Thông tin chuyên ngành Xi măng Việt Nam

>> Bê tông tự liền vết nứt: Kỷ nguyên mới cho ngành VLXD (P1)
>> Bê tông tự liền vết nứt: Kỷ nguyên mới cho ngành VLXD (P3)

2. Bê tông sinh học hoạt động như thế nào?

Bê tông tự vá vết nứt là một loại bê tông sử dụng công nghệ sinh học để tạo ra các tinh thể gốc Calxite (CaCO₃). Các tinh thể này ở dạng không hòa tan và gắn các vết nứt. Trong các loại vi khuẩn có thể dùng trong bê tông tự vá, Bacillus là loại có khả năng phân hủy tốt nhất. Các vi khuẩn kết hợp các chất dinh dưỡng như Nitơ (N), Photpho (P). Các chất này được cho thêm vào trong quá trình trộn bê tông. Sản phẩm chính tạo ra là tinh thể CaCO₃. Các loại vi khuẩn này là những vi khuẩn có khả năng chịu nóng, chịu lạnh tốt, và có thể sống đến 200 năm mà không cần Oxy và thức ăn. Do đó, loại bê tông này góp phần kéo dài tuổi thọ của công trình xây dựng thêm nhiều thập kỷ so với bình thường.

3. Cơ chế sinh học quá trình tự vá vết nứt

Sơ đồ quá trình tạo tinh thể CaCO₃ của vi khuẩn:

Vi khuẩn khi gặp những điều kiện thuận lợi sẽ nảy mầm thông qua quá trình tự phân bào và sinh nhiệt của chúng. Vi khuẩn sẽ lớn lên nhanh chóng thành một tổ chức theo cụm. Khi quá trình trao đổi chất của vi khuẩn diễn ra, các chất hữu cơ bắt đầu bị phân hủy. Tiếp đến, các ion Ca²⁺ sẽ được hấp thụ và các tế bào dạng keo dần dần hình thành các tinh thể CaCO₃ sơ khai. Quá trình này khá tương đồng với quá trình liền xương trong cơ thể người, các tế bào tạo xương sẽ bị khoáng hóa để tạo thành xương và tạo cầu nối làm liền vết gãy xương.

Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng tạo tinh thể CaCO₃:

Theo nghiên cứu của Krumbein năm 1979 và của Rodriguez năm 2003, có nhiều loại vi khuẩn trong tự nhiên có khả năng tạo tinh thể CaCO₃ không hòa tan.

Năm 2000, Knorre & Krumbein và Rivadeneyra cùng tiến hành thí nghiệm với nhiều loại vi khuẩn khác nhau và đưa ra kết luận: “Các yếu tố môi trường (độ mặn và thành phần môi trường) sẽ ảnh hưởng đến quá trình tạo thành tinh thể CaCO₃”.

Năm 2002, Hammes & Vertraet đã công bố nghiên cứu của mình và đã được công nhận rộng rãi. Ông cho rằng quá trình tạo tinh thể CaCO₃ phụ thuộc vào 4 yếu tố sau:

- Nồng độ ion Ca²⁺

- Nồng độ các chất hữu cơ (DIC)

- pH môi trường

- Thành phần chất dinh dưỡng có trong môi trường

Về cơ bản, các nhóm vi khuẩn mang tính ureolytic có thể tạo ra CaCO₃ trong môi trường kiềm nhờ vào chuyển hóa ure thành ammonium và carbonat. Sự phân hủy ure làm tăng pH cục bộ và tăng khả năng kết tủa các tinh thể CaCO₃ có vai trò như một tác nhân hàn gắn các vết nứt. Theo nghiên cứu, các vết nứt trong bê tông có chiều rộng đến 0,2mm có thể tự liền lại. Nếu có sự kết hợp thủy hóa các hạt xi măng, vi khuẩn có thể giúp làm liền các vết nứt lên đến 0,5mm.

