Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật vật liệu: Bê tông tự liền vết nứt ứng dụng cơ chế hoạt tính sinh học vi khuẩn

- Nghiên cứu quá trình hình thành sản phẩm calcite hệ quả của quá trình tổng hợp của vi khuẩn kết hợp sinh khối trong môi trường xi-măng bê-tông.. Giải pháp xử lý vết nứt bằng cơ chế tự

TỔNG QUAN

Tổng quan về hiện tượng biến dạng nứt vỡ trong bê-tông xi-măng và hệ quả của nó đến tính bền môi trường

1.1.1 Nội ứng suất xuất hiện trong vật liệu bê-tông và sự hình thành vết nứt

Khi chịu ngoại lực tác dụng, vật liệu bê-tông biểu hiện là vật liệu tương đối giòn và không có vùng ứng xử đàn hồi tuyến tính trên đường cong ứng suất-biến dạng với gradient giảm liên tục cho đến khi nó bị phá hủy hoàn toàn (Hình 1.1a) Do đó khi thí nghiệm theo chu trình gia tải-xả tải, trạng thái chịu tải và trạng thái xả tải không tuân theo cùng một đường cong ứng suất-biến dạng mà tồn tại biến dạng không hồi phục hay vật liệu bê-tông bị phá hoại một phần

Hình 1.1 Biểu đồ đường quan hệ ứng suất-biến dạng của vật liệu bê-tông [1]

Tuy nhiên, trong trường hợp tác dụng tải trọng có kiểm soát tốc độ biến dạng của mẫu đo, đường cong ứng suất-biến dạng cho thấy quá trình ứng suất giảm nhanh sau khi ứng suất đạt cực đại (Hình 1.1b) Các vết nứt bề mặt xuất hiện ngay khi ứng suất đạt đỉnh cực đại Tuy vậy, mẫu vật liệu bê-tông vẫn còn có thể chịu thêm tải đáng kể trước khi phá hủy theo kiểu sụp đổ hoàn toàn Rõ ràng với thí nghiệm này chứng tỏ sau giai đoạn đàn hồi là giai đoạn bê-tông thể hiện tính dẻo, ứng xử này gọi là đàn dẻo của vật liệu bê-tông Như vậy, rõ ràng thực tế các nứt vỡ xuất hiện và phát triển khi nội ứng suất vượt quá giới hạn

Thực hiện: Nguyễn Ngọc Trí Huỳnh chịu lực là quá trình diễn ra từ từ và liên tục dưới tải trọng tác dụng Thành phần và phân bố các nứt vỡ phát triển này cũng là một bộ phận trong biểu hiện chung ứng xử cơ học của bê-tông và cấu kiện

Ngoài ra, khi chưa chịu tác dụng của ngoại lực, vật liệu bê-tông bản thân nó đã có thể xuất hiện các nội ứng suất dưới tải trọng bản thân hay quá trình chuyển trạng thái bê-tông tươi có tính công tác, độ nhớt thành bê-tông đóng rắn mất hoàn toàn tính công tác Ở các quá trình này, nội ứng suất hình thành và dẫn đến các vết nứt phá hoại tế vi Khi làm việc, các quá trình phát triển cường độ và tiếp nhận tải trọng tiếp tục gây ra các nội ứng suất

Cấu kiện và vi cấu trúc vật liệu bê-tông sẽ bị phá hủy khi các nội ứng suất này vượt qua giới hạn bền cho phép của toàn bộ khối vật liệu hay liên kết giữa các thành phần

1.1.2 Quá trình biến dạng và nứt vỡ trong bê-tông xi-măng theo thời gian

Nhìn chung, trạng thái nứt vỡ hay phá hoại sụp đổ của vật liệu bê-tông là hệ quả của quá trình biến dạng vượt qua giá trị giới hạn, làm phát sinh nội ứng suất vượt quá giới hạn chịu lực vốn có

1.1.1.1 Trạng thái sớm ngày (chưa chịu tải)

Trạng thái sớm ngày đối với vật liệu xi-măng bê-tông được qui ước là chưa chịu tác dụng của tải trọng từ bên ngoài

Như vậy, trong thời gian sớm ngày trước khi khối vật liệu bắt đầu chịu tải trọng bên ngoài thì các quá trình biến dạng và nứt vỡ cũng có thể xuất hiện và phát triển Các vết nứt này xuất phát từ nhiều nguyên nhân khác nhau không thể bỏ qua do liên quan trực tiếp đến quá trình phản ứng thủy hóa đóng rắn của vữa xi-măng, hình thành khung vi cấu trúc Cụ thể đó là các biến dạng co nứt do phản ứng hóa học, co nứt do chênh lệch nhiệt độ, co nứt khô do bay hơi nước và co nứt do từ biến

Khi gặp nước, xi-măng xảy ra các phản ứng thủy hóa từ bề mặt hạt xi-măng vào trong

Tùy thuộc thành phần khoáng cũng như độ mịn của hạt xi-măng, quá trình thủy hóa có thể tạo ra một nhiệt lượng tương đối lớn và phân bố không đồng đều trong toàn khối vật liệu

Sự chênh lệch nhiệt độ trong khối bê-tông có nguyên nhân là tập hợp các quá trình thủy hóa tỏa nhiệt các khoáng xi-măng có thể làm nhiệt độ trong khối bê-tông lên đến 50-60 o C, tùy thuộc vào kích thước hình học Điều này gây ra sự chênh lệch nhiệt độ hay khác

