Udowodnienie wpływu procesów abiotycznych na naprawę kompozytów cementowych węglanami wytrącanymi w obecności bakterii

Środki finansowe przyznane przez Narodowe Centrum Nauki na realizację projektu badawczego

PRELUDIUM 23

Tytuł projektu: Udowodnienie wpływu procesów abiotycznych na naprawę kompozytów cementowych węglanami wytrącanymi w obecności bakterii

Tytuł w j. angielskim: Proving the effect of abiotic processes on the repair of cement composites with carbonates precipitated in the presence of bacteria

Numer umowy: UMO-2024/53/N/ST8/03779

Okres realizacji: 01.04.2025 - 31.03.2028

Wartość projektu: 207 888,00 PLN

Kierownik projektu: dr inż. Martyna Janek

Słowa kluczowe: wytrącanie węglanów, krystalizacja form mineralnych, MICP, samo-naprawialne kompozyty cementowe

Streszczenie popularnonaukowe:

Powstawanie rys w kompozytach cementowych jest jedną z największych wad i zagrożeń dla tych materiałów. W ostatnich latach coraz większą popularność zyskuje metoda naprawy rys w kompozytach cementowych za pomocą produktów procesu MICP – mikrobiologicznie indukowanego wytrącania węglanów (Microbially Induced Carbonates Precipitation). Proces ten opiera się na wykorzystaniu wyselekcjonowanych szczepów mikroorganizmów, które w odpowiednich warunkach mikrośrodowiskowych oraz w obecności składników odżywczych i prekursorów wytrącania są zdolne do precypitacji mineralnych faz węglanowych, wypełniających rysy w matrycy cementowej. Chociaż metoda ta jest uznawana za bardzo skuteczną, środowisko matrycy cementowej jest wyjątkowo niekorzystne dla aktywności mikrobiologicznej, a wszystkie dotychczasowe badania wskazują na zmniejszenie liczby komórek zdolnych do zachowania żywotności w tych warunkach.

Ze względu na nieścisłości w raportowanych wysokich wskaźnikach naprawy kompozytów cementowych oraz jednoczesny drastyczny spadek żywotności mikroorganizmów w tym środowisku, autorzy projektu postanowili udowodnić istotny wpływ procesów abiotycznych (zachodzących bez udziału mikroorganizmów) na powstawanie produktów precypitacji węglanów w środowisku kompozytów cementowych. Ogólny plan badawczy projektu zakłada analizę produktów precypitacji węglanów w obecności trzech typów bakterii, zarówno w warunkach kontrolowanych, jak i w środowisku kompozytów cementowych. W tym celu określone zostaną osady powstające z roztworów zawierających bakterie, składniki odżywcze oraz prekursory inicjujące aktywność metaboliczną bakterii. Możliwa utrata produktów reakcji oraz wpływ warunków środowiskowych na proces zostaną określone na podstawie obliczeń stechiometrycznych dotyczących ilości i rodzaju powstających produktów. Następnie wytworzone (biologiczne) środki naprawcze zostaną wykorzystane jako składniki zapraw cementowych w celu określenia zmian w mikrostrukturze zapraw oraz możliwości samonaprawy pękniętych struktur zaprawowych za pomocą produktów precypitacji. Przygotowanie mieszanek o zmiennej zawartości składników środka naprawczego, w tym również bakterii, umożliwi określenie rzeczywistego wpływu każdego z nich na możliwość naprawy uszkodzonych zapraw cementowych.

Kluczowym elementem badań będzie analiza faz stałych – węglanów powstających w procesie naprawy. Produkty te zostaną poddane kompleksowej analizie pod kątem składu chemicznego i fazowego (XRD, XRF, SEM-EDS, XPS), a także szczegółowym badaniom przy użyciu technik synchrotronowych. Następnie przeprowadzone zostanie modelowanie energetyki formowania węglanów przez zastosowane mikroorganizmy, zarówno w warunkach samodzielnych, jak i w obecności związków obecnych w matrycy cementowej, w celu weryfikacji mechanizmów zachodzących w procesie precypitacji węglanów, w tym etapów i produktów przejściowych, oraz wpływu związków obecnych w matrycy cementowej na ten proces.

Badania doprowadzą do pełnej identyfikacji produktów abiotycznej i biotycznej precypitacji węglanów, określenia rzeczywistego udziału mikroorganizmów w wytrącaniu form krystalicznych w obecności kompozytów cementowych oraz wpływu (biologicznych) środków naprawczych na zmiany zachodzące w ich matrycy. Tematyka projektu porusza istotny i aktualny problem badawczy, a zaproponowane badania dostarczą nowej wiedzy w tej dziedzinie.