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

Abstract

As a construction material, lime has been around for at least 10 000 years [1], with some of the earliest load-bearing structures thought to be from the 2nd millennium BCE. Fascinatingly, lime as a binder material has been “discovered” numerous times across history by many civilizations [1]. This ubiquitousness has decreased since the appearance of Portland cement two centuries ago [2]. Yet, lime still remains a relevant material today. Lime production is a growing industry that represents an estimated €4.2 billion turnover for the European market [3]. Nevertheless, its positioning in the EU has become interdependent with downstream industries, such as steel, which can affect its future growth [3]. As such, new uses and applications for lime are a priority.

One of the most valuable properties of building lime is its ability to minimize cracking in masonry structures and absorb deformation, thereby preventing structural collapse. This is due to two key characteristics of lime mortars: low compressive strength and self-healing. First, the low compressive strength allows lime mortars to behave plastically and absorb differential settlements of the masonry structure, acting as a sacrificial component that helps maintain structural integrity. However, because lime hardens slowly and its carbonation process can take years or even centuries, it is more prone to early-stage failure, and its full mechanical potential may never be fully realized. The second notable feature is its self-healing ability, where cracks, both interior and exterior, naturally fill over time through chemical reactions or physical processes. While this occurs spontaneously, it is often limited to small cracks. Research on self-healing for lime-based mortars is, however, rather limited, and certain basic understandings of this phenomenon need to be better defined.

As stated in Chapter 1, this thesis focuses on overcoming some of these pitfalls. On the one hand, through the study of lime-based formulations it provides a better understanding of the parameters that affect self-healing and how to test self-healing in lime-based mortars. On the other hand, it aims to create more durable materials by improving self-healing and carbonation using microbial strategies. Although very different phenomena, self-healing and carbonation are both governed by the formation of CaCO₃, which leads to the filling of cracks but also the hardening of a fresh lime mortar. Meanwhile, CaCO₃ formation is the main outcome of microbially-induced carbonate precipitation (MICP). MICP is the process by which microbial activity and the resulting metabolites lead to the formation of CO₃²⁻ ions which can then react with free Ca²⁺ to form CaCO₃. This technology has been used in cement and concrete already to improve self-healing, but has not been implemented in lime-based mortars for this purpose.

After the comprehensive review of the state of the art on self-healing and carbonation presented in Chapter 1, along with the thesis objectives and thesis outline, Chapter 2 focused on parameterizing self-healing in lime mortars, and with it, how to test this crucial phenomenon. A range of testing techniques (microscopy, water flow tests, UPV measurements and compressive strength measurements) were presented, used in other self-healing studies, and tested on lime and lime-based mortars. UPV was the most streamlined and allowed for faster testing, although it still had limitations. Furthermore, the current literature seems to point in different directions as to whether lime-based mortars possess improved autogenous self-healing capacities. It is possible that this arises partly from the lack of developed and standardized methodologies for testing in these types of binders. In this work, pure lime mortars showed, microscopically, excellent self-healing capacity in submersion and water cycles. Nevertheless, testing these pure lime mortars proved even more challenging. Pure lime mortars oddly enough did not seem affected by the curing regime, and equally effective self-healing was measured for submersion and water cycles despite the hypothesis that the lack of CO₂ availability would hinder self-healing. On the other hand, when large fractions of hydrated lime were used in combination with cement and pozzolans, the results show lower performance of lime-based mortars compared to a more common cement mortar. Additionally, submersion was the best curing condition for the lime-based mortars, in spite of the hypothesized CO₂ requirement. Overall, it became apparent that the addition of lime led to more variability in the measurements for all techniques, which meant lower accuracy in all testing methods. Adding to the fact that the lime-based mortars showed preferential formation of calcium carbonate healing products rather than the stronger hydration-based healing products formed in cement, the self-healing capacity of lime-based mortars seemed more limited.

