilizzare i batteri per riparare i danni alla pietra naturale e alla muratura.

Il lavoro precedente di altri gruppi ha dimostrato che è possibile creare cemento autorigenerante seminandolo con spore batteriche. Le spore sono contenute all’interno di minuscole capsule insieme a un apporto di sostanze nutritive.

Quando appare una crepa nella struttura in cemento, le capsule si rompono e i batteri esposti si moltiplicano, producendo carbonato di calcio, il principale costituente del calcare e che si trova nei gusci delle creature marine. Questo si indurisce nella calcite minerale stabile, che cementa insieme la fessura.

Ma mentre specifici tipi di batteri resistenti, capaci di resistere alla gamma di condizioni che una struttura potrebbe subire, possono essere aggiunti al calcestruzzo mentre viene miscelato, inserirli nella pietra naturale è più una sfida.

Il team di GEOHEAL ha sviluppato una tecnica che consente loro di spruzzare o spazzolare la muratura esistente con un liquido contenente batteri del suolo presenti in natura. Questi poi si fanno strada nella roccia porosa e alla fine guariscono i danni non appena si verificano. Il trattamento contiene anche calcio insieme ai nutrienti di cui i batteri hanno bisogno per crescere e produrre calcite.

I due tipi di batteri del suolo utilizzati, la porosarcina pasteurii e la Sporosarcina ureae, fanno facilmente la loro casa all’interno della pietra, afferma il dott. Michael Harbottle, coordinatore del progetto GEOHEAL e docente di ingegneria geoambientale presso l’Università di Cardiff, nel Regno Unito.

“I materiali lapidei e geologici sono per natura biorecettivi, grazie alla loro composizione mineralogica e alla microstruttura porosa”, ha affermato. “I batteri che abbiamo usato possono vivere felicemente in tali ambienti e portare alla formazione di nuovi minerali, purché abbiano accesso ad acqua, ossigeno e sostanze nutritive, inclusa una fonte di ioni calcio”.

Autoguarigione

Mentre i batteri potrebbero nutrirsi del calcio già contenuto in alcuni tipi di rocce naturali come calcare, marmi e arenarie, questo potrebbe degradare la pietra circostante. Invece, i ricercatori forniscono calcio aggiuntivo affinché i batteri si trasformino in calcite indurita.

“Forniamo agli ioni calcio i nutrienti per aumentare l’efficienza del sistema di autoguarigione, nonché per prevenire la decomposizione del tessuto naturale dei materiali ospiti”, ha affermato il dott. Harbottle.

I ricercatori hanno anche sviluppato una malta autorigenerante per tenere insieme pietre e mattoni aggiungendo batteri dormienti alla pasta di malta insieme a una rete di “vene” contenenti sostanze nutritive. Quando la malta è danneggiata, queste vene si rompono, fornendo cibo per i batteri che li fanno moltiplicare e riparano le crepe. Mentre lo fanno, si ri-incapsulano, diventando ancora una volta dormienti e pronti a ricominciare il processo di riparazione in caso di ulteriori danni.

A condizione che i batteri possano accedere all’acqua o all’ossigeno, il processo di autoguarigione può avvenire a qualsiasi profondità nella pietra in cui potrebbe apparire una fessura. La maggior parte dei trattamenti per il ripristino e la protezione della vecchia muratura tendono ad essere limitati ai rivestimenti sulla superficie della muratura, afferma il dott. Theodoridou.

Durante il progetto biennale, terminato all’inizio del 2020, i ricercatori hanno anche collaborato con il governo gallese per vedere se il loro sistema batterico potesse aiutare a preservare la storica Tintern Abbey nel Monmouthshire, nel Galles. I test condotti su campioni di pietra del sito hanno mostrato che i batteri potrebbero migliorare la microstruttura della muratura.

Fondamentalmente hanno anche scoperto che l’aspetto della pietra stessa non è cambiato.

“Ad esempio, non sono state trovate alterazioni del colore che potrebbero essere rilevabili dall’occhio umano”, ha affermato il dott. Harbottle. Inoltre, il trattamento batterico non ha influito sulla “traspirabilità” della pietra, cosa che può essere un problema con i tradizionali trattamenti di protezione della pietra e sigillanti, che possono portare allo sfaldamento dello strato superficiale a causa dell’accumulo di sali dietro di esso. Questo può quindi accelerare l’invecchiamento della pietra esposta al di sotto.

