Hệ Thống Tự Phục Hồi Bê Tông Sử Dụng Bacillus Subtilis Natto Cố Định trong Vật Liệu Nhẹ

• Tác giả: Nguyễn Ngọc Tri Huỳnh
• Người hướng dẫn: Professor Imamoto Kei-ichi
• Trường học: Tokyo University of Science
• Chuyên ngành: Vật liệu xây dựng
• Đề tài: Tự Phục Hồi Bê Tông: Nghiên cứu Hệ Thống Sử Dụng Bacillus Subtilis Natto Cố Định trong Vật Liệu Nhẹ
• Loại tài liệu: Nghiên cứu
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Tokyo

• Acknowledgment
• Dedication
• Abstract
• List of Figures
• List of Tables
• 1. Chapter 1: Why we need self-healing in concrete materials?
• 1.1. Advances and challenges for current self-healing approaches
• 1.2. What bacteria can do and how to shorten the way from the laboratory to real self-healing applications?
• 1.3. Reference
• 2. Chapter 2: Literature review of self-healing
• 2.1. Different approaches of self-healing concrete
• 2.2. Quantification methods of self-healing ability
• 2.3. Current problems and challenges
• 2.4. Reference
• 3. Chapter 3: Features of the study
• 3.1. Mechanism of healing products formation and promotion of the hydration process
• 3.2. Bacterial protection in lightweight aggregate
• 3.3. Using lactose as nutrient-low for bacteria and the effect of immobilizing sugar in lightweight aggregate on prevention adverse on concrete
• 3.4. Self-healing evaluation and quantification
• 3.5. Reference
• 4. Chapter 4: Materials and experiments design
• 4.1. Analysis of the urea hydrolysis and bio-mineralization
• 4.2. Bacterial activities and its bio-mineralization in concrete
• 4.3. Breakage rate and the behavior of lightweight aggregate for releasing bacterial self-healing agents
• 4.4. Effect of immobilizing sugar in lightweight aggregate on prevention adverse on concrete
• 4.5. Compressive strength improvement using bacterial repairing solution
• 4.6. Compressive strength improvement using lightweight aggregate immobilized bacteria
• 4.7. Compressive strength restoration
• 4.8. Continuous curing for one-cycle strength restoration
• 4.9. Multi-cycle strength restoration and the repetitive self-healing
• 4.10. Ultrasonic pulse velocity
• 4.11. Bacterial survival rate and the protecting effectiveness of lightweight aggregate
• 4.12. Water permeability and visual evaluation of crack healing
• 4.13. Capillary water absorption through the crack
• 4.14. Water flow through the crack
• 4.15. Visual evaluation of crack healing
• 4.16. Reference
• 5. Chapter 5: Results and discussion
• 5.1. Analysis of the urea hydrolysis and bio-mineralization
• 5.2. Bacterial activities and its bio-mineralization in concrete
• 5.3. Breakage rate and the behavior of lightweight aggregate for releasing bacterial self-healing agents
• 5.4. Compressive strength improvement using bacterial repairing solution
• 5.5. Compressive strength improvement using lightweight aggregate immobilized bacteria
• 5.6. Compressive strength restoration
• 5.7. Continuous curing for one-cycle strength restoration
• 5.8. Multi-cycle strength restoration and the repetitive self-healing
• 5.9. Ultrasonic pulse velocity
• 5.10. Pulse velocity over curing time
• 5.11. Pulse velocity over multi cracking-healing cycle
• 5.12. Microstructure analysis
• 5.13. Performance of bacteria immobilized in lightweight aggregate for calcium carbonate precipitation
• 5.14. Stimulating ability on the formation and development of hydrated cement minerals of bacterial calcium carbonate
• 5.15. Bacterial survival rate and the protecting effectiveness of lightweight aggregate
• 5.16. Water permeability and visual evaluation of crack healing
• 5.17. Capillary water absorption through the crack
• 5.18. Water flow through the crack
• 5.19. Visual evaluation of crack healing
• 5.20. Reference
• 6. Chapter 6: Possibility of Bacillus subtilis natto on bio-mineralization
• 6.1. Mechanical behavior of self-healing concrete under multi-cracking cycles
• 6.2. Water permeability and water leakage prevention in bacteria-based self-healing concrete
• Appendix 1: Real-scale application
• Appendix 2: Experimental data

