Biomineral additives for self-healing of concrete

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. The reasons for the reduction of durability of flexural structures due to the violation of the protective layer of reinforcement are considered. It breaks down when cracks form. Cracks can self-heal by various methods, the most effective of which is microbial-induced precipitation of calcium carbonate.Materials and methods. Bacillus subtilis strains VKM B-70 and VKM B-501 (All-Russian Collection of Microorganisms), microsilica, metakaolin, and fly ash were used. Bacterial activity was assessed by culturing bacterial strains from tablet specimens. The pH of the specimens was determined using the pH meter. The crack growth rate was assessed by visual inspection of the tablet specimens by the optical microscope.Results. The results of the experiment on selection of optimal size of alginate bacterial granules for biomineral additives are shown. The effect of biomineral additives of various compositions on the overgrowth of cracks with a width of 100 to 500 µm was studied. The effect of increasing bacterial activity in the presence of the pozzolanic component is shown. The relationship between the alkalinity of the specimen medium and bacterial activity was revealed.Conclusions. The recommended granule diameter is 1–1.8 mm. The bacterial activity in such granules increases in the presence of pozzolanic component in the composition of the additive. Fly ash was most effective in formulations with Bacillus subtilus bacteria due to its ability to lower the pH of cement-sand compositions. By lowering the pH, conditions that are more favourable are created for the vital activity of bacteria. When using complex biomineral additives, there is a significant increase in the rate of crack healing, which will allow self-healing of cracks with a width of 100 microns in just five water-air cycles.

About the authors

T. N. Chernykh

South Ural State University (National Research University) (SUSU (NRU))

Email: chernykhtn@susu.ru
ORCID iD: 0000-0002-4288-2115

K. A. Gorbachevskykh

South Ural State University (National Research University) (SUSU (NRU))

Email: kirill38964@gmail.com

M. V. Kriushin

South Ural State University (National Research University) (SUSU (NRU))

Email: kriushinmv@susu.ru
ORCID iD: 0000-0002-6425-4531

A. A. Orlov

South Ural State University (National Research University) (SUSU (NRU))

Email: orlovaa@susu.ru
ORCID iD: 0000-0002-4505-1587
SPIN-code: 3296-8955

M. V. Komelkova

South Ural State University (National Research University) (SUSU (NRU))

Email: komelkovamv@susu.ru
ORCID iD: 0000-0003-2431-8358

P. O. Platkovskii

South Ural State University (National Research University) (SUSU (NRU))

Email: paw.platkovski@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-9403-3481