Infrastruttura

Il Dr. Theodoridou aggiunge che l’uso di trattamenti di autoguarigione batterica potrebbe essere particolarmente utile per le infrastrutture critiche e quelle di difficile accesso, come ponti e tunnel. Potrebbe anche aiutare a prolungare la vita degli edifici più vecchi che hanno subito danni.

Ciò potrebbe contribuire al raggiungimento degli obiettivi di sostenibilità globale, afferma.

Il settore delle costruzioni è responsabile di circa il 5-12% delle emissioni di gas serra in Europa e dell’11% a livello mondiale, il che lo rende uno dei principali responsabili del cambiamento climatico. Aiutando gli edifici a durare più a lungo con meno riparazioni, i materiali autorigeneranti potrebbero ridurre tali emissioni.

Per strutture come ponti, gallerie e muri di contenimento terra, la capacità di autoripararsi potrebbe anche migliorare notevolmente la loro sicurezza. I danni a queste infrastrutture critiche possono portare a guasti catastrofici se non vengono mantenute regolarmente. Nel 2018, il crollo del Ponte Morandi, a Genova, in Italia, ha causato la morte di 43 persone e gli investigatori hanno identificato cavi corrosi e danni al cemento come in parte responsabili.

Gran parte di queste strutture, tuttavia, tendono ad essere interrate, rendendo la manutenzione e le ispezioni un compito ancora più difficile. Secondo i ricercatori che lavorano al progetto GEOBACTICON, il calcestruzzo autorigenerante in queste situazioni potrebbe aiutare a risparmiare fino a 20 milioni di euro all’anno sui costi di manutenzione e riparazione dei tunnel e dei muri di sostegno in terra d’Europa.

Suolo

La maggior parte delle ricerche sul calcestruzzo autorigenerante si è concentrata su strutture esposte all’aria o all’acqua piuttosto che su quelle immerse nel terreno. Diversi tipi di terreno con umidità e acidità variabili possono influenzare il calcestruzzo in un’ampia gamma di modi.

“Non è chiaro se il processo di auto-guarigione sia efficiente all’interno di elementi concreti esposti a condizioni del terreno così complicate”, ha affermato il dott. Adam Souid, ingegnere dell’Università di Derby, Regno Unito, e ricercatore principale di GEOBACTICON. Il progetto, conclusosi a dicembre, stava cercando di svelare come potrebbe comportarsi l’autoguarigione basata sui batteri nel cemento interrato.

Lui e i suoi colleghi hanno mescolato al cemento capsule di gel ricche di calcio riempite con i batteri del suolo Bacillus subtilis e le hanno modellate in blocchi. Questi sono stati poi deliberatamente danneggiati e sepolti in vari tipi di terreno naturale. Hanno scoperto che in alcuni terreni, altri batteri del suolo potrebbero penetrare nelle fessure e competere con i batteri curativi.

Anche la dimensione e la composizione delle particelle di terreno potrebbero causare problemi in quanto queste possono infiltrarsi nelle fessure, mentre era importante anche la quantità di acqua che saturava il terreno in quanto poteva generare pressione all’interno dei pori e delle crepe che ne pregiudicavano la conseguente guarigione. I suoli più saturi tendevano a guarire meglio, hanno scoperto i ricercatori.

I risultati hanno fornito al team indizi vitali su come migliorare i processi di autoguarigione nelle strutture sotterranee, che ora stanno iniziando a studiare. Se hanno successo, tuttavia, potrebbe essere vitale non solo per mantenere l’integrità del calcestruzzo stesso, ma anche per proteggere le barre d’acciaio racchiuse all’interno del calcestruzzo per rinforzare grandi strutture.

Se esposto a umidità, composti acidi e altre sostanze chimiche presenti nel terreno, l’acciaio può corrodersi e indebolirsi, afferma il dott. Souid. “La tecnologia batterica del calcestruzzo autoriparante può proteggere le strutture e le infrastrutture in cemento armato in modo attivo e duraturo senza indagini, controlli o interventi umani”.

La pietra e il cemento autorigeneranti potrebbero persino portare a nuove entusiasmanti forme di architettura in futuro, ritiene il dott. Theodoridou. “Nelle nuove costruzioni, la possibilità di incorporare materiali autorigeneranti ed elementi strutturali consentirebbe progetti più audaci e più sostenibili”.


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