Bê-Tông tự liền vết nứt ứng dụng cơ chế hoạt tính sinh học của vi khuẩn Bacillus subtilis

Bài viết tiến hành bước tiếp cận khảo sát vai trò của chủng vi khuẩn Bacillus subtilis khi được cấy vào trong sản phẩm xi-măng, vữa. Vi khuẩn với mật độ 109 và 1011cfu/g được nuôi cấy và cho phát triển trong các môi trường khác nhau bao gồm: trong điều kiện thường (đĩa Petri), trong hỗn hợp hồ xi-măng và phân tán trong sản phẩm vữa xi-măng, mẫu kích thước 40x40x160mm.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Bê-Tông tự liền vết nứt ứng dụng cơ chế hoạt tính sinh học của vi khuẩn Bacillus subtilisSCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol 17, No.K1- 2014Bê-Tông tự liền vết nứt ứng dụng cơ chếhoạt tính sinh học của vi khuẩn Bacillussubtilis•Nguyễn Ngọc Trí Huỳnh•Nguyễn Khánh SơnTrường ðại học Bách khoa, ðHQG-HCM(Bài nhận ngày 23 tháng 4 năm 2014, hoàn chỉnh sửa chữa ngày 7 tháng 8 năm 2014)TÓM TẮT:Bê-tông tự liền vết nứt hay bê-tông sinhhọc là những loại bê-tông có biểu hiện ñặctính thông minh, một loại vật liệu sống có khảnăng tự liền, tự khắc phục khuyết ñiểm trongquá trình sử dụng. Gần ñây loại vật liệu nàyñã thu hút ñược rất nhiều sự quan tâm từ cácnhà nghiên cứu nhằm khai thác khả năng tựliền, cải thiện tính bền cho vật liệu bê-tôngthường. Trong nghiên cứu này, chúng tôi tiếnhành bước tiếp cận khảo sát vai trò củachủng vi khuẩn Bacillus subtilis khi ñược cấyvào trong sản phẩm xi-măng, vữa. Vi khuẩnvới mật ñộ 109 và 1011cfu/g ñược nuôi cấy vàcho phát triển trong các môi trường khácnhau bao gồm: trong ñiều kiện thường (ñĩaPetri), trong hỗn hợp hồ xi-măng và phân tántrong sản phẩm vữa xi-măng, mẫu kíchthước 40x40x160mm. Sản phẩm tổng hợpkhoáng calcite ñược phát hiện ở các thờiñiểm bảo dưỡng khác nhau 7-14-28ngày dựa trên các phép phân tích thànhphần phổ XRD và ảnh chụp vi cấu trúc(kính hiển vi quang học, kính hiển vi ñiệntử quét SEM). Nhờ sự hiện diện củakhoáng calcite, các kết quả khảo sát cơtính bao gồm tính chịu uốn và chịu néntrên mẫu vữa ñều có xu hướng tăng tới30% so với mẫu chuẩn không chứa vikhuẩn. Hiệu ứng tự liền ñược khảo sáttrên vết ñứt gãy rộng 0,5mm của mẫuvữa dạng thanh 40x40x160mm sau 14ngày dưỡng hộ trong nước. Kết quả thuñược và các nhận xét kèm theo là cơ sởñể chúng tôi tiếp tục phát triển nghiêncứu tính tự liền trên mẫu bê-tông có kíchthước lớn.T khóa: Bê-tông tự liền, bê-tông sinh học, vi khuẩn Bacillus subtilis, khoáng calcite.1. TỔNG QUAN VÀ GIỚI THIỆU CƠ CHẾTỰ LIỀN NHỜ VI KHUẨNðối với vật liệu bê-tông, các vết nứt tế viluôn ñi kèm với quá trình ñóng rắn và phát triểncường ñộ. Các vết nứt này ñến từ những nguyênnhân không thể bỏ qua như phản ứng thủy hóa,co ngót, bảo dưỡng. Vai trò tác