Một nghiên cứu công bố trên Scientific Reports thử nghiệm đưa vi khuẩn vào cốt liệu nhẹ để tạo khả năng tự phục hồi vết nứt cho bê tông. Phương pháp này thúc đẩy quá trình hình thành canxi carbonat (CaCO₃) tại vùng nứt, giúp bê tông nhẹ sử dụng cốt liệu đã xử lý vi khuẩn đạt cường độ nén 24,94 MPa sau 21 ngày phục hồi, cao hơn 23% so với mẫu đối chứng.
Với bê tông nhẹ, việc đưa vi khuẩn vào cốt liệu mở ra một hướng tiếp cận khác trong phát triển vật liệu có khả năng tự phục hồi. Nghiên cứu tập trung xử lý cốt liệu nhẹ đất sét nung giãn nở bằng hai chủng vi khuẩn trước khi đưa vào cấp phối, sau đó đánh giá sự thay đổi về đặc tính cốt liệu, khả năng phục hồi vết nứt và các chỉ tiêu cơ học của bê tông.
Bê tông nhẹ sử dụng vi khuẩn, hướng tới khả năng tự phục hồi vết nứt và cải thiện tính chất cơ học. (Nguồn: Shutterstock)
Đưa vi khuẩn vào cốt liệu nhẹ để tự phục hồi vết nứt
Nghiên cứu sử dụng cốt liệu nhẹ đất sét nung giãn nở (LECA), làm vật liệu mang vi khuẩn. Hai chủng được thử nghiệm gồm Bacillus subtilis và Bacillus pasteurii. Đây là các chủng vi khuẩn có khả năng thúc đẩy quá trình hình thành CaCO₃ trong điều kiện thích hợp.
LECA được ngâm trong dung dịch nuôi cấy vi khuẩn trong 3 ngày ở nhiệt độ môi trường, sau đó được làm khô bằng năng lượng mặt trời. Ở quy mô phòng thí nghiệm, khoảng 420 kg LECA được xử lý trong 350 lít môi trường nuôi cấy. Nhóm nghiên cứu không sử dụng phương pháp hút chân không, lớp phủ polymer hay thiết bị tạo áp lực để đưa vi khuẩn vào cốt liệu, nhằm hướng đến quy trình có khả năng áp dụng thực tế hơn.
Hỗn hợp bê tông được thiết kế theo tiêu chuẩn ACI 211-2 và ACI 213R-14, với khối lượng thể tích cân bằng dưới 1.842 kg/m³ và cường độ nén ở 28 ngày lớn hơn 17,2 MPa. Thành phần cấp phối gồm 520 kg/m³ xi măng, 260 kg/m³ nước và 688,5 kg/m³ cốt liệu, trong đó cốt liệu mịn chiếm 60% và cốt liệu thô 40%.
LECA được trộn với nước trong 2 phút để một phần nước thấm vào cốt liệu trước khi bổ sung các thành phần còn lại. Quá trình trộn được thực hiện bằng máy trộn phòng thí nghiệm dung tích 50 lít.
Để đánh giá khả năng tự phục hồi, mẫu bê tông hình trụ được gia tải đến khoảng 50 đến 60% tải trọng phá hủy ở tuổi 7 ngày. Với mẫu dầm chịu uốn, mức tải được áp dụng tương đương 75 - 85% tải trọng phá hủy. Sau đó, các mẫu được ngâm trong nước trong 7, 14 và 21 ngày để theo dõi quá trình phục hồi.
Kết quả cho thấy việc xử lý vi khuẩn làm giảm tới 51,9% khả năng hút nước của LECA và làm khối lượng khô của cốt liệu tăng khoảng 1,5 - 2%.
Vi khuẩn thúc đẩy hình thành canxi carbonat trong vùng nứt
Cơ chế chính được nhóm nghiên cứu quan tâm là khả năng hình thành CaCO₃ của vi khuẩn. Bacillus subtilis có thể tạo các ion carbonat thông qua quá trình oxy hóa axit hữu cơ, trong khi Bacillus pasteurii thúc đẩy quá trình này thông qua phân giải urea. Khi có ion canxi, các phản ứng có thể dẫn tới sự hình thành CaCO₃, góp phần lấp đầy khoảng trống trong vùng bê tông bị nứt.
