mgssuvestВестник МГСУVestnik MGSU1997-09352304-6600Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU)10.22227/1997-0935.2024.4.569-579mgssuvest-235Research ArticleСтроительное материаловедениеConstruction material engineeringБиоминеральные добавки для самозалечивания бетонаBiomineral additives for self-healing of concretehttps://orcid.org/0000-0002-4288-2115ЧерныхТ. Н.ChernykhT. N.

Тамара Николаевна Черных — доктор технических наук, доцент, профессор кафедры строительных материалов и изделий

454080, г. Челябинск, пр-т Ленина, д. 76

РИНЦ ID: 4731125, Scopus: 6508381737, ResearcherID: K-8568-2014

Tamara N. Chernykh — Doctor of Technical Sciences, Associate Professor, Professor of the Department of Building Materials and Products

76 Lenina prospekt, Chelyabinsk, 454080

ID RSCI: 4731125, Scopus: 6508381737, ResearcherID: K-8568-2014

chernykhtn@susu.ruГорбачевскихК. А.GorbachevskykhK. A.

Кирилл Алексеевич Горбачевских — студент Архитектурно-строительного института

454080, г. Челябинск, пр-т Ленина, д. 76

Kirill A. Gorbachevskykh — student of the Institute of Architecture and Civil Engineering

76, Lenina prospekt, Chelyabinsk, 454080

kirill38964@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-6425-4531КриушинМ. В.KriushinM. V.

Михаил Владимирович Криушин — младший научный сотрудник кафедры строительных материалов и изделий

454080, г. Челябинск, пр-т Ленина, д. 76

РИНЦ ID: 1147146, ResearcherID: AGU 7556-2022

Mikhail V. Kriushin — junior researcher Department of Building Materials and Products

76, Lenina prospekt, Chelyabinsk, 454080

ID RSCI: 1147146, ResearcherID: AGU 7556-2022

kriushinmv@susu.ruhttps://orcid.org/0000-0002-4505-1587ОрловА. А.OrlovA. A.

Александр Анатольевич Орлов — кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой строительных материалов и изделий

454080, г. Челябинск, пр-т Ленина, д. 76

Scopus: 56486973500, ResearcherID: K-8880-2014

Aleksander A. Orlov — Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Head of the Department of Building Materials and Products

76, Lenina prospekt, Chelyabinsk, 454080

Scopus: 56486973500, ResearcherID: K-8880-2014

orlovaa@susu.ruhttps://orcid.org/0000-0003-2431-8358КомельковаМ. В.KomelkovaM. V.

Мария Владимировна Комелькова — доктор биологических наук, доцент, старший научный сотрудник Научно-образовательного Российско-Китайского центра системной патологии

454080, г. Челябинск, пр-т Ленина, д. 76

РИНЦ ID: 821160, Scopus: 57188550625, ResearcherID: M-6294-2016

Maria V. Komelkova — Doctor of Technical Sciences, Senior Research Associate of the Scientific and Educational Russian-Chinese Center for Systemic Pathology

76, Lenina prospekt, Chelyabinsk, 454080

ID RSCI: 821160, Scopus: 57188550625, ResearcherID: M-6294-2016

komelkovamv@susu.ruhttps://orcid.org/0000-0002-9403-3481ПлатковскийП. О.PlatkovskiiP. O.

Павел Олегович Платковский — лаборант Научно-образовательного Российско-Китайского центра системной патологии

454080, г. Челябинск, пр-т Ленина, д. 76

РИНЦ ID: 934627, Scopus: 57197762232

Pavel O. Platkovskii — laboratory assistant of the Scientific and Educational Russian-Chinese Center for Systemic Pathology

76, Lenina prospekt, Chelyabinsk, 454080

ID RSCI: 934627, Scopus: 57197762232

paw.platkovski@yandex.ruЮжно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет) (ЮУрГУ (НИУ))РоссияSouth Ural State University (National Research University) (SUSU (NRU))Russian Federation202429042024194569579Copyright © Черных Т.Н., Горбачевских К.А., Криушин М.В., Орлов А.А., Комелькова М.В., Платковский П.О., 20242024Черных Т.Н., Горбачевских К.А., Криушин М.В., Орлов А.А., Комелькова М.В., Платковский П.О.Chernykh T.N., Gorbachevskykh K.A., Kriushin M.V., Orlov A.A., Komelkova M.V., Platkovskii P.O.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.vestnikmgsu.ru/jour/article/view/235Введение