Yet, the use of a comprehensive array of tests shed light on the different parameters that affect the self-healing capacity of lime-based mortars. Following on this, in Chapter 3, the use of micro-computed X-ray tomography (micro-CT) was explored as a technique to couple different testing methods together. This not only facilitates testing by reducing sample number, as micro-CT is a non-destructive technique, but given that testing techniques measure different aspects of the self-healing process, it provides a full picture of self-healing. Importantly, it does so in a single sample, reducing the issues that multiple tests on multiple samples would imply. One such problem is the differences in properties of the mortars each time a new batch is prepared, here observed in the fact that the cylindrical samples, despite having the same formulation design as the samples tested at day 7 in Chapter 2, showed much more limited self-healing. Still, the general trends in this chapter were similar to Chapter 2, as cement-based formulations also showed better healing performance. Micro-CT allowed measurement showing that the addition of lime seemed to lead to larger changes in the crack system at the surface of the samples, an effect that was not measured at the crack mouth with microscopy nor with water flow tests. Although precipitation of self-healing products was visible, a large part of these changes arose from pores being removed from the crack network due to precipitation occurring at the pore–crack interface (i.e., pore filling effect). Given the different limitations encountered in all tests, the use of coupled tests is encouraged for future studies.

Another aspect central to the development of lime mortars as an attractive building material is the hardening process. Due to cement’s faster hardening and higher strength, lime mortars have become secondary to cement-based materials over the last century. Chapter 4 explores the development of novel lime materials through the use of bacteria to increase the carbonation rate of lime mortars, and thus hardening at an earlier age. Here it is shown that bacterial CO₂ leads to faster carbonation of lime in closed environments; that different bacterial species lead to different extents of carbonation; and that this can be correlated to their metabolic activity. Despite that, optimization of such a strategy is still necessary, with an emphasis on the nutrient composition as well as the incorporation strategy. Nonetheless, this work serves as a proof of concept that bacterial-based methods can be an effective strategy for the development of faster-hardening lime materials.

Lastly, the same bacteria that can lead to better carbonation of lime mortars are also capable of mediating the formation of calcium carbonate. Such a strategy has been central to the development of bacterial-based self-healing cements, yet work in this field has been viewed through an engineering perspective, and the mechanistic insights into this process remain ambiguous. Understanding this, however, can lead to better selection strategies for bacterial-based technologies. Through Chapter 5 it was shown that calcium carbonate–precipitating bacteria mediate the formation of calcite crystals through their metabolically derived organics, which lead to preferential orientation of the resulting calcite crystals and remain trapped (occluded) within the CaCO₃ lattice structure. Moreover, this produces calcite with distinctive organic signatures that can be identified with analytical techniques such as FTIR. Such biomineral organization is also observed in eukaryotes, and these biominerals have superior mechanical properties, suggesting that bacterial calcium carbonates might as well. This would translate into better cementitious materials.

Finally, Chapter 6 begins with a general discussion of the main results of the thesis. Then, preliminary results on the use of bacterial additives for improvement of self-healing in lime-based mortars are presented, converging the work from each section. Moreover, this chapter also explores common themes and results across the different chapters, ending with a discussion on the benefits of a stronger microbiology and bioengineering approach in the field of bio-additives for cementitious materials. Throughout this discussion, future work is highlighted. This chapter also presents the concluding remarks of the thesis.

Als constructiemateriaal bestaat kalk al minstens 10 000 jaar [1]. De vroegste dragende constructies waarin kalk gebruikt werd, stammen vermoedelijk uit de 2e eeuw voor Christus. Het is fascinerend dat kalk als bindmiddel in de loop van de geschiedenis talloze keren “ontdekt” is door verschillende beschavingen [1]. Deze alomtegenwoordigheid is afgenomen sinds de ontdekking van portlandcement twee eeuwen geleden [2]. Toch is kalk vandaag de dag nog steeds een relevant materiaal. De productie van kalk is een groeiende industrie met een geschatte omzet van 4,2 miljard euro voor de Europese markt [3]. Wel is de positie van kalk in de EU afhankelijk geworden van downstreamindustrieën, zoals staal, wat de toekomstige groei kan beïnvloeden [3]. Daarom zijn nieuwe toepassingen van kalk een prioriteit voor de industrie.

