Kapsüllenmiş bakteriler kullanılarak kendi kendini iyileştirebilen çimento esaslı kompozit üretimi
Production of self-healing cement-based composites using capsulated bacteria
Yazar: MUSA YILDIRIM
Danışman: DOÇ. DR. HACER BİLİR ÖZHAN
Bursa Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Kendi kendini onarabilen bakterili çimentolu kompozitlerde efektif bir tedavi süreci için bakterileri çimentonun yarattığı iç ortamdan ve dış etkilerden korumak gereklidir. Bu sebeple bakterileri bir koruyucu kapsül içerisine alarak bu zararlı etkilerden koruma yöntemleri geliştirilmektedir. Ancak bu koruyucu kapsüllerin üretiminde kullanılan kimyasallar genellikle beton üretimi için oldukça pahalıdır ve bu kapsülleme işlemleri genellikle üstün teknik işlemler ve laboratuvar imkanları gerektirmektedir. Böylece ek maliyet ve kimyasal kullanımları yüzünden çevreye de zararlı bir etkisi olmaktadır. Oysaki bakteriyel iyileşmenin öne çıkan yanlarından biri doğal ve çevre dostu bir iyileşme yöntemi olmasıdır. Bu nedenle doğal fiberler kullanılarak daha kolay bir bakteri koruma sistemi geliştirilmiştir. Bu yöntemde doğal fiber içerisine bakteri sporları emdirilerek kullanılmaktadır. Böylece ilave bir kapsülleme işlemi ve malzeme kullanımı olmadan daha üstün bir yöntem geliştirilmiştir.
Bu tez çalışmasında çay atıklarını bakteri için bir koruyucu çeper ve doğal fiber olarak kullanılması amaçlanmıştır. Çay atıkları dünya çapında çokça açığa çıkan bir atık olup, yüksek su emme oranına sahip fiber formunda bir atık tipidir. Çay atıklarının bu fiber formunun ve su emme özelliğinin bakteri emdirme yöntemi ile üretilmiş bakterili kompozitlerdeki efektifliği araştırılmıştır. Çay atığı içerisine Bacillus megaterium sporları emdirilmiştir ve harç karışımlarına %0,2, %0,4 ve %0,6 olmak üzere üç farklı oranda fiber olarak ikame edilmiştir. Kontrol harçları, bakterilerin direkt olarak karışıma eklendiği harçlar, bakterisiz çay atıklarının eklendiği harçlar ve bakterili çay atığı içeren seriler dahil olmak üzere toplam sekiz harç tipi üretilmiştir. Üretilen bu harçların bir kısmı üzerinde basınç yüklemeleri yapılarak ön hasarlı hale getirilmiştir. Ardından tüm numuneler 28 gün ve 90 gün boyunca su tankında kürlenmiştir. Bu ön hasarlı ve hasarsız harç numuneleri kullanılarak bakteri, çay atığı ve bakterili çay atıklarının harçların fiziksel, mekanik ve durabilite özelliklerine olan etkisi araştırılmıştır. Bu kapsamda yayılma, çatlak iyileşme, basınç dayanımı, eğilme dayanımı, ultrasonik ses geçiş hızı (UPV), su emme, kapiller yolla su emme, görünür porozite ve yüksek sıcaklık etkisi deneyleri yürütülmüştür. Son olarak taramalı elektron mikroskobu (SEM) kullanılarak alınan görüntülerde çay atığı ve bakteri ürünleri incelenmiştir.
