TIỂU LUẬN SINH HỌC ĐẠI CƯƠNG BÊ TÔNG TỰ LÀNH ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HỒ CHÍ MINH

-------*-------

TIỂU LUẬN
Đề tài:

ỨNG DỤNG CỦA SINH HỌC TRONG NGÀNH
XÂY DỰNG
BÊ TÔNG TỰ PHỤC HỒI NHỜ VI KHUẨN

GV: NGUYỄN KIM MINH TÂM
LỚP: DT01


STT

Tên

MSSV

1

Hoàng Đức Tuấn Anh

1610041

2

Bùi Chí Cường

1610343

3

Phạm Đông Hồ

1611204

4

Trần Nhật Minh

1612053

5

Huỳnh Minh Tuấn

1613880


Mục lục


4

CHƯƠNG I: CÔNG NGHỆ SINH HỌC TRONG THI
CÔNG
1. Về công nghệ sinh học:

1.1.
Công nghệ sinh học là gì ?
Công nghệ sinh học là ngành khoa học-kỹ thuật nghiên cứu cách sử dụng hệ vi sinh vật và sản
phẩm của chúng trong những quy trình công nghiệp cỡ lớn. Tùy vào từng ngành mà công nghê sinh
học vi khuẩn được chia thành:
•

Công nghệ sinh học thực phẩm, đã xuất hiện từ thời cổ đại trong sản xuất bánh mì, rượu,
bia, phô mai, sữa chua, rau củ chua, ướp lên men,v.v,.. đóng vai trò lớn trong cuộc sống
thường ngày.

•

Công nghệ sinh học trong y khoa và thú y, với sản xuất quy mô công nghiệp các loại kháng
sinh, vắc-xin và các dược phẩm khác, cũng như với các loại men vi sinh – các vi sinh vật
sống để tăng cường các hoạt động sinh lý học của cơ thể người hay động vật.


5

Công nghệ sinh học trong y khoa là sự kết hợp của công nghệ gen, công nghệ
sinh học tế bào và nhiều ngành khoa học khác, tạo ra những đột phá trong y
học.
•

Công nghệ sinh học môi trường, duy trì một trường sạch và bền vững sử dụng các quá trình

•

vi sinh trong nước, nước thải, đất bị ô nhiễm, không khí bị ô nhiễm.

Còn có những lĩnh vực đang phát triển trong nông nghiệp (phân bón sinh học), khai khoáng

Công nghệ sinh học môi trường đóng vai trò tối quan trọng trong cuộc sống
con người
(xói mòn sinh học các kim loại) và năng lượng (sản xuất nhiên liệu sinh học).
1.2.
Mức độ ứng dụng của công nghệ sinh học trong thi công
Công nghệ sinh học có thể ứng dụng vào sản xuất các vật liệu kết cấu nhờ vào 4 lý do:
•
•

Chi phí thấp do sử dụng khai khoáng hoặc chất thải hữu cơ dưới dạng vật liệu thô.
Chí phí thấp hơn so với các sản phẩm của công nghiệp hóa học do sử dụng công nghệ đơn

•
•

giản và ít tốn năng lượng hơn.
Mức độ độc hại của vật liệu sinh học là thấp hơn so với vật liệu hóa học.
Tính bền vững trong sản xuất của công nghệ sinh học.


6

Công nghệ sinh học công trình thường đường ứng dụng trong địa kỹ thuật để tìm kiếm sự kết tụ
sinh học, tắc nghẽn sinh học và kết dính sinh học của đất xốp và hay các mảnh đá nứt vỡ tại chỗ
cũng cùng 4 lý do nêu trên, nhưng cũng có những đặc điểm quan trọng như:
•

Khả năng điều khiển tỉ lệ các phản ứng sinh hóa tại chỗ gây ra bởi độ đậm đặc hay hoạt

•
•

động của enzyme hoặc khối vi sinh.
Khả năng phân chia tại chỗ của các tế bào vi sinh.
Xử lý môi trường bằng phương pháp sinh học được cộng đồng chấp nhận hơn là phương

•

pháp hóa học.
Độ nhớt thấp của dung dịch vữa sinh học, dung dịch kết dính sinh học và độ sâu thấm của
dung dịch này trong đấp xốp hay các mảnh đá nứt vỡ.

