» Vết nứt là một trong những vấn đề nan giải và tốn kém nhất của các công trình bê tông. Một nghiên cứu mới công bố trên Scientific Reports đã giới thiệu loại bê tông có khả năng tự phục hồi vết nứt nhờ vi khuẩn Bacillus subtilis, mở ra hướng phát triển vật liệu thông minh, bền vững hơn cho lĩnh vực xây dựng.
Công nghệ bê tông tự phục hồi đang được xem là bước tiến quan trọng trong lĩnh vực vật liệu xây dựng, giúp kéo dài tuổi thọ công trình, giảm chi phí bảo trì và hạn chế tác động môi trường. Nghiên cứu mới nhất đã chứng minh khả năng tự tái tạo kết cấu của bê tông nhờ cơ chế sinh học tự nhiên, kết hợp cùng tối ưu hóa vật liệu hiện đại.
Loại bê tông đặc biệt này được nhóm nghiên cứu phát triển bằng cách bổ sung vi khuẩn Bacillus subtilis là một loài có khả năng sinh tồn cao và tạo ra canxi cacbonat (CaCO₃). Trong hỗn hợp, nhóm nghiên cứu bổ sung canxi lactat là hợp chất đóng vai trò nguồn dinh dưỡng cho vi khuẩn. Khi được kích hoạt bởi nước thấm vào vết nứt, Bacillus subtilis sử dụng canxi lactat trong quá trình trao đổi chất, tạo ra khí CO₂. Khí này tiếp tục phản ứng với canxi hydroxit (Ca(OH)₂) có sẵn trong bê tông để hình thành tinh thể canxi cacbonat (CaCO₃), giúp lấp đầy, liên kết lại các vết nứt và khôi phục khả năng chịu lực của vật liệu.
Vết nứt trên bề mặt bê tông là hiện tượng phổ biến làm giảm độ bền và tuổi thọ công trình, là mục tiêu chính của công nghệ bê tông tự phục hồi bằng vi khuẩn.
Cơ chế tự phục hồi này hoạt động hoàn toàn tự nhiên, không cần can thiệp bên ngoài, giúp giảm năng lượng bảo trì và tăng đáng kể độ bền của công trình. Nhờ đó, bê tông có khả năng chống nứt tốt hơn, chịu tải cao hơn và kéo dài thời gian sử dụng là một giải pháp mang tính thực tiễn cho hạ tầng hiện đại.
Song song với việc ứng dụng vi khuẩn, nhóm nghiên cứu cũng đánh giá ảnh hưởng của loại cốt liệu mịn trong hỗn hợp bê tông đến hiệu quả phục hồi. Hai loại vật liệu được so sánh là cát sông tự nhiên và cát nhân tạo (M-sand) là nguồn thay thế bền vững hơn trong bối cảnh cát sông ngày càng khan hiếm. Các mẫu bê tông dạng khối và dầm được chế tạo với nhiều tỷ lệ cát khác nhau, trong đó có mẫu đối chứng chỉ dùng cát sông. Mỗi hỗn hợp chứa Bacillus subtilis với liều lượng 100 g/m³ và canxi lactat bằng 2% khối lượng xi măng.
Các mẫu được thử nghiệm ở các mốc 7, 14 và 28 ngày để đánh giá cường độ nén, độ kéo khi tách và độ uốn. Kết quả được ghi nhận bằng máy thử kết cấu và kính hiển vi điện tử quét (SEM), qua đó xác nhận sự hình thành tinh thể CaCO₃ trong các vết nứt đã được phục hồi. Phương pháp tối ưu hóa Kuhn-Tucker được áp dụng để xác định tỷ lệ phối trộn và điều kiện dưỡng hộ tối ưu, đạt sự cân bằng giữa cường độ cơ học và khả năng tự phục hồi.
Sau 28 ngày, bê tông chứa vi khuẩn đạt cường độ nén 34,27 N/mm², gần tương đương với 34,92 N/mm² của bê tông thông thường nhưng vượt trội về khả năng chịu kéo và chịu uốn, thể hiện rõ ưu thế trong việc kháng nứt và duy trì kết cấu. Đặc biệt, khi sử dụng cát nhân tạo, các vết nứt rộng đến 1 mm gần như được lấp kín hoàn toàn sau 21 ngày. Hình ảnh SEM cho thấy sự kết tinh dày đặc của CaCO₃, trong khi thời gian dưỡng hộ 14 ngày được xác định là giai đoạn tối ưu cho hoạt động của vi khuẩn và hiệu quả phục hồi cao nhất.
Nhờ cấu trúc hạt đồng đều và độ đặc chắc cao, cát nhân tạo tạo nên ma trận bê tông bền chặt hơn, giúp bịt kín vi nứt hiệu quả và tăng cường độ bền tổng thể. So với bê tông truyền thống, mẫu bê tông chứa vi khuẩn cho thấy cường độ nén tăng 9%, cường độ kéo tăng 13% và cường độ uốn tăng 6%. Việc tối ưu hóa vật liệu và điều kiện dưỡng hộ giúp hoàn thiện hiệu năng cơ học cũng như khả năng tự phục hồi của bê tông.
Với những ưu điểm này, bê tông tự phục hồi có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong các công trình chịu tải trọng và điều kiện khắc nghiệt như cầu, hầm, đường cao tốc hay nhà xưởng công nghiệp. Cơ chế phục hồi tự động giúp giảm đáng kể nhu cầu kiểm tra, bảo trì và sửa chữa thủ công, tiết kiệm thời gian, nhân công và chi phí trong suốt vòng đời công trình.
Bên cạnh đó, việc sử dụng cát nhân tạo thay cho cát sông góp phần giảm khai thác tài nguyên thiên nhiên và tác động môi trường. Nhờ hạn chế phát sinh vật liệu mới cho quá trình sửa chữa, công nghệ bê tông tự phục hồi giúp tiết kiệm năng lượng và giảm phát thải, hướng đến mục tiêu xây dựng công trình xanh, bền vững và thích ứng với biến đổi khí hậu.
Nghiên cứu này cho thấy bê tông tự phục hồi bằng vi khuẩn Bacillus subtilis là giải pháp tiềm năng, mang tính ứng dụng cao trong lĩnh vực vật liệu xây dựng. Trong tương lai, nhóm tác giả dự kiến mở rộng nghiên cứu theo các hướng như thử nghiệm với những chủng vi khuẩn và nguồn dinh dưỡng khác, đánh giá độ bền lâu dài trong điều kiện thực tế và xem xét tính kinh tế khi triển khai ở quy mô công nghiệp.
Nếu được ứng dụng rộng rãi, loại bê tông này có thể trở thành bước ngoặt trong ngành Xây dựng - nơi vật liệu không chỉ bền vững, mà còn có khả năng “tự bảo dưỡng” chính mình.
Cem.Info