Een van de meest waardevolle eigenschappen van bouwkalk is het vermogen om scheuren in metselwerkconstructies te minimaliseren en vervorming te absorberen, waardoor instorting van de constructie wordt voorkomen. Dit komt door twee belangrijke eigenschappen van kalkmortels: de lage druksterkte en het zelfhelend vermogen. Ten eerste zorgt de lage druksterkte ervoor dat kalkmortels zich plastisch kunnen gedragen en differentiële zettingen van de metselwerkconstructie kunnen opvangen, waardoor ze als een opofferingscomponent fungeren die de structurele integriteit helpt te behouden. Omdat kalk echter slechts langzaam uithardt en het carbonatatieproces jaren of zelfs eeuwen kan duren, is het materiaal vatbaarder voor falen in een vroeg stadium en kan het mechanische potentieel nooit volledig worden gerealiseerd. De tweede opmerkelijke eigenschap is het zelfhelende vermogen, waarbij scheuren, zowel aan de binnen- als aan de buitenkant, na verloop van tijd op natuurlijke wijze worden opgevuld door chemische reacties of fysische processen. Hoewel dit spontaan gebeurt, blijft een complete zelfheling vaak beperkt tot kleine scheurtjes. Onderzoek naar zelfheling bij mortels op kalkbasis is echter vrij beperkt en bepaalde basisbegrippen van dit fenomeen moeten beter worden gedefinieerd.

Zoals vermeld in hoofdstuk 1, richt dit proefschrift zich op het oplossen van enkele van deze hiaten. Enerzijds wordt door het bestuderen van formuleringen op basis van kalk een beter begrip verkregen van de parameters die zelfheling beïnvloeden en hoe zelfheling in mortels op basis van kalk kan worden getest. Anderzijds is het de bedoeling om duurzamere materialen te maken door zelfheling en carbonatatie te verbeteren met behulp van microbiële strategieën. Hoewel het om zeer verschillende fenomenen gaat, worden zelfheling en carbonatatie beide beheerst door de vorming van CaCO3, wat leidt tot het vullen van scheuren, maar ook tot het verharden van een verse kalkmortel. Verder is CaCO3-vorming het belangrijkste resultaat van microbieel geïnduceerde carbonaatprecipitatie (MICP). MICP is het proces waarbij microbiële activiteit en de resulterende metabolieten leiden tot de vorming van CO3²⁻-ionen die vervolgens kunnen reageren met vrij Ca²⁺ om CaCO3 te vormen. Deze technologie is al gebruikt in cement en beton om het zelfhelende vermogen te verbeteren, maar is voor dit doel nog niet toegepast in mortels op kalkbasis.

Na het uitgebreide overzicht van de stand van de wetenschap op het gebied van zelfheling en carbonatatie in hoofdstuk 1, samen met de doelstellingen van het proefschrift en de opzet van het proefschrift, richt hoofdstuk 2 zich op het parametriseren van zelfheling in kalkmortels, en daarmee op het testen van dit cruciale fenomeen. Een reeks testtechnieken (microscopie, waterstromingstesten, ultrasoonmetingen en druksterkte-metingen), die reeds gebruikt werden in andere onderzoeken naar zelfheling, worden gepresenteerd en deze werden getest op kalkmortels en mortels op basis van kalk (in combinatie met portlandcement of metakaolien). De ultrasoonmetingen waren het meest gestroomlijnd en maakten sneller testen mogelijk, hoewel er nog steeds beperkingen waren. Bovendien lijkt de huidige literatuur in verschillende richtingen te wijzen wat betreft de vraag of mortels op basis van kalk een verbeterd autogeen zelfhelend vermogen hebben. Het is mogelijk dat dit gedeeltelijk voortkomt uit het gebrek aan ontwikkelde en gestandaardiseerde methodologieën voor het testen van dit soort bindmiddelen. In dit werk, waarbij grote fracties gehydrateerde kalk werden gebruikt in combinatie met cement en puzzolanen, toonden de resultaten lagere prestaties van deze combinatiemortels op basis van kalk in vergelijking met een meer gebruikelijke cementmortel. Bovendien was onderdompeling de beste uithardingsconditie voor de combinatiemortels op basis van kalk, ondanks dat werd verondersteld dat het gebrek aan CO₂ de zelfheling zou belemmeren. In het algemeen werd het duidelijk dat de toevoeging van kalk leidde tot meer variabiliteit in de metingen voor alle technieken, wat een lagere nauwkeurigheid voor alle testmethoden betekende. Ook door het feit dat de combinatiemortels op basis van kalk voornamelijk leidden tot de vorming van calciumcarbonaat als helend product in plaats van de sterkere hydratatieproducten die gevormd worden in cement, leek het zelfhelende vermogen van mortels op basis van kalk beperkter. Pure kalk daarentegen vertoonde microscopisch een uitstekend zelfhelend vermogen bij onderdompeling en watercycli. Toch bleek het testen van deze pure kalkmortels een nog grotere uitdaging. Pure kalkmortels leken vreemd genoeg niet beïnvloed te worden door het uithardingsregime en er werd een even effectief zelfhelend vermogen gemeten bij onderdompeling en watercycli.