Tuy nhiên, sự kết hợp giữa các phương pháp công nghệ sinh học, hóa học và cơ học có thể hiệu
quả hơn nhiều so với áp dụng một loại phương pháp. Vậy nên, việc kết hợp các vật liệu sinh học
với hóa học và công nghệ với sự tối ưu máy móc cơ khí đảm bảo được sự phát triển hiệu quả nhất
của công nghệ. Gần như không có quá trình sinh học nào mà không có sự đồng hành của các quá
trình hóa học và cơ học trong công nghệ sinh học xây dựng.

2. Vi sinh vật yếm khí và ứng dụng của chúng trong công nghệ
sinh học xây dựng
2.1.
Vi sinh vật kỵ khí là gì ?
Vi sinh vật yếm khí là các sinh vật không cần cung cấp oxy trong quá trình tăng trưởng, có thể phản
ứng tiêu cực hoặc thậm chí tử vong nếu có oxy hiện diện.
Một vi sinh vật yếm khí có thể là đơn bào, vi khuẩn hoặc đa bào.
Theo mục đích thực tế để phân loại, có ba loại yếm khí:
•

Vi sinh vật yếm khí bắt buộc (Obligate Anaerobic) , không sử dụng mà bị xâm hại bởi sự có

•

mặt của oxy, sử dụng lên men hoặc hô hấp yếm khí để tạo năng lượng.
Vi sinh vật yếm khí không bắt buộc (Anaetolerant Organism) , không sử dụng oxy để tăng
trưởng, nhưng chịu được sự hiện diện của nó, không sử dụng quá trình lên men tạo ra

•

năng lượng.
Vi sinh vật yếm khí tùy ý ( Facultive anaerobe) , có thể phát triển không cần oxy, nhưng sử
dụng oxy nếu có, khi không có oxy thì sử dụng men hoặc hô hấp yếm khí.

Vi khuẩn yếm khí lên men dính dáng đến quá trình kết dính các hạt đất khi có mặt canxi, ma-giê,
các ion sắt. Các carbonate và hydroxide không tan của kim loại có thể ngưng tụ, từ đó dính các hạt
đất lại với nhau và lấp đầy các lỗ đất. Tuy nhiên, các vi khuẩn này làm giảm mạnh độ pH do sự tạo
thành các axit hữu cơ trong quá trình lên men carbonhydrate, điều này không chỉ cản trở sự ngưng


7

tụ của các carbonate mà thậm chí còn hòa tan các carbonate và hydroxide khi chúng đang dính
chặt các hạt đất hoặc lấp đầy các lỗ rỗng.
Các axit hữu cơ, khí hidro, các ancol được sản xuất bởi vi khuẩn lên men yếm khí từ đường
polysaccharide và monosaccharide có thể được sử dụng dưới dạng chất cho electron bởi vi khuẩn
hô hấp yếm khí. Một ví dụ, nhóm vi khuẩn khử sắt, sử dụng các sản phẩm của sự lên men dưới
dạng chất cho electron để sản xuất các ion sắt II hòa tan qua việc khử các hợp chất sắt III không
tan. Sự khử sắt III do vi sinh vật gây ra được áp dụng trong công nghệ sinh học môi trường để xử lý
nước ngầm và nước thải. Về lý thuyết, quá trình này có thể được sử dụng cho kết dính đất, bởi các

vi khuẩn khử sắt có sản xuất các ion Fe2+ tại chỗ từ nguồn sắt III có sẵn và sản phẩm của quá trình
lên men yếm khí các chất thải hữu cơ. Các ion sắt có thể được khử bằng phương pháp hóa học hay
sinh học. Sản phẩm của quá trình oxy hóa này là các hydroxide sắt không tan và các carbonate sắt
không tan, giúp bịt lỗ rỗng ở đất và dính chặt các hạt đất với nhau.
Vi sinh vật yếm khí tùy ý được coi là tác nhân sinh học thích hợp nhất cho kết dính và lấp đầy lỗ
rỗng của đất bởi nhiều loài có khả năng sản xuất một lượng lớn polysaccharide ngoại bào
(extracellular polysaccharide), thường tăng cường sự hình thành các kết tụ ở tế bào và có thể tăng
trưởng trong các điều kiện hiếu khí hay yếm khí. Đặc tính cuối cùng của vi khuẩn yếm khí tùy ý là
quan trọng nhất trong xử lý sinh học đất tại chỗ, khi mà lượng oxy bị hạn chế bởi độ rỗng của đất
và các vùng yếm khí hay hiếu khí cùng tồn tại trong đất.

