Tổng quan nghiên cứu

Bê tông là vật liệu xây dựng phổ biến nhưng dễ bị nứt vỡ do các ứng suất nội sinh và ngoại sinh trong quá trình sử dụng, ảnh hưởng nghiêm trọng đến độ bền và tuổi thọ công trình. Theo ước tính, các vết nứt với độ mở từ 0,2 đến 0,3 mm đã được quy định là giới hạn cho phép trong tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5574:2012 nhằm đảm bảo tính bền vững của kết cấu bê tông. Tuy nhiên, các vết nứt này có thể phát triển thành các vết nứt lớn hơn, gây hư hại nghiêm trọng nếu không được xử lý kịp thời. Do đó, việc phát triển bê tông tự liền vết nứt ứng dụng cơ chế hoạt tính sinh học vi khuẩn là một hướng nghiên cứu mới, đầy tiềm năng nhằm nâng cao tuổi thọ và giảm chi phí bảo trì công trình.

Mục tiêu cụ thể của nghiên cứu là chế tạo bê tông tự liền bằng cách cố định vi khuẩn Bacillus subtilis HU58 trong viên diatomite, từ đó tăng thời gian hiệu lực của cơ chế tự liền trong điều kiện khắc nghiệt của quá trình nhào trộn và thủy hóa bê tông. Nghiên cứu tập trung khảo sát khả năng tổng hợp calcite của vi khuẩn, đánh giá hiệu quả cố định vi khuẩn trong diatomite, cũng như khả năng tự liền vết nứt và cải thiện độ bền cơ học của vữa và bê tông vi khuẩn. Phạm vi nghiên cứu thực hiện tại Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP. HCM trong năm 2015, với các mẫu thử nghiệm được bảo dưỡng và đánh giá trong khoảng thời gian từ 1 đến 90 ngày.

Ý nghĩa của nghiên cứu không chỉ nằm ở việc phát triển vật liệu bê tông thông minh, có khả năng tự tái tạo, mà còn góp phần bảo vệ môi trường, tiết kiệm nguyên liệu và giảm chi phí sửa chữa công trình xây dựng. Việc ứng dụng cơ chế sinh học vi khuẩn trong bê tông tự liền hứa hẹn mở ra hướng đi mới cho ngành vật liệu xây dựng bền vững.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hai lý thuyết chính: cơ chế tự liền sinh học và quá trình tổng hợp khoáng calcite (CaCO3) do vi khuẩn. Cơ chế tự liền sinh học dựa trên khả năng của vi khuẩn Bacillus subtilis HU58 thủy phân urea, tạo ra ion carbonate (CO32-) và ammonium (NH4+), từ đó kết hợp với ion Ca2+ trong môi trường để hình thành các tinh thể calcite bền vững. Quá trình này được mô tả qua chuỗi phản ứng hóa học:

$$ \begin{aligned} & \text{CO(NH}_2)_2 + H_2O \rightarrow NH_2COOH + NH_3 \ & NH_2COOH + H_2O \rightarrow NH_3 + H_2CO_3 \ & H_2CO_3 \rightarrow 2H^+ + CO_3^{2-} \ & NH_3 + H_2O \rightarrow NH_4^+ + OH^- \ & Ca^{2+} + CO_3^{2-} \rightarrow CaCO_3 \end{aligned} $$

Ngoài ra, lý thuyết về tạo mầm tinh thể (nucleation) và phát triển tinh thể calcite được áp dụng để giải thích sự hình thành và phát triển của các tinh thể calcite trên bề mặt tế bào vi khuẩn và trong môi trường xi-măng. Các yếu tố ảnh hưởng như pH, nồng độ ion Ca2+, áp suất riêng phần CO2 và nồng độ các chất hữu cơ hòa tan cũng được xem xét trong quá trình tổng hợp khoáng.

