Development of two-phase biological self-healing agents for cement-based mortar

Abstract

Factors affecting durability of concrete structures are generally associated with each other. Due to its brittle nature, concrete can crack under stress and these cracks can decrease the service life of concrete structures. Therefore, it is crucial to find alternative methods to detect and recover microcracks, then to repair them before they were developed into wider cracks. Recent research in the field of concrete materials suggested that it might be possible to develop a smart cement-based material that is capable of remediate cracks by triggering biogenic calcium carbonate (CaCO3). The mineral precipitation was obtained by leveraging the metabolic activity of microorganisms to provide microbial induced calcium carbonate precipitation (MICP). The research done on possible use of MICP in cement-based systems has showed promising results and the studies suggest this process could be a useful approach for remediation of cracks on the surface of concrete. The goal of this study was to design a 2-phase biological self-healing agent for cement-based materials. For this specific goal vegetative Sporosarcina pasteurii (S. pasteurii) cells were immobilized on the selected natural minerals or light weight aggregate (LWA). Herein, the bacterial cells were immobilized on diatomaceous earth, bentonite, sepiolite and pumice, to remediate flexural cracks on mortar in early ages (14 and 28 days after mixing). To obtain the 2-phase bio additive, half of the minerals were saturated with a nutrient medium consisting of urea, corn-steep liqueur (CSL) and calcium acetate and the cells with immobilized to the other half without nutrients. Screening of the healing process was done with ultrasonic pulse velocity (UPV) testing and stereomicroscopy. Additional evaluations were conducted with water absorption test and viability assessment. Precipitated formations were further examined with scanning electron microscopy (SEM) analysis. With this approach, the cracks on mortar surface were sealed with the biogenic precipitate and the water absorption capacity of the so-called self-healed mortar was decreased compared to its counterpart cracked mortar samples. Calcite was found to be the dominant precipitate in the remediated cracks. At last, the bacterial cells immobilized on various protection barriers were viable and functional for extended time periods.

Beton dayanıklılığını etkileyen faktörler kendi içlerinde bir etkileşim içerisindedir. Stres altında çatlak oluşumu, beton yapılarda hizmet ömrünü kısaltan kaçınılmaz bir sorundur. Beton yapılarda oluşan kılcal çatlakların hızlı bir şekilde tespit edilmesi ve ilerleme kaydedip büyük ölçekli çatlaklara dönüşmeden onarılması oldukça önemlidir. Son yıllarda yapılan araştırmalar kendiliğinden iyileşen çimento-esaslı malzemeler ile kılcal çatlakların onarılmasının mümkün olduğunu göstermiştir. Bu amaçla kullanılabilecek en yenilikçi yöntemlerden biri biyomineralizasyondur. Bu reaksiyonda mikroorganizmaların metabolik aktivitelerin sonucu ürün olarak kalsiyum karbonat (CaCO3) oluşur ve oluşan CaCO3 çökeltisinin çatlakları doldurması ile kendiliğinden iyileşme elde edilir. Bu sistemde mineral çökelmesi, bakterilerin metaboik aktiviteleri kullanılarak tetiklenmektedir. Bu sistemin çimento bazlı yapılarda çatlak kapanması amacı ile kullanılableceği, yapılan çalışmalar sonucunda gelecek vaat eden bir yöntem olarak öne çıkmıştır. Bu çalışmanın hedefi iki bileşenli bir biyolojik katkı maddesinin geliştirilmesiydi. Bu hedef doğrultusunda, Sporasarcina pasteurii bakterisinin doğal mineraller olan diyatomlu toprak, bentonit, lületaşı ve ponza üzerine sabitlenmesiyle erken yaşta oluşturlan çatlakların (14 ve 28 gün) onarılması incelenmiştir. İki fazlı bir biyo-onarım malzemesi elde etmek için hücreler ilk olarak 108 CFU/mL konsantrasyon ile sterilize edilmiş fosfat çözeltisi (PBS) içerisine eklendi. Kullanılan minerallerin yarısı bu solüsyon içinde en az 24 saat tutuldu. Minerallerin diğer yarısı ise Üre-MMS ( Mısır maserasyon sıvısı) ve kalsiyum asetat içeren sulu besi yerine 24 saat boyunca batırıldı. Onarım etkinliği stereo mikroskop ve ultrason dalga takibi ile incelendi. Ek olarak kirişlerin su emme kapasitesi ve sonrasında hücre canlılığı test edildi. Çatlak içerisindeki çökeltilerin yapısı taramalı elektron mikroskopu (SEM) ile incelendi. Bu yöntem ile bakteri içeren örneklerde çatlak kapanması ve su emme kapasitlerinde azalma gözlemlendi. Ultrason dalga takibi sonuçları biyo-onarım malzemesi ile hazırlanan örneklerde, kontrol örneklerine oranla artış gösterdi. Çökelti yapısı mikroskop incelemeli sonucunda kalsit yoğunluğu gösterdi. Kullanılan minerallerin, hücreleri beton içerisinde uzun periyotlar için canlı tutabileceği kanıtlandı.