Введение. Рассмотрены причины снижения долговечности изгибаемых конструкций через призму нарушения защитного слоя арматуры, который в первую очередь нарушается при образовании трещин. Трещины могут самозалечиваться различными методами, наиболее эффективным из которых является микробно-индуцированное осаждение карбоната кальция.

Материалы и методы

Материалы и методы. Использованы штаммы Bacillus subtilis VKM B-70 и VKM B-501 (всероссийская коллекция микроорганизмов), микрокремнезем, метакаолин, золу уноса. Оценка выживаемости бактерий провена путем культивирования бактериальных штаммов из образцов-таблеток. Определение pH образцов выполнено с помощью pH-метра. Оценка скорости зарастания трещин осуществлена путем визуального осмотра образцов-таблеток  под оптическим микроскопом.

Результаты

Результаты. Привены результаты эксперимента по подбору оптимального размера альгинатных бактериальных гранул для биоминеральной добавки. Изучено влияние биоминеральных добавок различного состава на зарастание трещин шириной от 100 до 500 мкм. Показано эффект повышения активности бактерий в присутствии пуццоланового компонента, выявлена связь щелочности среды образца и активности бактерий.

Выводы

Выводы. Рекомендуемым диаметром гранул с точки зрения обеспечения прочности, вероятности залечивания трещин и технологических причин является диапазон 1–1,8 мм. Активность бактерий в таких гранулах увеличивается при наличии в составе добавки пуццоланового компонента. Зола уноса по сравнению с другими видами пуццолановых добавок наиболее эффективна в составах с бактериями Bacillus subtilis из-за способности снижать щелочность цементно-песчаных композиций, создавая более благоприятные условия для жизнедеятельности бактерий. При использовании комплексных биоминеральных добавок происходит значительное увеличение скорости зарастания трещин, что позволяет обеспечить закрытие трещин шириной 100 мкм всего за 5 циклов «вода – воздух».

Introduction

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

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

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

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.