Thực hiện: Nguyễn Ngọc Trí Huỳnh nhau về biến dạng ở các điểm với nhau cũng như với môi trường ngoài không khí Khi các nội ứng suất này đạt và vượt giới hạn bền kéo của vật liệu, vết nứt bắt đầu hình thành và phát triển nếu quá trình này tiếp tục đặc biệt các vị trí biên

Nếu khối bê-tông được hạ nhiệt nhanh hoặc biên biến dạng tự do, các ứng suất kéo có thể tăng lên và nhanh chóng vượt qua giá trị bền kéo Cần có những can thiệp trong giai đoạn này để giảm sự chênh lệch nhiệt độ trong bê-tông xuống mức thấp nhất có thể

Hình 1.2 Ứng suất nội gây ra bởi chênh lệch nhiệt độ giữa nhiệt thủy hóa bên trong và nhiệt độ môi trường ngoài của khối bê-tông không chịu tải [2]

Như ta đã biết, lượng nước nhào trộn xi-măng bê-tông luôn tồn tại một lượng dư so với nhu cầu phản ứng thuỷ hoá, quá trình đóng rắn đi kèm với hiện tượng bay hơi nước

Biến dạng nứt vỡ khi đóng rắn do bay hơi là một trong những nguyên nhân chính gây ra các vết nứt cho bê-tông

Sự mất nước quá nhanh trong quá trình đóng rắn xi-măng kéo theo hiện tượng co dẻo kéo các hạt xi-măng cạnh nhau, từ đó tạo thành các vết nứt li ti trên bề mặt Nếu quá trình xảy ra ở quy mô lớn hơn có thể tạo nên các vết nứt lớn, kéo dài

Thực hiện: Nguyễn Ngọc Trí Huỳnh

Hình 1.3 Quá trình gia tăng nội ứng suất và độ bền kéo trong khối bê-tông với trạng thái phát triển ứng suất chịu kéo không tuyến tính [2]

1.1.1.2 Trạng thái dài ngày (chịu tải)

Thông thường, trạng thái làm việc dài ngày của vật liệu bê-tông xi-măng đặc trưng bởi các ứng xử trong điều kiện chịu tải trọng ngoài hoặc các tác động của môi trường gây nên các biển đổi nội tại trong thành phần bê-tông

Giải pháp xử lý vết nứt bằng cơ chế tự liền (self-healing)

Nếu có thể làm cho khối vật liệu bê-tông tự bản thân có khả năng hàn gắn, tự liền các vết nứt (self-healing), đặc biệt là nứt tế vi trong bản thân nội tại khối vật liệu, điều này sẽ giúp đảm bảo độ bền vững cũng như tuổi thọ cho các công trình

Hiệu ứng tự liền của vật liệu bê-tông dựa trên 3 phương thức chính là: tự liền tự nhiên, tự liền theo cơ chế hóa học và tự liền theo cơ chế sinh học [5] Quá trình tự liền vết nứt tự nhiên diễn ra trong bê-tông nhờ vào sự tạo thành calcium carbonate hoặc calcium hydroxide; do các tạp chất trong nước bám vào và lấp các vết nứt; hoặc do quá trình thủy hóa của các hạt xi-măng chưa phản ứng; hoặc cũng có thể do sự giãn nở từ quá trình thủy hóa của các khoáng C-S-H trong pha nền vữa xi-măng [6] Phương thức tự liền thứ hai là phương thức hóa học, tức là dùng các hóa chất để xử lý các vết nứt trong vật liệu bê-tông

Thực hiện: Nguyễn Ngọc Trí Huỳnh

Hóa chất được đưa vào trong bê-tông theo hai phương thức: thụ động và chủ động Phương thức tự liền thụ động sử dụng các viên nang [7], các ống nông [6]; còn tự liền chủ động sử dụng mạng lưới các mạch liên kết với keo cấp vào từ bên ngoài [8]

Phương thức tự liền bê-tông thứ ba mà các nhà khoa học nghiên cứu là tự liền theo cơ chế sinh học Có hai cơ chế tạo khoáng kết dính làm liền vết nứt là nhóm tạo các khoáng calcium carbonate [5-8] và nhóm tạo khoáng polymorphic ironaluminum-silicate [13] Các phản ứng tạo khoáng này xảy ra bởi nấm [14] và vi khuẩn [15] Các cơ chế sinh học khác nhau của vi sinh vật có thể đề cập như cơ chế ưa nhiệt độ trung bình [11] hay ưa nhiệt [16]; cơ chế kị khí [10,12] hay hiếu khí [14]

Hình 1.6 Thống kê tóm tắt các phương pháp tự liền cho vật liệu bê-tông

1.2.2 Cơ chế tự liền sinh học Đối với cơ chế sinh học vi khuẩn, cơ chế tự liền căn bản dựa trên quá trình tạo ra các tinh thể calcite (CaCO3) để làm cầu nối, nối liền các vết nứt xuất hiện trên bề mặt bê-tông

Vi khuẩn chuyển hóa các chất dinh dưỡng hòa tan thành CaCO3 không tan và đóng rắn cứng trên bề mặt các vết nứt [10]

Thực hiện: Nguyễn Ngọc Trí Huỳnh

Có ba nhóm chất dinh dưỡng được tập trung nghiên cứu về cơ chế tạo cacite của các chủng vi khuẩn khác nhau V Wiktor và H M Jonkers nghiên cứu cơ chế tổng hợp khoáng calcite của chủng vi khuẩn Bacillus cohnii DSM 6037 và Bacillus pseudofirmus DSM

