Rheology modifying agents : a key technology developed by using microorgsnisms

Abstract

Recent development in concrete technology enabled the design of highly flowable mixes with improved workability. These advanced mixes require incorporation of fine materials or viscosity modifying agents (VMA) to reduce the possible segregation and bleeding due to the use of high range water reducers (such as superplasticizers). The VMAs used in concrete production are generally produced from acrylic polymers and polysaccharide-based biopolymers obtained from cellulose, starch or bacterial fermentation. Diutan gum, produced by fermentation of Sphinogomonas sp, and welan gum, which is a fermentation product of Alcaligenes sp, are the most commonly used polysaccharide VMAs. Similar polysaccharides can be obtained by fermentation of genetically modified bacteria or using plant cell walls. Most polysaccharide based VMAs are able to increase the viscosity of cement paste and exhibit shear thinning behavior such that increased shear rate results with a substantial decrease in apparent viscosity. This behavior is attributed to the long molecular structure of bio-based polysaccharides. Though highly effective bacterial fermentation products can resist the high PH environment of cement-paste, the ecological population of the species is not known. Thus, they are among the most expensive cement admixtures. Advances in construction technology and risen importance of sustainability initiatives reinforce the use of biological admixtures, however, their relatively high cost can be a major drawback in practical applications. Through the literature, nopal mucilage, brown algae, and bacterial cell walls were proposed as alternatives to these bacterial fermentation products. However, these alternatives also require extra processing which required bigger budget even compared to bacterial fermentation products. This project aims to incorporate bacteria cells to the cement-based mix as VMAs without any extra intervention. To achieve this goal, Sporosarcina pasteurii (S.pasteurii), Bacillus megaterium (B. megaterium), Bacillus subtilis (B. subtilis) and Paenibacillus polymyxa (P. polymyxa) were selected as suitable due to their abundant resource in nature. These Gram-positive bacterial cells include peptidoglycans and polysaccharides in their cell wall structure, which resembles the molecular structure of commercially used VMAs. In addition, these cells, particularly B. subtilis, can influence the viscosity of a suspension due to its motility. Throughout the study, these cells were grown in specified nutrient media and then harvested from the inoculum by centrifuging. Then, these cells were suspended in mixing water and their influence on the rheology of cement paste was evaluated. In addition, the influence of water to cement ratio, the dosage of cells added was evaluated along with the impacts of superplasticizers and fly ash on the performance of bacteria cells as VMAs. There are few established industrial and various small-scale companies that produce biological admixtures for cement-based materials. However, nationwide these biological admixtures (for instance chitosan) are only produced for the food industry. The product obtained by the end of this study is a novel and sustainable practice in Turkey, where the construction industry leads the economy.

Günümüzde gelişen beton teknolojisi, yeni kuşak çimento esaslı malzemelerin gelişiminin önünü açmıştır. Akışkanlığı ve işlenebilirliği yüksek harç ve betonların kullanımı gittikçe artmaktadır. Bu tür malzemelerde dağıtma gücü çok yüksek akışkanlaştırıcı katkıların neden olduğu ayrışmayı (segregasyon) ve terlemeyi önleyebilmek için daha ince tanecikli malzemeler veya viskozite düzenleyici katkıların (VDK) kullanımı artmaktadır. VDK, akışkanlığı yüksek olan beton ya da harçların kararlılığını (stabilizesini) arttırmakta ve taze çimento hamuru performansını yükseltmektedir. Günümüzde beton üretiminde kullanılan VDK’lar suda çözünen polivinil alkol veya polimerlerden oluşmaktadır. VDK’lar akrilik polimerlerden, selülozdan, nişastadan veya bakteri fermantasyonu gibi polisakkarit bazlı biyopolimerlerden elde edilmektedir. Bakterilerden elde edilen polisakkaritlerden CP Kelco adlı şirketin Sphingomonas bakterisinin fermantasyonu ile elde ettiği diutan sakızı, Merck & CO adlı şirketin Alcaligenes bakterisini kullanarak ürettiği welan sakızı çimento esaslı malzemelerde VDK olarak sıkça kullanılmaktadır. Benzer şekilde piyasada bakterilerin genleri ile oynanarak ya da bitkilerin hücre duvarları kullanılarak farklı polisakkaritler elde edilebildiği bilinmektedir. Çimento esaslı malzemelerde VDK olarak kullanılan biyolojik polisakkaritler çimento hamurunun viskozitesini arttırdığı belirlenirken, yapılan testlerde kayma hızı arttırılırken malzemenin inceldiği (shear-thinning) gözlemlenmiştir. Bu özelliklerin biyolojik polisakkaritlerin uzun moleküler yapısı ile ilişkili olduğu bilinmektedir. Bu fermantasyonun ürünü olan polisakkaritler yüksek PH değerlerine dayanma özellikleriyle ön plana çıkarken, bunları üretecek mikroorganizmaların ekolojik olarak popülasyonu bilinmemektedir. Bu nedenle birim fiyat yükselmektedir. İlerleyen teknoloji ve sürdürülebilirlik bilinci biyolojik katkı malzemelerinin inşaat sektöründe kullanımının artmasını teşvik ederken, maliyetlerinin yüksek olması bir dezavantaj yaratmaktadır. Uluslararası literatürde bu fermantasyon ürünlerine alternatif olarak göllerden toplanan yosunlar ve bakterilerin, sadece hücre duvarlarının ayrıştırılarak kullanılması incelenmiştir. Ancak bu iki ürünün elde edilmesinde özel işçilik gerektirecek farklı işlemlerin uygulanması, maliyetlerin yine yükselmesine sebep olmuştur. Bu projenin amacı doğadan kolayca elde edilen mikroorganizmaları, hücre duvarını ayrıştırılması gibi özel işlemler gerektirmeden, çimento esaslı malzemelerde VDK olarak kullanarak reolojisi iyileştirilmiş bir çimento harcı (ürün) elde etmektir. Bu amaç doğrultusunda Sporosarcina pasteurii, Bacillus magetrium, Bacillus subtilis ve Paenibacillus polymyxa bakteri suşları seçilmiştir. Bu çalışma süresince, bakteriler besi yerlerinde büyütüldükten sonra santrifüj edilerek ortamdan ayrıştırılmıştır. Ardından bu hücreler çimento karışım suyuna eklenmiş ve çimento hamurunun reolojisine olan etkileri test edilmiştir. Ayrıca farklı su oranlarında ve bakteri dozajlarının test edileceği karışımlara, süperakışkanlaştırıcıların ve uçucu külün bakterilere olan etkisi incelenmiştir.