I. Tổng Quan Tại Sao Bê Tông Cần Tự Phục Hồi 55 ký tự

Bê tông là vật liệu xây dựng quan trọng và được sử dụng rộng rãi. Tuy nhiên, bê tông vẫn đối mặt với vấn đề xuống cấp chất lượng do nứt. Các nghiên cứu gần đây chỉ ra rằng vết nứt sớm ở kích thước micro có thể xảy ra ngay khi nền xi măng trở nên cứng. Những vết nứt này có thể trở thành macro và mở rộng, gây ra các vấn đề nghiêm trọng cho độ bền của kết cấu bê tông như rò rỉ nước và ăn mòn. Nhiều phương pháp tiếp cận đã được nghiên cứu rộng rãi, đáp ứng các tiêu chí, và nhận ra rằng quản lý nên tốt hơn là ngăn ngừa vết nứt bê tông. Kỹ thuật tự phục hồi sử dụng vi khuẩn gần đây đã nhận được sự chú ý vì tiềm năng ứng dụng của nó. Theo tài liệu gốc: “Những vết nứt này có thể trở thành macro và mở rộng, gây ra các vấn đề nghiêm trọng cho độ bền của kết cấu bê tông như rò rỉ nước và ăn mòn”. Việc sử dụng các kỹ thuật tự phục hồi đang ngày càng trở nên quan trọng.

1.1. Tự Phục Hồi Bê Tông Vấn Đề Nứt Sớm và Hậu Quả

Vết nứt sớm trong bê tông, dù ở kích thước micro, có thể nhanh chóng lan rộng thành vết nứt lớn hơn. Điều này dẫn đến nhiều vấn đề như giảm độ bền, tăng tính thấm nước và tạo điều kiện cho ăn mòn cốt thép. Hậu quả là tuổi thọ công trình giảm và chi phí bảo trì tăng lên đáng kể. Cần có các giải pháp tự phục hồi hiệu quả để giải quyết vấn đề này từ sớm, ngăn chặn sự xuống cấp nghiêm trọng hơn của bê tông. Một nghiên cứu của JCI TC-075B đã chỉ ra rằng các vết nứt có thể được phục hồi một cách tự nhiên.

1.2. Phương Pháp Tự Phục Hồi Truyền Thống và Hạn Chế

Các phương pháp tự phục hồi truyền thống như sử dụng vật liệu trương nở, khoáng hóa tự thân, hoặc keo epoxy có những hạn chế nhất định. Chúng có thể không hiệu quả với vết nứt lớn, đòi hỏi quy trình thi công phức tạp, hoặc có chi phí cao. Hơn nữa, nhiều phương pháp không thân thiện với môi trường. Việc tìm kiếm các giải pháp tự phục hồi sáng tạo, bền vững và kinh tế hơn là điều cần thiết. Vi sinh vật trong bê tông là một giải pháp tiềm năng.

II. Giải Pháp Ứng Dụng Bacillus Subtilis Natto 58 ký tự

Với khả năng dễ dàng nuôi cấy và hình thành CaCO3, tiềm năng sử dụng Bacillus Subtilis Natto trong ứng dụng quy mô đầy đủ rất hứa hẹn. Tuy nhiên, hiệu quả và khả năng lặp lại của phương pháp này trong một thời gian dài vẫn chưa được làm rõ. Thông tin về cả sự sống sót và số lượng vi khuẩn sau khi chữa lành còn hạn chế. Nghiên cứu này nhằm cải thiện khả năng tự phục hồi và đánh giá khả năng lặp lại của bê tông khi sử dụng Bacillus Subtilis Natto với nguồn dinh dưỡng thấp như lactose và làm rõ cơ chế khoáng hóa sinh học để tìm ra một cách thích hợp để bảo vệ và duy trì khả năng tự phục hồi trong một thời gian dài. Theo Abstract của tài liệu gốc: "With the ability to be easily cultured and form CaCO3, the potential to use Bacillus subtilis natto in the full-scale application is very promising."