Vi khuẩn Enterobacter, một loại vi
khuẩn yếm khí tùy ý điển hình

2.2.
Sử dụng vi khuẩn yếm khí trong công nghệ sinh học xây dựng
Việc sử dụng vi khuẩn yếm khí rất phức tạp do sự hiện diện của oxy ở lớp trên của đất và sự nhạy
cảm của vi khuẩn yếm khí đối với oxy. Thay vào đó, nếu vi khuẩn hiếu khí được sử dụng cho việc
lấp lỗ rỗng ở đất và kết dính hạt đất, thì vấn đề kỹ thuật lớn gặp phải là cung cấp đủ không khí vào
trong đất. Nếu tốc độ cung cấp khí oxy vào đất thông qua sự lưu thông và khuếch tán khí là không


8

đủ, sẽ có sự hình thành các lớp hoặc vùng yếm khí, tại đó vi khuẩn hiếu khí sẽ không hoạt động. Vì
vậy, từ góc nhìn kỹ thuật và sinh học, những nhóm sinh lý thích hợp nhất cho việc lấp đầy đất và
kết dính hạt đất tại chỗ chính là những vi khuẩn yếm khí tùy ý, vì có khả năng hoạt động trong cả
điều kiện hiếu khí và yếm khí. Tùy vào điều kiện yêu cầu của dự án xử lý đất thực tế, con người có
thể thực hiện kỹ thuật thay đổi điều kiện yếm khí hay hiếu khí tại chỗ để đảm bảo tính liên tục của
quá trình địa hóa sinh học yếm khí-hiếu khí thuận lợi cho lấp đầy và kết dính đất.

2.3.
Các nhóm vi khuẩn lớn phù hợp cho quá trình sinh học xây dựng
Các nhóm prokaryote lớn có tầm quan trọng cho Công nghệ sinh học:
•

Vi khuẩn lên men yếm khí Gram-âm tính và Gram-dương tính, ví dụ như giống Clostridum,

Biocementation(kết dính đất) và Bioclogging (lấp các lỗ
rỗng)
thực hiện các giai đoạn tiêu hóa yếm khí các chất thải hữu cơ như thủy phân các polymer
sinh học và lên men các monomer. Axit hữu cơ sản xuất bởi các vi khuẩn này có thể dùng
cho hòa tan đá vôi và dolomite, sản xuất muối canxi và ma-giê, là các thành phần quan
•

trọng cho kết dính sinh học.
Vi khuẩn khử sulfate sử dụng các hợp chất hữu làm chất cho electron và sulfate hoặc
nguyên tố lưu huỳnh dưới làm chất nhận electron. Dihydro Sulfua H2S là sản phẩm độc hại

•

của quá trình này, nhưng nó ngưng tụ hầu hết các kim loại dưới dạng sulfit không tan.
Vi khuẩn khử nitrate, khử nitrate thành khí ni-tơ sử dụng các chất cho electron hữu cơ hay
vô cơ. Chúng có thể được sử dụng cho việc giảm bão hòa cát bão hòa nước, đất nhiều lỗ
rỗng, đá nứt vỡ dưới điều kiện không có oxy, và lấp đầy đất sử dụng các polysaccharide
ngoại bào tại chỗ.


9

Vi khuẩn khử nitrate dưới kính hiển vi
•

Vi khuẩn khử sắt có thể khử các hợp chất sắt III sản xuất ra các ion sắt hòa tan. Các ion này
có thể bị oxy hóa trong môi trường hiếu khí, tạo ra các hydroxide sắt không tan. Vi khuẩn

•

này được sử dụng cho lấp đầy đất rỗng.
Vi khuẩn yếm khí tùy ý tạo bùn hoặc có hoạt động ure, được sử dụng cho kết tụ, kết dính

•

và lấp đầy lỗ trong đất.
Sự tăng trưởng của các vi khuẩn vi khí dạng sợi trong đất kém thông thoáng tạo ra một
màng sinh học.

•

Vi khuẩn hiếu khí dị dưỡng Gram-âm tính hoạt động mạnh nhất trong sản xuất các

polysaccharide ngoại bào, sử dụng làm phụ gia. Ví dụ như giống Bacillus, là quan trọng nhất
trong cải thiện nền đất. Bacillus còn chiếm ưu thế trong xử lý hiếu khí nước thải và chất
•

thải rắn giàu polymer như là tinh bột và protein.
Xạ khuẩn là những vi khuẩn dạng sợi hiếu khí dị dưỡng Gram-dương tính làm biến chất các
polymer sinh học trong tự nhiên và góp phần hình thành màng sinh học.

