Sử dụng diatomite cố định vi khuẩn Bacillus subtilis HU58 cho bê tông tự liền vết nứt

Trong nghiên cứu này, vi khuẩn Bacillus subtilis HU58 được sử dụng cùng với diatomite Lâm Đồng, nhằm tạo ra vật liệu bê tông vi khuẩn có khả năng tự liền trong thời gian dài. Khả năng tự liền được khảo sát trong thời gian 24 tháng. Các phương pháp phân tích thành phần khoáng và vi cấu trúc vật liệu cho thấy mức độ hình thành các sản phẩm khoáng từ vi khuẩn ở dạng các tinh thể calcite tăng theo thời gian.

Tạp chí Khoa học Đại học Thủ Dầu Một Số 1(32)-2017 SỬ DỤNG DIATOMITE CỐ ĐỊNH VI KHUẨN BACILLUS SUBTILIS HU58 CHO BÊ TÔNG TỰ LIỀN VẾT NỨT Nguyễn Ngọc Trí Huỳnh(1), Phạm Văn Hùng(1), Nghị Mai Phương(1), Nguyễn Khánh Sơn(1) (1) Trường Đại học Bách Khoa (VNU-HCM) Ngày nhận 29/12/2016; Chấp nhận đăng 29/01/2017; Email: nnthuynh@hcmut.edu.vn Tóm tắt Vi khuẩn sử dụng thành phần phối liệu bê tơng nhằm tạo sản phẩm khống đặc trưng Các sản phẩm khống đóng vai trò cải thiện tính chất lý vật liệu bê tông giai đoạn sớm lẫn dài ngày Trong nghiên cứu này, vi khuẩn Bacillus subtilis HU58 sử dụng với diatomite Lâm Đồng, nhằm tạo vật liệu bê tơng vi khuẩn có khả tự liền thời gian dài Khả tự liền khảo sát thời gian 24 tháng Các phương pháp phân tích thành phần khống vi cấu trúc vật liệu cho thấy mức độ hình thành sản phẩm khống từ vi khuẩn dạng tinh thể calcite tăng theo thời gian Với mẫu vữa (40x40x160mm), cường độ chịu nén (61MPa so với 57MPa) cường độ chịu uốn (11MPa so với 9MPa) đạt cao so với mẫu đối chứng khơng có vi khuẩn Với quy mơ mẫu lớn hơn, mẫu bê tơng (150x150x150mm) có cường độ chịu nén khoảng 18% so với mẫu bê tông thường không vi khuẩn (ở mốc 60 ngày) Nhằm kiểm sốt q trình tạo khống vi khuẩn tốt hơn, vi khuẩn Bacillus subtilis HU58 chất dinh dưỡng cố định diatomite dạng viên nén trước trộn vào bê tông Để khảo sát, vết nứt (11,8mm) tạo mẫu trụ sau xi măng kết thúc đóng rắn Các kết thử nghiệm độ thấm nước qua vết nứt chứng minh cho khả làm liền vết nứt vi khuẩn Từ khóa: bê tơng tự liền, calcite, Bacillus subtilis, bê tông vi khuẩn Abstract MATERIALS ANALYSIS AND PHYSIO-MECHANICAL PERFORMANCE OF TAILOR-MADE MORTAR/CONCRETE WITH BACTERIA According to recent studies, physio-mechanical properties of concrete materials could be improved at both early and later age by the incorporation of precipitated product from bacteria In this experiment, we studied the use of Bacillus subtilis HU58 protected in diatomite micro-pores structure to formulate bacterial concrete The results obtained from mineral composition and microstructure analysis revealed that an increasing crystallinity of calcite precipitated by bacteria over incubation time Such generating product prove its useful in the enhancement of both compressive and flexural