Các khái niệm chính bao gồm:

  • Bio-mineralization: quá trình vi sinh vật tạo khoáng vật trong môi trường tự nhiên hoặc nhân tạo.
  • Vi khuẩn Bacillus subtilis HU58: chủng vi khuẩn gram dương có khả năng tạo calcite và chịu được môi trường kiềm cao trong bê tông.
  • Diatomite: vật liệu đa lỗ dùng để cố định vi khuẩn, giúp bảo vệ vi khuẩn khỏi môi trường khắc nghiệt và duy trì hoạt tính lâu dài.
  • Cường độ chịu nén và chịu uốn: các chỉ số cơ học quan trọng đánh giá độ bền của vữa và bê tông.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu được tiến hành theo quy trình tăng dần từ mẫu nhỏ đến mẫu lớn, gồm 6 giai đoạn chính:

  1. Khảo sát khả năng tổng hợp calcite của vi khuẩn Bacillus subtilis HU58 trong huyền phù chứa urea và CaCl2. Các mẫu được lấy ở các mốc thời gian từ 0,25 đến 128 giờ để đo pH, thu sinh khối và phân tích thành phần khoáng bằng phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD), phổ hồng ngoại (FTIR) và kính hiển vi quang học soi ngược.

  2. Chế tạo viên diatomite cố định vi khuẩn bằng phương pháp ép bán dẻo với tỷ lệ phối liệu chuẩn, sau đó phủ lớp hồ xi-măng và bảo dưỡng. Viên nén được ngâm trong nước để khảo sát sự hình thành calcite và tồn tại của vi khuẩn.

  3. Đánh giá sự cố định và tồn tại của vi khuẩn trong viên diatomite sau 60 ngày ngâm nước bằng kính hiển vi quang học soi ngược, kính hiển vi điện tử quét (SEM) và phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX).

  4. Khảo sát độ bền cơ của mẫu vữa vi khuẩn so với mẫu đối chứng không vi khuẩn, đo cường độ chịu nén và chịu uốn theo tiêu chuẩn TCVN 6016:1995.

  5. Đánh giá khả năng tự liền vết nứt của mẫu vữa vi khuẩn bằng cách tạo vết nứt cơ học ở các mốc 14 và 60 ngày tuổi, bảo dưỡng trong nước và quan sát quá trình liền vết nứt qua kính hiển vi và phân tích khoáng.

  6. Khảo sát độ bền cơ và khả năng tự liền của mẫu bê tông vi khuẩn kích thước 150x150x150 mm ở các mốc 1, 3, 28 và 60 ngày theo tiêu chuẩn TCVN 3118:1993.

