Luận văn thạc sĩ về bê tông tự liền vết nứt ứng dụng cơ chế sinh học vi khuẩn

Nghiên cứu bê tông tự liền vết nứt bằng cơ chế sinh học vi khuẩn, giải pháp tiên tiến nâng cao độ bền và tuổi thọ công trình xây dựng.

• Tác giả: Nguyễn Ngọc Trí Huỳnh
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Khánh Sơn
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP.HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Vật liệu
• Đề tài: Nghiên Cứu Bê Tông Tự Liền Vết Nứt Bằng Cơ Chế Sinh Học Vi Khuẩn
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN
• SUMMARY
• LỜI CAM ĐOAN CỦA TÁC GIẢ LUẬN VĂN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan về hiện tượng biến dạng nứt vỡ trong bê-tông xi-măng và hệ quả của nó đến tính bền môi trường
• 1.2. Nội ứng suất xuất hiện trong vật liệu bê-tông và sự hình thành vết nứt
• 1.3. Quá trình biến dạng và nứt vỡ trong bê-tông xi-măng theo thời gian
• 1.4. Giải pháp xử lý vết nứt bằng cơ chế tự liền (self-healing)
• 1.5. Cơ chế tự liền sinh học
• 1.6. Bản chất hóa lý của quá trình tạo calcite theo cơ chế sinh học vi khuẩn (bio-mineralization)
• 1.7. Tính hình công bố và xu hướng của nghiên cứu
• 1.8. Mục tiêu nghiên cứu
• 1.9. Đối tượng nghiên cứu
• 1.10. Phạm vi nghiên cứu và giới hạn của nội dung nghiên cứu
• 1.11. Ý nghĩa khoa học của việc đề xuất nghiên cứu
• 1.12. Ý nghĩa thực tiễn ứng dụng của nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Phương pháp tiếp cận nghiên cứu theo mức độ tăng dần (từ mẫu nhỏ đến lớn)
• 2.2. Lưu đồ tổng quát quy trình thực nghiệm
• 2.3. Các phương pháp và thiết bị phân tích
• 2.4. Quy trình lọc, thu sinh khối vi khuẩn
• 2.5. Phân tích vi cấu trúc bằng kính hiển vi quang học và kính hiển vi điện tử quét
• 2.6. Phân tích thành phần khoáng bằng phương pháp nhiễu xạ tia X
• 2.7. Đo độ bền cơ thông qua cường độ chịu nén và cường độ chịu uốn
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Kết quả đánh giá khả năng tổng hợp CaCO3 nhờ vi khuẩn
• 3.2. Sự thay đổi pH
• 3.3. Phổ phân tích nhiễu xạ tia X
• 3.4. Ảnh quan sát trên kính hiển vi quang học
• 3.5. Phổ phân tích hồng ngoại
• 3.6. Phân tích ảnh hình thái tinh thể
• 3.7. Kết quả tạo khoáng sản phẩm calcite trong viên diatomite cố định vi khuẩn mật độ cao
• 3.8. Ảnh chụp quan sát bằng mắt thường
• 3.9. Ảnh chụp quan sát vi cấu trúc SEM
• 3.10. Phổ phân tích nhiễu xạ tia X
• 3.11. Kết quả đánh giá hiệu quả của việc cố định vi khuẩn nhờ Diatomite
• 3.12. Ảnh chụp quan sát vi cấu trúc
• 3.13. Ảnh chụp quan sát qua kính hiển vi quang học
• 3.14. Phân tích định danh vi khuẩn
• 3.15. Kết quả đánh giá hiệu quả cải thiện độ bền cơ của vữa vi khuẩn
• 3.16. Cường độ chịu uốn
• 3.17. Cường độ chịu nén
• 3.18. Kết quả đánh giá hiệu quả cải thiện độ bền cơ của mẫu bê-tông vi khuẩn
• 3.19. Cường độ chịu nén
• 3.20. Ảnh chụp quan sát vi cấu trúc
• 3.21. Kết quả đánh giá tính tự liền mẫu vữa vi khuẩn
• 3.22. Ảnh chụp đánh giá trực quan
• 3.23. Ảnh chụp đánh giá vi cấu trúc
• 3.24. Phổ phân tích nhiễu xạ tia X
• 3.25. Cường độ chịu uốn còn lại
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• 4.1. Đánh giá khả năng dùng vi khuẩn Bacillus subtilis HU58 tổng hợp CaCO3
• 4.2. Đánh giá hiệu quả cố định vi khuẩn của viên diatomite
• 4.3. Đánh giá hiệu quả tự liền
• 4.4. Đánh độ bền cơ của mẫu vữa, bê-tông vi khuẩn
• 4.5. Khảo sát cường độ và khả năng tự liền trên bê-tông với thời gian dài hơn, tiến tới thử nghiệm trên cấu kiện dầm, tấm
• 4.6. Cải thiện tính bền viên diatomite cố định vi khuẩn và khả năng phân tán khi nhào trộn
• 4.7. Nghiên cứu động học quá trình tổng hợp sản phẩm khoáng calcite dựa trên cơ chế sinh học vi khuẩn Bacilus subtilis HU58
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về hiện tượng biến dạng nứt vỡ trong bê tông xi măng