Hình ảnh quan sát bằng kính hiển vi điện tử quét cho thấy các vùng lắng đọng vật chất xuất hiện rõ hơn trên LECA đã được xử lý vi khuẩn và tại khu vực vết nứt của bê tông sau quá trình phục hồi. Ở một mẫu bê tông có vi khuẩn, vết nứt rộng khoảng 2 µm được ghi nhận đã được lấp đầy một phần sau thời gian phục hồi.
Phân tích nhiễu xạ tia X cũng cho thấy tín hiệu phù hợp với sự xuất hiện của calcite, một dạng khoáng của canxi carbonat. Kết quả này củng cố nhận định rằng quá trình hình thành CaCO₃ có đóng góp vào khả năng lấp đầy và phục hồi vùng bê tông bị nứt.
Không chỉ ảnh hưởng đến quá trình phục hồi, vi khuẩn còn tạo ra sự khác biệt về cường độ của bê tông trước khi bị gây hư hỏng. Các mẫu bê tông có vi khuẩn đạt cường độ nén cao hơn khoảng 6 - 10% so với mẫu đối chứng có cường độ bị suy giảm, trong đó mức chênh lệch đạt cao nhất ở tuổi 14 ngày.
Cường độ nén tăng 23% sau 21 ngày phục hồi
Sau 21 ngày phục hồi trong nước, mẫu bê tông sử dụng cốt liệu được xử lý bằng vi khuẩn đạt cường độ nén 24,94 MPa, cao hơn 23% so với mẫu đối chứng không sử dụng vi khuẩn trong cùng điều kiện.
Các chỉ tiêu cơ học khác cũng ghi nhận mức cải thiện. Cường độ uốn đạt 3,24 MPa sau 21 ngày phục hồi, cao hơn 35% so với mẫu đối chứng. Cường độ kéo khi ép chẻ đạt 2,45 MPa ở tuổi 28 ngày, cao hơn 21%.
Nghiên cứu cũng ghi nhận một số thay đổi về tính chất của hỗn hợp bê tông tươi. Hàm lượng khí tăng từ khoảng 2% lên 5,5%, độ sụt tăng từ 10 - 13 cm lên 13 - 16 cm, trong khi khối lượng thể tích của hỗn hợp tươi giảm từ khoảng 1.550 xuống 1.450 kg/m³. Nhóm nghiên cứu cho rằng môi trường nuôi cấy vi khuẩn có thể đã tạo ra tác động tương tự một số phụ gia cuốn khí và hóa dẻo, qua đó ảnh hưởng đến tính công tác của hỗn hợp.
Giữa 2 chủng vi khuẩn được thử nghiệm, Bacillus pasteurii cho khả năng sinh trưởng và hoạt tính sinh học tốt hơn trong cùng điều kiện dinh dưỡng. Tuy nhiên, Bacillus subtilis được lựa chọn cho quá trình xử lý cốt liệu ở quy mô lớn do được công nhận là an toàn trong điều kiện sử dụng phù hợp và không tạo ra sản phẩm phụ amoniac liên quan đến quá trình phân giải urea.
Kết quả nghiên cứu cho thấy việc sử dụng cốt liệu nhẹ làm vật liệu mang vi khuẩn có thể mở ra hướng phát triển bê tông có khả năng tự phục hồi, đồng thời cải thiện một số chỉ tiêu cơ học sau quá trình phục hồi. Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu cho rằng cần tiếp tục đánh giá khả năng duy trì hiệu quả trong thời gian dài, ảnh hưởng đến khả năng nước và các tác nhân gây hại xâm nhập qua bê tông, cũng như chi phí và hiệu quả trong toàn bộ vòng đời vật liệu trước khi xem xét khả năng ứng dụng rộng rãi.
Nguồn tham khảo: Scientific Reports, Azobuild.
Cem.Info