Xạ khuẩn dưới kính hiển vi

•

Vi khuẩn nitrate hóa sản xuất axit nitric, axit này có khả năng ảnh hưởng sự kết tinh của

silicate và gây ăn mòn mạnh.


10

•

Vi khuẩn hóa dưỡng oxy hóa lưu huỳnh khử và oxy hóa hợp chất lưu huỳnh và tạo thành axit

•

sulphuric- chất ăn mòn mạnh, có thể ảnh hưởng sự kết tính silicate và canxi sunphat.
Vi khuẩn oxy hóa sắt có khả năng oxy hóa sắt II trong môi trường axit hoặc trung tính. Sự kết

•

tinh của sắt hydroxide được sử dụng trong lấp đầy lỗ rỗng đất.
Vi khuẩn lam là prokaryote sản xuất ra oxy bằng quang hợp và tảo là các eukaryote có khả

Vi khuẩn oxy hóa sắt làm mạch ngước
ngầm có màu nâu đỏ
năng quang hợp, sử dụng nước dưới dạng chất cho electron. Sử dụng trong kết tụ sinh học
và tạo thành lớp vỏ cho đất.

Tảo lam ở sông

Tảo lam dưới kính hiển vi


11


12

CHƯƠNG 2: BÊ TÔNG TỰ PHỤC HỒI NHỜ VI
KHUẨN
1. Bê tông trong xây dựng
1.1.

Bê tông

Bê tông là một loại đá nhân tạo, được hình thành bởi việc trộn các thành phần: Cốt liệu thô, cốt
liệu mịn, chất kết dính,... theo một tỷ lệ nhất định (được gọi là cấp phối bê tông). Trong bê tông,
chất kết dính (xi măng + nước, nhựa đường, phụ gia...) làm vai trò liên kết các cốt liệu thô (đá,
sỏi,...đôi khi sử dụng vật liệu tổng hợp trong bê tông nhẹ) và cốt liệu mịn (thường là cát, đá mạt,
đá xay,...) và khi đóng rắn, làm cho tất cả thành một khối cứng như đá.
Có các loại bê tông phổ biến là: bê tông tươi, bê tông nhựa, bê tông Asphalt, bê tông Polyme và
các loại bê tông đặc biệt khác.
Về sức bền vật lý, bê tông chịu lực nén khá tốt nhưng khả năng chịu lực kéo không tốt lắm. Vì vậy,
trong xây dựng các công trình, các vật liệu chịu lực kéo tốt (ví dụ thép) được sắp xếp để đưa vào
trong lòng khối bê tông, đóng vai trò là bộ khung chịu lực nhằm cải thiện khả năng chịu kéo của bê
tông. Loại bê tông có phần lõi thép này được gọi là bê tông cốt thép. Các tác động khác như đóng
băng hay nước ngấm vào trong bê tông cũng có thể gây ra hư hại cho loại vật liệu này.
Bê tông được sử dụng rộng rãi trong xây dựng các công trình kiến trúc, móng, gạch không nung,
mặt lát của vỉa hè, cầu và cầu vượt, đường lộ, đường băng, các cấu trúc trong bãi đỗ xe, đập, hồ
chứa/bể chứa nước, ống cống, chân cột cho các cổng, hàng rào, cột điện và thậm chí là thuyền.

Một số công trình kiến trúc làm bằng bê tông nổi tiếng có thể kể đến như Burj Khalifa (tòa nhà
chọc trời cao nhất thế giới), đập Hoover, kênh đào Panama và đền Pantheon.
Kỹ thuật chế tạo và sử dụng bê tông xuất hiện từ thời La Mã cổ đại và được sử dụng rộng rãi trong
suốt giai đoạn tồn tại của Đế quốc La Mã. Sau khi đế quốc La Mã sụp đổ, kỹ thuật sử dụng bê tông
cũng bị mai một cho đến khi được tái khám phá vào giữa thế kỷ 18.
Việc sản xuất và sử dụng bê tông có nhiều tác động khác nhau đến môi trường và nhìn chung cũng
không hoàn toàn là tiêu cực như nhiều người nghĩ. Mặc dù sản xuất bê tông đóng góp đáng kể vào
việc sản sinh khí nhà kính, việc tái sử dụng bê tông lại rất phổ biến đối với các công trình quá cũ và
quá giới hạn tuổi thọ. Những kết cấu bê tông rất bền và có tuổi thọ rất cao. Đồng thời, do khối