Bê tông là vật liệu xây dựng phổ biến, nhưng hiện tượng nứt vỡ trong bê tông xi-măng là một vấn đề nghiêm trọng. Khi chịu tải trọng, bê tông có thể xuất hiện các vết nứt do nội ứng suất. Các vết nứt này không chỉ ảnh hưởng đến tính bền của cấu kiện mà còn làm giảm khả năng chịu lực của bê tông. Việc nghiên cứu và hiểu rõ cơ chế hình thành vết nứt là rất quan trọng để phát triển các giải pháp khắc phục. Các nguyên nhân gây nứt bao gồm co ngót do thủy hóa, chênh lệch nhiệt độ và từ biến. Những yếu tố này dẫn đến sự hình thành các vết nứt nhỏ, có thể phát triển thành các vết nứt lớn hơn nếu không được xử lý kịp thời.

1.1. Nội ứng suất xuất hiện trong vật liệu bê tông

Nội ứng suất trong bê tông là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến sự hình thành vết nứt. Khi bê tông chịu tải trọng, các ứng suất này có thể vượt quá giới hạn chịu lực của vật liệu, dẫn đến hiện tượng nứt vỡ. Quá trình này diễn ra từ từ và liên tục, và các vết nứt có thể xuất hiện ngay cả khi bê tông chưa chịu tải. Việc hiểu rõ về nội ứng suất giúp các kỹ sư thiết kế các cấu kiện bê tông có khả năng chịu lực tốt hơn và giảm thiểu rủi ro nứt vỡ.

II. Cơ chế tự liền sinh học

Cơ chế tự liền sinh học là một phương pháp mới trong việc khắc phục vết nứt trong bê tông. Phương pháp này sử dụng vi khuẩn để tạo ra các sản phẩm khoáng như calcite, giúp lấp đầy các vết nứt. Vi khuẩn Bacillus subtilis HU58 được lựa chọn vì khả năng tổng hợp calcite hiệu quả. Khi vi khuẩn này được đưa vào bê tông, chúng sẽ hoạt động trong môi trường ẩm ướt và tạo ra calcite, từ đó giúp tự liền các vết nứt. Nghiên cứu cho thấy rằng bê tông có chứa vi khuẩn có khả năng tự liền tốt hơn so với bê tông thông thường.

2.1. Bản chất hóa lý của quá trình tạo calcite

Quá trình tạo calcite từ vi khuẩn là một hiện tượng sinh học thú vị. Vi khuẩn Bacillus subtilis HU58 có khả năng chuyển hóa các hợp chất như urea và CaCl2 thành calcite. Sản phẩm này không chỉ giúp lấp đầy các vết nứt mà còn cải thiện tính chất cơ học của bê tông. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng calcite có thể hình thành trong các lỗ rỗng của bê tông, từ đó làm tăng độ bền và khả năng chịu lực của vật liệu. Điều này mở ra hướng đi mới cho việc phát triển bê tông tự liền, góp phần vào sự bền vững trong xây dựng.

III. Đánh giá hiệu quả tự liền của bê tông vi khuẩn

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng bê tông chứa vi khuẩn có khả năng tự liền vết nứt tốt hơn so với bê tông thông thường. Các thí nghiệm cho thấy mẫu bê tông có chứa Bacillus subtilis HU58 có thể tự liền các vết nứt lên đến 1,5mm sau 28 ngày. Kết quả phân tích cho thấy sự hình thành calcite trong các vết nứt, giúp cải thiện độ bền cơ học của bê tông. Việc sử dụng vi khuẩn trong bê tông không chỉ giúp khắc phục các vết nứt mà còn làm tăng tuổi thọ của công trình, giảm thiểu chi phí bảo trì.

3.1. Kết quả đánh giá hiệu quả cải thiện độ bền cơ của mẫu bê tông vi khuẩn

Các phép thử nghiệm cho thấy bê tông vi khuẩn có cường độ chịu nén và chịu uốn cao hơn so với mẫu đối chứng. Sự hiện diện của calcite do vi khuẩn tạo ra đã làm tăng khả năng chịu lực của bê tông. Kết quả này chứng minh rằng việc ứng dụng vi khuẩn trong bê tông không chỉ mang lại lợi ích về mặt tự liền mà còn cải thiện đáng kể các tính chất cơ học của vật liệu. Điều này mở ra cơ hội cho việc phát triển các loại bê tông thông minh, bền vững hơn trong tương lai.

Nội dung chính

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.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TỔNG QUAN 1. 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. 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. 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.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.

