Bio-based rheology modifying agents for cement-based materials

Abstract

Recent developments in the construction sector lead to the possible implementation of advanced manufacturing techniques of cement-based materials. Such concrete production led to the development of high-performance concrete mixes (HPC) with superior fresh state qualities over conventional concrete. HPC mix design requires fresh-state properties like homogeneity, flowability, and high workability. These properties cannot be achieved by relying on natural rheological properties of cement paste itself. These parameters can be obtained through the use of various chemical and mineral additives to increase flowability without causing segregation and bleeding in concrete. These additives could be generally named “Rheology Modifying Agents” including superplasticizers, high range water reducers (HRWR), and viscosity of modifying agents (VMA). While the list of synthetic rheology modifying agents are extensive, a few novel bio-based natural polymers like welan gum and diutan gum are now being used in cement based materials as VMAs. Not only they enhance the rheological performance by improving yield stress, they also provide the stability and segregation resistance in cementitious systems. These biopolymers naturally contain long polysaccharide molecular structure and high molecular weight which increases water retention. Recent studies also show that extracellular polysaccharides and cell walls extracted from bacterial cells could also be used as an alternative VMA. Previously, we also showed that species of Sporosarcina pasteurii, Bacillus megaterium, Bacillus subtilis, and Peanibacillus polymxa can increase both yield stress and viscosity at low w/c mixes when they were used at optimum dosages. However, the efficiency of these cells was almost eliminated at w/c higher than 0.45. This thesis aims to develop a bio-based viscosity modifying agent (bio-VMAs) for cement-based materials particularly for highly flowable mixes. We follow 2 different approaches to achieve this goal. First, bacterial cells and biofilms formed by Peanibacillus polymxa, and Bacillus amyloliquefaciens species were used as bio-VMAs. Then, a 2-part bio-VMA was developed by immobilizing S.pasteurii cells on locally available minerals such as diatomaceous earth, metakaolin, sepiolite, and pumice. The influence of PCE based superplasticizer and fly ash were evaluated based on the impact of bio-VMA dosage and water to cement ratio. The performance of designed bio-VMAs was mainly evaluated through rheological analysis and mini-slump test. A further compressive strength testing was done for mortar samples containing 2-part bio-VMA. Our results showed that the yield stress of cement paste could be increased by the addition of bio-VMAs. The use of 2-part bio-VMAs was more promising in terms of improving rheology without sacrificing performance.

İnşaat sektöründeki son gelişmeler, çimento bazlı malzemelerin ileri üretim tekniklerinin olası uygulamasına olanak sağlamıştır. Bu tür beton üretimi, geleneksel betona göre üstün taze beton özelliklerine sahip yüksek performanslı beton karışımlarının (HPC) geliştirilmesine yol açmıştır. Yüksek performanslı beton tasarımı homojenlik, akışkanlık ve yüksek işlenebilirlik gibi taze beton özellikleri gerektirir. Bu özellikler çimento hamurunun doğal reolojik özelliklerine dayanarak elde edilemez. Betonda ayrışmaya ve terlemeye neden olmadan akışkanlığı arttırmak çeşitli kimyasal ve mineral katkı maddeleri kullanılarak elde edilebilir. Bu katkı malzemeleri genel olarak dağıtma gücü yüksek akışkanlaştırıcılar (HRWR), süperakışkanlaştırıcılar ve viskozite düzenleyici katkı malzemelerinin (VDK) gibi reoloji düzenleyici katkı malzemeleri olarak adlandırılabilir. Sentetik reoloji düzenleyici katkı malzemelerinin listesi geniş olmakla birlikte, welan sakızı ve diutan sakızı gibi biyolojik bazlı doğal polimerler VDK olarak çimento bazlı malzemelerde kullanılmaktadır. Bu katkı malzemeleri sadece akma gerilimini arttırarak reolojik performansı arttırmakla kalmaz, aynı zamanda çimento bazlı sistemlerde kararlılığın (stabilizasyonun) ve ayrışma direncinin de artmasını sağlarlar. Bahsedilen biyolojik bazlı polimerler uzun polisakkarit molekül yapısına ve yüksek molekül ağırlığına sahiptir ve bu sayede su tutma oranını arttırırlar. Son dönemlerde yapılan çalışmalar bakteri hücrelerinden elde edilen hücre dışı polisakkaritlerin ve bakteri hücre duvarlarının da alternatif VDK olarak kullanılabileceğini göstermektedir. Daha önceki çalışmalarda Sporosarcina pasteurii, Bacillus megaterium, Bacillus subtilis ve Peanibacillus polymxa türlerinin optimum dozajlarda kullanıldığında düşük su/çimento karışımlarında hem akma gerilimini hem de viskoziteyi attırabileceği gösterilmiştir. Ancak su-çimento oranı 0.45’ten daha yüksek olması durumda hücrelerin VDK olarak verimi neredeyse ortadan kalkmıştır. Bu tez çimento esaslı malzemelerde özellikle yüksek derecede akışkan karışımlar için biyolojik bazlı viskozite düzenleyici katkı malzemesi (VDK) geliştirmeyi amaçlamaktadır. Bu hedefte iki farklı yaklaşım izlenmiştir. İlk olarak Peanibacillus polymxa ve Bacillus amyloliquefaciens türleri tarafından oluşturulan bakteri hücreleri ve biyofilmler, biyolojik bazlı VDK olarak kullanılmıştır. Daha sonra iki bileşenli biyolojik VDK üretilmesi amacıyla S.pasteurii hücreleri, diatomlu toprak, metakaolin, lületaşı ve ponza üzerine sabitlenmiştir. Süperakışkanlaştırıcı ve uçucu külün eklendiği karışımlar hazırlanmıştır ve farklı hücre ve biyofilm dozajları ile farklı su oranlarının etkisi incelenmiştir. Tasarlanan biyolojik VDK’lar reolojik analizler ve mini-yayılma testleri ile değerlendirilmiştir. 2 bileşenli katkı malzemesi içeren harç numuneleri için basınç dayanımı testi uygulanmıştır. Elde edilen sonuçlar çimento hamurunun akma stresinin biyolojik bazlı VDK’ların eklenmesiyle arttırılabileceğini göstermiştir. 2 bileşenli biyolojik katkı malzemelerinin kullanımı, performanstan ödün vermeden çimento hamurunun reolojik performansının geliştirilmesine olanak sağlamıştır.