13

lượng tác dụng nhiệt cao và độ thẩm rất kém, bê tông cũng là một vật liệu dùng cho nhà ở tiết
kiệm năng lượng.
1.2. Các yếu tố gây nứt gãy bê tông
Nứt ở bê tông là vấn đề thường thấy nhưng hay bị hiểu sai. Khi có vết nứt ở bản bê tông hoặc trên
tường, đặc biệt là khi mới khô, chúng thường bị rập khuôn rằng có vấn đề nghiêm trọng xảy ra.
Không hẳn là vậy, có những loại nứt không thể tránh khỏi. Tốt nhất là kiểm soát sự nứt. Sau đây là
6 loại nứt bê tông thông thường:
•

Nứt do sự co ngót dẻo: lý do thường thấy nhất ở những vết nứt sớm ở bê tông. Khi bê tông
vẫn ở trạng thái dẻo ( trước khi đông cứng), nó chứa nhiều nước. Lượng nước này chiếm
không gian và giữ cho bản bê tông ở một kích thước nhất định. Khi bản bê tông giảm độ
ẩm, thì bản bê tông sẽ co lại. Vì bê tông là một nguyên liệu rất cứng rắn, sự co ngót dẫn
đến áp lực lên bản bê tông. Khi bê tông co lại, nó kéo theo lớp đất phía dưới. Chuyển động
tự do này đủ mạnh để “xé rách” bản bê tông. Khi thời tiết nóng, nứt do co ngót có thể xảy
ra trong vài giờ sau khi đổ bê tông và hoàn thiện xong.
Thông thường, các vết nứt do co ngót nhìn có vẻ bé, nhưng thực ra chúng có thể nứt sâu

vào trong bản bê tông, người ta lại ngộ nhận đó chỉ là lỗi nhỏ trên bề mặt.

Một nhân tố góp phần không nhỏ vào sự co ngót là trộn bê tông quá nhiều nước. Nếu lượng nước
trong hỗn hợp quá nhiều, bản bê tông sẽ co ngót nhiều hơn so với hỗn hợp có lượng nước vừa
phải. Do lượng nước dư thừa chiếm nhiều không gian, đẩy các nguyên liệu rắn trong hỗn hợp xa
nhau. Điều này khiến hỗn hợp bê tông yếu hơn. Khi lượng nước dư thừa này rời khỏi hỗn hợp, các
hạt rắn vô tình các xa nhau hơn, khiến bê tông bị giòn và dễ nứt.
•

Nứt do sự lún dẻo: quá trình “lún” là nhân tố quan trọng sức bền bê tông. Vết nứt xảy ra
trong quá trình này là kết quả của cốt thép, cốp pha khống chế phần nào khi bê tông tươi


14

đang khô. Khi bê tông bị thấm ngược nước lên trên bề mặt, các hạt xi măng thì bị kéo
xuống bởi trọng lực, tạo ra một lớp bê tông mỏng và yếu trên bề mặt bản. Nếu tác nhân

khống chế như cốt thép ở gần bề mặt và không được bao phủ bởi bê tông thì thì bê tông
uốn xung quanh tác nhân khống chế và nứt ở đỉnh.
•

Nứt do co ngót khi khô: lý do chính cho việc bê tông bị nứt khi đã hoàn thiện. Vết nứt xuất
hiện ở gần các tác nhân khống chế khi thể tích trong bê tông thay đổi. Khi bê tông tiếp xúc
với độ ẩm, nó to ra; ngược lại, độ ẩm thấp làm bê tông co lại. Nứt xuất hiện với sự kết hợp
của các yếu tố ảnh hưởng tới độ lớn của lực kéo T lên bê tông. Các yếu tố này gồm mức độ
& lượng co ngót, góc độ của tác nhân khống chế, mô-đun đàn hồi. Ngoài ra còn có thành
phần cấp phối, thành phần nước, loại chất kết dính, tỷ lệ thành phần hỗn hợp bê tông và
các đặc tính cơ học.
Khi bên ngoài bê tông nguội nhanh hơn bên trong nó cũng có thể bị co lại, áp lực gây ra bởi

vùng bên trong tạo ra lực kéo vượt quá sức bền bê tông, gây ra nứt vỡ.


