Untitled 59 Soá 4 naêm 2018 KH&CN nước ngoài Bê tông tự hồi phục Trong các công trình hạ tầng cơ bản, bê tông thường xuyên phải chịu tải lớn, vì vậy dễ sinh ra nứt, từ đó dẫn đến tình trạng suy thoái[.]
KH&CN nước ngồi chế tạo bê tơng tự hỒi phỤc tỪ nấm Nhiều phương pháp biến đổi vật liệu nhà khoa học nghiên cứu nhằm tạo loại bê tơng có khả tự hồi phục, kỹ thuật vi sinh ưa chuộng nhờ tính an tồn, tự nhiên, bền vững không gây ô nhiễm môi trường Tuy nhiên, việc sử dụng đưa vi khuẩn vào bên bê tơng cịn nhiều hạn chế phức tạp mơi trường ni cấy, chi phí cao nguy thải lượng nitơ vào môi trường Gần đây, nhóm nghiên cứu thuộc Chương trình khoa học kỹ thuật vật liệu (Đại học Binghamton, New York, Hoa Kỳ) GS Congrui Jin đứng đầu thực khảo sát tác động khống hóa nhiều loại nấm khác bê tơng, từ đề nghị sử dụng nấm Trichoderma reesei giải pháp hữu hiệu đơn giản việc chế tạo vật liệu bê tông tự hồi phục Bê tông tự hồi phục trúc bê tơng [5] Trong cơng trình hạ tầng bản, bê tông thường xuyên phải chịu tải lớn, dễ sinh nứt, từ dẫn đến tình trạng suy thối nghiêm trọng tính chất lý theo thời gian [1] Để khắc phục vấn đề này, nhiều nhà khoa học tập trung nghiên cứu loại bê tơng có khả tự hồi phục vết nứt nội với giá thành thấp tốn công lao động Cho đến thời điểm tại, khả tự hồi phục bê tông ghi nhận đạt thơng qua ba đường [2, 3]: Hồi phục tự sinh, sử dụng vật liệu polymer đóng gói sản xuất vi sinh học CaCO3 Do giới hạn trên, nhà khoa học dần hướng quan tâm tới giải pháp thứ ba, sử dụng vi sinh để sản xuất CaCO3 nhằm phục hồi bê tông bị thương tổn Đây giải pháp vừa an tồn, tự nhiên, vừa bền vững khơng gây ô nhiễm môi trường [4, 6] Kỹ thuật sửa chữa dựa q trình khống hóa sinh học, có khả chuyển hóa nguồn canxi hữu thành CaCO3, chất làm đầy phù hợp bê tông nhờ khả tương hợp cao CaCO3 thành phần xi măng bê tông Đặc biệt, phương pháp vi sinh học tỏ vượt trội so với hai giải pháp trước nhờ khả làm đầy hữu hiệu vết nứt vi mô, cho phép tạo liên kết bền vững chất làm đầy vết nứt, đồng thời tạo thuận lợi cho trình giãn nở nhiệt vật liệu [7] Đối với đường hồi phục tự sinh, vết nứt làm đầy cách tự nhiên thơng qua q trình hydrat hóa hạt xi măng q trình carbon hóa Ca(OH)2 hịa tan nhờ khí chứa CO2 [2] Tuy nhiên phương pháp ứng dụng hiệu vết nứt nhỏ (đường kính 0,2 mm) cần diện nước phải bổ sung nước trình hồi phục [4] Ở phương pháp thứ hai, tác nhân hồi phục đóng gói vật liệu polymer đưa vào thành phần phối liệu bê tông trước thời điểm hình thành bê tơng Khi bê tơng bị nứt, ứng suất hệ, vật liệu polymer kích hoạt, vỡ giải phóng tác nhân hồi phục dạng bọt xốp Mặc dù vậy, hóa chất tiết từ viên thể bao đóng gói biểu khác mơi trường thành phần bê tơng khác Thậm chí vài trường hợp, việc giải phóng tác nhân phục hồi mở rộng lan truyền vết nứt cấu Nghiên cứu gần cho thấy, số vi khuẩn loại ureolytic Bacillus sphaericus B pasteurii có khả gây kết tủa CaCO3 thơng qua q trình thủy giải urea, sử dụng công cụ hiệu để phục hồi vết nứt [8, 9] Tuy nhiên, để ion carbonate tạo ra, ion ammonium phải hình thành, dẫn đến nguy thải lượng thừa nitơ vào môi trường Để khắc phục hạn chế này, Jonkers đồng nghiệp đề nghị sử dụng q trình trao đổi chất để chuyển hóa hợp chất hữu thành CaCO3 [10] Cụ thể, thành phần acid hữu vi khuẩn bị oxy hóa khơng khí để hình thành CO2 Khí CO2 mơi trường kiềm dễ dàng chuyển