Đặt vấn đề Hiện nay bê tông đã trở thành một trong những vật liệu được sử dụng rộng rãi nhất trên thế giới do các đặc tính nổi bật của nó, bao gồm cường độ chịu nén tốt, khả năng thích ứng, tính kinh tế, tính phù hợp, khả năng chống cháy, trọng lượng nhiệt vượt trội và kha nang đúc đặc biệt hình thức và kích thước [1, 2]. Nhưng một số vấn đề khá phé biến ở vật liệu bê tông xi măng là sử dụng trong thời gian dài sẽ hình thành các vết nứt lỗ li ti trên bề mặt. Việc sửa chữa này đòi hỏi tốn kém chi phí và nhân công. Chính vì vậy việc tạo ra vật liệu thông minh tự liền giúp tăng tính bền vững cho vữa xi măng đóng rắn và tự hàn gắn các vết nứt.
Khả năng của vi sinh vật trong việc tạo ra kết tủa canxi cacbonat đã truyền cảm hứng cho các phương pháp công nghệ sinh học dé tạo ra một loại bê tông tự phục hồi mới [18]. So với bê tông tự phục hồi bằng hóa chất truyền thống, kỹ thuật tự phục hồi sinh học dựa trên canxi cacbonat (Microbially Induced Calcium Carbonate Pricipitation) MICP do vi sinh vật gây ra cung cấp một giải pháp lâu dai và lành tính về mặt sinh thái đối với vết nứt [13, 14, 15]. Quá trình sản xuất MICP diễn ra với sự có mặt của CO›, về cơ bản được tạo ra từ tiền chất được sử dụng trong bê tông sinh học. Các loại tiền chất khác nhau được các nhà khoa học sử dung dé thu được CaCOa.
Các vi khuẩn tự dưỡng biến COz thành CaCOs, về cơ bản được tạo ra khi nước tiếp xúc với urê hoặc muối của axit amin được cho trong phương trình (1). Khi có Ca?” trong môi trường xung quanh, màng tế bảo vi khuẩn tích điện âm sẽ hút điện tích dương từ môi trường xung quanh sau khi Ca?* dang trong quá trình khử khoáng. Các ion canxi (Ca?') cuối cùng sẽ được thu thập trên bề mặt của tế bảo. Sau đó, các ion Ca? tích hợp với các ion CO”, dẫn đến kết tủa CaCOs, như thé hiện trong phương trình (2).
CO(NH2)2 + HO — CO2 + 2NH3 (1) Ca?' + COs?" — CaCO: (2) Nghiên cứu này góp phan tăng tinh khả thi trong việc gia tăng tuổi thọ của các công trình kiến trúc, thông qua việc khả thi tạo bê tông tự liền. Ứng dụng vào xây dựng, làm liền các vết nứt bê tông của các công trình lâu năm với kết cau bê tông bị hỏng. Đề tài “‘Nghién cứu tạo chế phẩm tạo tủa calcite và đánh giá khả năng làm lién vết nứt bê tông từ ching vi khuẩn Bacillus Pumilus CT11” là đề tài đánh giá được 6n định của các mẫu chế phẩm. Từ đó đánh giá được khả năng tự phục hồi vết nứt của chủng vi khuẩn.
Thông qua quá trình kết tua calcite, dem lại những ứng dụng to lớn và ý nghĩa trong ngành xây dựng hiện nay. Mục tiêu đề tài Nghiên cứu tạo chế phẩm chứa vi khuẩn tạo tủa calcite đánh giá độ 6n định của chế phẩm từ đó hướng đến ứng dụng bê tông tự liền và đem lại ý nghĩa to lớn về mặt khoa học cũng như ứng dụng. Nội dung nghiên cứu Nội dung nghiên cứu của đề tài gồm 4 nội dung chính: Nội dung 1: Tăng sinh và thu nhận sinh khối trong bioreactor. Nội dung 2: Phối trộn chế phẩm đánh giá độ ôn định chế phẩm theo thời gian.