strengths of bacteria modified mortar in comparision with controlled Porland cement mortar: 61MPa > 57MPa (in compression) and 11MPa > 9MPa (in flexion) Similar results was obtained on sample series of bacterial concrete with higher compressive strength (around 18 %) after 60 days Furthermore, we could take into account a self-healing ability on artificial crack (from to 1.8mm in width) with formulated mortars that contain diatomite immobilized bacteria 75 Sử dụng Diatomite cố định vi khuẩn Bacillus subtilis HU58… Nguyễn Ngọc Trí Huỳnh… Tổng quan Trong xu hướng phát triển bền vững, vật liệu “thông minh” với khả tự liền, tự hàn gắn số giải pháp mang nhiều triển vọng Từ đó, việc chế tạo bê tông vi khuẩn hay bê tông sinh học bước phát triển tích cực lĩnh vực vật liệu xây dựng Cơ chế sinh học vật liệu bê tông tự liền vết nứt mô theo tượng liền xương tự nhiên thể người Các vết nứt tế vi vết nứt hở tạo thành pha xi măng thủy hóa tự liền lại chất kết dính tự nhiên từ bên So với kỹ thuật tự liền khác cho bê tơng tự liền hóa học tự liền tự nhiên, chế tự liền sinh học có nhiều ưu đồng thời thân thiện với môi trường [1] Trong vật liệu bê tơng Q trình tạo khống sinh học cho phép lấp đầy, làm liền ngăn vết nứt khuyết tật lỗ xốp mao quản phát triển sau q trình đóng rắn xi măng Các nghiên cứu mảng đề tài cho thấy có nhiều chủng vi khuẩn khác điều kiện phòng thí nghiệm tạo vật liệu bê tơng có khả tự liền vết nứt theo chế Các chủng vi khuẩn có khả chịu mơi trường kiềm cao, chịu nhiệt thủy hóa điều kiện khắc nghiệt bê tông nghiên cứu ứng dụng Bacillus pasteurii Bacillus pseudofirmus cohnii DSM 8715 nghiên cứu cho khả chế tạo bê tông tự liền [2] Dung dịch vi khuẩn chất dinh dưỡng cần thiết bao gồm calcium lactate urea CaCl2 với mật độ vi khuẩn đủ cao cho khả tạo khoáng [2] Theo nghiên cứu Al-Thawadi Ghosh cộng sự, hầu hết kết khả thi cho thấy khống calcite tạo thành từ bên bê tơng tác nhân vi khuẩn tiếp tục phát triển theo thời gian với tạo hiệu ứng tự liền [3] Trong phạm vi nghiên cứu này, tập trung vào hai nội dung Thứ nhất, chúng tơi cố gắng làm sáng tỏ chế tự liền kết hợp sử dụng vi khuẩn Bacillus subtilis HU58 diatomite với cấu trúc xốp tự nhiên làm môi trường bảo vệ, cố định vi khuẩn Từ mục đích này, vi khuẩn chất dinh dưỡng trộn với diatomite dạng bột tạo hình dạng viên hình trụ bọc hồ xi măng Sau đó, viên diatomite cố định vi khuẩn sử dụng để nghiên cứu khả tự liền vật liệu bê tông, độ bền vữa xi măng Cuối cùng, khả năng, hiệu cố định vi khuẩn cấu trúc xốp diatomite, cộng với thí nghiệm chống thấm nước qua vết nứt thảo luận phân tích với mẫu vật liệu Phương trình, bảng hình vẽ Dung dịch vi khuẩn chuẩn bị từ urea, CaCl2, vi khuẩn Bacillus subtilis HU58 (mật độ 10 cfu/g) với tỷ lệ phối trộn cho bảng Chúng