hóa thành ion carbonate Khi đó, với diện Số năm 2018 59 KH&CN nước ngồi nguồn canxi, ion carbonat tạo thành CaCO3 kết tủa Vấn đề cách thức phải sử dụng lượng lớn nguồn canxi, vốn có nguy tạo nhiều muối thành phần bê tơng [11], chưa tỏ phù hợp với nhu cầu thực tế Ứng dụng nấm chế tạo bê tông tự hồi phục Trong khái niệm "vi sinh vật" đề cập đến phạm trù rộng lớn cá thể sinh học, hầu hết nghiên cứu bê tông tự hồi phục tập trung vào vi khuẩn [7] Dĩ nhiên, việc sử dụng vi khuẩn đem lại nhiều ưu điểm, chẳng hạn dễ dàng nuôi cấy thao tác phịng thí nghiệm, số loại vi khuẩn tỏ vô hại với người Hơn nữa, việc thu thập cô lập vi khuẩn không phức tạp Tuy nhiên, vi khuẩn thường không đủ sức đề kháng để tồn mơi trường có hại bê tông với pH cao, nhiệt độ thay đổi độ ẩm thấp Chính vậy, thời điểm tại, có thành cơng báo cáo việc sử dụng vi khuẩn để tạo bê tơng có khả hồi phục thời gian dài Ngoài ra, đứng quan điểm kinh tế, việc sản xuất bê tông tự hồi phục nhờ vi khuẩn thường đẩy giá thành lên cao yêu cầu khắt khe điều kiện vô trùng q trình ni cấy, khiến cho giải pháp chưa áp dụng rộng rãi [12] Đứng trước thách thức trên, vài nghiên cứu thử đề nghị sử dụng loại vi sinh vật khác có khả xúc tác cho phản ứng kết tủa khoáng canxi nhằm tạo tính chất tự hồi phục cho bê tông Trong nghiên cứu này, vi khuẩn thay nấm để thúc đẩy trình kết tủa khoáng canxi vết nứt bên cấu trúc bê tơng Nấm xem nhóm sinh vật nhân thực phổ biến trái đất (chỉ sau côn trùng), với mức độ đa dạng ước tính lên đến triệu loài [13] Trước đây, nấm đối tượng nghiên cứu chủ yếu cho trình phân hủy vật chất hữu Mối quan hệ chúng vật chất vô thường liên quan đến trình cộng sinh nấm mốc, vốn tạo loại khoáng chất dinh dưỡng Đối với đối tượng bê tông tự hồi phục, việc sử dụng nấm dựa giả thuyết Thứ nhất, số nấm thích nghi tốt mơi trường khắc nghiệt bê tông độ kiềm cao, độ ẩm thấp, hạn chế oxy dinh dưỡng [14] Thứ hai, số lồi nấm chứng minh thúc đẩy q trình khống hóa canxi mơi trường khắc nghiệt bê tơng [15] Cuối cùng, 60 Số naêm 2018 việc vá vết nứt sinh học, nấm chí cịn tỏ hiệu vi khuẩn [16] Chính vậy, gần đây, nhóm nghiên cứu thuộc Chương trình khoa học kỹ thuật vật liệu (Đại học Binghamton, New York, Hoa Kỳ) GS Congrui Jin đứng đầu, thực khảo sát việc ứng dụng loại nấm khác để chế tạo vật liệu bê tông tự hồi phục [17] Thực tế, số loại nấm nghiên cứu khả thúc đẩy q trình khống hóa canxi, chưa có loại nấm khảo sát cụ thể vật liệu bê tơng Do đó, nghiên cứu GS Congrui Jin xem nghiên cứu lĩnh vực Cơ chế thúc đẩy q trình khống hóa canxi nấm Trong nghiên cứu GS Congrui Jin, loại nấm khác thử nghiệm, bao gồm Trichoderma reesei (ATCC13631, hình 1), Aspergillus nidulans (ATCC38163), Cadophora interclivum (BAG4), Umbeliopsis dimorpha (PP16-P60), Acidomelania panicicola (8D) Pseudophialophora magnispora (CM14-RG38) Các loại nấm nuôi cấy thạch dextrose khoai tây, vốn mơi trường dinh dưỡng giàu carbohydrate kích thích tăng trưởng hầu hết loại nấm Sau đó, mơi trường bê tơng chuẩn bị cách sử dụng xi măng Portland hòa trộn với cát chuẩn hóa nước theo tỷ lệ khối lượng nước/xi măng 0,5 cát/xi măng Hỗn hợp hồ xi măng rót vào đĩa Petri ml chứa nấm nuôi cấy điều kiện độ ẩm 100% nhiệt độ 30oC ủ ngày để nấm phát triển hình Ảnh kính hiển vi nấm Trichoderma reesei Hình thể khả tăng trưởng loại nấm khác môi trường nuôi cấy mơi trường