8715 trên nền chất dinh dưỡng là calcium lactate và một số chất hữu cơ khác [17] Nhóm nghiên cứu của S K Ramachandran sử dụng môi trường dinh dưỡng là urea, CaCl2 với chủng vi khuẩn sử dụng là Bacillus pasteurii [18] Chủng vi khuẩn Bacillus subtilis HU58, một chủng vi khuẩn dùng trong công nghiệp thực phẩm và thực phẩm chức năng, thân thiện với môi trường và với sức khỏe con người cũng có thể được sử dụng

Trong quá trình tự liền vết nứt, luôn diễn ra sự trao đổi chất giữa chất dinh dưỡng nền tảng calcium và vi khuẩn, trong trường hợp chất dinh dưỡng là calcium lactate, phản ứng theo phương trình sau [19]:

Ca(C H O ) 7O CaCO 5CO 5H O Các chủng vi khuẩn mang tính ureolytic có thể tạo ra CaCO3 trong môi trường kiềm nhờ vào chuyển hoá urea thành ammonium và carbonate [18] Sự thủy phân urea làm gia tăng pH cục bộ của môi trường xung quanh vi khuẩn và làm tăng sự lắng đọng các tinh thể calcite, các tinh thể này đóng vai trò như thành phần hàn gắn vết nứt

Theo ghi nhận, các vết nứt trong bê-tông với chiều rộng đến 0,2mm có thể tự liền lại [12] Các vết nứt tế vi đủ lớn để trở thành ống mao dẫn cho phép nước len vào Nếu có sự kết hợp quá trình thủy hóa các hạt xi-măng, vi khuẩn có thể giúp làm liền các vết nứt lớn hơn

Về mặt quá trình tự liền vết nứt của các chủng vi khuẩn thủy phân urea, theo phân tích của S M Al-Thawadi, chính là quá trình hình thành CaCO3 và có thể được chia ra theo 4 giai đoạn như trên hình 1.2a: (1) Thủy phân urea, (2) Sự gia tăng pH của môi trường vi mô, (3) Sự hấp phụ ion Ca 2+ lên bề mặt thành tế bào vi khuẩn, (4) Tạo mầm và phát triển các tinh thể calcite [11]

Thực hiện: Nguyễn Ngọc Trí Huỳnh

Hình 1.7 Quá trình tổng hợp CaCO 3 theo cơ chế sinh học (a) [11] và mô hình tạo calcite

(màu xám) trên thành tế bào vi khuẩn (b) [20]

Vi khuẩn Bacillus subtilis có tính xúc tác, thủy phân urea (CO(NH2)2) tạo thành amonia (NH4 +) và carbon dioxide (CO3 2-) thông qua các phản ứng trung gian Trong cơ chế phân hủy này, sự chuyển dịch pH và sự hiện diện của nước thúc đẩy quá trình hòa tan và phân ly diễn ra [11]

CO(NH ) H O khuaồn NH COOHNH

Ca  CO  CaCO Từ một loạt các phản ứng, thành tế bào vi khuẩn tích điện, hút các cation từ môi trường xung quanh, bao gồm ion Ca 2+ , tích lũy dần lên bề mặt thành tế bào vi khuẩn (Hình 1.2b minh họa quá trình tiếp theo) Các ion Ca 2+ sau đó sẽ phản ứng với các ion CO3 2-, dẫn đến sự hình thành sản phẩm CaCO3 trên bề mặt thành tế bào vi khuẩn theo phản ứng sau [11]:

Ca 2+ + Vi khuẩn → Vi khuẩn – Ca 2+

Cl  HCO  NH NH Cl CO  Vi khuẩn – Ca 2+ + CO3 2- → Vi khuẩn – CaCO3

Thực hiện: Nguyễn Ngọc Trí Huỳnh

Bản chất hóa lý của quá trình tạo calcite theo cơ chế sinh học vi khuẩn (bio- mineralization)

1.3.1 Cơ chế tạo mầm và phát triển tinh thể

Cả hai quá trình sinh dưỡng của vi sinh vật là tự dưỡng và dị dưỡng nhằm tạo ra môi trường kiềm đều diễn ra rất phức tạp Các điều kiện của quá trình dị dưỡng thay đổi theo các hệ vi sinh vật hiếu khí và kị khí Một trong các quá trình được xét đến là quá trình dị dưỡng của vi khuẩn Vi khuẩn dị dưỡng làm giàu môi trường hữu cơ luôn kèm theo sự hình thành các ion CO3 2- [21]

Quá trình dị dưỡng thứ nhất diễn ra theo chu trình sulphur Trong quá trình này, vi khuẩn sulphate dưới điều kiện kị khí làm giảm sulphate dị hóa cục bộ [21]

Quá trình dị dưỡng thứ hai diễn ra theo chu trình nitơ, gồm [21]:

 Sự khử amin của các amino acid trong điều kiện có không khí

 Sự giảm tác dụng dị hóa của nitrate trong điều kiện có không khí

 Sự phân hủy urea hoặc axit uric trong điều kiện có không khí

Việc sử dụng các axit hữu cơ cũng làm tăng đồng thời cả pH lẫn nồng độ carbon vô cơ hòa tan (DIC) là [22] Cần lưu ý rằng, CO3 2- vẫn có thể được tạo ra bởi quá trình trao đổi ion qua màng tế bào [1,3]