Het gebruik van een uitgebreide reeks testen heeft licht geworpen op de verschillende parameters die van invloed zijn op het zelfhelend vermogen van de mortels op kalkbasis. In het verlengde hiervan werd in hoofdstuk 3 het gebruik van microcomputertomografie (micro-CT) onderzocht als een techniek om verschillende testmethoden aan elkaar te koppelen. Dit vergemakkelijkt niet alleen het testen door het nodige aantal monsters te verminderen, aangezien micro-CT een niet-destructieve techniek is, maar gezien het feit dat de testtechnieken verschillende aspecten van het zelfhelingsproces meten, geeft het bovendien een volledig beeld van de zelfheling. Belangrijker nog, het doet dit in een enkel monster, waardoor de problemen die meerdere testen op meerdere monsters met zich mee zouden brengen, verminderd worden. Eén zo'n probleem is het verschil in eigenschappen van de mortels telkens wanneer een nieuw mengsel wordt bereid, hier waargenomen in het feit dat de cilindrische monsters, ondanks dat ze hetzelfde formuleringsontwerp hadden als de monsters getest op dag 7 in hoofdstuk 2, een veel beperktere zelfheling vertoonden. Toch waren de algemene trends in dit hoofdstuk vergelijkbaar met die in hoofdstuk 2, aangezien formuleringen op cementbasis ook betere helingsprestaties lieten zien. Met micro-CT kon worden gemeten dat de toevoeging van kalk leek te leiden tot grotere veranderingen in het scheurstelsel aan het oppervlak van de monsters, een effect dat niet werd gemeten bij de scheuropening met microscopie of via waterstroomtesten. Hoewel neerslag van zelfhelende producten zichtbaar was, kwam een groot deel van deze veranderingen voort uit het verdwijnen van poriën uit het scheurnetwerk door neerslag op het grensvlak tussen de poriën en de scheur (d.w.z. het poriënvullend effect). Gezien de verschillende beperkingen die in alle testen werden aangetroffen, wordt het gebruik van gekoppelde testen aangemoedigd voor toekomstige studies.

Een ander aspect dat centraal staat in de ontwikkeling van kalkmortels als aantrekkelijk bouwmateriaal is het uithardingsproces. Door de snellere uitharding en hogere sterkte van cement zijn kalkmortels de afgelopen eeuw ondergeschikt geworden aan cementgebaseerde materialen. Hoofdstuk 4 onderzoekt de ontwikkeling van nieuwe kalkmaterialen door het gebruik van bacteriën om de carbonatatiesnelheid van kalkmortels te verhogen, en daarmee de verharding op jongere leeftijd. Hier wordt aangetoond dat bacterieel CO₂ leidt tot snellere carbonatatie van kalk in gesloten omgevingen; dat verschillende bacteriesoorten leiden tot verschillende mate van carbonatatie; en dat dit gecorreleerd kan worden aan hun metabolische activiteit. Desondanks is optimalisatie van een dergelijke strategie nog steeds noodzakelijk, met de nadruk op de samenstelling van voedingsstoffen en de incorporatiestrategie. Desalniettemin dient dit werk als proof-of-concept dat op bacteriën gebaseerde methoden een effectieve strategie kunnen zijn voor de ontwikkeling van sneller uithardende kalkmaterialen.