sử dụng nguồn nguyên liệu diatomite Lâm Đồng tự nhiên Diatomite nguyên liệu có hàm lượng silica dạng gel khoảng 70% khối lượng, khoáng alumino-silicate chiếm 20% Hỗn hợp phối liệu đồng vi khuẩn, chất dinh dưỡng bột diatomite sấy khô trộn 10 phút máy trộn vữa kiểu hành tinh Với lượng khoáng sét tương đối cao thành phần, hỗn hợp diatomite đáp ứng phương pháp tạo hình ép dẻo để tạo viên hình trụ cao 10mm, đường kính 10mm (hình 1) Tỷ lệ dung dịch vi khuẩn bột diatomite giữ cố định 1,26% khối lượng xi măng mẫu Các viên diatomite sau phủ hồ xi măng (w/c=0,5) phơi khô tự nhiên không khí trước sử dụng thành phần cốt liệu cho bê tông Bảng Tỷ lệ phối trộn dung dịch vi khuẩn (1,26% khối lượng xi măng) mẫu vữa Phần trăm khối lượng Bacillus subtilis HU58 Urea CaCl2.H2O 0,49 0,44 0,22 76 Nutrient Broth 0,11 Tổng 1,26 Tạp chí Khoa học Đại học Thủ Dầu Một Số 1(32)-2017 Hình Viên diatomite cố định vi khuẩn (a) viên diatomite sau bọc hồ xi măng (b) Các vật liệu khác dùng cho phối liệu bê tông bao gồm xi măng Portland Hà Tiên PC40, cát tiêu chuẩn, cốt liệu đá (Dmax = 20mm) nước máy Nguyên liệu dùng cho chế tạo bê tông thỏa mãn tiêu chuẩn chất lượng Việt Nam TCVN Một lượng nhỏ dung dịch vi khuẩn (1,26% khối lượng xi măng) thêm vào hỗn hợp vữa tươi giống phụ gia hóa học nhằm tạo vữa vi khuẩn Các mẫu vữa dạng 40x40x160mm (vữa vi khuẩn vữa đối chứng không vi khuẩn) tạo hình dưỡng hộ điều kiện phòng thí nghiệm (theo TCVN 6016:1995) đến mốc đo cường độ học Các mẫu bê tông đối chứng mác M300 chế tạo theo tiêu chuẩn Việt Nam Mẫu bê tơng vi khuẩn chế tạo theo hai nhóm Một nhóm sử dụng viên diatomite cố định vi khuẩn (0,5% khối lượng xi măng), trộn dạng cốt liệu cho bê tơng Nhóm lại sử dụng dung dịch vi khuẩn (0,5% khối lượng xi măng) trộn trực tiếp với nước máy Tất mẫu bê tông tạo hình khn lập phương, mẫu kích thước 150x150x150mm Sau tháo khuôn, mẫu dưỡng hộ điều kiện phòng thí nghiệm 60 ngày để đo cường độ chịu nén Với thí nghiệm khả tự liền, chúng tơi sử dụng mẫu hình trụ (đường kính 90mm) Mẫu trụ cắt thành lát dày 20cm mốc 14 ngày tuổi Sau đó, mẫu bẻ gãy thành phần (dùng phương pháp ép chẻ) Các mẫu bẻ gãy giữ lại vị trí dưỡng hộ bể nước máy Các mẫu sau 28 ngày vớt lên để tiến hành phân tích vi cấu trúc đánh giá mức độ tự liền Kết 3.1 Khả tạo calcite cấu trúc xốp diatomite Như đề cập, đặt mục tiêu kiểm sốt q trình tạo khống viên diatomite với cấu trúc xốp tự nhiên Hình mơ tả thí nghiệm viên diatomite cố định vi khuẩn ngâm nước máy: viên nguyên vẹn bọc hồ xi măng (a) viên bị bẻ làm hai phần (b) Trong hình 1c 1d, nhận thấy bề mặt gãy viên diatomite (sau ngày), có xuất nhiều sản phẩm rắn màu trắng Từ hình ảnh bên viên diatomite cố định vi khuẩn, ta nhận thấy có khác biệt rõ ràng Bên viên không bị phá hủy ban đầu, ngâm nước, vi