Vi khuẩn tác động đến sự tổng hợp CaCO3 thông qua quá trình tạo mầm tinh thể và các quá trình sinh hóa trong môi trường giàu calcium [24] Sự tồn tại của các nhóm điện tích âm trên thành tế bào vi khuẩn là yếu tố quan trọng cho sự tạo thành tinh thể Ở pH trung tính, các ion kim loại mang điện tích dương có thể bám vào bề mặt ngoài của thành tế bào vi khuẩn [1,2] Sau đó, các cation trong đó có Ca 2+ phản ứng với các anion và các muối kim loại trên bề mặt tế bào vi khuẩn, khơi mào cho quá trình tổng hợp khoáng Quá trình này tương ứng với giai đoạn tạo mầm (tạo tâm kết tinh) của các tinh thể calcite Anion CO3 2- trong phản ứng này có thể là một sản phẩm của quá trình trao đổi chất của vi khuẩn hoặc có nguồn gốc từ các chất vô cơ thêm vào từ bên ngoài

Nhiều nghiên cứu đã chứng minh một số vi khuẩn đặc biệt có thành tế bào với cấu tạo gồm exopoly saccharide và amino axit sẽ đóng vai trò quan trọng đối với hình thái và

Thực hiện: Nguyễn Ngọc Trí Huỳnh khả năng tổng hợp khoáng của vi khuẩn, trong đó có khả năng tổng hợp khoáng calcite [2,7] Một số nhà khoa học cho rằng tổng hợp khoáng là một quá trình không mong muốn và các khoáng này là sản phẩm ngẫu nhiên của quá trình trao đổi chất [28] Một số khác lại cho rằng đây là một quá trình đặc biệt, quá trình này đi kèm với các lợi ích sinh thái mang lại cho chính bản thân vi sinh vật tạo khoáng [2,3]

Vi khuẩn gram dương như Bacillus subtilis và một số chủng vi khuẩn gram âm làm tăng sự hình thành CaCO3 trong dung dịch Ca 2+ [30] Một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng, các thành phần của tế bào vi khuẩn khi chết đi như các protein, polysaccharide có thể trở thành các tâm tạo mầm cho sự tổng hợp tinh thể CaCO3 [30]

Vi khuẩn gram dương có thành tế bào dày từ 20-80nm và một lớp màng nội bào

Thành tế bào chứa hơn 50% peptidolycan [31] Vi khuẩn gram âm có thành tế bào mỏng khoảng 10nm, kẹp giữa một lớp màng nội bào và một lớp màng ngoài Thành tế bào chứa 10-20% peptidolycan [32] Bên trong thành tế bào và màng nội bào là tế bào chất, bao gồm các protein, DNA, polysacharide

Có thể thấy, chính thành tế bào dày của vi khuẩn gram dương sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ vi khuẩn khỏi môi trường khắc nghiệt của bê-tông với pH cao, ứng suất cơ học cũng như nhiệt thủy hóa các khoáng xi-măng

Tế bào vi khuẩn gram dương có lipopolysaccharide (LPS) và peptidolican, là những thành phần có điện tích âm Do đó, bản thân tế bào vi khuẩn tự nhiên sẽ có xu hướng mang điện âm trong hầu hết các môi trường dung dịch Giá trị pKa của các nhóm carboxyl và phosphoryl của màng tế bào vi khuẩn đạt giá trị từ 4-7 [33] Ở các điều kiện bình thường, các cation kim loại hóa trị hai như Ca 2+ , Mg 2+ tập trung vào thành tế bào vi khuẩn Các phản ứng giữa các ion tại thành tế bào vi khuẩn là giai đoạn khởi đầu cho quá trình kết tinh

Sự tạo thành các nửa hợp phần CaCO3 - trên bề mặt tế bào vi khuẩn dẫn đến sự hình thành các nửa hợp phần này trên bề mặt tinh thể CaCO3 [34] Từ đó, các tâm tạo mầm dị thể từ tế bào vi khuẩn hình thành

Quá trình hình thành các tâm kết tinh không chỉ diễn ra trên bề mặt tế bào vi khuẩn và còn xuất hiện xung quanh lân cận tế bào vi khuẩn [35] Với giá trị Reynold’s rất thấp, cơ chế sinh học này luôn diễn ra xung quanh vi khuẩn qua một lớp (nước) mỏng Về mặt

Thực hiện: Nguyễn Ngọc Trí Huỳnh vật lý, điều này tạo ra một môi trường trung gian vi mô [26,28] Lớp mỏng này tạo một bề mặt trung gian giữa tế bào vi khuẩn và môi trường Tại bề mặt này, nồng độ các chất hóa học khác biệt so với môi trường ngoài Kết quả là tạo ra các ảnh hưởng cục bộ lên trạng thái bão hòa của dung dịch, các cấu tử chính sẽ có ưu thế hơn để vượt qua hàng rào năng lượng hoạt hóa trong quá trình tạo mầm

Quá trình tạo mầm từ tế bào vi khuẩn như đã trình bày, ngoài tác dụng chính là tổng hợp các tinh thể khoáng calcite, còn mang đến nhiều thuận lợi cho quá trình phát triển các tinh thể khoáng C-S-H trong quá trình thủy hóa xi-măng [36] Các nghiên cứu đã chỉ ra, CaCO3 khi được thêm trực tiếp vào hồ xi-măng sẽ trở thành các tâm tạo mầm cho sự kết tinh các tinh thể khoáng C-S-H trong quá trình thủy hóa xi-măng [12,13] Thành tế bào vi khuẩn thông qua các điện tích âm, sẽ trực tiếp trở thành nơi tập trung các tâm tạo mầm cho quá trình hình thành các tinh thể khoáng [39]

Như vậy quá trình tạo các khoáng thủy hóa trong bê-tông xi-măng được tăng cường với sự có mặt của vi khuẩn mà không cần thêm trực tiếp CaCO3 vào Đây là một giả thuyết quan trọng để đưa vi khuẩn vào vật liệu bê-tông xi-măng mà không làm suy giảm cường độ, thậm chí cải thiện độ bền chịu nén, chịu uốn của bê-tông [40]

