Çimento-esaslı harçlarda kendiliğinden iyileşmenin sağlanması için 2 bileşenli biyolojik katkı maddesinin geliştirilmesi

Year 2021, , 1171 - 1184, 24.05.2021

Mustafa Mert Tezer Zeynep Başaran Bundur

https://doi.org/10.17341/gazimmfd.695637

Abstract

Beton yapıların hizmet ömrünü etkileyen en önemli faktörlerden biri erken yaşta oluşan çatlaklardır. Çatlak onarımı için kullanılan klasik yöntemlerin uygulanması zaman almakla beraber, hızlı müdahale olasılığı da düşüktür. Bu yöntemler büyük çatlakların onarımı için uygundur, ancak çatlaklar inceldikçe bu onarım malzemelerinin, çatlağın derinlerine inmesi zorlaşmaktadır. 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. Literatürde yapılan çalışmalar sonucunda farklı yöntemler ile harç içine katılan mikroorganizmaların (bakterilerin), beton içinde uzun süre canlı kalabildiklerini, harç yüzeyinde oluşan mikro boyuttaki çatlakları onarabildiği ve geçirgenliğin azaltıldığı gözlemlenmiştir. Bu yöntemler çoğunlukla bakterilerin beton içine katılırken organik ya da sentetik kapsüller içine enjekte edilerek korunmasını içermektedir. Literatürde sunulan bu yöntemlerin çoğu işçilik ve ekonomik olarak dezavantajlı olmakla beraber, betonun dayanım ve akışkanlık gibi özelliklerini de olumsuz etkilediği gözlemlenmiştir. Bu projede harçlarda kendiliğinden iyileşmenin sağlanabilmesi için maliyeti düşük ve sürdürülebilir bir malzeme ile birleştirilip toz halinde bir biyolojik katkı malzemesi amaçlanmaktadır. Bu çalışmada çatlaklarda biyomineralizasyonun sağlanması için Sporosarcina pasteurii hücreleri diyatom ve ponza üzerine sabitlenmiştir. Numuneler, üretimden 28 gün sonra servo-hidrolik deplasman kontrollü bir cihaz kullanılarak 3 nokta eğilme testiyle çatlatılmıştır. Ardından numunelere su ve besi yeri olmak üzere 2 farklı kür uygulanmıştır. İki bileşenli biyolojik katkı içeren numunelerde, kür ortamı fark etmeksizin, 2 hafta içinde %80 oranında kapanma gözlemlenmiştir. Çatlakların onarılmasından sonra su emme kapasitelerinde belirgin bir azalma belirlenmiştir.

Keywords

Kendiliğinden iyileşme, biyomineralizasyon, geçirgenlik, çimento, harç

Supporting Institution

TÜBİTAK

Project Number

118M327

Thanks

Bu proje Türkiye Bilimsel ve Teknolojik Araştırma Kurumu (TÜBİTAK)1001 Programı (MAG-118M327) kapsamında gerçekleştirilmiştir. Projede yapılan tüm masraflar TÜBİTAK tarafından karşılanmıştır. Ayrıca, SEM analizleri Boğaziçi Üniversitesi İleri Teknolojiler Araştırma Geliştirme Merkez Laboratuvarında yapılmış olup, analizler sırasında yardımı geçen Dr.Bilge Gedik Uluocak’a teşekkür ederiz

