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]:
3 5 2 2 2 3 2 2
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 Ca2+ 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
(a) (b)
Hình 1.7. Quá trình tổng hợp CaCO3 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 (CO32-) 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].
2 2 2 2 3
CO(NH ) H OkhuaồnNH COOHNH
2 2 3 2 3
NH COOH H O NH H CO
2
2 3 3
H CO 2H2CO
4
3 2
NH H ONHOH
2 2
3 3
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 Ca2+, tích lũy dần lên bề mặt thành tế bào vi khuẩn (Hình 1.2b minh họa quá trình tiếp theo). Các ion Ca2+ sau đó sẽ phản ứng với các ion CO32-, dẫn đến sự hình thành sản phẩm CaCO3 trên bề mặt thành tế bào vi khuẩn theo phản ứng sau [11]:
Ca2+ + Vi khuẩn → Vi khuẩn – Ca2+
2
3 3 4 3
ClHCONH NH Cl CO
Vi khuẩn – Ca2+ + CO32- → Vi khuẩn – CaCO3
Thực hiện: Nguyễn Ngọc Trí Huỳnh