1.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng quá trình tổng hợp tinh thể calcite (bio-mineralization)

Các yếu tố tác động đến sự tổng hợp các tinh thể calcite bao gồm [41]:

 Nồng độ carbon vô cơ hòa tan (DIC)

 Khả năng tạo mầm tinh thể

Carbon vô cơ hòa tan được hiểu là các dạng khác nhau của CO2 hòa tan trong nước

Tính hình công bố và xu hướng của nghiên cứu

Có thể thấy hiệu quả và tiềm năng ứng dụng của bê-tông tự liền vết nứt là vô cùng lớn trong việc giải quyết vấn đề quan trọng liên quan đến độ bền môi trường của vật liệu bê-tông nói riêng và kết cấu bê-tông nói chung Tuy nhiên, cách tiếp cận mảng đề tài này lại mang đặc điểm liên ngành vật liệu và sinh học, dẫn đến khó khăn khi kết hợp nghiên cứu Theo tìm hiểu, gần như không có công bố nào tại Việt Nam trước năm 2014 Nhóm nghiên cứu chúng tôi đã có một số công bố kết quả sử dụng vi khuẩn Bacillus subtilis HU58 cùng với chất dinh dưỡng chính là urea và CaCl2.2H2O để khảo sát khả năng tổng hợp khoáng calcite trong môi trường tự do và môi trường vữa xi-măng để hướng tới mục tiêu khảo sát khả năng tự liền [57]

Trong quá trình tìm hiểu tình hình nghiên cứu các nhà khoa học trên thế giới về lĩnh vực này, chúng tôi nhận thấy vật liệu tự liền nói chung, bê-tông tự liền nói riêng là một hướng nghiên cứu còn mới Từ những năm 90 của thế kỷ 20, trên thế giới mới bắt đầu có những nghiên cứu và công bố đầu tiên Đến năm 2015 có khoảng 600 công bố khoa học về

“bê-tông tự liền”, trong đó, số bài về “bê-tông tự liền dùng vi khuẩn” là hơn 122

Thống kê cơ sở dữ liệu các công bố mà chúng tôi tiếp cận được cho thấy các công bố về bê-tông tự liền ứng dụng cơ chế sinh học của vi khuẩn mới được xuất bản từ năm 2006

Mức độ quan tâm và quy mô đầu tư nghiên cứu của các nhà khoa học trên thế giới về mảng đề tài này tăng dần theo từng năm

Thực hiện: Nguyễn Ngọc Trí Huỳnh

Hình 1.11 Thống kê số lượng bài báo về “bê-tông tự liền dùng vi khuẩn”

(thống kê từ scholar.google.com)

Các nghiên cứu được công bố gần đây đã cố gắng cải thiện thời gian hiệu lực của cơ chế sinh học bằng cách cố định vi khuẩn trước khi đưa vào môi trường bê-tông, cũng như đảm bảo phân tán được vi khuẩn trong bê-tông mà không làm thay đổi công nghệ bê-tông hiện hữu Nhóm nghiên cứu V Wiktor và H M Jonkers đã dùng đất sét nở phồng để cố định vi khuẩn [17] Gần đây, nhóm nghiên cứu của J Y Wang đã dùng Diatomaceous Earth (sét diatomit - DE) làm môi trường cố định vi khuẩn, tuy nhiên mức độ tác động đến vết nứt và không cao [58] Đồng thời khi dùng DE làm chất cố định vi khuẩn, J Y Wang và các cộng sự cũng chưa khảo sát sự ảnh hưởng đến phát triển cường độ bê-tông trong thời gian dài Một số tác giả lại công bố các nghiên cứu phương thức chế tạo và ứng dụng các viên capsule bọc màng geopolymer gốc metakcaolin cùng các loại chất kích hoạt khác nhau nhằm bảo vệ vi khuẩn cùng các chất dinh dưỡng cần thiết cho quá trình tự liền [59].

Mục tiêu nghiên cứu

1.3.1 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng mà nghiên cứu hướng đến là bê-tông và vi khuẩn Bacillus subtilis HU58, các chất dinh dưỡng và thành phần bảo vệ vi khuẩn là diatomite (nguồn gốc Bảo Lộc - Lâm Đồng)

Thực hiện: Nguyễn Ngọc Trí Huỳnh

1.3.2 Phạm vi nghiên cứu và giới hạn của nội dung nghiên cứu

Mục tiêu tổng quát là thực nghiệm đánh giá bê-tông tự liền và mục tiêu thành phần chính mà nghiên cứu mà chúng tôi thực hiện là tăng cường khả năng cố định vi khuẩn

Bacillus subtilis HU58, từ đó tăng thời gian hiệu lực của cơ chế tự liền trong các điều kiện khắc nghiệt của nhào trộn bê-tông, thủy hóa tỏa nhiệt, bảo dưỡng mẫu, cấu kiện Đồng thời, với phương pháp nén ép viên diatomite chứa vi khuẩn, chúng tôi có thể tạo được một mật độ vi khuẩn đủ lớn để từ đó có thể giúp bê-tông tự liền được các vết nứt lớn từ 1mm trở lên.