2.1. Bacillus Subtilis Natto Cơ Chế Tự Phục Hồi Bê Tông

Bacillus Subtilis Natto có khả năng sinh ra enzyme urease, giúp phân hủy urea thành amoniac và carbon dioxide. Carbon dioxide sau đó phản ứng với canxi hydroxide (sản phẩm của quá trình hydrat hóa xi măng) để tạo thành CaCO3 (canxi cacbonat), một chất lấp đầy vết nứt hiệu quả. Vi khuẩn này cũng có thể tạo ra biofilm, giúp bảo vệ và tăng cường quá trình khoáng hóa. Quá trình này giúp giảm thiểu vết nứt bê tông.

2.2. Cố Định Bacillus Subtilis Natto trong Vật Liệu Nhẹ

Để bảo vệ vi khuẩn và kiểm soát quá trình giải phóng, Bacillus Subtilis Natto được cố định trong vật liệu nhẹ như đất sét nung trương nở. Vật liệu nhẹ này đóng vai trò là môi trường sống, cung cấp dinh dưỡng và bảo vệ vi khuẩn khỏi các điều kiện khắc nghiệt trong bê tông. Khi vết nứt xuất hiện, vi khuẩn được giải phóng và bắt đầu quá trình tự phục hồi. Nghiên cứu cho thấy "The high survival rate of bacteria immobilized in expanded clay lightweight aggregate gave essential information for maintaining self-healing ability for a long time."

2.3. Lactose Nguồn Dinh Dưỡng Tiết Kiệm cho Bacillus Subtilis Natto

Sử dụng lactose làm nguồn dinh dưỡng cho Bacillus Subtilis Natto mang lại nhiều lợi ích. Lactose là một loại đường rẻ tiền, dễ kiếm và không ảnh hưởng đến quá trình đông kết và cường độ ban đầu của bê tông. Nó cũng giúp kiểm soát tốc độ phát triển của vi khuẩn, ngăn ngừa tình trạng CaCO3 kết tủa quá nhanh, gây tắc nghẽn hệ thống mao quản của bê tông. Cơ chế được mô tả trong hình 3.3 của tài liệu gốc.

III. Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Của BSN và Vật Liệu Nhẹ 53 ký tự

Thí nghiệm được thiết kế để nghiên cứu quá trình khoáng hóa sinh học của vi khuẩn, khả năng của vật liệu nhẹ như một phương tiện bảo vệ và vận chuyển để kiểm soát việc giải phóng các chất tự phục hồi, và chứng minh tự phục hồi thông qua hành vi cơ học và độ thấm nước qua nhiều chu kỳ nứt. Phân tích quá trình thủy phân urê và khoáng hóa sinh học của vi khuẩn với urê và lactose là nguồn carbon chính đã được đánh giá. Chúng tôi đã nghiên cứu ảnh hưởng của tuổi nứt đối với khả năng tự phục hồi, liên quan đến sự cải thiện cường độ nén. Theo tài liệu gốc: "Experiments were designed to study the bacterial biomineralization, the possibility of lightweight aggregate as protecting and carrying vehicle to control the release of healing agents..."

3.1. Cường Độ Nén Cải Thiện Nhờ Bacillus Subtilis Natto

Nghiên cứu cho thấy việc sử dụng Bacillus Subtilis Natto trong vật liệu nhẹ giúp cải thiện đáng kể cường độ nén của bê tông. Vi khuẩn giúp lấp đầy các vết nứt, tăng cường liên kết giữa các hạt xi măng và tạo ra cấu trúc bê tông đặc chắc hơn. Cường độ nén được phục hồi sau các chu kỳ nứt, chứng minh khả năng tự phục hồi của bê tông. Các thử nghiệm về độ bền cho thấy Bacillus Subtilis Natto có thể tăng cường độ nén.

3.2. Độ Thấm Nước Giảm Nhờ Tự Phục Hồi Bằng Vi Khuẩn

Bê tông chứa Bacillus Subtilis Natto có độ thấm nước thấp hơn so với bê tông thông thường. Vi khuẩn giúp lấp đầy các vết nứt, ngăn chặn sự xâm nhập của nước và các chất ăn mòn. Điều này giúp kéo dài tuổi thọ công trình và giảm thiểu chi phí bảo trì. Các thí nghiệm được thiết kế đặc biệt để đo lường độ thấm nước.