bê tơng Cả chủng nấm có tăng trưởng định thạch dextrose khoai tây, nhiên, nấm T reesei phát triển môi trường bê tông, với tốc độ tăng trưởng đạt 2,6 mm/ngày Một điểm cần lưu ý phát triển diễn 30oC Khi nhiệt độ ủ giảm xuống 25oC, nấm T reesei gần không phát triển Như loại nấm, có T reesei tỏ phù hợp cho mục đích chế tạo bê tơng tự hồi phục Thạch dextrose khoai tây 30oC 25oC Thạch dextrose khoai tây + bê tông 30oC 25oC Nấm Trichoderma reesei Nấm Aspergillus nidulans Nấm Cadophora interclivum Nấm Umbeliopsis dimorpha Nấm Acidomelania panicicola Nấm Pseudophialophora magnispora Cường độ (lần đếm) Cường độ (lần đếm) KH&CN nước ngồi Bê tơng khơng chứa nấm Bê tơng chứa nấm 2θ (độ) hình giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu bê tơng khơng có/có nấm T reesei Ảnh kính hiển vi điện tử quét (hình 4) tiếp tục đưa chứng khả tự hồi phục bê tông môi trường nấm T reesei Có thể nhận thấy rõ ràng diện tinh thể khống chất dạng hình khối nhỏ phát triển khe nứt với bề rộng 2-3 μm khối bê tơng Ngồi ra, bề mặt khống tinh thể (hình 4, ảnh góc trên) cịn chứa vết mầm tinh thể hình dây màu trắng, giả định nằm vị trí mà bào tử nấm chiếm trước Điều cho thấy nấm T reesei có vai trò trung tâm tạo mầm suốt trình khống hóa kết tủa Kỹ thuật phổ tán sắc lượng tia X (hình 5) chứng tỏ tinh thể khống chất hình thành cấu tạo Ca, C O với tỷ lệ nguyên tử phù hợp với CaCO3 hình trình nảy mầm phát triển loại nấm thạch dextrose khoai tây khơng có/có bê tơng nhiệt độ khác Hình so sánh giản đồ nhiễu xạ tia X hai mẫu bê tơng có khơng có nấm T reesei Mẫu bê tơng khơng chứa nấm cho thấy hai pha tồn chủ yếu quartz calcite, quartz chiếm hàm lượng nhiều Ngược lại, mẫu bê tông chứa T reesei gần thể pha calcite (pha khoáng chất CaCO3) với peak có cường độ cao rõ ràng khoảng 2θ = 30o cho thấy mức độ tinh thể hóa cao calcite mẫu Kết nhiều khả chứng tỏ T reesei thật thúc đẩy q trình kết tủa carbonate hóa canxi bê tơng hình Ảnh kính hiển vi điện tử qt khối bê tơng có chứa nấm T reesei Số năm 2018 61 KH&CN nước ngồi Cường độ (lần đếm × 10–3) 1,8 Nguyên tố 1,4 1,1 % khối lượng % mol 09,64 16,37 49,16 62,67 41,20 20,96 0,7 [5] C Dry (1994), “Matrix cracking repair and filling using active and passive modes for smart timed release of chemicals from fibers into cement matrices”, Smart Mater Struct., 3, pp.118-123 [6] W De Muynck, N De Belie, W Verstraete (2010), “Microbial carbonate precipitation improves the durability of cementitious materials: a review”, Ecol Eng., 36, pp.118-136 [7] M Seifan, A Samani, A Berenjian (2016), “Bioconcrete: next generation of selfhealing concrete”, Appl Microbiol Biotechnol., 100, pp.2591-2602 0,4 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 Năng lượng – keV 0,5 0,5 hình phổ tán sắc lượng tia X tinh thể khống chất hình thành vết nứt khối bê tông Những kết cho thấy, đặt vào khối bê tông với chất dinh dưỡng phù hợp, nấm T reesei không chống lại ứng suất bên cấu trúc vật liệu xây dựng mà chịu mơi trường khắc nghiệt có độ pH cao Vào thời điểm vết nứt xuất hiện, nước khí oxy xâm nhập vào bên Lúc này, bào tử nấm ngủ yên nảy mầm, phát triển kết tủa CaCO3 nhằm làm đầy vết nứt Đến vết nứt vá hoàn toàn, oxy nước xâm nhập vào, cá thể nấm quay trở lại dạng bào tử, chờ đến vết nứt quay trở lại, chúng tiếp tục đóng vai trị tác nhân hồi phục bê tông Như vậy, việc