Ý nghĩa khoa học của việc đề xuất nghiên cứu

Một trong những mục tiêu quan trọng của lĩnh vực khoa học công nghệ vật liệu là nhằm phát triển những loại vật liệu thông minh, vật liệu “sống” có khả năng tự tái tạo, tự khắc phục khuyết điểm Xu hướng nghiên cứu vật liệu tự liền đã và đang thu hút nhiều nhà khoa học tham gia Bê-tông là một loại vật liệu quen thuộc và có vai trò quan trọng trong đời sống Loại vật liệu này có nhiều ưu điểm nhưng cũng có những khuyết điểm không thể tránh khỏi

Với khả năng tự làm liền các vết nứt tế vi từ đó tránh việc hình thành các vết nứt phá hoại lớn mà không cần sự tác động, sửa chữa của con người từ bên ngoài, bê-tông tự liền vết nứt hứa hẹn nhiều ưu thế so với các loại bê-tông truyền thống Ngoài ra, yếu tố bảo vệ môi trường, tính kinh tế và phát triển bền vững là những đóng góp quan trọng của vật liệu bê-tông tự liền Khối bê-tông có khả năng tự liền vết nứt và cải thiện cường độ cả về bền nén và bền uốn, vấn đề chi phí cho sửa chữa các công trình được giảm thiểu Từ đó, tiết kiệm vật liệu, tiết kiệm các nguồn tài nguyên thiên nhiên, hạn chế ô nhiễm môi trường

Nhóm nghiên cứu của chúng tôi sử dụng vi khuẩn Bacillus subtilis HU58, là cách tiếp cận mới so với các nghiên cứu trước đây Đồng thời, chúng tôi dùng phương pháp cố định vi khuẩn trong các viên diatomite tạo hình bằng phương pháp ép, thay vì dùng viên cốt liệu dạng cầu của V Wiktor và H M Jonkers hay các viên DE được tạo hình từ máy trộn li tâm Hướng nghiên cứu này cũng có thể xem là nghiên cứu vật liệu xanh, sử dụng nguồn nguyên liệu phổ biến, thân thiện môi trường, giảm thiểu tác động tiêu cực và góp phần

Thực hiện: Nguyễn Ngọc Trí Huỳnh mang lại ý nghĩa thiết thực cho sự phát triển của ngành vật liệu xây dựng nói riêng và kinh tế xã hội nói chung.

Ý nghĩa thực tiễn ứng dụng của nghiên cứu

Đề tài giải quyết được bài toán xử lí các vết nứt cho bê-tông mà không cần tác động sủa chữa từ bên ngoài Ngoài ra, đây còn là giải pháp nâng cao cường độ và độ bền cho bê- tông, nâng cao tính chống thấm, bảo vệ ăn mòn, giảm thiểu chi phí, thời gian, công sức sửa chữa các công trình, tiết kiệm vật liệu từ đó bảo vệ môi trường

Về khả năng tự liền các vết nứt, nhờ các tinh thể calcite nội sinh mà các vết nứt được lấp đầy, từ đó khối bê-tông liền lại, không cần dùng đến các chất kết dính từ bên ngoài

Vi khuẩn tạo calcite giúp cải thiện độ bền nén và uốn cho bê-tông [60] Các tinh thể calcite hình thành theo cơ chế sinh học trong bê-tông có vai trò lấp đầy các lỗ xốp, từ đó làm tăng độ bền vững cấu trúc bê-tông, tăng khả năng chịu nén Ngoài ra, khi các tinh thể calcite hình thành, bao quanh vi khuẩn hình que sẽ tạo thành một dạng cốt liệu sợi có tác dụng gia cường, tăng độ bền uốn cho bê-tông Ngoài ra, trên bề mặt khối bê-tông tiếp xúc trực tiếp với môi trường ngoài, một lớp calcite mỏng được hình thành đóng vai trò như một lớp màng bảo vệ, chống thấm cho bê-tông khỏi các tác nhân ăn mòn

Với việc lấy oxi để phục vụ cho cơ chế sinh học tạo thành calcite, vi khuẩn giúp loại bỏ tác nhân gây oxi hóa cho cốt thép Bên cạnh đó, khi các vết nứt tế vi được lấp kín, các tác nhân gây oxi hóa thép từ bên ngoài cũng được ngăn chặn Từ đó, hiệu quả bảo vệ cốt thép được nâng cao [60]

Bảo vệ môi trường, tính kinh tế và phát triển bền vững: với ưu thế chính là khối bê- tông tự liền vết nứt và cải thiện cường độ, chi phí sửa chữa được giảm đáng kể Nhờ tiết kiệm vật liệu, các nguồn nguyên liệu tự nhiên cũng sẽ được tiết kiệm và các yếu tố ô nhiễm môi trường được hạn chế ở mức thấp nhất

Với trình độ khoa học về công nghệ sinh học và công nghệ vật liệu ngày càng phát triển, các trang thiết bị hiện đại cùng với các phương pháp nghiên cứu và thực nghiệm đang dần hoàn thiện, khả năng đưa từ lý thuyết đến ứng dụng thực tiễn để có thể áp dụng ở quy mô công nghiệp trong tương lai

Thực hiện: Nguyễn Ngọc Trí Huỳnh

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Phương pháp tiếp cận nghiên cứu theo mức độ tăng dần (từ mẫu nhỏ đến lớn) 24 2.2 Lưu đồ tổng quát quy trình thực nghiệm

Môi trường cho vi khuẩn Bacillus subtilis HU58 phát triển bao gồm chiết xuất nấm men và urea Vi khuẩn khi gặp nước, không khí và các chất dinh dưỡng chứa Ca 2+ sẽ biểu hiện hoạt tính sinh học, tổng hợp các tinh thể calcite khi kết hợp với các ion CO3 2- từ quá trình thủy phân urea hoặc tồn tại trong môi trường xung quanh vi khuẩn Nhằm giữ cho vi khuẩn hoạt động đúng thời điểm, tức là chỉ hoạt động khi vết nứt xuất hiện, chúng tôi cố định vi khuẩn bằng diatomite Bảo Lộc – Lâm Đồng Vi khuẩn được phối trộn với bột diatomite rồi tạo hình ép thành viên