Cỡ mẫu được lựa chọn phù hợp với tiêu chuẩn kỹ thuật, phương pháp chọn mẫu ngẫu nhiên có kiểm soát nhằm đảm bảo tính đại diện. Phân tích dữ liệu sử dụng các kỹ thuật định lượng và định tính, kết hợp biểu đồ pH, phổ XRD, ảnh SEM và bảng số liệu cường độ cơ học để minh họa kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Khả năng tổng hợp calcite của vi khuẩn Bacillus subtilis HU58:
  • pH của huyền phù vi khuẩn giảm trong 5 giờ đầu, sau đó tăng nhanh từ 5 đến 24 giờ, đạt mức ổn định cao hơn dung dịch đối chứng.
  • Phân tích XRD cho thấy mức độ kết tinh calcite tăng dần theo thời gian, với các peak đặc trưng tại 2θ = 29,5°, 47,5°, 48,5° ngày càng rõ nét và diện tích peak tăng lên.
  • Kết quả quan sát kính hiển vi quang học soi ngược tương đồng với phân tích XRD, xác nhận sự phát triển tinh thể calcite trong sinh khối vi khuẩn.
  • Phổ FTIR cũng cho thấy các peak đặc trưng của liên kết CaCO3 tăng theo thời gian, minh chứng cho quá trình kết tinh calcite hiệu quả.
  1. Hiệu quả cố định vi khuẩn trong viên diatomite:
  • Vi khuẩn tồn tại và phát triển trong các lỗ rỗng của viên diatomite ít nhất 5 tháng, bảo vệ vi khuẩn khỏi môi trường kiềm và nhiệt thủy hóa của bê tông.
  • Ảnh SEM và phổ EDX xác nhận sự hiện diện của vi khuẩn sống và các tinh thể calcite trong viên diatomite cố định.
  1. Cải thiện độ bền cơ của vữa và bê tông vi khuẩn:
  • Cường độ chịu uốn của mẫu vữa vi khuẩn tăng khoảng 15-20% so với mẫu đối chứng sau 28 ngày.
  • Cường độ chịu nén của mẫu vữa vi khuẩn tăng khoảng 10-18%, mẫu bê tông vi khuẩn tăng khoảng 12-22% so với mẫu không vi khuẩn.
  • Các tinh thể calcite hình thành trong vết nứt và bao quanh vi khuẩn tạo thành mạng lưới cốt liệu sợi, gia tăng khả năng chịu lực.
  1. Khả năng tự liền vết nứt:
  • Mẫu vữa vi khuẩn có thể tự liền các vết nứt rộng đến 1,5 mm sau 28 ngày bảo dưỡng trong nước.
  • Ảnh SEM và phổ XRD cho thấy các vết nứt được lấp đầy bởi calcite, phục hồi cường độ chịu uốn và chịu nén lên đến 85-90% so với mẫu chưa bị nứt.
  • Khả năng tự liền kéo dài trên 60 ngày, phù hợp với yêu cầu sử dụng thực tế.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự cải thiện là do vi khuẩn Bacillus subtilis HU58 thủy phân urea tạo môi trường kiềm và ion carbonate, thúc đẩy quá trình kết tinh calcite trên bề mặt tế bào và trong các lỗ rỗng của diatomite. Việc cố định vi khuẩn trong viên diatomite giúp duy trì hoạt tính vi khuẩn lâu dài, tránh bị tiêu diệt trong môi trường kiềm cao và nhiệt thủy hóa của bê tông. Các tinh thể calcite không chỉ lấp đầy vết nứt mà còn tạo thành mạng lưới cốt liệu sợi, tăng cường độ bền cơ học.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, việc sử dụng viên diatomite ép nén để cố định vi khuẩn là một cải tiến đáng kể so với phương pháp dùng viên đất sét nở phồng hoặc viên DE dạng cầu, giúp tăng mật độ vi khuẩn và khả năng tự liền vết nứt lớn hơn 1 mm. Kết quả này phù hợp với xu hướng phát triển vật liệu bê tông tự liền sinh học trên thế giới, đồng thời mở rộng phạm vi ứng dụng trong điều kiện thực tế tại Việt Nam.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ pH theo thời gian, phổ XRD chồng các mẫu theo thời gian, ảnh SEM minh họa cấu trúc vi khuẩn và calcite trong viên diatomite, bảng số liệu cường độ chịu nén và chịu uốn của mẫu vữa và bê tông, cùng ảnh chụp vết nứt trước và sau khi tự liền.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Ứng dụng viên diatomite cố định vi khuẩn Bacillus subtilis HU58 trong sản xuất bê tông tự liền nhằm tăng cường khả năng tự liền vết nứt và cải thiện độ bền cơ học, đặc biệt cho các công trình chịu tải trọng và môi trường khắc nghiệt. Thời gian triển khai: 1-2 năm, chủ thể thực hiện là các nhà sản xuất vật liệu xây dựng.

  2. Nghiên cứu mở rộng về động học tổng hợp calcite và ảnh hưởng của các yếu tố môi trường như nhiệt độ, độ ẩm, áp suất CO2 đến hiệu quả tự liền, nhằm tối ưu hóa công thức phối liệu và quy trình bảo dưỡng. Thời gian: 1 năm, chủ thể là các viện nghiên cứu và trường đại học.

  3. Phát triển quy trình công nghiệp hóa viên diatomite cố định vi khuẩn với quy mô lớn, đảm bảo phân tán đồng đều vi khuẩn trong bê tông và duy trì hoạt tính lâu dài. Thời gian: 2-3 năm, chủ thể là doanh nghiệp công nghệ vật liệu.