sử dụng nấm T reesei cho bê tông tự hồi phục cho thấy nhiều ưu điểm bật so với phương pháp trước đó, vừa có khả khống hóa hữu hiệu bên bê tơng, vừa tỏ an tồn q trình sử dụng, không gây độc hại môi trường, không cần bổ sung canxi Thông qua nghiên cứu trên, GS Congrui Jin cộng mở hướng nghiên cứu vật liệu xây dựng tự hồi phục, hứa hẹn ứng dụng hiệu tương lai Lê Tiến Khoa (tổng hợp) TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] A.M Neville (1996), Properties of concrete, Pearson Higher Education, New Jersey [2] C Edvardsen (1999), “Water permeability and autogenous healing of cracks in concrete”, ACI Mater J., 96, pp.448-454 [3] S Sangadji, E Schlangen (2013), “Mimicking bone healing process to self-repair concrete structure novel approach using porous network concrete”, Procedia Eng., 54, pp.315-326 [4] K Van Tittelboom, N De Belie, W De Muynck, W Verstraete 62 (2010), “Use of bacteria to repair cracks in concrete”, Cem Concr Res., 40, pp.157-166 Số năm 2018 [8] S Stocks-Fischer, J.K Galinat, S.S Bang (1999), “Microbiological precipitation of CaCO3”, Soil Biol Biochem., 31, pp.1563-1571 [9] J Dick, W De Windt, B De Graef, H Saveyn, P Van der Meeren, N De Belie, W Verstraete (2006), “Bio-deposition of a calcium carbonate layer on degraded limestone by Bacillus species”, Biodegradation, 17, pp.357-367 [10] H.M Jonkers (2011), concrete”, Heron, 56, pp.1-12 “Bacteria-based self-healing [11] M.B Burbank, T.J Weaver, T.L Green, B Williams, R.L Crawford (2011), “Precipitation of calcite by indigenous microorganisms to strengthen liquefiable soils”, Geomicrobiol J., 28, pp.301-312 [12] F Silva, N Boon, N De Belie, W Verstraete (2015), “Industrial application of biological self-healing concrete: challenges and economical feasibility”, J Commer Biotechnol., 21, pp.31-38 [13] D.L Hawksworth (2012), “Global species numbers of fungi: are tropical studies and molecular approaches contributing to a more robust approach?”, Biodivers Conserv., 21, pp.2245-2433 [14] K Sterflinger, D Tesei, K Zakharova (2012), “Fungi in hot and cold deserts with particular reference to microcolonial fungi”, Fungal Ecol., 5, pp.453-462 [15] E.P Burford, S Hillier, G.M Gadd (2006), “Biomineralization of fungal hyphae with calcite (CaCO3) and calcium oxalate mono- and dihydrate in carboniferous limestone microcosms”, Geomicrobiol J., 23, pp.599-611 [16] C Roncero (2002), “The genetic complexity of chitin synthesis in fungi”, Curr Genet., 41, pp.367-378 [17] J Luo, X Chen, J Crump, H Zhou, D.G Davies, G Zhou, N Zhang, C Jin (2018), “Interactions of fungi with concrete: significant importance for bio-based self-healing concrete”, Constr Build Mater., 164, pp.275-285 ... trị tác nhân hồi phục bê tông Như vậy, việc sử dụng nấm T reesei cho bê tông tự hồi phục cho thấy nhiều ưu điểm bật so với phương pháp trước đó, vừa có khả khống hóa hữu hiệu bên bê tơng, vừa... Như loại nấm, có T reesei tỏ phù hợp cho mục đích chế tạo bê tông tự hồi phục Thạch dextrose khoai tây 30oC 25oC Thạch dextrose khoai tây + bê tông 30oC 25oC Nấm Trichoderma reesei Nấm Aspergillus... nước Bê tông không chứa nấm Bê tông chứa nấm 2θ (độ) hình giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu bê tơng khơng có/có nấm T reesei Ảnh kính hiển vi điện tử qt (hình 4) tiếp tục đưa chứng khả tự hồi phục bê