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 Luận văn cao học Trang 2 Bê tông tự liền vết nứt ứng dụng cơ chế hoạt tính sinh học vi khuẩn 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. 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. 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- 60oC, tùy thuộc vào kích thước hình học. Điều này gây ra sự chênh lệch nhiệt độ hay khác Thực hiện: Nguyễn Ngọc Trí Huỳnh Luận văn cao học Trang 3 Bê tông tự liền vết nứt ứng dụng cơ chế hoạt tính sinh học vi khuẩn 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.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 Luận văn cao học Trang 4 Bê tông tự liền vết nứt ứng dụng cơ chế hoạt tính sinh học vi khuẩn 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. 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. Khác với các nứt vỡ sớm ngày thường có quy mô rải rác, nhỏ gây ảnh hưởng đến khả năng chịu lực, các biến dạng nứt vỡ khi khi làm việc trong thời gian dài thường có quy mô lớn hơn, tốc độ phát triển nhanh hơn và đặc biêt gây nguy hiểm vì kết hợp trạng thái đang chịu tải của cấu kiện. Ở các môi trường có nhiệt độ cao dưới ánh nắng hay ống khói, cháy… sự giãn nở nhiệt không đều giữa các thành phần pha vữa, cốt liệu hay các vị trí khác nhau cũng gây ra các vết nứt cho bê-tông.

Các tác động của ngoại lực, tải trọng động thiết bị, rung lắc trong quá trình bê-tông làm việc. Phản ứng kiềm cốt liệu theo thời gian dài cũng gây ra các vết nứt. Thông thường sau vài năm, tuy nhiên có thể là sau vài tuần nếu cốt liệu có tính trơ kém. Khi bên trong vật liệu đã xuất hiện các vết nứt tế vi ở giai đoạn sớm ngày trước đây, ứng suất gây ra do tải tác dụng sẽ đẩy nhanh quá trình phá hủy thông qua việc kết nối các vết nứt nhỏ để hình thành các vết nứt lớn.

Thực hiện: Nguyễn Ngọc Trí Huỳnh Luận văn cao học Trang 5 Bê tông tự liền vết nứt ứng dụng cơ chế hoạt tính sinh học vi khuẩn Hình 1.4 Cơ chế phá hủy do lan truyền vết nứt trong vật liệu bê-tông khi chịu ngoại lực tác dụng [1] Hình 1.4 mô tả cơ chế phá hủy vật liệu bê-tông. Xuất phát từ các vết nứt tế vi, đến khi chịu tải (hoặc các vết nứt do ứng suất nội theo thời gian dài), các vết nứt nhỏ tạo cầu nối hình thành vết nứt lớn phá vỡ cấu trúc vật liệu. Thông thường nhiều nghiên cứu đã công bố vị trí phá hoại tập trung trước ở các vùng chuyển tiếp (ITZ) giữa cốt liệu và vữa. Tác động của các vết nứt có thể không lớn nếu vật liệu vẫn chưa bị vượt quá giới hạn chịu lực, vật liệu chưa bị sụp đổ hoàn toàn.

Trong một số trường hợp cũng có thể xảy ra trạng thái hồi phục nếu phương tác dụng tải không cùng với phương vết nứt phát triển. Tuy nhiên qua thời gian dài lại mang ý nghĩa quyết định đến tính bền của vật liệu bê-tông. Theo thời gian, nước cũng như các tác nhân ăn mòn có thể len vào những kẽ nứt, làm xói mòn bê-tông từ bên trong. Các tác nhân oxy hóa còn được tạo điều kiện xâm nhập vào, gây ăn mòn, phá hủy cốt thép, dẫn đến rò rỉ, nứt vỡ hay bất ngờ phá hủy toàn bộ khối cấu kiện bê-tông.

Đây chính là hiện tượng phá huỷ do cộng tác dụng của nứt vỡ do cơ học và nứt vỡ do tính kém bền môi trường. Thực hiện: Nguyễn Ngọc Trí Huỳnh Luận văn cao học Trang 6 Bê tông tự liền vết nứt ứng dụng cơ chế hoạt tính sinh học vi khuẩn Hình 1.5 Các dạng vết nứt trong cấu kiện bê-tông khi ở trạng thái làm việc [3] Từ những vấn đề trên, tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5574:2012 quy định các giới hạn khác nhau về độ mở vết nứt vĩ mô trên các dạng cấu kiện trong điều kiện môi trường không bị xâm thực. Các vết nứt có giá trị giới hạn cho phép từ 0,2mm đến 0,3mm tùy điều kiện làm việc của kết cấu. Rõ ràng quy định này có tính vĩ mô và không quan tâm đến các nguyên nhân phát sinh nứt vỡ.

Tuy nhiên cũng là một cơ sở quan trọng để từ đó tiến hành các kiểm soát qui phạm trong các công đoạn chế tạo, thi công và bảo dưỡng vật liệu bê- tông cũng như sử dụng bố trí cấu kiện trong hệ kết cấu làm việc. Đây có thể xem là quá trình rất phức tạp bởi nhiều các yêu tố chi phối. Bản thân vật liệu bê-tông xi-măng cũng là một vật liệu đa thành phần, cấu trúc đa pha tuỳ theo góc độ đánh giá vi mô hay vĩ mô (marco – meso – micro). Để có cái nhìn tổng quát về các nguyên nhân gây nứt, bảng 1.1 được tổng hợp và trình bày theo các nhóm tác động.