Les infrastructures facilitent et facilitent notre vie quotidienne - pensez aux routes sur lesquelles nous passons, aux ponts et tunnels qui facilitent le transport de personnes et de marchandises, aux immeubles de bureaux où nous travaillons et aux barrages qui fournissent l'eau que nous buvons. Mais ce n’est un secret pour personne que les infrastructures américaines vieillissent et ont désespérément besoin d’être réhabilitées.
Les structures en béton, en particulier, souffrent d'une grave détérioration. Les fissures sont très courantes en raison de divers phénomènes chimiques et physiques qui se produisent au cours d'une utilisation quotidienne. Le béton se contracte en séchant, ce qui peut provoquer des fissures. Il peut craquer lorsqu'il y a du mouvement en dessous ou grâce aux cycles de gel / dégel au fil des saisons. Trop de poids peut provoquer des fractures. Pire encore, les barres d'acier incorporées dans le béton en tant qu'armature peuvent se corroder avec le temps.
De très petites fissures peuvent être très nocives, car elles facilitent l’entrée des liquides et des gaz, ainsi que des substances nocives qu’ils peuvent contenir. Par exemple, les microfissures peuvent permettre à l'eau et à l'oxygène de s'infiltrer puis de corroder l'acier, entraînant une défaillance structurelle. Même une mince brèche sur toute la largeur d'un cheveu peut laisser entrer suffisamment d'eau pour miner l'intégrité du béton.
Toutefois, les travaux d’entretien et de réparation en continu sont difficiles car ils nécessitent généralement une main-d’œuvre et des investissements considérables.
Ainsi, depuis 2013, j'essaie de comprendre comment ces fissures nuisibles pourraient se soigner sans intervention humaine. L'idée a été inspirée à l'origine par la capacité étonnante du corps humain à se soigner des coupures, des ecchymoses et des fractures. Une personne absorbe les nutriments que le corps utilise pour produire de nouveaux substituts afin de soigner les tissus endommagés. De la même manière, pouvons-nous fournir au béton les produits nécessaires pour combler les fissures en cas de dommages?
Mes collègues de l'Université Binghamton, Guangwen Zhou et David Davies, Ning Zhang de l'Université Rutgers et moi-même avons trouvé un candidat inhabituel pour aider à la guérison concrète: un champignon appelé Trichoderma reesei .
Les chercheurs ont examiné un certain nombre de champignons à la recherche d'un candidat pouvant aider à combler les fissures dans le béton. (Congrui Jin, CC BY-ND) Nous avons d'abord examiné environ 20 espèces différentes de champignons afin d'en trouver un qui pourrait résister aux conditions difficiles du béton. Certains nous ont isolé à partir des racines de plantes qui poussaient dans des sols pauvres en éléments nutritifs, notamment des toundras du New Jersey et des montagnes Rocheuses canadiennes en Alberta.
Nous avons constaté que, lorsque l'hydroxyde de calcium du béton dissous dans l'eau, le pH de notre milieu de croissance fongique augmentait, passant d'une valeur d'origine presque neutre à une valeur de 6, 5 à une valeur très alcaline de 13, 0. De tous les champignons que nous avons testés, seul T. reesei pourrait survivre dans cet environnement. En dépit de l'augmentation drastique du pH, ses spores ont germé en mycélium hyphal filiforme et se sont développées aussi bien avec ou sans béton.
Une fois que les spores (à gauche) ont germé avec l’ajout d’eau, elles se sont transformées en mycélium hyphal filiforme (à droite). (Congrui Jin, CC BY-ND) Nous proposons d'inclure les spores de champignons, ainsi que les nutriments, lors du processus de mélange initial lors de la construction d'une nouvelle structure en béton. Lorsque les inévitables craquements se produisent et que l'eau pénètre dans l'eau, les spores fongiques dormantes vont germer.
Au fur et à mesure qu'ils grandissent, ils agissent comme un catalyseur dans les conditions riches en calcium du béton pour favoriser la précipitation des cristaux de carbonate de calcium. Ces dépôts minéraux peuvent combler les fissures. Lorsque les fissures sont complètement calfeutrées et que plus aucune eau ne peut pénétrer, les champignons vont à nouveau former des spores. Si des fissures se forment à nouveau et que les conditions environnementales deviennent favorables, les spores peuvent se réveiller et répéter le processus.
T. reesei est respectueux de l'environnement et non pathogène et ne pose aucun risque connu pour la santé humaine. Malgré sa présence généralisée dans les sols tropicaux, aucun effet nocif sur les plantes ou les animaux aquatiques ou terrestres n’a été signalé. En fait, T. reesei a une longue histoire d'utilisation sans danger pour la production à l'échelle industrielle d'enzymes glucidiques, telles que la cellulase, qui joue un rôle important dans les processus de fermentation au cours de la vinification. Bien entendu, les chercheurs devront procéder à une évaluation approfondie afin de déterminer les éventuels effets immédiats et à long terme sur l'environnement et la santé humaine avant de les utiliser comme agents de cicatrisation dans les infrastructures en béton.
Les futures recettes de ciment peuvent inclure des champignons. (Traversée du centre-ville à Turner Park, CC BY) Nous ne comprenons toujours pas pleinement cette technique de réparation biologique très récente mais prometteuse. Le béton est un environnement hostile pour le champignon: valeurs de pH très élevées, taille des pores relativement petite, déficit important en humidité, températures élevées en été et basses températures en hiver, disponibilité limitée en éléments nutritifs et exposition possible aux rayons ultraviolets du soleil. Tous ces facteurs influencent considérablement les activités métaboliques des champignons et les rendent vulnérables à la mort.
Nos recherches en sont encore au stade initial et il reste encore beaucoup à faire pour que l'auto-guérison soit concrète et rentable. Mais l'ampleur des défis de l'infrastructure américaine rend l'exploration de solutions créatives comme celle-ci en vaut la peine.
Cet article a été publié à l'origine sur The Conversation.
Congrui Jin, professeur adjoint en génie mécanique, Université de Binghamton, Université d'État de New York
