Effect of self-healing by Bacillus subtilis applied to fiber cement tiles

Abstract

Esta dissertação investiga o uso da bactéria Bacillus subtilis como agente de autocura em telhas de fibrocimento, propondo uma alternativa inovadora e sustentável para mitigar os efeitos de fissuras ? especialmente as trincas de borda ? que comprometem a estanqueidade e a integridade estrutural desse tipo de material. A proposta apresenta-se como uma solução prática, com potencial de ser incorporada aos processos industriais já existentes, sem exigir grandes investimentos em infraestrutura. A pesquisa foi estruturada em três etapas experimentais: (1) análise do crescimento bacteriano e da capacidade de autocura em placas de fibrocimento curadas e não curadas; (2) aplicação da técnica em telhas com trincas de borda; e (3) simulação de cenários comerciais, testando diferentes concentrações de Bacillus subtilis e lactato de cálcio. Os resultados demonstraram a formação de carbonato de cálcio (CaCO3) em condições laboratoriais favoráveis, com destaque para amostras suplementadas com bactérias e nutrientes. Ensaios de difração de raios X (DRX) identificaram a presença das fases calcita e vaterita, associadas ao processo de biomineralização induzido pela atividade metabólica da Bacillus subtilis. No entanto, em condições que simulam a aplicação comercial, observou-se que fatores como umidade e o grau de cura do material comprometem a eficácia do processo de autocura. Conclui-se que o uso de Bacillus subtilis como tecnologia de autocura em fibrocimento apresenta alto potencial, sobretudo em ambientes controlados. Para sua adoção em escala industrial, porém, é necessário superar desafios como a sensibilidade às condições ambientais e o custo dos nutrientes utilizados no processo.

Abstract: This dissertation investigates the use of the bacterium Bacillus subtilis as a self-healing agent in fiber cement roofing tiles, proposing an innovative and sustainable alternative to mitigate the effects of cracking ? especially edge cracks ? that compromise the watertightness and structural integrity of this material. The approach is presented as a practical solution with the potential to be integrated into existing industrial processes without requiring significant infrastructure investments. The research was structured in three experimental phases: (1) analysis of bacterial growth and self-healing capacity in cured and uncured fiber cement specimens; (2) application of the technique in tiles with edge cracks; and (3) simulation of commercial scenarios, testing different concentrations of Bacillus subtilis and calcium lactate. The results demonstrated the formation of calcium carbonate (CaCO3) under favorable laboratory conditions, particularly in samples supplemented with bacteria and nutrients. X-ray diffraction (XRD) tests confirmed the presence of calcite and vaterite phases, associated with biomineralization induced by the metabolic activity of Bacillus subtilis. However, in simulated commercial application conditions, factors such as humidity and the curing stage of the material negatively affected the effectiveness of the self-healing process. It is concluded that the use of Bacillus subtilis as a self-healing technology for fiber cement shows great potential, especially in controlled environments. Nevertheless, challenges such as sensitivity to environmental conditions and the cost of nutrients must be overcome to enable widespread adoption on an industrial scale.