A performance based assesment of biological self-healing cement-based mortar

Abstract

Concrete is the second most used material after water, and the demand for cement-based systems is rapidly increasing due to the urbanization. Because of the cement content, the concrete induces approximately 8% of total carbon emissions. It becomes a necessity to make the concrete industry more sustainable and decrease the carbon dioxide (CO2) emissions. Unfortunately, it is unfeasible to produce a concrete by not using cement. We have to reshape how we consume cement-based materials to achieve carbon neutrality in the sector. To date, it is evident that eliminating cement from structural concrete is not feasible, thus it will be more efficient to improve the service life of the structures. A major problem in concrete structures is early age microcracking. Early age microcracks occurring in concrete increase the permeability, consequently decreasing the durability. Recent studies showed that it might be possible to remediate microcracks in the cement-based materials by microbial-induced calcium carbonate precipitation (MICP). However, the main challenge of the application is to provide a suitable carrier to keep the bacterial cells viable in highly alkaline cement paste matrix. This study aims to develop a biological additive to trigger self-healing in cement-based systems by immobilizing Sporosarcina pasteurii (S. pasteurii) cells on natural minerals zeolite, metakaolin and perlite. Self-healing ability of bio-based additive was evaluated through healing of flexural cracks in early-age mortar (14 days and 28 days after mixing) samples. Screening of the healing process was done with stereomicroscopy analysis, ultrasonic pulse velocity test (UPV) and water absorption tests. An accelerated corrosion test was applied to self-healed reinforced mortars to evaluate impact of crack sealing on rebar corrosion. Moreover, the impact of biological additive on the drying shrinkage and the performance of cement-based mortar was also evaluated. According to conducted analyses, zeolite itself was found to be efficient in autogenous self-healing through its reactivity and internal curing mechanism. Metakaolin and perlite were not found to be suitable to immobilizing bacteria cells. It was concluded that the pore structure and the water absorption capacities of minerals are the main criteria to select a suitable carrier for bacteria cells. While the biological additive had not a significant impact on the initial setting time of cement-based mortar, the addition of bacteria cells decreased the early age compressive strength. Lastly, the mineral and bacteria addition increased the free drying shrinkage of the cement-based mortar.

Beton, kentleşmeden dolayı dünyada sudan sonra en çok kullanılan ikinci malzemedir ve şehirleşmeden dolayı çimento bazlı sistemlere talep gittikçe artmaktadır. Çimento içeriğinden dolayı, beton yaklaşık olarak 8% karbon salınımına neden olur. Beton endüstrisinin daha sürdürülebilir olması ve CO2 salınımının düşürülmesi gerekmektedir. Fakat çimento kullanmadan, beton üretmek olanaksızdır. İnşaat sektöründe karbon nötre ulaşmak için, çimento bazlı malzeme tüketimini yeniden şekillendirmek gerekmektedir. Bugüne dek, açıkça anlaşılmıştır ki yapısal betondan çimentoyu çıkarmak uygulanabilir değildir. Bu nedenle, yapıların hizmet ömürlerini uzatmak daha etkili bir yöntemdir. Beton yapılardaki ana sorun erken dönem mikro çatlaklardır. Erken yaşta betonda oluşan mikro çatlaklar, betonun geçirgenliğini arttırır, bunun sonucunda betonun dayanıklılığı azalır. Son çalışmalar, mikro çatlakların bakteri kaynaklı kalsiyum karbonat çökeltisi ile onarılabileceğini göstermiştir. Ancak bu uygulamadaki en büyük zorluk, bakteri hücrelerinin canlılığını çimento hamurunun alkali ortamından koruyacak bir katman oluşturmaktır. Bu çalışma, Sporosarcina pasteurii (S. pasteurii) hücrelerini doğal mineraller olan zeolite, metakaolin ve perlite sabitleyerek çimento bazlı sistemde kendiliğinden iyileşmeyi sağlayacak biyolojik bir katkı geliştirmeyi amaçlamaktadır. Biyolojik katkının kendiliğinden iyileşmeye olan etkisi, erken dönemde (karşımdan 14 ve 28 gün sonra) çimento harç numunelerinde oluşturulan çatlakların onarılması ile değerlendirilmiştir. Onarım süreci, stereo mikroskop analizleri, ultra ses geçiş hızı ve su emme kapasitesi testleri ile gözlemlenmiştir. Kendiliğinden iyileşme ile sağlanan onarımın korozyona olan etkisini incelemek için hızlandırılmış korozyon testi gerçekleştirilmiştir. Ayrıca geliştirilen biyolojik katkının kuruma rötresine ve çimento esaslı harcın performansına olan etkisi de değerlendirilmiştir. Yapılan analizlere göre, zeolit, reaktivitesi ve iç kürlenme mekanizmasından dolayı, otojen kendiliğinden iyileşmede etkili bulunmuştur. Metakaolin ve perlit, bakteri hücresini sabitlemek için uygun bulunmamıştır. Mineralin gözenekli yapısının ve su emme kapasitesinin, bakteri hücreleri için uygun koruyucu katman seçiminde ana kriterler olduğu sonucuna varılmıştır. Biyolojik katkının çimento esaslı harcın priz süresine önemli bir etkisinin olmadığı fakat erken dönemde basınç dayanımını düşürdüğü gözlemlenmiştir. Son olarak, mineral ve bakteri ilavesi çimento harcının serbest kuruma rötresini arttırmıştır.