Mục đích của quá trình tạo viên này là duy trì được hiệu ứng tự liền trong thời gian dài thông qua việc giữ vi khuẩn ở trạng thái “ngủ”, tránh tiếp xúc với môi trường bê-tông có chứa dinh dưỡng, tránh tình trạng hoạt động ngay từ đầu rồi mất khả năng tạo calcite về lâu dài Đồng thời, viên nén còn chứa được nhiều vi khuẩn hơn, nói cách khác là mật độ vi khuẩn trong bê-tông sẽ cao hơn, từ đó khả năng làm liền các vết nứt lớn cũng khả thi hơn

Như vậy, để đáp ứng các mục tiêu trên, đồng thời nhằm đánh giá vết nứt theo từng giai đoạn và mức độ tác động, nhóm nghiên cứu chúng tôi đưa ra quy trình tổng quát thực hiện theo từng mức độ (scale) từ nhỏ tới lớn như sau

Mức độ 1: nghiên cứu đánh giá khả năng tổng hợp sản phẩm calcite của vi khuẩn

Mức độ 2: chế tạo và đưa viên cốt liệu diatomite cố định vi khuẩn Bacillus subtilis HU58 vào khảo sát trên các mẫu vữa xi-măng

Mức độ 3: đưa viên cốt liệu vào bê-tông, nghiên cứu độ bền cơ và khả năng tự liền mẫu vật liệu bê-tông

2.2 Lưu đồ tổng quát quy trình thực nghiệm

Từ các mức độ công việc ở trên, chúng tôi xây dựng lưu đồ tổng quát quá trình thực nghiệm như hình 2.1 Như vậy, các thí nghiệm theo từng mức độ sẽ được bố trí theo từng

Thực hiện: Nguyễn Ngọc Trí Huỳnh giai đoạn liên hệ chặt chẽ với nhau Các giai đoạn với nội dung công việc cụ thể được trình bày ngay sau đây

Hình 2.1 Lưu đồ tổng quát quy trình tiến hành thực nghiệm theo mức độ từ bé đến lớn

Trong giai đoạn này, chúng tôi khảo sát quá trình hình thành CaCO3 từ vi khuẩn

Chúng tôi tiến hành nuôi cấy vi khuẩn Bacillus subtilis HU58 và các chất dinh dưỡng gồm urea và CaCl2 (tỷ lệ phối trộn theo Bảng 2.1) trong điều kiện phòng thí nghiệm [61]

Các thí nghiệm được tiến hành theo các bước như sau:

 Cân định lượng các thành phần hóa chất theo tỷ lệ xác định trước

 Trộn hợp chất hóa chất vi khuẩn vào nước

 Để hỗn hợp trong lọ theo thời gian khảo sát

 Kiểm tra pH theo các mốc thời gian

 Sau các mốc thời gian xác định, tiến hành lọc, rồi sấy sinh khối

Thực hiện: Nguyễn Ngọc Trí Huỳnh

 Tiến hành phân tích XRD xác định thành phần khoáng

Sau mốc thời gian 0,5 giờ, 1 giờ, 2 giờ, 4 giờ, 16 giờ, 32 giờ, 64 giờ và 128 giờ, lấy các mẫu tương ứng đem lọc rồi sấy khô sinh khối đem chụp XRD để xác định calcite

Bảng 2.1 Tỷ lệ trộn phối liệu hỗn hợp vi khuẩn trong giai đoạn 1

STT Vật liệu Khối lượng (g) Phần trăm (%)

Trong giai đoạn này, chúng tôi tiến hành chế tạo viên diatomite cố định vi khuẩn và khảo sát quá trình hình thành calcite trong viên nén

2.2.2.1 Quá trình tạo viên nén

Các viên nén diatomite cố định vi khuẩn được thực hiện theo các bước sau: cân định lượng vi khuẩn, diatomite, và các chất dinh dưỡng theo tỷ lệ phối liệu ở bảng 2.2

Bảng 2.2 Thành phần tỷ lệ trộn viên nén trong giai đoạn 2

STT Vật liệu Khối lượng (g) Phần trăm (%)

2 Diatomite Bảo Lộc – Lâm Đồng 0,19 37,0

Phối liệu sau khi trộn được ủ trong 30 phút Sau đó, thêm nước vào để phối liệu có độ ẩm từ 30 đến 35% Chúng tôi tiến hành tạo viên bằng phương pháp ép bán dẻo Mỗi viên diatomite tạo thành gồm 1,6g phối liệu Phối liệu được cho vào khuôn thép, ép với lực ép 20MPa

Thực hiện: Nguyễn Ngọc Trí Huỳnh

Sau khi tạo viên, chúng tôi tiến hành phủ một lớp hồ xi-măng xung quanh Hồ xi- măng được pha với tỷ lệ khối lượng 3 xi-măng (OCP): 1,5 nước

Viên sau khi phủ hồ xi-măng được ủ trong khăn ẩm trong 3 ngày, sau đó để trong môi trường phòng thí nghiệm đến 7 ngày thì hoàn thành viên

2.2.2.2 Thực nghiệm quá trình tạo calcite trong viên diatomite cố định vi khuẩn

Viên nén sau khi được tạo hình và phủ hồ xi-măng được chia thành hai nhóm ngâm trong nước cất: nhóm viên nguyên vẹn và nhóm viên bị phá vỡ

Trong giai đoạn này, chúng tôi khảo sát quá trình cố định vi khuẩn trong viên nén