  4. Khảo sát ứng dụng bê tông tự liền trong các cấu kiện bê tông thực tế như dầm, tấm, cột để đánh giá hiệu quả tự liền và độ bền lâu dài trong điều kiện làm việc thực tế. Thời gian: 2 năm, chủ thể là các đơn vị thi công và quản lý công trình.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Kỹ thuật Vật liệu và Xây dựng: Nghiên cứu cung cấp cơ sở lý thuyết và phương pháp thực nghiệm chi tiết về bê tông tự liền sinh học, giúp phát triển các đề tài nghiên cứu tiếp theo.

  2. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng: Tham khảo để ứng dụng công nghệ cố định vi khuẩn trong sản xuất bê tông tự liền, nâng cao chất lượng sản phẩm và mở rộng thị trường.

  3. Kỹ sư thiết kế và thi công công trình xây dựng: Hiểu rõ cơ chế tự liền vết nứt và các yếu tố ảnh hưởng để lựa chọn vật liệu phù hợp, giảm chi phí bảo trì và tăng tuổi thọ công trình.

  4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách về xây dựng và môi trường: Đánh giá tiềm năng ứng dụng vật liệu bê tông tự liền trong phát triển bền vững, góp phần xây dựng các tiêu chuẩn kỹ thuật mới.

Câu hỏi thường gặp

  1. Bê tông tự liền vết nứt là gì?
    Bê tông tự liền vết nứt là loại bê tông có khả năng tự hàn gắn các vết nứt nhỏ nhờ cơ chế sinh học hoặc hóa học, giúp duy trì độ bền và tuổi thọ công trình mà không cần sửa chữa thủ công.

  2. Vi khuẩn Bacillus subtilis HU58 có vai trò gì trong bê tông tự liền?
    Vi khuẩn này thủy phân urea tạo ion carbonate, kết hợp với ion Ca2+ tạo thành tinh thể calcite bền vững, lấp đầy các vết nứt và cải thiện độ bền cơ học của bê tông.

  3. Tại sao cần cố định vi khuẩn trong viên diatomite?
    Việc cố định giúp bảo vệ vi khuẩn khỏi môi trường kiềm cao và nhiệt thủy hóa trong bê tông, duy trì hoạt tính lâu dài và tăng mật độ vi khuẩn, từ đó nâng cao hiệu quả tự liền.

  4. Khả năng tự liền vết nứt của bê tông vi khuẩn đến mức độ nào?
    Nghiên cứu cho thấy bê tông vi khuẩn có thể tự liền các vết nứt rộng đến 1,5 mm sau 28 ngày bảo dưỡng, với khả năng duy trì hiệu quả trên 60 ngày.

  5. Bê tông tự liền có thể ứng dụng trong những công trình nào?
    Phù hợp với các công trình chịu tải trọng và môi trường khắc nghiệt như cầu đường, nhà cao tầng, bể chứa nước, giúp giảm chi phí bảo trì và tăng tuổi thọ công trình.

Kết luận

  • Vi khuẩn Bacillus subtilis HU58 có khả năng tổng hợp calcite hiệu quả, tạo điều kiện cho bê tông tự liền vết nứt.
  • Việc cố định vi khuẩn trong viên diatomite giúp duy trì hoạt tính vi khuẩn ít nhất 5 tháng trong môi trường bê tông.
  • Bê tông vi khuẩn cải thiện đáng kể cường độ chịu nén và chịu uốn so với bê tông truyền thống.
  • Khả năng tự liền vết nứt rộng đến 1,5 mm được chứng minh qua các phân tích vi cấu trúc và cơ học.
  • Nghiên cứu mở ra hướng phát triển vật liệu xây dựng bền vững, thân thiện môi trường và tiết kiệm chi phí bảo trì.

Next steps: Triển khai nghiên cứu mở rộng về ứng dụng công nghiệp, khảo sát hiệu quả trong các cấu kiện bê tông thực tế và tối ưu hóa quy trình sản xuất viên diatomite cố định vi khuẩn.

Call-to-action: Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp vật liệu xây dựng nên hợp tác để phát triển và ứng dụng bê tông tự liền vi khuẩn, góp phần nâng cao chất lượng công trình và bảo vệ môi trường.