Nội dung 3: Thử nghiệm tạo bê tông sinh học có trộn vi khuẩn. Nội dung 4: Phân tích mẫu tinh thé khoáng do vi khuẩn tạo tủa. Tổng quan về vi khuẩn tao tủa calcite Kết tủa canxi cacbonat do vi sinh vật (MICP) là một quá trình xảy ra khi các vi sinh vật, đặc biệt là vi khuẩn, được cung cấp các chất nền thích hợp và do đó tạo ra sự hình thành các tinh thé canxi cacbonat (CaCO3). CaCO3 được hình thành rất hữu ích trong việc phủ bề mặt và liên kết các hạt khác lại với nhau [3, 4, 5].
MICP có thể xảy ra dưới áp suất khí quyền và các điều kiện ôn hòa khác. Trên thực tế, nó xảy ra trong tự nhiên và trên khắp thế giới. Quá trình này đã phủ lên bề mặt của nhiều cấu trúc tự nhiên khác nhau và dé lại những gợi ý về các thời đại trong quá khứ cho các nhà nghiên cứu khám phá. Sự hình thành CaCO; bang vi sinh vật đã được nghiên cứu thông qua phương pháp mô phỏng sinh học và sau đó được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như xây dựng, môi trường, dia kỹ thuật và công nghệ nano [6, 7].
Sự quan tâm ngày càng tăng của các nhà nghiên cứu đối với MICP và xi măng sinh học có thé là do nhận thức về tính bền vững trên toàn cầu ngày càng tăng. Rất nhiều nghiên cứu tập trung vảo việc tìm kiếm hoặc phát triển các vật liệu và quy trình bên vững dé thay thế những vật liệu và quy trình truyền thống không bền vững. Ngành xây dựng là một trong những lĩnh vực phát triển nhanh nhất do tốc độ đô thị hóa nhanh chóng. Một lượng lớn vật liệu xây dung đang được tiêu thụ mỗi ngày dé xây dung, bảo trì và làm mới các cấu trúc khác nhau.
Những vật liệu xây dựng này, đặc biệt là xi măng Portland thông thường và bê tông không bền vững. Xây dựng tiêu tốn nhiều tài nguyên thiên nhiên và năng lượng, đồng thời đóng góp 50% lượng khí thải CO; trên toàn thế giới [9, 10]. Do đó, mong muốn thay đôi vật liệu xây dựng hiện tại thành vật liệu bền vững. Chi phí xây dựng đang tăng lên trong những năm qua và dự kiến sẽ tiếp tục ở mức cao trong thời gian tới.
Sản xuất vật liệu xây dựng bền hơn và lâu dài hon có thé giúp giảm chi phí bảo trì. MICP đã được báo cáo bởi các nhà nghiên cứu khác nhau dé tăng cường sức mạnh và độ bền của vật liệu xây dựng. Phát triển vật liệu xây dựng tự phục hồi cũng giúp giảm nguồn lực dành cho sửa chữa định kỳ [11, 12]. Bằng cách đưa vi khuẩn thích hợp vào xi măng hoặc bê tông, sự hình thành các vết nứt sẽ bị ngăn chặn và bit kín bởi vi khuẩn do kết tủa CaCO; quá trình tự phục hồi vết nứt được diễn ra (Hình 2.
Dung dịch vi khuẩn cũng có thé được áp dụng từ bên ngoài dé bịt kín bề mặt bị nứt trên vật liệu xây dựng cũ. Dormant bacteria Biocement J Damage/ Crack Air a's Water Bacteria activated and MICP started 7-28 days Room temperature Atmospheric pressure Crack filled by CaCOs crystals Hình 2. So đồ tự phục hồi của xi măng sinh học. Cơ chê Hầu hết các nghiên cứu gan đây về MICP tập trung vào việc gia cô kết cầu cát và đất, bê tông tự phục hồi và hàn kín vết nứt [16, 17] và loại bỏ các ion kim loại nặng khỏi nước [22, 23 |.
MICP được áp dụng từ một quá trình đa khoáng hóa sinh học diễn ra tự nhiên, trong đó vi khuẩn trong đất tao ra sự kết tủa canxi cacbonat [25], [26]. Cơ chế của MICP bắt nguồn từ việc vi khuẩn sản xuất enzyme urease và quá trình thủy phân ure [27], [28], [29], [30]. Do đó, các vi khuẩn có khả năng sinh enzyme urease có thé được sử dụng cho MICP. Vi khuẩn tao ra enzyme urease, sau đó quá trình thủy phân ure được tạo ra bởi enzyme urease, ure bi phân hủy thành amoniac (NH3) và carbon dioxide (CO2).
