Bakteri esaslı kendini onarma sisteminin geopolimer hamur ve harçların performansına etkisi
The effect of bacteria-based self-healing system on the performance of geopolymer pastes and mortars
Yazar: ENES EKİNCİ
Danışman: PROF. DR. İBRAHİM TÜRKMEN
İnönü Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Bacillus subtilis = Bacillus subtilis ; Basınç dayanımı = Compressive strength ; Dayanıklılık = Durability ; Geopolimerler = Geopolymers

Özet:
Bu çalışmada öğütülmüş yüksek fırın cürufu (YFC) kullanılarak üretilen geopolimer hamur ve harç örneklerinin çeşitli performans özelliklerine Bacillus subtilis ilavesinin etkileri araştırılmıştır. Ön deneyler kapsamında, farklı geopolimer hamur numunesi içeriği ve kür ortamları gibi parametreler dikkate alınarak, toplam 10 grup numunenin analizleri yapılmıştır. Ön deneylerin tamamlanmasının ardından, ana deneylerde kullanılacak numune içeriği belirlenmiştir. İyileştirici madde olarak Bacillus subtilis tip bakterilerin kullanıldığı bu çalışmada, bakteri kültürleri, 107 ve 109 CFU/mL olmak üzere iki farklı konsantrasyonda üretilmiştir. Ayrıca, bakteri/bağlayıcı oranı ise % 1, 2 ve 3 olarak seçilmiştir. Yalnızca sodyum silikat (Na2SiO3) kullanılarak aktive edilen geopolimer kompozitler için, toplam sıvı/bağlayıcı oranı geopolimer hamur örneklerinde 0.4, geopolimer harç örneklerinde ise 0.55 olarak sabit tutulmuştur. Bakteri sıvı kültürlerinin taze karışımlara direkt olarak eklendiği tüm örnekler, ilk 7 gün laboratuvar şartlarında kür edilmiş, 7. günün sonunda ise üç farklı kür ortamına (çökeltme ortamı, su kürü ve ortam koşulları) bırakılmıştır. Taze ve sertleşmiş durumdaki geopolimer kompozitler üzerinde bakteri konsantrasyonu, bakteri dozajı ve kür şartlarının etkisini incelemek amacıyla birçok mekanik, geçirimlilik ve durabilite testleri gerçekleştirilmiştir. Elde edilen bulgular, mikrobiyal kaynaklı kendini onarma mekanizmasının geopolimer kompozitlerin performansını önemli ölçüde arttırdığını ortaya koymuştur. Bakteri dozajı açısından optimum değerler ise geopolimer hamur örneklerde %1, geopolimer harç örneklerde ise %3 olarak belirlenmiştir. Sonuçlar, ayrıca, bakterilerin karışıma direkt olarak ilave edilmesi halinde, verimli bir kendini onarma işlemimin ancak üre ve kalsiyum içeren uygun bir kür ortamı (çökeltme ortamı) ile sağlanabileceğini göstermiştir. Öte yandan, elde edilen tüm deney sonuçları, mikro yapısal gözlemler ile doğrulanmıştır. Kendini onarma yeteneğine sahip olduğu düşünülen tüm grup örneklerin SEM görüntüleri belirgin kalsiyum karbonat (CaCO3) oluşumlarını göstermiştir. Benzer şekilde, EDS analizi sonuçları da bu örnek gruplarında CaCO3 oluşumuna işaret eden üç ana elementin (Ca, C ve O) yüksek atomik oranlarda yer aldığını ortaya çıkarmıştır. Ayrıca XRD analizi sonuçları kendini onaran geopolimer harç örneklerinde belirgin kalsit piklerinin varlığını doğrulamıştır.

Abstract:
In this study, the effects of Bacillus subtilis addition on various performance properties of geopolymer paste and mortar samples produced using ground blast furnace slag (GBFS) were investigated. Within the scope of the pre-tests, a total of 10 groups of samples were analyzed, taking into account the parameters such as different sample content and curing mediums. After completion of pre-tests, the sample content to be used in the main experiments was determined. In this study, in which Bacillus subtilis was used as a healing agent, bacteria were produced at two different concentrations (107 and 109 CFU/mL). Bacteria/binder ratio was also selected as 1, 2 and 3 %. For geopolymer composites activated only by using Na2SiO3, the total liquid/binder ratio was kept constant as 0.4 and 0.55 for geopolymer paste and mortar samples, respectively. All of samples, in which bacterial liquid cultures were added directly to the fresh mixtures, were cured under laboratory conditions for the first 7 days, and at the end of the 7th day, they were left in three different curing mediums (precipitation medium, water and ambient conditions). Many mechanical, permeability and durability tests were carried out to examine the effects of bacterial concentration, bacterial dosage and curing conditions on fresh and hardened geopolymer composites. The obtained findings revealed that the microbial-induced self-healing mechanism significantly increased the performance of geopolymer composites. Optimum values in terms of bacterial dosage were determined as 1% and 3% for geopolymer paste and mortar samples, respectively. The results also showed that in case of the addition of bacteria directly to the mix, efficient self-healing can only be achieved with a suitable curing medium containing urea and calcium. On the other hand, all the experimental results obtained were confirmed by microstructural observations. SEM images of all group samples thought to be capable of self-healing showed significant CaCO3 formations. Similarly, the results of the EDS analysis revealed that the three main elements (Ca, C and O) that point to the formation of CaCO3 are located in high atomic ratios in these sample groups. In addition, XRD analysis results confirmed the presence of prominent calcite peaks in the self-healing geopolymer mortar samples.