Ten slotte zijn dezelfde bacteriën die kunnen leiden tot een betere carbonatatie van de kalkmortels ook in staat de vorming van calciumcarbonaat te induceren. Een dergelijke strategie staat centraal bij de ontwikkeling van zelfhelend cement op basis van bacteriën, maar het werk op dit gebied is bekeken vanuit een ingenieursperspectief en de mechanistische inzichten in dit proces blijven onduidelijk. Toch kan inzicht hierin leiden tot een betere selectie van bacteriële strategieën. In hoofdstuk 5 werd aangetoond dat calciumcarbonaat precipiterende bacteriën de vorming van calcietkristallen stimuleren door hun metabolisch gevormde organische stoffen die leiden tot een voorkeursoriëntatie van de resulterende calcietkristallen en die opgesloten blijven in de CaCO3-roosterstructuur. Bovendien produceert dit calciet met kenmerkende organische signaturen die geïdentificeerd kunnen worden met analytische technieken zoals FTIR. Een dergelijke biominerale organisatie is ook waargenomen bij eukaryoten en deze biomineralen hebben superieure mechanische eigenschappen, wat doet vermoeden dat bacteriële calciumcarbonaten dat ook zouden kunnen zijn. Dit zou leiden tot betere cementgebonden materialen.

Tot slot begint hoofdstuk 6 met een algemene bespreking van de belangrijkste resultaten van het proefschrift. Daarna volgen de voorlopige resultaten over het gebruik van bacteriële additieven voor het verbeteren van zelfheling in mortels op basis van kalk, steunend op de resultaten van de verschillende hoofdstukken. Bovendien verkent dit hoofdstuk ook gemeenschappelijke thema's en resultaten uit de verschillende hoofdstukken, eindigend met een discussie over de voordelen van een sterkere microbiologische en bio-ingenieursbenadering op het gebied van bioadditieven voor cementgebonden materialen. In deze discussie wordt de nadruk gelegd op toekomstig werk. Dit hoofdstuk bevat ook de slotbemerkingen van het proefschrift.

Como material de construcción, la cal se ha utilizado desde hace al menos 10.000 años [1], y se cree que algunas de las primeras estructuras portantes datan del segundo milenio antes de Cristo. Curiosamente, la cal como material aglutinante ha sido “descubierta” numerosas veces a lo largo de la historia por muchas civilizaciones [1]. Esta ubicuidad ha disminuido desde la aparición del cemento Portland hace dos siglos [2]. Sin embargo, la cal sigue siendo un material relevante en la actualidad. La producción de cal es una industria en crecimiento que representa un volumen de negocio estimado de 4.200 millones de euros para el mercado europeo [3]. Sin embargo, su posicionamiento en la UE se ha vuelto interdependiente con industrias derivadas, como la siderúrgica, lo que puede afectar a su crecimiento futuro [3]. Por ello, es prioritario encontrar nuevos usos y aplicaciones para la cal.

Una de las propiedades más valiosas de la cal para la construcción es su capacidad para minimizar la fisuración en las estructuras de mampostería y absorber la deformación, evitando así el colapso estructural. Esto se debe a dos características clave de los morteros de cal: la baja resistencia a la compresión y la autorreparación (o autosellado). En primer lugar, la baja resistencia a la compresión permite a los morteros de cal tener un comportamiento plástico y absorber los asentamientos diferenciales de la estructura de mampostería, actuando de esta manera como un componente de sacrificio que ayuda a mantener la integridad estructural. Sin embargo, como la cal se endurece lentamente y su proceso de carbonatación puede durar años o incluso siglos, es más propensa a fallar en fases tempranas, y es posible que nunca llegue a desarrollar todo su potencial mecánico. La segunda característica destacable es su capacidad de autorreparación, por la que las grietas, tanto interiores como exteriores, se rellenan de forma natural con el tiempo a través de reacciones químicas o procesos físicos. Aunque esto ocurre espontáneamente, a menudo se limita a pequeñas grietas. La investigación sobre la autorreparación de los morteros a base de cal es, sin embargo, bastante limitada, y es necesario definir mejor ciertas nociones básicas de este fenómeno.