References

  1. Aytekin B., Mardani A., Yazıcı Ş. State-of-art review of bacteria-based self-healing concrete: Biomineralization process, crack healing, and mechanical properties // Construction and Building Materials. 2023. Vol. 378. P. 131198. doi: 10.1016/j.conbuildmat.2023.131198
  2. De Rooij M., Van Tittelboom K., De Belie N., Schlangen E. Self-healing phenomena in cement-based materials // RILEM State-of-the-Art Reports. Springer, Dordrecht, Netherlands, 2013. doi: 10.1007/978-94-007-6624-2
  3. Termkhajornkit P., Nawa T., Yamashiro Y., Saito T. Self-healing ability of fly ash–cement systems // Cement and Concrete Composites. 2009. Vol. 31. Issue 3. Pp. 195–203. doi: 10.1016/j.cemconcomp.2008.12.009
  4. Ter Heide N. Crack healing in hydrating concrete. Delft University of Technology, 2005.
  5. Mamo G., Mattiasson B. Alkaliphiles: the emer-ging biological tools enhancing concrete durability // Alkaliphiles in Biotechnology. 2019. Pp. 293–342. doi: 10.1007/10_2019_94
  6. Баженов Ю.М., Ерофеев В.Т., Салман А.Д.С.Д., Смирнов В.Ф., Фомичев В.Т. Технология самовосстановления железобетонных конструкций с помощью микроорганизмов // Русский инженер. 2018. № 4 (61). С. 46–48. EDN YOOLYD.
  7. Jonkers H.M., Thijssen A., van Breugel K. Bacteria mediated remediation of concrete structures // Proceedings of the second international symposium on service life design for infrastructures. 2010. Pp. 833–840.
  8. Dhami N.K., Reddy M.S., Mukherjee A. Biomineralization of calcium carbonates and their engineered applications : a review // Frontiers in Microbiology. 2013. Nо. 4. doi: 10.3389/fmicb.2013.00314
  9. Ghosh P., Mandal S., Chattopadhyay B.D., Pal C. Use of microorganism to improve the strength of cement mortar // Cement and Concrete Research. 2005. Vol. 35. Issue 10. Pp. 1980–1983. doi: 10.1016/j.cemconres.2005.03.005
  10. Ghosh S., Biswas M., Chattopadhyay B.D., Mandal S. Microbial activity on the microstructure of bacteria modified mortar // Cement and Concrete Composites. 2009. Vol. 31. Issue 2. Pp. 93–98. doi: 10.1016/j.cemconcomp.2009.01.001
  11. Biswas M., Majumdar S., Chowdhury T., Chattopadhyay B., Mandal S., Halder U. et al. Bioremediase a unique protein from a novel bacterium BKH1, ushering a new hope in concrete technology // Enzyme and Microbial Technology. 2010. Vol. 46. Issue 7. Pp. 581–587. doi: 10.1016/j.enzmictec.2010.03.005
  12. Строкова В.В., Власов Д.Ю., Франк-Каме-нецкая О.В., Духанина У.Н., Балицкий Д.А. Применение микробной карбонатной биоминерализации в биотехнологиях создания и восстановления строительных материалов: анализ состояния и перспективы развития // Строительные материалы. 2019. № 9. С. 83. doi: 10.31659/0585-430X-2019-774-9-83-103. EDN JCENZK.
  13. Wang J.Y., Snoeck D., Van Vlierberghe S., Verstraete W., De Belie N. Application of hydrogel encapsulated carbonate precipitating bacteria for approaching a realistic self-healing in concrete // Construction and Building Materials. 2014. Vol. 68. Pp. 110–119. doi: 10.1016/j.conbuildmat.2014.06.018
  14. Seifan M., Ebrahiminezhad A., Ghasemi Y., Berenjian A. Microbial calcium carbonate precipitation with high affinity to fill the concrete pore space: nanobiotechnological approach // Bioprocess and Biosystems Engineering. 2018. Vol. 42. Issue 1. Pp. 37–46. doi: 10.1007/s00449-018-2011-3
  15. Seifan M., Sarmah A.K., Samani A.K., Ebrahiminezhad A., Ghasemi Y., Berenjian A. Mechanical properties of bio self-healing concrete containing immobilized bacteria with iron oxide nanoparticles // Applied Microbiology and Biotechnology. 2018. Vol. 102. Issue 10. Pp. 4489–4498. doi: 10.1007/s00253-018-8913-9
  16. Иноземцев С.С., До Т.Ч. Состояние и перспективы развития технологии самовосстанавливающихся дорожных материалов // Вестник МГСУ. 2020. Т. 15. № 10. С. 1407–1424. doi: 10.22227/1997-0935.2020.10.1407-1424
  17. Wang J.Y., Soens H., Verstraete W., De Belie N. Self-healing concrete by use of microencapsulated bacterial spores // Cement and Concrete Research. 2014. Vol. 56. Pp. 139–152. doi: 10.1016/j.cemconres.2013.11.009
  18. Nielsen S.D., Koren K., Löbmann K., Hinge M., Scoma A., Kjeldsen K.U. et al. Constraints on CaCO3 precipitation in superabsorbent polymer by aerobic bacteria // Applied Microbiology and Biotechnology. 2019. Vol. 104. Issue 1. Pp. 365–375. doi: 10.1007/s00253-019-10215-4
  19. Аль Дулайми С.Д.С. Самовосстанавливающиеся бетоны, модифицированные микробиологической добавкой : дис. … канд. техн. наук. М., 2019. 310 с. EDN OVDXMN.
  20. Joshi K.A., Kumthekar M.B., Ghodake V.P. Bacillus Subtilis Bacteria impregnation in concrete for enhancement in compressive strength // International Research Journal of Engineering and Technology. 2016. Vol. 3. Issue 5. Pp. 1229–1234.
  21. De Leeuw N.H., Parker S.C. Surface structure and morphology of calcium carbonate polymorphs calcite, aragonite, and vaterite: an atomistic approach // The Journal of Physical Chemistry B. 1998. Vol. 102. Issue 16. Pp. 2914–2922. doi: 10.1021/jp973210f
  22. Jongvivatsakul P., Janprasit K., Nuaklong P., Pungrasmi W., Likitlersuang S. Investigation of the crack healing performance in mortar using microbially induced calcium carbonate precipitation (MICP) method // Construction and Building Materials. 2019. Vol. 212. Pp. 737–744. doi: 10.1016/j.conbuildmat.2019.04.035
  23. Леонович С.Н., Литвиновский Д.А., Чернякевич О.Ю., Степанова А.В. Прочность, трещиностойкость и долговечность конструкционного бетона при температурных коррозионных воздействиях : в 2 ч. Минск : БНТУ, 2016. 204 с. EDN RCHYPK.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».