15

•

Nứt do ngoại lực: phần lớn các cấu trúc bê tông đều nhạy cảm với tải trọng bên ngoài gây
lực uốn lên các cấu kiện. Xử lý những tải trọng này hiệu quả nhất có thể là rất quan trọng,

•

nên cố phân bố đều tải trọng dọc theo cấu kiện để giảm nguy cơ của nứt gãy.
Nứt do các phản ứng hóa học: xảy ra khi các thành phần sử dụng trong hỗn hợp bê tông
phản ứng với nhau sau khi đã cứng. Khi cấp phối bê tông và chất kiềm gặp nhau, phản ứng
hóa học xảy ra giữa silica và chất kiềm, tạo thành gel silica-kiềm là một sản phẩm phụ. Gel
này hình thành xung quanh cấp phối bê tông, tăng thể tích, làm tăng áp lực lên phần bê

•

tông xung quanh. Áp lực quá lớn khiến bê tông bị nứt.
Ăn mòn cốt thép: có 3 yếu tô gây ra ăn mòn kim loại, đó là lượng oxy, ẩm và dòng electron
trong kim loại. Hạn chế hay loại bỏ bất cứ yếu tố nào cũng giúp giảm bớt hoặc triệt tiêu sự
ăn mòn, từ đó giảm thiểu nứt.
Bê tông thường góp phần bảo vệ cốt thép bên trong bởi nó tạo một lớp che chắn oxit trong
môi trường kiềm xung quanh cốt thép. Tuy nhiên, ăn mòn có thể xảy ra nếu sự cacbon hóa
thay đổi độ kiềm của bê tông.
Thép bị ăn mòn tạo ra oxit sắt và hydroxide là sản phẩm phụ, chúng làm tăng thể tích bên
trong, gây áp lực lên phần bên ngoài và từ đó xảy ra nứt. Nếu không xử lý sớm, lượng oxy
sẽ tăng khi vết nứt càng lớn, sẽ khiến cho tốc độ ăn mòn càng cao.

2. Bê tông tự hồi phục nhờ vi khuẩn
2.1. Vì sao cần bê tông tự phục hồi ?
Bê tông vẫn sẽ tiếp tục là nguyên liệu xây dựng quan trọng nhất đối với các kết cấu trong nhiều
năm tới nhưng lại rất dễ bị nứt. Một vết nứt nhỏ trên bề mặt sẽ khiến cho nước xâm nhập vào bên
trong, làm xuống cấp bê tông và ăn mòn cốt thép, giảm mạnh tuổi thọ của công trình.

Bê tông có thể chịu được lực nén rất tốt nhưng lực kéo thì không. Khi bị tác dụng lực kéo, bê tông
sẽ bị nứt, do đó người ta thường kiên cố hóa bằng cốt thép.
Các công trình xây dựng ở môi trường nhiều nước, điển hình là tầng hầm, cảng, đặc biệt dễ bị tác
động bởi sự ăn mòn thép. Ở nhiều công trình xây dựng, lực kéo có khả năng gây nứt vỡ ngay từ khi
vừa đổ xong bê tông.
Sửa chữa các công trình bê tông hiện nay thường dính dáng đến sử dụng vữa, đồng nghĩa với việc
làm xấu đi bề mặt. Đôi lúc, vữa yêu cầu phải đính chặt vào công trình bằng cọc kim loại để không bị
chảy đi. Sửa chữa theo cách này rất tốn kém và mất thời gian bởi tiếp cận nơi bị hư hại như tầng
ngầm hay trên cao là rất khó khan.


16

2.2. Tự động hồi phục
Các công trình bê tông hiện được thiết kế dựa theo tiêu chuẩn có sẵn, cho phép nứt tối đa rộng
0.2mm. Những vết nứt nhỏ này nhìn chung là chấp nhận được, do không trực tiếp ảnh hưởng đến
độ an toàn và sức bền của công trình. Hơn nữa, những vết nứt nhỏ đôi lúc tự lành lại do nhiều loại
bê tông có đặc tính tự hồi phục.
Nghiên cứu cho thấy cái gọi là “tự hồi phục” ở đây liên quan mật thiết đến những hạt xi măng khô
trong hỗn hợp bê tông ban đầu. Khi vết nứt hình thành, nước sẽ phản ứng với các hạt này, lấp đầy
những vết nứt nhỏ. Tuy nhiên, sự rò nước trong quá trình hình thành các vết nứt nhỏ vẫn có thể
xảy ra nếu công trình là dưới đất.
Tại Việt Nam, người ta thường sử dụng phương pháp trộng thêm xi măng khô vào hỗn hợp. Khi vết