Các viên diatomite cố định vi khuẩn sau 60 ngày ngâm trong nước cất được vớt ra phân tích nhằm xác định sự tồn tại của vi khuẩn bên trong

Các phương pháp quan sát bằng kính hiển vi quang học soi ngược và kính hiển vi điện tử quét (SEM), kết hợp phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX) được sử dụng trong giai đoạn này

Giai đoạn này, chúng tôi khảo sát độ bền cơ của mẫu vi khuẩn để đối chiếu với mẫu chuẩn không vi khuẩn Tiến hành cân định lượng xi-măng, nước và cát tiêu chuẩn, viên nén Sau đó trộn và đổ khuôn theo tiêu chuẩn TCVN 6016:1995 Mẫu được bảo dưỡng và sau các khoảng thời gian nhất định tiến hành xác định độ bền cơ

Bảng 2.3 Tỷ lệ phối trộn hồ xi-măng trong giai đoạn 4 STT Vật liệu Khối lượng (g) Tỷ lệ (%)

Thực hiện: Nguyễn Ngọc Trí Huỳnh

Giai đoạn này, chúng tôi tiến hành khảo sát khả năng tự liền vết nứt của mẫu vữa vi khuẩn cố định trong diatomite Mẫu vữa xi-măng 40x40x160mm được trộn theo TCVN 6016:1995 Nhóm 1 gồm các mẫu tạo vết nứt ở 14 ngày tuổi, nhóm 2 gồm các mẫu tạo vết nứt ở 60 ngày tuổi Sau đó, mẫu được phá hủy tạo vết nứt bằng máy nén MATEST E183N, bảo dưỡng trong môi trường nước và quan sát quá trình tự liền sau 28 ngày

Song song với mẫu thanh 40x40x160mm, chúng tôi cũng thí nghiệm trên các mẫu trụ đường kính 90mm, cao 20mm Sau 28 ngày bảo dưỡng khô, các mẫu trụ được tạo vết nứt và bảo dưỡng ẩm trong các mốc 7, 14, 28 ngày để khảo sát khả năng tự liền Các phân tích vi cấu trúc và phân tích thành phần khoáng cũng được sử dụng trong giai đoạn này

Các phương pháp và thiết bị phân tích

Để thu lấy và giữ kết tủa được lâu, giấy lọc được gấp đôi, gấp tư rồi cắt thành hình quạt Tách 3 lớp giấy của hình quạt thành hình nón

Thực hiện: Nguyễn Ngọc Trí Huỳnh Đặt giấy lọc khô đã gấp vào phễu và điều chỉnh sao cho góc của nón phễu giấy vừa bằng góc của nón phễu thuỷ tinh để giấy lọc sát khít với phễu Cắt mép giấy lọc thấp hơn và cách miệng phễu 5 – 10mm Đổ một ít nước cất vào tẩm ướt giấy lọc rồi dùng ngón tay cái (đã rửa sạch) đẩy cho giấy ép sát vào phễu để đuổi hết bong bóng khí ở cuống phễu và dưới giấy ra Đặt phễu lọc lên giá Dùng cốc hứng dưới phễu sao cho cuống phễu chạm vào thành cốc Rót chất lỏng từ trên xuống vào phễu theo một đũa thuỷ tinh Không đổ đầy chất lỏng đến mép giấy lọc Để lọc nhanh, trước khi lọc dung dịch được lắng

2.3.2 Phân tích vi cấu trúc bằng kính hiển vi quang học và kính hiển vi điện tử quét

Cách pha loãng để quan sát bằng kính hiển vi quang học Biological Microscope Model XSZ-107T Hút lấy 0,2ml ra đĩa petri, rồi pha loãng bằng nước cất Với mục đích quan sát thấy vi khuẩn nên ta pha tới khi nào hết đục và ánh sáng của kính hiển vi có thể thấy qua được Quan sát dưới kính hiển vi soi ngược bằng cách chuẩn bị các đĩa petri (đường kính 3,5mm) dung dịch đã được pha loãng như trên Đặt lên bệ kính, chỉnh từ 4x – 40x, quan sát, pha loãng cho tới khi nào thấy được Ghi nhận kết quả

Vi cấu trúc được quan sát bằng kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope - SEM) Thiết bị chụp SEM được sử dụng là máy FE SEM S4800 Hitachi

2.3.3 Phân tích thành phần khoáng bằng phương pháp nhiễu xạ tia X

Mẫu phân tích nhiễu xạ tia X (X-Ray Diffraction – XRD) được cho vào máy D8- ADVANCED, với điện áp gia tốc 40kV, cường độ dòng 40mA, bức xạ Cu–Kα (dùng tấm lọc Ni), tốc độ quét 0,03 o 2θ/0,7s

Lấy 1g (0,0001g) mẫu sau khi nghiền thành bột qua sàng 63μm, sau đó cho vào khay mẫu và cho vào máy phân tích Mỗi mẫu sẽ được chạy một đường nhiễu xạ XRD với dải góc từ 3 o 2θ đến 50 o 2θ

2.3.4 Đo độ bền cơ thông qua cường độ chịu nén và cường độ chịu uốn

Cường độ chịu nén và chịu uốn của các mẫu vữa thanh 40x40x160mm được đo bằng máy đo nén uốn đa năng MATEST E183N theo TCVN 6016:1995 (tốc độ tăng tải là 2,4kN/s) Cường độ chịu nén của các mẫu bê-tông lập phương 150x150x150mm được đo bằng máy đo nén MATEST C071 theo TCVN 3118:1993 (tốc độ tăng tải 6dN/cm 2 )

Thực hiện: Nguyễn Ngọc Trí Huỳnh