Como se indica en el capítulo 1, esta tesis se centra en la superación de algunas de estas limitaciones. Por un lado, se presenta un estudio bibliográfico sobre la autorreparación en las mezclas a base de cal, para obtener una mejor comprensión de los parámetros que afectan a este fenómeno y cómo medirlo en morteros a base de cal. Por otro, la tesis pretende crear materiales más duraderos mejorando la autorreparación y la carbonatación mediante estrategias microbianas. Aunque se trata de fenómenos muy diferentes, tanto la autorreparación como la carbonatación se rigen por la formación de CaCO₃, que conduce al relleno de grietas pero también al endurecimiento de un mortero de cal fresco. Mientras tanto, la formación de CaCO₃ es el principal resultado de la precipitación de carbonatos inducida por microbios (MICP, por sus siglas en inglés). MICP es el proceso por el cual la actividad microbiana y los metabolitos resultantes conducen a la formación de iones CO₃²⁻ que pueden reaccionar con Ca²⁺ libre para formar CaCO₃. Esta tecnología ya se ha utilizado en el cemento y el hormigón para mejorar la autorreparación, pero no se ha aplicado con este fin en los morteros a base de cal.

Tras la exhaustiva revisión del estado del arte sobre la autorreparación y la carbonatación presentada en el capítulo 1, donde también se presentan los objetivos y el esquema de la tesis, el capítulo 2 se centra en la parametrización de la autorreparación en los morteros de cal y, con ella, en la forma de medir este fenómeno crucial. Se presentaron una serie de técnicas de ensayo – microscopía, pruebas de flujo de agua, mediciones de velocidad de pulso ultrasónico (UPV) y mediciones de resistencia a la compresión – utilizadas en otros estudios de autorreparación, y probadas en morteros de cal y con base de cal. La UPV era la más sistematizada y permite realizar pruebas más rápidamente, aunque sigue teniendo limitaciones. Además, la bibliografía actual parece apuntar en direcciones diferentes en cuanto a si los morteros a base de cal poseen capacidades autógenas de autorreparación mejoradas. Es posible que esto se deba en parte a la falta de metodologías desarrolladas y estandarizadas para realizar ensayos en este tipo de ligantes. En este trabajo, los morteros de cal pura mostraron, microscópicamente, una excelente capacidad de autorreparación en inmersión completa y en ciclos de inmersión y agua, a pesar de la hipótesis de que la falta de CO₂ inhibiría el proceso. No obstante, las pruebas con estos morteros de cal pura resultaron aún más difíciles. Curiosamente, los morteros de cal pura no parecían verse afectados por el régimen de curado, y se midió una capacidad de autorreparación igualmente eficaz en ciclos de inmersión y de agua. Por otro lado, en los morteros que utilizaron fracciones elevadas de cal hidratada en combinación con cemento y puzolanas, los resultados muestran un menor rendimiento de los morteros a base de cal en comparación con un mortero de cemento más común. Además, la inmersión fue la mejor condición de curado para los morteros a base de cal, a pesar de que la hipótesis era que la falta de disponibilidad de CO₂ dificultaría la autorreparación. En general, se hizo evidente que la adición de cal dio lugar a una mayor variabilidad en las mediciones para todas las técnicas, lo que significó una menor precisión en todos los métodos de ensayo. A esto se suma el hecho de que los morteros a base de cal mostraban una formación preferente de productos de reparación de carbonato cálcico en lugar de los productos de reparación más resistentes que se forman en el cemento basados en la hidratación. Esto llevó a que la capacidad de autorreparación de los morteros a base de cal pareciera más limitada.