khuẩn bảo vệ diatomite lớp vỏ hồ xi măng nên hội tiếp xúc nước khơng khí bên Tuy nhiên, sau viên bị phá hủy ngâm lại vào nước, vi khuẩn tiếp xúc đầy đủ với nước khơng khí, q trình hoạt động tạo calcite vi khuẩn diễn Có thể thấy rõ vị trí màu trắng bên mẫu Phần bột nhiều khả tinh thể calcite với màu trắng đặc trưng Chúng tách lấy cho sản phẩm màu trắng qua sàng 90μm để phân tích thành phần khống Kết phân tích XRD (hình 3) cho thấy có tăng liên tục cường độ peak nhiễu xạ đặc trưng calcite mẫu theo thời gian Phương pháp phân tích nhiệt lượng vi sai DSC sử dụng để đánh giá tạo thành calcite thông qua peak thu nhiệt đặc trưng trình phân hủy calcite 840oC Các kết phân tích cho thấy, rõ ràng theo thời gian môi trường đầy đủ độ ẩm, không khí, q trình tạo khống vi khuẩn Bacillus subtilis HU58 diễn cấu trúc xốp diatomite Trong ảnh vi cấu trúc SEM (hình 2), thấy vi khuẩn 77 Nguyễn Ngọc Trí Huỳnh… Sử dụng Diatomite cố định vi khuẩn Bacillus subtilis HU58… vị trí lỗ xốp diatomite Khi so sánh với nghiên cứu hình thái vi khuẩn Zweers cộng sự, [4] ảnh TEM Bacillus subtilis nghiên cứu Yoon [5], có tương đồng rõ rệt cấu trúc dạng que đặc trưng vi khuẩn Hơn nữa, sau thời gian tháng, có lượng nhỏ vi khuẩn sụt giảm (2,7x108cfu/g) so với mật độ HU58 ban đầu 109cfu/g Có đến 80% lượng vi khuẩn sống có khả tạo khống viên diatomite Hình Trái: (a) viên diatomite nước; (b) viên diatomite bẻ đôi ngâm nước; (c) bề mặt bên viên diatomite bẻ đôi; (d) calcite tạo thành bên viên diatomite Right: ảnh SEM diatomite cố định vi khuẩn Hình (a) phổ XRD sản phẩm màu trắng viên diatomite; (b) kết phân tích nhiệt DSC sản phẩm trắng 3.2 Độ bền mẫu vi khuẩn Hình Cường độ chịu uốn (a) cường độ chịu nén (b) mẫu vữa vi khuẩn 78 Tạp chí Khoa học Đại học Thủ Dầu Một Kết đo hình cho thấy, cường độ chịu uốn chịu nén mẫu vữa vi khuẩn cao so với mẫu đối chứng không vi khuẩn Sau mốc thời gian năm dưỡng hộ, cường độ chịu nén chịu uốn mẫu vữa vi khuẩn đạt 61MPa 11MPa so với 57MPa 9MPa mẫu đối chứng Trong quy mô mẫu nhỏ, dung dịch vi khuẩn phân tán trực tiếp vào hỗn hợp phối liệu mà khơng sử dụng viên nén diatomite Q trình tạo khống calcite pha xi măng thủy hóa diễn mãnh liệt từ đầu Cường độ chịu nén sử dụng Bacillus subtilis HU58 (cao 36% so với mẫu đối chứng) cho kết tốt so sánh với kết sử dụng Shewanella nghiên cứu Ghosh cộng [6] (cao 25% so với mẫu đối chứng) Số 1(32)-2017 Hình Cường độ chịu nén mẫu bê tông vi khuẩn mẫu đối chứng Với kết đo cường độ chịu nén hình 5, hai nhóm mẫu vi khuẩn (vi khuẩn tự vi khuẩn cố định diatomite) cho kết cao mẫu đối chứng Các mẫu bê tông sử dụng vi khuẩn cố định diatomite cho giá trị cường độ thấp so với mẫu bê tông vi khuẩn trộn trực tiếp khơng cố định Có thể nhận thấy, vi khuẩn bảo vệ cấu trúc xốp diatomite lớp