nứt xuất hiện và nước thâm nhập vào sẽ trộn với xi măng khô, lấp đầy vết nứt, đồng thời CO 2 hòa
tan phản ứng với ion Ca2+ tạo ra tinh thể CaCO3 . Tuy nhiên, hai cơ chế này chỉ hàn lại các vết nứt
nhỏ do co ngót dẻo tạo ra.
Trong các thí nghiệm về khả năng phục hồi nứt ở bê tông. Viện nghiên cứu Delft quan sát thấy khả
năng tự hồi phục truyền thống nhờ hạt xi măng khô là 30% và 100% với tự hồi phục bằng vi khuẩn
với vết nứt 0.2mm. Với vết nứt lên tới 0.5mm, vi khuẩn vẫn có khả năng hồi phục hoàn toàn các
vết nứt này.

Ở vết nứt có động rộng 0.15mm, hồi phục truyền thống không thể hàn
lại vết nứt này nguyên vẹn, chỉ thành công một phần


17

Đối với hồi phục bằng vi khuẩn, vết nứt được lấp đầy 100%


18

2.3. Lựa chọn vi khuẩn phù hợp
Để bắt đầu phát triển loại bê tông tự phục hồi nhờ vi khuẩn, phải tìm ra giống vi khuẩn có thể sống
sót ở môi trường độ kiềm cực cao. Hỗn hợp xi măng và nước có độ pH lên đến 13, đây là môi
trường nguy hại cho phần lớn sự sống: phần lớn vi sinh vật chết ở độ pH lớn hơn 10. Công cuộc
tìm kiếm các loài vi sinh sống mạnh mẽ ở môi trường kiềm tập ở các hồ nước kiềm ở Nga, đất giàu
carbonate ở một số khu vực sa mạc tại Tây Ban Nha và các hồ muối soda ở Ai Cập.

Hồ Natron tại Tanzania
Các mẫu vi khuẩn sống trong đá được thu thập cùng các mẫu vi khuẩn tìm thấy ở lớp trầm tích ở
các hồ. Mẫu chứa giống vi khuẩn Bacillus quan sát thấy sự phát triển mạnh trong môi trường độ
kiềm cao. Nhiều loại vi khuẩn khác nhau đã được đưa vào các khối bê tông nhỏ. Mỗi khối được để

yên trong 2 tháng. Sau đó, khối mẫu sẽ được nghiền ra, kiểm tra xem liệu giống vi khuẩn được thí
nghiệm có sống sót không.

Các mẫu thử


19

Quan sát thấy chỉ duy nhất khối chứa giống Bacillus là còn tồn tại, sản xuất ra các bào tử hình dạng
giống hạt giống cây trồng. Những bào tử này có thành rất dày, có khả năng tồn tại đến 200 năm,
chờ khi gặp được môi trường tốt hơn để nảy mầm. Chúng sẽ được kích hoạt khi bê tông nứt ra,
thức ăn trở nên sẵn có và nước lọt vào kết cấu. Qúa trình này làm giảm độ pH của môi trường kiềm
(ở pH 10 đến 11.5) đến khoảng thuận lợi cho bào tử phát triển.

Tìm kiếm nguồn thức ăn thích hợp để vi khuẩn có thể sống sót trong bê tông tốn nhiều thời gian.
Nhiều loại dinh dưỡng đã được thử nghiệm cho đến khi canxi lactat được phát hiện, đây là nguồn
cung carbon cho sinh khối. Nếu được hòa tan trong khi trộn hỗn hợp bê tông, canxi lactat xé không
can thiệp vào thời gian khô của bê tông.

Bào tử của khuẩn Bacillus dưới kính hiển vi (độ phóng đại 15000 lần)


20

2.4. Cách thức hoạt động của bê tông tự phục hồi
Bê tông tự phục hồi các vết nứt bằng đá vôi sản xuất ra trong quá trình sống của vi khuẩn Bacillus.
Vi khuẩn này sử dụng nguồn dinh dưỡng Canxi lactat, cùng với ni tơ và phốt pho được trộn sẵn
trong hỗn hợp bê tông. Các chất hồi phục này có thể nằm ngủ trong bê tông tới 200 năm.
Tuy nhiên, khi bê tông bị phá vỡ và nước bắt đầu tràn vào các khe nứt. Các bào tử vi khuẩn sẽ nảy
mầm, tiếp xúc với nước và dinh dưỡng có sẵn. Khi đã được kích hoạt, vi khuẩn bắt đầu ăn canxi

lactat. Khi canxi lactat được tiêu thụ, oxy được sử dụng, canxi lactat sẽ được chuyển biến thành đá
vô không tan. Đá vôi sau đó đông cứng trên bền mặt khe nứt, và nút chặt vết nứt lại. Qúa trình này
tương tự như quá trình liền xương ở cơ thể người, tự hồi phục nhờ tế bào xương.