3.3. Đánh Giá Khả Năng Tự Lành Vết Nứt Bằng Hình Ảnh

Hình ảnh hiển vi cho thấy các vết nứt trên bề mặt bê tông được lấp đầy bởi CaCO3 do vi khuẩn tạo ra. Quá trình này diễn ra nhanh chóng, với các vết nứt có chiều rộng khoảng 0.5 mm có thể được tự lành hoàn toàn trong vòng 7-14 ngày. Việc quan sát trực quan này chứng minh hiệu quả của Bacillus Subtilis Natto trong việc tự phục hồi vết nứt bê tông. Hình 3.4 và 3.5 trong tài liệu gốc minh họa rõ điều này.

IV. Kết Quả Khả Năng Khoáng Hóa và Sinh Tồn Của BSN 59 ký tự

Kết quả thí nghiệm chứng minh rằng Bacillus Subtilis Natto có thể sản xuất enzyme urease để phá vỡ urea trong điều kiện khắc nghiệt thiếu nguồn carbon hữu cơ để tạo thành CaCO3 thông qua quá trình khoáng hóa sinh học từ ba đến bảy ngày. Kết hợp vi khuẩn và dinh dưỡng thấp trong vật liệu nhẹ là một kỹ thuật hiệu quả để kiểm soát việc giải phóng chất lỏng chữa bệnh mà không gây ảnh hưởng xấu đến tính chất đông kết và cứng. Do đó, cường độ nén và phục hồi cường độ của mẫu bê tông với vi khuẩn cao hơn có thể thu được sau 3 chu kỳ nứt và một lần nữa khẳng định khả năng tự phục hồi cao của bê tông khi sử dụng vi khuẩn trong vật liệu nhẹ. Theo tài liệu gốc "Experimental results demonstrated that Bacillus subtilis natto could produce urease enzyme to break down urea in the harsh condition of lack of organic carbon source to form CaCO3 through the biomineralization process from three to seven days."

4.1. Bacillus Subtilis Natto Duy Trì Khả Năng Sinh Tồn Lâu Dài

Bacillus Subtilis Natto có thể tồn tại và duy trì khả năng tạo ra các sản phẩm chữa bệnh trong ít nhất 10 tháng sau ba chu kỳ nứt - chữa lành với nồng độ vi khuẩn cao đáng kể, điều này cho thấy chúng có thể duy trì sự sống sót của mình trong nhiều năm. Điều này chứng tỏ tính bền vững và hiệu quả lâu dài của phương pháp tự phục hồi sử dụng vi khuẩn. Nồng độ vi khuẩn được xác định bằng phương pháp đếm khuẩn lạc.

4.2. Vai Trò của CaCO3 Lấp Đầy Vết Nứt và Tăng Cường Liên Kết

CaCO3 do Bacillus Subtilis Natto tạo ra đóng vai trò quan trọng trong việc lấp đầy vết nứt và tăng cường liên kết giữa các hạt xi măng. Nó tạo thành một lớp màng bảo vệ, ngăn chặn sự xâm nhập của nước và các chất ăn mòn, đồng thời cải thiện độ bền của bê tông. Phân tích XRD cho thấy sự hiện diện của CaCO3 trên bề mặt vết nứt.

4.3. Vật Liệu Nhẹ Bảo Vệ và Kiểm Soát Giải Phóng Vi Khuẩn

Vật liệu nhẹ đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ vi khuẩn khỏi các điều kiện khắc nghiệt và kiểm soát quá trình giải phóng chúng khi vết nứt xuất hiện. Nó tạo ra một môi trường sống lý tưởng cho vi khuẩn, cung cấp dinh dưỡng và bảo vệ chúng khỏi các tác động cơ học và hóa học. LWA (Lightweight Aggregate) là ví dụ điển hình.

