Use of biomineralization in self-healing cement-based materials

Abstract

Factors affecting the durability of concrete structures are generally associated with each other. Due to its brittle nature, concrete can crack when stress is applied. Recent research in the field proposes that it might be possible to develop a smart, cement-based material that can self-heal itself. Self-healing is the ability of concrete to heal the cracks without any external intervention. Self-healing property of concrete can be obtained via different approaches. Use of biomineralization is a novel technique to provide self-healing in cement-based materials. Biomineralization is a biochemical process in which microorganisms stimulate the formation of minerals.In this system, calcium carbonate (CaCO3) is induced by leveraging the metabolic activity of microorganism and self-healing is obtained by sealing of the cracks with CaCO3. A limited number of studies have been conducted to evaluate self-healing by biomineralization as means of recovery in compressive strength. However, there is not enough information regarding the influence of this system on flexural strength. In addition, none of the previous work to date studied the interactions amongst concrete admixtures, biomineralization, and the resultant self-healing ability. At last, the durability of the CaCO3 precipitate under weathering conditions is controversial. The goal of this study was to investigate these abovementioned issues in depth and fill the knowledge gap in the literature. The ultimate goal was to take novel method one-step further into practical use.In this study, the bacteria was introduced to cement paste with its growth media without any additional manipulation such as encapsulation. With this approach, the flexural cracks on mortar surface were sealed with the CaCO3, the permeability of the healed specimen was decreased compared to the cracked samples. However, there was no significant flexural strength regain after crack healing. This was attributed to the soft and brittle nature of theCaCO3 as well as the weak bonding between the precipitate and the mortar. The precipitate, CaCO3, was found to be durable against rain and freeze-thaw cycles. However, the resistance of the CaCO3 sealant against sunlight was lower than its resistance to other weathering conditions.

Beton yapıların servis ömrünü etkileyen faktörler birbirleriyle genellikle bağlantılıdır. Beton gevrek ve kırılgan doğası yüzünden, gerilmeler altında çatlayabilir. Son yıllarda yapılan araştırmalar kendiliğinden iyileşen çimento esaslı malzemelerin üretiminin mümkün olduğunu göstermiştir. Kendiliğinden iyileşme özelliği, betonun oluşan çatlakları kendiliğinden kapatabilmesidir. Bu amaçla kullanılabilecek yenilikçi yöntemlerden biri biyomineralizasyondur. Biyomineralizasyon için kullanılan metabolik aktiviteleri sonucu ürün olarak kalsiyum karbonat (CaCO3) oluşur ve oluşan ürün/CaCO3 çökeltisinin çatlakları doldurması ile kendiliğinden iyileşme elde edilir.Biyomineralizasyon ile kendiliğinden iyileşmenin basınç dayanımına etkisi ile ilgili yapılmış araştırmalar vardır, ancak eğilme dayanımı üzerindeki etkileri yeterince açıklanmamıştır. Ayrıca, beton üretiminde sıkça kullanılan kimyasal katkı malzemelerinin biyomineralizasyona, dolayısı ile kendiliğinden iyileşme yeteneğine nasıl bir etkisi olduğu bilinmemektedir. Son olarak, kendiliğinden iyileşmeyi sağlayan çökeltini dayanıklılığı da yanıtlanmamış konulardan biridir. Bu projenin amacı, çimento esaslı malzemelerde çatlakların biyomineralizasyon ile sağlanan kendiliğinden iyileşme mekanizmasının daha detaylı bir şekilde incelemektir. Bu projede çimento harcı içine katılacak bakteriler besi yerinde büyütüldükten sonra hiç bir işlem uygulanmadan, çimento ile karıştırılmıştır.Ardından çimento harcı içine karıştırılan bakteriler eğilme altında oluşturulan çatlakları kapatabilmiş, ürün/CaCO3 çatlakları doldurmuş, geçirgenliği azaltmış ancak eğilme dayanımında belirgin bir artış sağlanamamıştır. Bu oluşan ürün/CaCO3'ın çimento harcı ile yaptığı bağın (aderans) zayıflığına ve yumuşak yapışı ile ilişkilendirilmiştir. Çatlakları kapatan ürün/CaCO3'ın yağmur suyu ve donma-çözünme gibi doğal olaylardan etkilenmediği gözlemlenirken, ürün/CaCO3'ın ışığa karşı direncinin diğer doğal olaylara göre daha az olduğu saptanmıştır.