Sự hòa tan của amoniac (NH3) vào nước tạo ra các ion amoni (NH¿' ) và các ion hydroxit (OH) do đó làm tăng độ pH cục bộ (Phương trình (2)). Trong khi đó, sự hòa tan của carbon dioxide (CO2) vao nước tạo ra ion bicacbonat (HCO3’) và 1on hydro (Phương trình (3)). Trong điều kiện pH cao (hoặc điều kiện kiềm), bicacbonat này (HCO:ˆ) phan ứng với các ion hydroxyl (OH”) để tạo thành các ion cacbonat (COs”), (Phương trình (4)). Do đó, canxi cacbonat (CaCO;) được hình thành với sự có mặt của các ion canxi (Ca**) và nhanh chóng bi kết tủa do khả năng hòa tan thấp trong nước (Phương trình (5)).
(1) CO(NH2)2 + H20 — 2NH3+ CO¿ (2) 2NH3+ 2HzO — 2NHa*+ 20H (3) CO2 + Hx»O—HCOs + Ht (4) HCO; + H*+ 2OH <> CO3* + 2HzO (5) Ca** + CO37 — CaCO:[| Kết quả của quá trình thủy phân ure, pH tang lên ~9 do các ion hydroxyl được tạo ra trong quá trình hòa tan amoni. Khoáng vật canxi cacbonat tồn tại trong tự nhiên dưới dang ba dang đa hình khan (canxi, aragonit, vaterit), trong số ba loại, canxit là khoáng chất ôn định nhất [31]. Sporosarcina pasteurii CO(NH2)2 + H:O — NH: + H:O +CO: rease ` OH + NHs == NH: + H:O HCO: ===" OH" + CO2 ^ Y Ỷ QÈ> + OH + HCOs — H:O + Hình 2. Sơ đồ kết tủa canxit do vi sinh vật (MICP) được xúc tác bởi các tế bào S.
Vai trò của vi khuẩn tạo tủa calcite trong bê tông tự liền Bê tông sinh học là một kỹ thuật tự phục hồi bằng cách sử dụng vi khuẩn có thé lấp đầy các vết nứt trên bê tông bằng cách tạo ra kết tủa canxi cacbonat thông qua quá trình khoáng hóa sinh học. Cơ chế cơ bản của việc chữa lành vết nứt dựa trên vi khuẩn xảy ra khi vết nứt bê tông xảy ra. Khi đó nước sẽ rò rỉ qua các vét nứt đã hình thành và các 16 mao dẫn của bê tông [19]. Với sự có mặt của nước và chất dinh dưỡng bên trong ma trận bê tông, quá trình nảy mam của vi khuẩn sẽ diễn ra và kết tủa được tạo ra có thê lấp đầy các vết nứt.
Bê tông tự liền (Self - Compacting Concrete - SCC) là loại bê tông tự đồ, có khả năng tự trôi và tự đồ đều mà không cần sử dụng công cụ đồ hoặc đập dé lap day khoảng trống trong khuôn. SCC được sử dung rộng rãi trong xây dung do có nhiều ưu điểm như đảm bảo tính đồng nhất, giảm thiểu tối đa những rủi ro liên quan đến quá trình đóng khuôn, nâng cao chất lượng sản phẩm và tiết kiệm chỉ phí lao động [20]. Đối với bê tông tự liền, vi khuẩn tao tủa Calcite có thé được sử dụng như một giải pháp thay thé cho các phương pháp truyền thống, như sử dụng các hóa chất dé tao ra bê tông có tính năng tự liền. Vi khuan có khả năng tạo tủa Calcite có thé tạo ra bề mặt bê tông chắc chắn và đồng đều hơn, giúp giảm thiểu sự lún sụt và tăng độ bền của bê tông.
Ngoài ra, sử dụng vi khuẩn còn có thé giảm thiểu tác động tiêu cực của hóa chất đến môi trường.