vỏ hồ xi măng bọc quanh viên, khả tiếp xúc với mơi trường ngồi thuận lợi cho q trình tạo khống khơng cao vi khuẩn tự Tuy nhiên, với mức tăng 17% so với mẫu đối chứng, mẫu bê tông vi khuẩn cố định diatomite cho kết cao so với nghiên cứu Wang [7] sử dụng diatomite dạng bùn trộn chung với nước (cao 15% so với mẫu đối chứng) Các kết cho thấy hiệu bảo vệ vi khuẩn khỏi môi trường khắc nghiệt bê tông thời gian dài, từ phát huy khả tạo khoáng sinh học, giúp gia tăng cường độ tạo hiệu ứng tự liền vết nứt 3.3 Khả tự liền vết nứt Hình Ảnh chụp vết nứt 1,8mm lấp đầy theo thời gian (a) ảnh âm (b) 79 Sử dụng Diatomite cố định vi khuẩn Bacillus subtilis HU58… Nguyễn Ngọc Trí Huỳnh… Thí nghiệm đánh giá mức độ tự liền qua mẫu trụ (đường kính 90mm, chiều dày 20mm) với vết nứt tạo có chiều rộng 1,8mm Hình 6a cho thấy vết nứt cắt ngang qua làm vỡ viên diatomite cố định vi khuẩn Trong khoảng thời gian dưỡng hộ ẩm từ đến 28 ngày, hai phần lát mẫu hình trụ liền lại với Phân tích vi cấu trúc phương pháp SEM kết hợp thành phần hóa EDX cho kết hình Sản phẩm khống calcite hình thành dạng tinh thể hình que rõ ràng (hình 7) Cả phân tích định tính phân tích định lượng sử dụng để chứng minh cho hình thành calcite làm liền vết nứt theo thời gian Có thể nhận thấy vi khuẩn kích hoạt khả tạo khống viên nén diatomite bị phá vỡ Vi khuẩn chất dinh dưỡng gặp mơi trường ngồi thuận lợi tạo khống lấp đầy dần làm kín vết nứt So sánh với kết nghiên cứu Wang [8], sử dụng Bacillus sphaericus LMG 22557, vết nứt với chiều rộng tối đa 0,97mm; nghiên cứu sử dụng diatomite dạng viên nén cố định Bacillus subtilis HU58 cho phép làm liền vết nứt 1,8mm Hình Ảnh SEM phổ EDX sản phẩm lấp đầy vết nứt (a) (b) Hình Sơ đồ bố trí thí nghiệm đánh giá khả tự liền (a) biểu đồ tốc độ liền vết nứt theo thời gian mẫu vi khuẩn tự vi khuẩn cố định (b) Hình mơ tả thí nghiệm khả chống thấm nước qua vết nứt tự liền theo thời gian Các kết đo cho phép đánh giá khả tự liền qua công thức tốc độ chống thấm nước = (V0 – Vt)100%/Vt, đó, V0 tốc độ thấm nước ban đầu, Vt tốc độ thấm nước mẫu tự liền thời điểm t Có khác biệt độ dốc đường cong tốc độ tự liền hai nhóm mẫu chọn mốc tạo vết nứt 14 28 ngày tuổi Do giảm mật độ vi khuẩn, khả tự 80 Tạp chí Khoa học Đại học Thủ Dầu Một Số 1(32)-2017 liền mẫu vi khuẩn tự (không bảo vệ diatomite) giảm theo thời gian Thời điểm tạo vết nứt lâu, mật độ vi khuẩn sống thấp, khả tự liền thấp Ngược lại, mật độ vi khuẩn trì mức cao, khơng có khác biệt độ dốc đồ thị khả tự liền mẫu diatomite cố định vi khuẩn Kết luận Trong phạm vi nghiên cứu này, diatomite Lâm Đồng giúp cố định bảo vệ vi khuẩn Bacillus subtilis HU58 Sản phẩm khoáng calcite tạo thành nhờ hoạt tính sinh học vi khuẩn viên diatomite vỡ ra, vi khuẩn lỗ xốp diatomite tiếp xúc với mơi trường