Sự kết tinh các tinh thể CaCO₃ cần thiết phải đảm bảo đủ ion Ca²⁺, các ion hoạt tính (IAP), hằng số dung dịch (Kso) (xem phương trình phản ứng 1 và 2).

Sự tương quan giữa IAP và K_so được xác định thông qua hệ số bão hòa Ω. Theo Morse, 1993; Nếu Ω > 1 dung dịch sẽ quá bão hòa và tạo ra tinh thể CaCO₃ theo phản ứng sau:
 

Ca²⁺ + CO₃^2- ↔ CaCO₃………. (1)  

Trong đó, Ω = a(Ca²⁺)a(CO₃^2-)/K_so……(2)

Với K_so = 4.8 × 10⁹
 

Nồng độ ion (CO₃^2-) phụ thuộc vào nồng độ các chất hữu cơ trong dung dịch (DIC) và pH của dung dịch. Thêm vào đó, DIC phụ thuộc vào các thông số của môi trường như nhiệt độ, áp suất của CO₂ (đối với các hệ tiếp xúc với không khí luôn có CO₂).
Các phản ứng cân bằng của CO₂ trong nước (tại 25^oC và 1atm):
 

CO₂  ↔ CO₂(aq.) (pK_H  = 1,468)..............(3)

CO₂(aq.) + H₂O ↔ H₂CO₃* (pK = 2,84)…...(4)

H₂CO₃* ↔ H⁺ + HCO₃^- (pK1 = 6,352) …...(5)

HCO₃^- ↔ CO₃^2- + H₂CO₃……...(7)
 

Theo Hammes & Verstraete, hầu hết các vi khuẩn có khả năng sản sinh CaCO₃ đều trải qua các phản ứng như trên. Sự khác biệt chỉ xuất hiện trong quá trình kết tủa CaCO₃.

Đầu tiên, liên quan đến chu trình Sulphur trong quá trình khử ion Sulphate.

Tiếp theo, liên quan đến chu trình Nitrogen bao gồm:

- Oxy hóa các amino aixit trong môi trường hiếu khí.

- Khử các hợp chất Nitrate trong môi trường hiếu khí.

- Hạ bậc Ure hoặ axit uric (đối với vi khuẩn họ ureolytic).

Các ví dụ cụ thể với trường hợp dùng vi khuẩn họ Bacillus subtilis:

Theo phân tích của Al Thawadi, quá trình hình thành CaCO₃ có thể được chia ra 4 giai đoạn như sau: (Hình 6)

 

Hình 6: Sự kết tủa tinh thể CaCO₃.
 

- Thủy phân Urea

- Tăng pH môi trường vi mô

- Sự hập thụ ion Ca²⁺ lên bề mặt

- Tạo mầm và phát triển tinh thể CaCO₃
 

Vi khuẩn Bacillus subtilis có tính xúc tác thủy phân urea CO(NH₂)₂ thành NH₄⁺ và CO₃^2-. Môi trường luônxuất hiện nước góp phần thúc đẩy quá trình phản ứng.
 

CO(NH₂)₂ + H₂O + vi khuẩn → NH₂COOH + NH₃……..(8)

NH₂COOH → 2H⁺ + 2CO₃^2- ....(9) 

NH₃ + H₂O → NH₄⁺ + OH^- .…(10)

Ca²⁺ + CO₃^2- → CaCO₃..…...(11)
 

Từ đó, hình thành tế bào vi khuẩn tích diện, hút các Cation từ môi trường, bao gồm Ca²⁺, tích lũy trên bề mặt thành tế bào vi khuẩn. Sau đó, các ion Ca²⁺ sẽ phản ứng với các ion CO₃^2-, hình thành CaCO₃ tại bề mặt theo phản ứng sau:
 

Ca²⁺ + Vi khuẩn → Vi khuẩn – Ca²⁺…........................(12)

Và Cl^- + HCO₃^- + NH₃ → NH₄Cl + CO₃^2-......................(13)

Vi khuẩn – Ca²⁺ + CO₃^2- → Vi khuẩn – CaCO₃…….....(14)