Sin embargo, el uso de una amplia gama de pruebas arrojó luz sobre los diferentes parámetros que afectan a la capacidad de autorreparación de los morteros a base de cal. A continuación, en el capítulo 3, se exploró el uso de la microtomografía computarizada de rayos X (micro-CT) como técnica para combinar diferentes métodos de ensayo. Esto no solo facilita los ensayos al reducir el número de muestras, ya que la micro-CT es una técnica no destructiva, sino que, dado que las técnicas de ensayo miden diferentes aspectos del proceso de autorreparación, proporciona una imagen completa de este fenómeno. Y lo que es más importante, lo hace en una sola muestra, lo que reduce los problemas que implicarían múltiples pruebas en diversas muestras. Uno de estos problemas son las diferencias en las propiedades de los morteros cada vez que se prepara un nuevo lote, aquí puestas de manifiesto en el hecho de que las muestras cilíndricas, a pesar de tener el mismo diseño de mezclas que las muestras ensayadas el día 7 en el capítulo 2, experimentaron una autorreparación mucho más limitada. Aun así, las tendencias generales de este capítulo fueron similares a las del capítulo 2, ya que las mezclas a base de cemento también mostraron un mejor rendimiento de reparación. La técnica de micro-CT permitió medir que la adición de cal parecía conducir a mayores cambios en el sistema de grietas en la superficie de las muestras, un efecto que no se midió en la boca de la grieta con microscopía ni con ensayos de flujo de agua. Aunque la precipitación de productos de autorreparación era visible, gran parte de estos cambios procedían de la eliminación de poros de la red de grietas debido a la precipitación que se producía en la interfaz poro-grieta (es decir, efecto de relleno de poros). Dadas las diferentes limitaciones encontradas en todos los ensayos, se recomienda el uso de ensayos acoplados para futuros estudios.

Otro aspecto fundamental para el desarrollo de los morteros de cal como material de construcción atractivo es el proceso de endurecimiento. Debido al endurecimiento más rápido del cemento y a su mayor resistencia a compresión, los morteros de cal han pasado a un segundo plano frente a los materiales a base de cemento en el último siglo. El capítulo 4 explora el desarrollo de nuevos materiales de cal mediante el uso de bacterias para aumentar su tasa de carbonatación y, por tanto, su endurecimiento a una edad más temprana. Aquí se demuestra que el CO₂ bacteriano conduce a una carbonatación más rápida de la cal en ambientes cerrados; que diferentes especies de bacterias conducen a distintos grados de carbonatación; y que esto puede correlacionarse con su actividad metabólica. A pesar de ello, sigue siendo necesaria la optimización de dicha estrategia, haciendo hincapié en la composición de nutrientes, así como en la estrategia de incorporación. No obstante, este trabajo sirve como prueba de concepto de que los métodos basados en bacterias pueden ser una estrategia eficaz para el desarrollo de materiales de cal de endurecimiento más rápido.

Por último, las mismas bacterias que pueden mejorar la carbonatación de los morteros de cal también son capaces de mediar en la formación de carbonato cálcico. Esta estrategia ha sido fundamental para el desarrollo de cementos autorreparadores a base de bacterias, pero los trabajos en este campo se han contemplado desde una perspectiva ingenieril, y los conocimientos mecanísticos del proceso de MICP siguen siendo ambiguos. Sin embargo, su comprensión puede conducir a mejores estrategias de selección para las tecnologías basadas en bacterias. En el capítulo 5 se demuestra que las bacterias precipitadoras de carbonato cálcico median en la formación de cristales de calcita a través de sus compuestos orgánicos derivados del metabolismo, que conducen a una orientación preferente de los cristales de calcita resultantes y permanecen atrapados (ocluidos) dentro de la estructura reticular del CaCO₃. Además, esto produce calcita con firmas orgánicas distintivas que pueden identificarse con técnicas analíticas como el FTIR. Esta organización biomineral también se observa en eucariotas y estos biominerales tienen propiedades mecánicas superiores, lo que apunta a la posibilidad de que los carbonatos cálcicos bacterianos también puedan tenerlas. Esto se traduciría en mejores materiales cementantes.

Por último, el capítulo 6 comienza con una discusión general de los principales resultados de la tesis. A continuación, se presentan los resultados preliminares sobre el uso de aditivos bacterianos para la mejora de la autorreparación en morteros a base de cal, en los que convergen los trabajos de cada sección. Además, este capítulo también explora temas y resultados comunes a los distintos capítulos, finalizando con una discusión sobre los beneficios de un enfoque más sólido de la microbiología y la bioingeniería en el campo de los bioaditivos para materiales cementantes. A lo largo de esta discusión se pone de relieve el trabajo futuro necesario. Este capítulo también presenta las observaciones finales de la tesis.