SUPERVISOR
Davood Mostofinejad
داود مستوفی نژاد (استاد راهنما)
STUDENT
Niloofar Parastegari
نیلوفر پرستگاری
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی عمران
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1393
TITLE
Influence of bacteria on performance of air entrained concrete
Concrete is one of the most important construction materials due to availability, high compressive strength and pasty state before setting. However, having high compressive strength is not enough for durability; low tensile strength of concrete will cause cracks on its surface. Water and aggressive gases penetrate through cracks into the concrete and lead to corrosion of the reinforcement. To protect the concrete against cracks, chemical methods (epoxy or cement sand mortar) as well as biotechnological methods (calcium carbonate sediment produced by the bacteria) are used. In addition to being compatible with concrete, biotechnological methods are proved to be eco-friendly. Furthermore, adding bacteria to the concrete during the construction, repairs the cracks in the depth and at early ages. The researchers have concluded that concrete and cement hydration is harmful to bacteria, so bacteria must be protected against dry environment and alkaline concrete. One way of protection, is to add air bubbles in the concrete. Bacteria is shielded in air bubbles, where it can continue its activities. The air bubbles also provide oxygen for feeding bacteria. Therefore, different percentages of air (5%; 8%; and without intentional production of air) is used in this study. Using six different mixing methods, half of them containing Sporoscarcina pasteurii bacteria, we investigate compressive strength and electrical resistance (108 standard cylindrical specimens), water absorption (36 cubic specimens with dimensions of 70 mm), steel corrosion (36 cubic specimens of 70mm with rebar), the depth of carbonation (36 cubic specimens of 100mm), survival in cycles of freezing and thawing (36 cubic specimens with width and height of 100mm and length of 350mm), impermeability (18 cubic specimens with length and width of 200mm and height of 120mm) and accelerated chloride penetration (36 standard cylindrical specimens) of concrete. We set concrete with three different percentages of air (5%; 8%; and without intentional production of air) using Sporoscarcina pasteurii bacteria the construction of half of them. After the curing period, we performed surface restoration on some of the specimens, randomly selected. The results showed that calcium carbonate sentiment produced by bacteria fills the pores in concrete, reduces water absorption, corrosion of rebar and depth of carbonation. Furthermore, it reduces weight changes in successive cycles of freezing and thawing. Produced sediments restricted the free movement of ions in the pores of the concrete, reduced chloride ion penetration and increased the electrical resistance. Also, calcium-rich environment (curing environment containing minerals) improves bacteria’s performance. This results in increased compressive strength and electrical resistance and reduced water absorption, carbonation depth and permeability to water under pressure. Surface restoration generates a thin layer of calcium carbonate on the surface of concrete and limits the permeability, resulting in reduced penetration of chloride ions into the concrete interior which results in an increase in its electrical resistance. Presence of air bubbles in addition to bacteria decreases water absorption, carbonation depth and chloride penetration and dramatically increases electrical resistance. In fact, bacterial cells shielded by air bubbles from alkaline concrete and dry environment show better performance. Key words Air- entrained concrete, Bacteria, curing condition, Surface treatment, Time