V. Tiềm Năng và Ứng Dụng Thực Tế Bê Tông Tự Phục Hồi 58 ký tự

Hệ thống tự phục hồi trong bê tông sử dụng Bacillus Subtilis Natto được cố định trong vật liệu nhẹ là một kỹ thuật với chi phí sản xuất hợp lý mà không có hóa chất không thân thiện với môi trường trong sản xuất vật liệu sửa chữa. Ngoài ra, kết quả thử nghiệm về hành vi cơ học, độ thấm nước và quá trình đóng vết nứt của mẫu bê tông có thể góp phần vào sự hiểu biết về khoáng hóa sinh học của Bacillus Subtilis Natto trong bê tông tự phục hồi và cho thấy đây có thể là một giải pháp đầy hứa hẹn với khả năng tự phục hồi lặp đi lặp lại để sử dụng lâu dài, dẫn đến sự phát triển bền vững. Các ứng dụng thực tế đang được nghiên cứu (xem phụ lục).

5.1. Ứng Dụng Thực Tế Bê Tông Tự Phục Hồi Xây Dựng Bền Vững

Ứng dụng thực tế tự phục hồi bê tông mở ra tiềm năng lớn cho xây dựng bền vững. Các công trình sử dụng bê tông tự phục hồi có tuổi thọ cao hơn, giảm chi phí bảo trì và sửa chữa, đồng thời giảm tác động tiêu cực đến môi trường. Công nghệ này đặc biệt phù hợp cho các công trình quan trọng như cầu đường, đập thủy điện và các công trình ven biển. Xem phụ lục để biết thêm chi tiết.

5.2. Chi Phí Tự Phục Hồi Bê Tông So Sánh và Phân Tích

Chi phí tự phục hồi bê tông có thể cao hơn so với bê tông thông thường, nhưng xét về lâu dài, nó có thể tiết kiệm chi phí đáng kể nhờ giảm chi phí bảo trì và sửa chữa. Phân tích chi phí vòng đời cần được thực hiện để đánh giá đầy đủ lợi ích kinh tế của công nghệ tự phục hồi. Cần xem xét các yếu tố như tuổi thọ công trình, chi phí sửa chữa và tác động môi trường.

5.3. Tương Lai Của Công Nghệ Tự Phục Hồi Bê Tông

Công nghệ tự phục hồi bê tông đang tiếp tục phát triển với nhiều hứa hẹn. Các nghiên cứu đang tập trung vào việc cải thiện hiệu quả của vi khuẩn, tối ưu hóa vật liệu nhẹ và phát triển các phương pháp đánh giá khả năng tự lành chính xác hơn. Trong tương lai, chúng ta có thể mong đợi những loại bê tông tự phục hồi thông minh hơn, có khả năng tự động phát hiện và sửa chữa vết nứt mà không cần sự can thiệp của con người.

VI. Kết Luận Hướng Phát Triển Bền Vững Cho Bê Tông 54 ký tự

Nghiên cứu này đã chứng minh tiềm năng to lớn của việc sử dụng Bacillus Subtilis Natto cố định trong vật liệu nhẹ để tạo ra bê tông tự phục hồi hiệu quả và bền vững. Công nghệ này không chỉ giúp giảm thiểu vết nứt bê tông và kéo dài tuổi thọ công trình mà còn góp phần vào việc xây dựng một tương lai xanh hơn. Việc tiếp tục nghiên cứu và phát triển công nghệ này là rất cần thiết để ứng dụng rộng rãi trong thực tế.

6.1. Tổng Kết Ưu Điểm Của Bê Tông Tự Phục Hồi Bằng BSN

Bê tông tự phục hồi sử dụng Bacillus Subtilis Natto mang lại nhiều ưu điểm: khả năng tự lành vết nứt hiệu quả, tăng cường độ bền, giảm độ thấm nước, kéo dài tuổi thọ công trình, thân thiện với môi trường và tiết kiệm chi phí bảo trì. Đây là một giải pháp tiềm năng cho xây dựng bền vững.

6.2. Hướng Nghiên Cứu Tiếp Theo Tối Ưu Hóa và Ứng Dụng Rộng Rãi

Các hướng nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào việc tối ưu hóa quá trình sản xuất và ứng dụng bê tông tự phục hồi bằng Bacillus Subtilis Natto. Cần nghiên cứu sâu hơn về cơ chế hoạt động của vi khuẩn, lựa chọn vật liệu nhẹ phù hợp và phát triển các phương pháp đánh giá khả năng tự lành chính xác hơn. Ứng dụng rộng rãi công nghệ này sẽ góp phần vào việc xây dựng một tương lai bền vững.