Elde edilen sonuçlar incelendiğinde, çay atıklarının başarılı bir şekilde bakterileri emerek muhafaza edebildiği ve bir arada kullanımlarının bakteriyel tedavi sisteminin etkinliğini ve süresini arttırdığı saptanmıştır. Çay atıkları doğal fiber etkileri sayesinde çatlakları kısıtlamıştır. Bu kısıtlanan çatlaklarda bakteriler daha etkin bir onarım sunarak 0,68 mm genişliğine kadar çatlak iyileştirmeyi başarmıştır. Bakterili çay atıkları harçların basınç ve eğilme dayanımlarını da arttırmıştır. Çay atıklarının fiber ve koruma etkisi ile bakterilerin kalsit üretme efektifliğini ve süresini uzatması sayesinde bakterili çay atığı içeren harçlar kontrol numunelerine göre %26,50 oranında daha yüksek basınç dayanımları ve %8,04 oranına varan daha yüksek eğilme dayanımları sergilemiştir. Çay atıklarının sağladığı ekstra su, bakteriler için daha uygun bir ortam ve iç kürleme etkisi yaratmıştır. Böylece daha yüksek miktarda kalsit oluşarak yapıdaki boşluklar doldurulmuştur. Bu yoğun yapı sayesinde bakterili çay atığı içeren harçlarda daha yüksek UPV değerleri, daha düşük su emme, kapilarite ve porozite değerleri saptanmıştır. Bakteri ürünü bu kalsitlerin ve çay atıklarının yüksek sıcaklık etkisi karşısında da harçlara dayanıklılık sağladığı saptanmıştır. Çay atıklarının sıcaklık tahliye özelliği ve bakterilerin yarattığı iyileşme sayesinde harçlarda oluşan çatlakları onarak yüksek sıcaklık karşısında da %101,98' e varan oranda daha yüksek artık basınç dayanımı değerleri sunmuştur. Ek olarak bakterili çay atığı içeren harçlar yüksek sıcaklık etkisi sonrası daha az ağırlık kaybı oranı görülürken, daha yüksek UPV değerleri sergilemiştir. SEM altında incelenen numunelerde çay atıkları etrafında kalsit oluşumlarının yoğunlaştığı görülmüştür. Bu da çay atıklarının bakterilere sağladığı olumlu şartları göstermiştir.

Abstract:
In bacterial self-healing cementitious composites, protecting the bacteria from the harsh internal environment created by the cement and external factors is crucial for an effective healing process. Therefore, methods are being developed to shield the bacteria from these harmful effects by encapsulating them in protective capsules. However, the chemicals used in the production of these protective capsules are generally expensive for concrete production, and the encapsulation processes often require advanced technical procedures and laboratory facilities. This results in additional costs and environmental impacts due to extra chemicals and techniques. However, one of the prominent advantages of bacterial healing is that it is a natural and environmentally friendly method. Therefore, an easier bacterial protection system has been developed using natural fibers. In this method, bacterial spores are absorbed into natural fibers and used without the need for additional encapsulation processes or materials, providing a more efficient method.
This doctoral thesis aims to use tea waste as a natural fiber and protective material for bacteria. Tea waste is widely generated waste globally, and it is a fibrous waste type with a high water absorption rate. The effectiveness of the fiber form and water absorption properties of tea waste in bacterial cementitious composites produced through bacterial absorption methods has been investigated. Bacillus megaterium spores were absorbed into the tea waste and incorporated into mortar mixtures at three different ratios: 0.2%, 0.4%, and 0.6%. A total of eight different types of mortar were produced, including control mortars, mortars with bacteria directly added to the mix, mortars with tea waste (non-bacterial), and mortars containing bacterial tea waste. Some parts of these mortars were pre-damaged by applying compressive loads. All samples were then cured in water tanks for 28 days and 90 days. Using these pre-damaged and undamaged samples, the effects of bacteria, tea waste, and bacterial tea waste on the physical, mechanical, and durability properties of the mortars were examined. Tests conducted in this context include flow table, crack healing, compressive strength, flexural strength, ultrasonic pulse velocity (UPV), water absorption, capillary water absorption, apparent porosity, and high-temperature effect. Additionally, tea waste and bacterial products were analyzed through images taken using scanning electron microscopy (SEM).
The results indicated that tea waste successfully absorbed and preserved the bacteria, and their combined usage enhanced the effectiveness and duration of the bacterial healing system. Tea waste, due to its natural fiber properties, restricted crack formation. In these restricted cracks, the bacteria provided more effective healing, achieving crack healing of up to 0.68 mm. The bacterial tea waste also improved the compressive and flexural strengths of the mortars. Mortars containing bacterial tea waste exhibited 26.50% higher compressive strength and 8.04% higher flexural strength compared to control samples. Tea waste extended the bacteria's calcite production efficiency and duration through its fiber and protective effects. The additional water provided by the tea waste created a more favorable environment for bacteria, promoting internal curing. More calcite formed as a result, filling the voids in the structure. Due to this denser structure, mortars containing bacterial tea waste showed higher UPV values, lower water absorption, capillarity, and apparent porosity values. The calcite produced by the bacteria and the tea waste were also found to contribute to resistance against high temperatures. Thanks to the temperature dissipation properties of the tea waste and the healing effect of the bacteria, the mortars were able to repair cracks and exhibited up to 101.98% higher residual compressive strength under high temperatures. Additionally, mortars containing bacterial tea waste showed less weight loss and higher UPV values after exposure to high temperatures. SEM analysis of the samples revealed that calcite formation cumulated around the tea waste, indicating the favorable conditions that tea waste provided for the bacteria.