Sự tiêu thụ oxy trong quá trình vi khuẩn chuyển đổi canxi lactat thành đá vôi có một lợi thế( có
thêm một tác dụng?), oxy cực quan trọng cho sự ăn mòn thép, khi hoạt động vi khuẩn tiêu thụ hết
oxy và bịt kín nguồn oxy đó, vô hình trung ta đã tăng cường độ bền của cốt thép trong cấu kiện.
Phương trình:


21

Tốc độ tạo CaCO3 cực nhanh
Hai thành phần gồm bào tử vi khuẩn và dinh dưỡng canxi lactat được đưa vào bê tông trong
những hạt đất sét kích thước khoản 2-4 mm, đảm bảo rằng bào tử sẽ không nảy mầm khi quá trình
trộn hỗn hợp diễn ra. Chỉ khi vết nứt làm vỡ hạt đất sét, bào tử mới tiếp xúc với nước và dinh
dưỡng để phát triển.
Thử nghiệm cho thấy ngay khi nước lọt vào bê tông, vi khuẩn ngay lập tức nảy mầm và sinh sản
mạnh. Chúng biến đổi dinh dưỡng thành đá vôi trong vòng 2 ngày ( môi trường phòng thí
nghiệm). Ngoài ra, ở nhiệt độ tháp hơn, quá trình này sẽ diễn ra trong nhiều tuần.


22

Vết nứt ban đầu

Vết nứt sau 28 ngày

Vết nứt sau 56 ngày

23

2.5. Một số bất lợi
Có 2 chướng ngại cần vượt qua để loại bê tông sinh học này phát triển hơn trong những năm tới:
•

Hạt đất sét giữ các tác nhân hồi phục chiếm đến 20% thể tích khối bê tông. 20% đó thường
chứa những cấp phối cứng hơn như sỏi. Đất sét lại yếu hơn nhiều so với các cấp phối
thường dùng, điều này khiến sức bền của bê tông giảm 25% và đặc biệt giảm đi tính chịu
nén của cấu kiện.
Trong nhiều cấu trúc, điều này không hẳn là một vấn đề nan giải, nhưng ở những nhà cao
tầng hoặc các công trình cầu cảng, khả năng chịu lực nén là rất quan trọng, thì loại bê tông

•

này là không khả thi.
Giá của loại bê tông sinh học này gấp đôi so với bê tông thông thường do còn mới mẻ, chưa
được sản xuất quy mô lớn. Điều này khiến cho quy mô khách hàng thu hẹp lại ở các công
trình nhất định như công trình hải quân, đường hầm, những nơi cần yếu tố an toàn cực cao
hoặc trong các công trình khó sửa chữa và bảo dưỡng.


24

CHƯƠNG 3: KẾT LUẬN
Bê tông tự phục hồi bằng vi khuẩn là bước tiến lớn trong ngành kỹ thuật xây dựng. Trong nhiều
năm tới, loại bê tông sinh học này sẽ góp phần giảm thiểu mối nguy hại từ những vết nứt ở các
công trình, giảm thiểu được những tai nạn không đáng có và bất ngờ. Nhìn trước được những tiềm
năng của bê tông tự phục hồi, hiện nay trên thế giới đã có nhiều công ty đầu tư R&D để có thể

mang ra sản xuất quy mô lớn. Tiến đến việc loại bỏ các hạt đất sét mà sử dụng dưới dạng hạt mịn.


25

Nguồn tham khảo
[1] Ivanov, V., Stabnikov, V., 2017, Construction Biotechnology, Springer, Singapore.
[2] Arnold, D., 2011, Self-healing concrete, INGENIA.
[3] Mors, R., Jonkers, Henk, 2012, Bacteria-based self-healing concrete – Introduction, The
Netherlands.
[4] Dundar, M., Bruschi, F., Gartland, K., Magni, M.V., Gahan, P., Deeni, Y., Current Application of
Biotechnology.
[5] Wikipedia tiếng Anh và tiếng Việt
[6] Nguyen-Cote, D., 2014, Evaluating Cracking in Concrete: Procedures, GIATEC.