Towards Advanced Lime-Based Mortars: Exploring Microbial Self-healing and Carbonation Strategies

Kalk wordt al meer dan 10.000 jaar gebruikt in de bouw omdat het ideaal is voor metselwerk. In tegenstelling tot cement, verreweg het meest gebruikte bouwmateriaal, is kalk door zijn mechanische eigenschappen effectief in het minimaliseren van scheuren in metselwerkconstructies. Het kan zich met name aanpassen aan verschillende zettingen en het kan scheuren zelf helen. Bovendien is het een volledig circulair en koolstofneutraal materiaal, omdat het, in tegenstelling tot cement, alle CO2 die vrijkomt tijdens het branden weer kan opnemen. Toch is de rol van dit materiaal in de bouw aanzienlijk afgenomen door de opkomst van portlandcement, vanwege de langzame uitharding en algehele sterkte. Ook is het zelfhelend vermogen niet uitgebreid bestudeerd. In dit proefschrift worden deze uitdagingen aangepakt door zelfheling en carbonatatie in mortels op basis van kalk te verbeteren met behulp van microbiële strategieën. Beide processen zijn afhankelijk van de vorming van calciumcarbonaat (CaCO3), dat scheuren vult en verse kalkmortel hard maakt. Aangezien CO2 een bijproduct is van microbiële ademhaling, kunnen bacteriën de carbonatatie verbeteren door ter plekke CO2 te produceren, als aanvulling op de CO2-opvangscapaciteit. Van deze microbiële benadering wordt verwacht dat het de vroege carbonatatie versnelt, maar het zou ook bijdragen aan de versterking van kalkmortels via microbieel geïnduceerde carbonaatneerslag (MICP) - een proces dat al wordt gebruikt in cement en beton om de zelfheling te verbeteren - maar hiervoor nog niet is toegepast in mortels op basis van kalk. Eerst werd zelfheling onderzocht, waarbij de nadruk lag op het identificeren van ideale omstandigheden en effectieve testmethoden. Er werden verschillende testen uitgevoerd, waarbij UPV het meest praktisch bleek. De resultaten toonden aan dat mortels op basis van kalk minder effectief zelfhelend zijn dan mortels op basis van cement, hoewel pure kalk het uitzonderlijk goed deed. Het testen bleef echter een uitdaging, wat de noodzaak van gestandaardiseerde methoden onderstreept. Micro-computertomografie werd vervolgens gebruikt om meerdere testmethoden te integreren, waardoor een completer beeld van de zelfheling werd verkregen en inconsistenties door batchvariaties werden verminderd. De bevindingen bevestigden dat mortels op cementbasis over het algemeen beter presteerden dan mortels op kalkbasis, hoewel kalk leidde tot veranderingen in de manier waarop zelfheling vorderde die verder begrepen moeten worden. Om de trage uitharding van kalk aan te pakken, werd onderzocht of bacteriën CO2 konden produceren om de uitharding van kalk te versnellen. Bacteriële CO2 leidde tot carbonatatie, waarbij verschillende soorten de snelheid verschillend beïnvloedden. Hoewel verdere optimalisatie nodig is, is deze methode een proof-of-concept voor deze technologie. Bovendien beïnvloeden de bacteriën het gevormde calciet, een belangrijke factor in zelfheling. Bacteriële organische stoffen bleken de calcietstructuur te veranderen en identificeerbare organische signaturen achter te laten. Vergelijkbare biominerale structuren in eukaryoten hebben superieure mechanische eigenschappen, wat suggereert dat bacteriële carbonaten cementachtige materialen zouden kunnen verbeteren. Deze dissertatie concludeert dat bacteriële strategieën mortels op basis van kalk zouden kunnen verbeteren, waardoor ze duurzamer worden en een duurzaam alternatief vormen voor materialen op basis van cement.