ngồi Khi trộn viên diatomite cố định vi khuẩn vào vữa, sau thời gian năm, cường độ chịu nén chịu uốn mẫu cao so với mẫu đối chứng không vi khuẩn 7% 22% Cường độ chịu nén mẫu bê tơng có viên nén diatomite cố định vi khuẩn cao mẫu đối chứng (14% 60 ngày) Các kết phân tích góp phần chứng minh làm rõ cho chế tự liền vết nứt nhờ vào hoạt tính sinh học vi khuẩn Kết đo độ thấm nước qua vết nứt cho thấy hiệu việc cố định vi khuẩn diatomite chế tạo bê tông tự liền Hiệu tự liền sau 28 ngày đạt cao Các nghiên cứu vào định lượng khảo sát động học kết tinh calcite nhờ vi khuẩn Bacillus subtilis HU58 bê tông với môi trường nước máy nước biển TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] A Talaiekhozan, A Keyvanfar, A Shafaghat, R Andalib, M.A Majid, M.A Fulazzaky, et al., [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] A Review of Self-healing Concrete Research Development, J Environ Treat Tech (2014) 1–11 S.K Ramachandran, V Ramakrishnan, S.S Bang, Remediation of concrete using microorganisms, ACI Mater J 98 (2001) http://www.concrete.org/Publications/InternationalConcreteAbstractsPortal.aspx?m=details&i= 10154 (accessed February 26, 2015) S.M Al-Thawadi, Ureolytic bacteria and calcium carbonate formation as a mechanism of strength enhancement of sand, J Adv Sci Eng Res (2011) 98–114 J.C Zweers, I Barák, D Becher, A.J Driessen, M Hecker, V.P Kontinen, et al., Towards the development of Bacillus subtilis as a cell factory for membrane proteins and protein complexes, Microb Cell Factories (2008) 10 K.-Y Yoon, J.H Byeon, J.-H Park, J Hwang, Susceptibility constants of Escherichia coli and Bacillus subtilis to silver and copper nanoparticles, Sci Total Environ 373 (2007) 572–575 V Wiktor, H.M Jonkers, Quantification of crack-healing in novel bacteria-based self-healing concrete, Cem Concr Compos 33 (2011) 763–770 R Pei, J Liu, S Wang, M Yang, Use of bacterial cell walls to improve the mechanical performance of concrete, Cem Concr Compos 39 (2013) 122–130 J.Y Wang, H Soens, W Verstraete, N De Belie, Self-healing concrete by use of microencapsulated bacterial spores, Cem Concr Res 56 (2014) 139–152 81 ... nhóm mẫu vi khuẩn (vi khuẩn tự vi khuẩn cố định diatomite) cho kết cao mẫu đối chứng Các mẫu bê tông sử dụng vi khuẩn cố định diatomite cho giá trị cường độ thấp so với mẫu bê tông vi khuẩn trộn... người Các vết nứt tế vi vết nứt hở tạo thành pha xi măng thủy hóa tự liền lại chất kết dính tự nhiên từ bên So với kỹ thuật tự liền khác cho bê tông tự liền hóa học tự liền tự nhiên, chế tự liền sinh... khống vi khuẩn Bacillus subtilis HU58 diễn cấu trúc xốp diatomite Trong ảnh vi cấu trúc SEM (hình 2), thấy vi khuẩn 77 Nguyễn Ngọc Trí Huỳnh… Sử dụng Diatomite cố định vi khuẩn Bacillus subtilis HU58