بتن یکی از مهمترین مصالح ساختمانی است که به دلیل دارا بودن خواصی از جمله مقاومت فشاری بالا، حالت خمیری قبل از گیرش و دسترسی آسان به عنوان پر کاربردترین مصالح ساختمانی شناخته میشود. این در حالی است که داشتن مقاومت فشاری بالا برای دوام بتن در طول عمر آن کافی نیست؛ مقاومت کششی پایین بتن باعث پیدایش ریز ترکهایی بر روی سطح آن میشود. آب و گازهای مزاحم از طریق ترکها وارد فضای داخلی بتن شده و پس از گذشت زمان منجر به خوردگی آرماتورها میگردند. به منظور محافظت از بتن در برابر ترکها، از روشهای شیمیایی (اپوکسی یا ملات ماسه سیمان) و نیز روشهای بیوتکنولوژی (رسوبات کلسیم کربنات تولید شده توسط باکتریها) استفاده میشود. روشهای بیوتکنولوژی علاوه بر اینکه با محیط داخلی بتن سازگاری دارد، دوست دار محیط زیست نیز هست. همچنین اضافه کردن باکتری به بتن در حین ساخت، ترکها را از عمق و در سنین اولیه ترمیم میکند. محققان به این نتیجه رسیدهاند که محیط داخلی بتن و واکنش هیدراسیون سیمان به باکتری آسیب میرساند؛ بنابراین باید از باکتری در برابر محیط خشک و قلیایی بتن محفاظت شود. یکی از راه کارهای محافظتی، استفاده از حبابهای هوا در بتن است. باکتری وارد حباب هوا شده و در آن جا به فعالیت خود ادامه میدهد. از طرفی حبابهای هوا اکسیژن لازم برای تغذیهی باکتریها را نیز فراهم میکنند. به این منظور در این تحقیق از درصدهای متفاوت هوا (بدون ایجاد هوای عمدی، 5 درصد، 8 درصد) استفاده شده است. در این پژوهش به کمک 6 طرح اختلاط که نیمی از آنها حاوی باکتری اسپوروسارسینا پاستوری هستند؛ به بررسی مقاومت فشاری و مقاومت الکتریکی ( 108 نمونهی استوانهای استاندارد)، درصد جذب آب (36 نمونهی مکعبی با ابعاد 70 میلیمتر)، سنجش خوردگی فولاد (36 نمونهی مکعبی 70 میلی متری دارای میلگرد)، عمق کربناسیون (36 نمونهی مکعبی 100 میلی متری)، سنجش دوام در چرخههای ذوب و یخبندان (36 نمونهی مکعب مستطیل با عرض و ارتفاع 100 و طول 350 میلی متر)، نفوذ ناپذیری (18 نمونهی مکعب مستطیل با عرض و طول 200 و ارتفاع 120 میلیمتر) و آزمایش تسریع یافتهی نفوذ یون کلر (36 نمونهی استوانهای استاندارد) پرداخته شد. به منظور سنجش اثر عاملهای در نظر گرفته شده در این تحقیق، آزمایشها به کمک شیوهی آماری طراحی آزمایش و به طور خاص طرح کرت خرد شده انجام شده است. بر اساس این طرح، بتنهایی با سه درصد مختلف هوا ( بدون ایجاد حباب هوای عمدی، 5 درصد حباب هوا و 8 درصد حباب هوا) ریخته شد که در ساخت نیمی از آنها باکتری اسپوروسارسینا پاستوری استفاده شده است. پس از گذشت دورهی عمل آوری تعدادی از آنها به صورت تصادفی ترمیم سطحی شدند. نتایج نشان دادهاند رسوبات کلسیم کربنات تولید شده توسط باکتریها با پر کردن خلل و فرج موجود در بتن، درصد جذب آب، خوردگی میلگردها و عمق کربناسیون را کاهش داده و مانع تغییرات وزن بتن در چرخههای متوالی ذوب و یخبندان میگردد. رسوبات ایجاد شده حرکت آزاد یونها در خلل و فرج بتن را محدود کرده، نفوذ یون کلر را به حداقل رسانده و باعث افزایش مقاومت الکتریکی میشود. همچنین قرار گیری محیط غنی کلسیم (محیط عمل آوری حاوی املاح معدنی) در کنار باکتری باعث بهبود عملکرد آن میشود؛ در نتیجه مقاومت فشاری و مقاومت الکتریکی افزایش و درصد جذب آب، عمق کربناسیون و نفوذ پذیری در برابر آب تحت فشار،کاهش مییابد. ترمیم سطحی، لایهای نازک از کلسیم کربنات بر روی سطح تولید کرده و نفوذ پذیری بتن را محدود میکند؛ در نتیجه نفوذ یون کلر به فضای داخلی بتن کاهش و مقاومت الکتریکی آن افزایش مییابد. با حضور توأم حبابهای هوا و باکتری در بتن درصد جذب آب، عمق کربناسیون و نفوذ یون کلر کاهش و مقاومت الکتریکی به مقدار قابل ملاحظهای افزایش یافته است. در حقیقت سلولهای باکتری با قرار گیری در حبابهای هوا از محیط خشک و قلیایی بتن دور مانده و عملکرد مطلوبتری نشان میدهند. کلمات کلیدی: بتن هوا دار، باکتری، محیط عمل آوری، ترمیم سطحی، زمان