ñộng trong thờigian ngắn của chúng có thể không lớn, tuy nhiênTrang 76trong thời gian dài lại mang ý nghĩa quyết ñịnhñến tính bền của bê-tông. Theo thời gian, nướccũng như các tác nhân ăn mòn có thể len vàonhững kẽ nứt, làm xói mòn bê-tông từ bên trongvà các tác nhân oxy hóa còn ñược tạo ñiều kiệnxâm nhập gây ăn mòn, phá hủy cốt thép dẫn ñếnrò rỉ, nứt vỡ hay bất ngờ phá hủy toàn bộ khốicấu kiện. Quy chuẩn hạn chế ñến mức thấp nhấtbề rộng các vết nứt, ñảm bảo chúng không vượtTAÏP CHÍ PHAÙT TRIEÅN KH&CN, TAÄP 17, SOÁ K1- 2014quá giới hạn an toàn cho phép. Nếu ta có thểlàm cho khối bê-tông tự bản thân nó có khảdần vết xương gãy. Các nhóm vi khuẩn mangtính ureolytic có thể tạo ra CaCO3 trong môinăng hàn gắn, tự liền các vết nứt (self-healing),ñiều này sẽ giúp ñảm bảo ñộ bền vững của cáccông trình bê-tông. Hướng tới triển vọng mơước của loài người trong việc chế tạo và ứngdụng các dạng vật liệu “sống” thông minh tựlành, tự khắc phục khuyết ñiểm.trường kiềm nhờ vào chuyển hoá urea thànhammonium và carbonate [1]. Sự phân hủy urealàm tăng pH cục bộ và tăng sự lắng ñọng củacác tinh thể calcite ñóng vai trò như thành phầnhàn gắn vết nứt. Theo ghi nhận, các vết nứttrong bê-tông với chiều rộng ñến 0,2mm có thểtự liền lại [2- 4]. Các vết nứt tế vi ñủ lớn ñể trởthành ống mao dẫn cho phép nước len vào. NếuCơ chế sinh học vi khuẩn căn bản dựa trênquá trình tạo ra các tinh thể calcite (CaCO3) ñểlàm cầu nối nối liền các vết nứt xuất hiện trên bềmặt bê-tông. Vi khuẩn chuyển hóa các chất dinhdưỡng hòa tan thành CaCO3 không tan và ñóngrắn cứng trên bề mặt các vết nứt [1, 3]. Quátrình này bắt chước quá trình liền xương trongcơ thể người, các tế bào tạo xương sẽ bị khoánghóa ñể tạo thành xương và tạo cầu nối làm liềncó sự kết hợp thủy hóa các hạt xi-măng vi khuẩncó thể giúp làm liền các vết nứt lên ñến 0,5mm.Theo phân tích của Al Thawadi [5], quá trìnhhình thành CaCO3 có thể ñược chia ra theo 4giai ñoạn như trên hình 1 (trái): (1) Thủy phânUrea, (2) Sự gia tăng pH của môi trường vi mô,(3) Sự hấp phụ ion Ca2+ lên bề mặt, (4) Tạomầm và phát triển các tinh thể calcite.Hình 1. Trái: Quá trình hình thành CaCO3 theo cơ chế sinh học (vẽ lại ghi chú theo tham khảo [5]).Phải: Mô hình tạo calcite (màu xám) trên thành tế bào vi khuẩn (theo tham khảo [6] với xin phép)Vi khuẩn Bacillus subtilis có tính xúc tácthủy phân urea (CO(NH2)2) thành amonia(NH4+) và carbon dioxide (CO32-) qua các phảnứng trung gian. Trong ñó sự chuyển dịch pH vàsự hiện diện của nước thúc ñẩy quá trình hòa tanphân ly diễn ra [5].NH 2 COOH + H 2 O → NH 3 + H 2 CO 3H 2 CO 3  → 2H + + 2CO 32 −NH 3 + H 2 O → NH +4 + OH −Ca 2 + + CO 32 −  → CaCO 3Từ ñó thành tế bào vi khuẩn tích ñiện, hútcác ...