Bacillus subtilisпуццолановые добавкисамовосстановлениесамозалечиваниетрещиныбетонрастворBacillus subtilispozzolanic additivesself-healingcracksconcretemortarИсследование выполнено при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (государственное задание на выполнение фундаментальных научных исследований № FENU-2023-0012 (2023012ГЗ)).The study was financially supported by the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation (State Assignment for Basic Research No. FENU-2023-0012 (2023012ГЗ)).ReferencesAytekin 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.2023.131198Aytekin B., Mardani A., Yazıcı Ş. State-of-art review of bacteria-based self-healing concrete: Biomi-neralization process, crack healing, and mechanical properties. Construction and Building Materials. 2023; 378:131198. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2023.131198De 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: 10.1007/978-94-007-6624-2De 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: 10.1007/978-94-007-6624-2Termkhajornkit 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.2008.12.009Termkhajornkit P., Nawa T., Yamashiro Y., Saito T. Self-healing ability of fly ash–cement systems. Cement and Concrete Composites. 2009; 31(3):195-203. DOI: 10.1016/j.cemconcomp.2008.12.009Ter Heide N. Crack healing in hydrating concrete. Delft University of Technology, 2005.Ter Heide N. Crack healing in hydrating concrete. Delft University of Technology, 2005.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_94Mamo G., Mattiasson B. Alkaliphiles: the emer-ging biological tools enhancing concrete durability. Alkaliphiles in Biotechnology. 2019; 293-342. DOI: 10.1007/10_2019_94Баженов 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.Bazhenov Yu.M., Erofeev V.T., Sal-man A.D.S.D., Smirnov V.F., Fomichev V.T. Technology of manu-facture and repair of reinforced concrete structures by microorganisms. Russian Engineer. 2018; 4(61):46-48. EDN YOOLYD. (rus.).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.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; 833-840.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.2013.00314Dhami N.K., Reddy M.S., Mukherjee A. Biomineralization of calcium carbonates and their engineered applications : a review. Frontiers in Micro-biology. 2013; 4. DOI: 10.3389/fmicb.2013.00314Ghosh 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.2005.03.005Ghosh P., Mandal S., Chattopadhyay B.D., Pal C. Use of microorganism to improve the strength of cement mortar. Cement and Concrete Research. 2005; 35(10):1980-1983. DOI: 10.1016/j.cemconres.2005.03.005Ghosh 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.2009.01.001Ghosh S., Biswas M., Chattopadhyay B.D., Mandal S. Microbial activity on the microstructure of bacteria modified mortar. Cement and Concrete Composites. 2009; 31(2):93-98. DOI: 10.1016/j.cemconcomp.2009.01.001Biswas 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.2010.03.005Biswas M., Majumdar S., Chowdhury T., Chattopadhyay B., Mandal S., Halder U. et al. Biore-mediase a unique protein from a novel bacterium BKH1, ushering a new hope in concrete technology. Enzyme and Microbial Technology. 2010; 46(7):581-587. DOI: 10.1016/j.enzmictec.2010.03.005Строкова 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.Strokova V.V., Vlasov D.Yu., Frank-Kame-netskaya O.V., Dukhanina U.N., Balitsky D.A. Appli-cation of microbial carbonate biomineralization in biotechnologies of building materials creation and restoration: analysis of the state and prospects of development. Construction Materials. 2019; 9:83. DOI: 10.31659/0585-430X-2019-774-9-83-103. EDN JCENZK. (rus.)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.2014.06.018Wang 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; 68:110-119. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2014.06.018Seifan 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/s00449-018-2011-3Seifan 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; 42(1):37-46. DOI: 10.1007/s00449-018-2011-3Seifan 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/s00253-018-8913-9Seifan M., Sarmah A.K., Samani A.K., Ebrahi-minezhad A., Ghasemi Y., Berenjian A. Mechanical properties of bio self-healing concrete containing immobilized bacteria with iron oxide nanoparticles. Applied Microbiology and Biotechnology. 2018; 102(10):4489-4498. DOI: 10.1007/s00253-018-8913-9Иноземцев С.С., До Т.Ч. Состояние и перспективы развития технологии самовосстанавливающихся дорожных материалов // Вестник МГСУ. 2020. Т. 15. № 10. С. 1407–1424. DOI: 10.22227/1997-0935.2020.10.1407-1424Inozemtcev S.S., Toan Trong Do. Technology of self-healing road pavements: current status and development prospects. Vestnik MGSU [Monthly Journal on Construction and Architecture]. 2020; 15(10):1407-1424. DOI: 10.22227/1997-0935.2020.10.1407-1424 (rus.).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.2013.11.009Wang J.Y., Soens H., Verstraete W., De Belie N. Self-healing concrete by use of microencapsulated bacterial spores. Cement and Concrete Research. 2014; 56:139-152. DOI: 10.1016/j.cemconres.2013.11.009Nielsen 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/s00253-019-10215-4Nielsen 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; 104(1):365-375. DOI: 10.1007/s00253-019-10215-4Аль Дулайми С.Д.С. Самовосстанавливающиеся бетоны, модифицированные микробиологической добавкой : дис. … канд. техн. наук. М., 2019. 310 с. EDN OVDXMN.Al’ Dulaymi S.D.S. Self-healing concretes modified with a microbiological additive : thesis of candidate of technical science. Moscow, 2019; 310. EDN OVDXMN. (rus.).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.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; 3(5):1229-1234.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/jp973210fDe 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; 102(16):2914-2922. DOI: 10.1021/jp973210fJongvivatsakul 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.2019.04.035Jongvivatsakul 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; 212:737-744. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2019.04.035Леонович 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.Leonovich S.N., Litvinovskiy D.A., Cher-nyakevich O.Yu., Stepanova A.V. Strength, crack resistance and durability of structural concrete under temperature and corrosion effects : in 2 parts. Minsk, BNTU, 2016; 204. EDN RCHYPK. (rus.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.