Biomass Ash as a Carrier for Sustainable Bacteria-based Self-healing in Cement-based Materials

Abstract

[Abstract]: Concrete structures suffer from micro-cracking, which compromises impermeability and accelerates structural degradation. Microbially Induced Calcium-Carbonate Precipitation offers an autonomous repair mechanism, but bacterial agents require physical protection from the highly alkaline and high-shear cementitious environment. This research validates the use of porous biomass residue as a dual-functional constituent: a partial replacement for natural fine aggregate and a protective internal carrier for bacterial spores and calcium lactate. Initial chemical analysis established a 2% calcium lactate dosage as the optimal precursor. This formulation supplies necessary calcium without inducing severe dimensional instability or retarding early-age hydration kinetics. Using 30% of the natural sand with biomass aggregate successfully shielded the dormant spores. Upon crack induction, microbial activity achieved 90% crack closure for 150-200 μm cracks, while the porous aggregate mitigated early-age autogenous shrinkage through internal curing. Environmental testing confirmed that the combination of bacterial spores and calcium lactate consistently enhances self-healing performance across all evaluated conditions. While efficiency peaks under immersion in water at 22 and 35 °C, the designed mix maintains superior healing capacity compared to control samples under different thermal, cyclic, and acidic environments.

[Resumen]: La aparición de fisuras en las estructuras de hormigón compromete su impermeabilidad y acelera la degradación estructural. La precipitación de carbonato cálcico inducida por microorganismos ofrece una solución como mecanismo de reparación autónomo, pero las bacterias introducidas requieren protección física frente a la matriz cementicia, altamente alcalina y con elevadas fuerzas de cizallamiento en el amasado. Esta investigación valida el uso de residuos de biomasa como componente de doble función: un sustituto parcial del árido fino natural y un elemento portador para las esporas bacterianas y el lactato cálcico. El análisis químico inicial estableció una dosis del 2% de lactato de calcio como precursor óptimo. Esta formulación aporta el calcio necesario sin provocar una inestabilidad dimensional grave ni retrasar la cinética de hidratación en las primeras etapas. El uso de un 30% de arena natural con árido de biomasa protegió con éxito las esporas latentes. Tras la inducción de grietas, la actividad microbiana logró un cierre del 90% en grietas de 150-200 μm, mientras que el árido poroso mitigó la contracción autógena en la fase inicial mediante el curado interno. Las pruebas ambientales confirmaron que la combinación de esporas bacterianas y lactato de calcio mejora de forma consistente el rendimiento de self-healing en todas las condiciones evaluadas. Si bien la eficiencia alcanza su máximo nivel en inmersión en agua a 22 y 35 °C, la mezcla diseñada mantiene una capacidad de curación superior en comparación con las muestras de control a diferentes temperaturas, ciclos y ambientes ácidos.

[Resumo]:A aparición de fisuras nas estruturas de formigón compromete a súa impermeabilidade e acelera a degradación estrutural. A precipitación de carbonato cálcico inducida por microorganismos ofrece unha solución como mecanismo de reparación autónomo, pero as bacterias introducidas requiren protección física fronte á matriz cementicia, altamente alcalina e con elevadas forzas de cizallamento no amasado. Esta investigación valida o uso de residuos de biomasa como compoñente de dobre función: un substituto parcial do árido fino natural e un elemento portador para as esporas bacterianas e o lactato cálcico. A análise química inicial estableceu unha dose do 2% de lactato de calcio como precursor óptimo. Esta formulación achega o calcio necesario sen provocar unha inestabilidade dimensional grave nin atrasar a cinética de hidratación nas primeiras etapas. O uso dun 30% de area natural con árido de biomasa protexeu con éxito as esporas latentes. Tras a indución de gretas, a actividade microbiana logrou un peche do 90% en gretas de 150-200 μm, mentres que o árido poroso mitigou a contracción autóxena na fase inicial mediante o curado interno. As probas ambientais confirmaron que a combinación de esporas bacterianas e lactato de calcio mellora de forma consistente o rendemento de self-healing en todas as condicións avaliadas. Aínda que a eficiencia alcanza o seu máximo nivel en inmersión en auga a 22 e 35 °C, a mestura deseñada mantén unha capacidade de curación superior en comparanza coas mostras de control a diferentes temperaturas, ciclos e ambientes acedos.