References

• [1] V. Wiktor, H.M. Jonkers, Quantification of crack-healing in novel bacteria-based self-healing concrete, Cem. Concr. Compos. 33 (2011) 763–770. doi:10.1016/j.cemconcomp.2011.03.012. [2] J.Y. Wang, H. Soens, W. Verstraete, N. De Belie, Self-healing concrete by use of microencapsulated bacterial spores, Cem. Concr. Res. 56 (2014) 139–152. doi:10.1016/j.cemconres.2013.11.009. [3] S. Mann, Biomineralization: Principles and Concepts in Bioinorganic Materials Chemistry, Oxford, New York, 2001. [4] S. Stocks-Fischer, J.K. Galinat, S.S. Bang, Microbiological precipitation of CaCO3, Soil Biol. Biochem. 31 (1999) 1563–1571. [5] W. De Muynck, N. De Belie, W. Verstraete, Microbial carbonate precipitation in construction materials : A review, Ecol. Eng. 36 (2010) 118–136. doi:10.1016/j.ecoleng.2009.02.006. [6] H.M. Jonkers, A. Thijssen, G. Muyzer, O. Copuroglu, E. Schlangen, Application of bacteria as self-healing agent for the development of sustainable concrete, Ecol. Eng. 36 (2010) 230–235. doi:10.1016/j.ecoleng.2008.12.036. [7] J. Wang, K. Van Tittelboom, N. De Belie, W. Verstraete, Use of silica gel or polyurethane immobilized bacteria for self-healing concrete, Constr. Build. Mater. 26 (2012) 532–540. doi:10.1016/j.conbuildmat.2011.06.054. [8] J.Y. Wang, D. Snoeck, S. Van Vlierberghe, W. Verstraete, N. De Belie, Application of hydrogel encapsulated carbonate precipitating bacteria for approaching a realistic self-healing in concrete, Constr. Build. Mater. 68 (2014) 110–119. doi:10.1016/j.conbuildmat.2014.06.018. [9] Z.B. Bundur, S. Bae, M.J. Kirisits, R.D. Ferron, Biomineralization in self-healing cement-based materials: Investigating the temporal evolution of microbial metabolic state and material porosity, J. Mater. Civ. Eng. 29 (2017). doi:10.1061/(ASCE)MT.1943-5533.0001838. [10] Z.B. Bundur, M.J. Kirisits, R.D. Ferron, Biomineralized cement-based materials: Impact of inoculating vegetative bacterial cells on hydration and strength, Cem. Concr. Res. 67 (2015) 237–245. doi:10.1016/j.cemconres.2014.10.002. [11] S. Liu, Z.B. Bundur, J. Zhu, R.D. Ferron, Evaluation of self-healing of internal cracks in biomimetic mortar using coda wave interferometry, Cem. Concr. Res. 83 (2016) 70–78. doi:10.1016/j.cemconres.2016.01.006. [12] V. Achal, X. Pan, N. Özyurt, Improved strength and durability of fly ash-amended concrete by microbial calcite precipitation, Ecol. Eng. 37 (2011) 554–559. doi:10.1016/j.ecoleng.2010.11.009. [13] Z.B.B. Ali Amiri, Use of corn-steep liquor as an alternative carbon source for biomineralization in cement-based materials and its impact on performance, Constr. Build. Mater. (2017). [14] A. Amiri, M. Azima, Z.B. Bundur, Crack remediation in mortar via biomineralization : Effects of chemical admixtures on biogenic calcium carbonate, 190 (2018) 317–325. doi:10.1016/j.conbuildmat.2018.09.083. [15] Z.B. Bundur, A. Amiri, Y.C. Ersan, N. Boon, N. De Belie, Impact of air entraining admixtures on biogenic calcium carbonate precipitation and bacterial viability, Cem. Concr. Res. 98 (2017) 44–49. doi:10.1016/j.cemconres.2017.04.005. [16] Y.Ç. Erşan, F.B. Da Silva, N. Boon, W. Verstraete, N. De Belie, Screening of bacteria and concrete compatible protection materials, Constr. Build. Mater. 88 (2015) 196–203. doi:10.1016/j.conbuildmat.2015.04.027. [17] J.Y. Wang, N. De Belie, W. Verstraete, Diatomaceous earth as a protective vehicle for bacteria applied for self-healing concrete., J. Ind. Microbiol. Biotechnol. 39 (2012) 567–77. doi:10.1007/s10295-011-1037-1. [18] M. Alazhari, T. Sharma, A. Heath, R. Cooper, K. Paine, Application of expanded perlite encapsulated bacteria and growth media for self-healing concrete, Constr. Build. Mater. 160 (2018) 610–619. doi:10.1016/j.conbuildmat.2017.11.086. [19] A.R. Suleiman, A.J. Nelson, M.L. Nehdi, Visualization and quantification of crack self-healing in cement-based materials incorporating different minerals, Cem. Concr. Compos. 103 (2019) 49–58. doi:10.1016/j.cemconcomp.2019.04.026. [20] Z.B. Bundur, A. Amiri, Y.C. Ersan, N. Boon, N. De Belie, Impact of air entraining admixtures on biogenic calcium carbonate precipitation and bacterial viability, Cem. Concr. Res. 98 (2017). doi:10.1016/j.cemconres.2017.04.005. [21] Y.C. Erşan, H. Verbruggen, I. De Graeve, W. Verstraete, N. De Belie, N. Boon, Nitrate reducing CaCO3 precipitating bacteria survive in mortar and inhibit steel corrosion, Cem. Concr. Res. 83 (2016) 19–30. doi:10.1016/j.cemconres.2016.01.009. [22] J. Li, W. Zhang, C. Li, P.J.M. Monteiro, Green concrete containing diatomaceous earth and limestone: Workability, mechanical properties, and life-cycle assessment, J. Clean. Prod. 223 (2019) 662–679. doi:10.1016/j.jclepro.2019.03.077. [23] V.C. Ramachandran, J.J. Beaudoin, Handbook of Analytical Techniques in Concrete Science and Technology: Principles, Techniques and Applications, 1st Editio, Noyes Publications, Norwich, New York, 2001. [24] P.J. Piggot, J.G. Coote, Genetic aspects of bacterial endospore formation., Bacteriol. Rev. 40 (1976) 908–62. [25] R.E. Buchanan, N.E. Gibbons, S.T. Cowan, J.G. Holt, J. Liston, R.G.E. Murray, C.F. Niven, A.W. Ravin, R.W. Stanier, Bergey’s Manual of Determinative Bacteriology, 8th Editio, The Williams& Wilkin Company, Baltimore, 1974.