Nghiên cứu đề xuất giải pháp chế tạo bê tông tự chữa lành bằng công nghệ vi sinh vật để ứng dụng vào các cấu kiện bê tông cho các công trình giao thông

Cơ sở hạ tầng đường bộ tại Việt Nam còn có hạn chế nhất định như về độ bền của kết cấu, dẫn đến chi phí bảo trì và sửa chữa hàng năm gia tăng. Lo ngại liên quan đến sự suy thoái của các cơ sở hạ tầng dân sự không chỉ giới hạn ở chi phí kinh tế cho việc sửa chữa và khôi phục, mà còn mở rộng đến các chi phí về các vấn đề xã hội và môi trường.

Mặc dù có rất ít tài liệu và định lượng các chi phí xã hội và môi trường đó, nhưng nhìn chung, tất cả đều đồng ý rằng việc phải bảo trì, sửa chữa các cơ sở hạ tầng dân sự nhiều lần trong suốt vòng đời sử dụng của chúng là không bền vững. Theo đó, việc nghiên cứu, xem xét áp dụng bê tông tự lành sẽ mang một ý nghĩa quan trọng trong sự phát triển kinh tế, xã hội do loại vật liệu này có khả năng kéo dài tuổi thọ công trình và giảm chi phí kinh tế, ảnh hướng đến xã hội và môi trường từ công tác bảo trì, xây mới các công trình cơ sở hạ tầng. Công nghệ này chính là chìa khóa để mở ra tương lai về một hệ thống hạ tầng thông minh và bền vững. 

Vì thế, TS. Trần Văn Quân đã phối hợp với các cộng sự tại Trường Đại học Công nghệ Giao thông vận tải thực hiện đề tài: “Nghiên cứu đề xuất giải pháp chế tạo bê tông tự chữa lành bằng công nghệ vi sinh vật để ứng dụng vào các cấu kiện bê tông cho các công trình giao thông” trong thời gian từ năm 2021 đến năm 2022.

Đề tài đã nghiên cứu tổng quan về công nghệ chế tạo bê tông tự lành bằng vi sinh vật. Có hai phương pháp chính để phân loại công nghệ tự chữa lành bê tông là: (i) theo phương pháp trộn; (ii) theo phương pháp sử dụng phụ gia hoặc vật liệu trộn vào bê tông. Trong đó phương pháp sử dụng vật liệu trộn vào bê tông có 5 phương pháp là (i) viên nang chứa chất hóa học, (ii) vi sinh vật, (iii) trộn trực tiếp phụ gia khoáng, (iv) sử dụng các ống thủy tinh chứa phụ gia hóa học, và (v) tự chữa lành tự nhiên. Theo phương pháp trộn được áp dụng cho công nghệ bê tông tự lành bằng vi sinh: trộn vi sinh trực tiếp vào bê tông, trộn gián tiếp vi sinh vật vào bê tông bằng cách đưa vi sinh vật ở sẵn trong các viên nang hoặc ống thủy tinh hay các vật liệu khác. Phương pháp trộn trực tiếp dễ thực hiện hơn so với đưa vi sinh vào các viên nang và trộn gián tiếp vào bê tông.

Cơ chế làm lành bê tông bằng vi sinh vật là nhờ sự hình thành canxi cacbonat CaCO3 trên thành tế bào vi sinh bằng sự phân hủy urê bởi các enzym của vi sinh vật. Vi sinh tạo ra phân urê, xúc tác urê thành cacbonat và amoni làm tăng pH và nồng độ cacbonat trong môi trường xung quanh vi khuẩn.

Các loại vi sinh vật khác nhau trong công nghệ chế tạo bê tông tự lành đã được tổng kết. Vi sinh vật họ Baccillus được sử dụng chủ yếu vì khả năng chịu được tính kiềm cao của bê tông và dễ dàng thu thập trong môi trường tự nhiên. Vi sinh bacillus subtilus và chất dinh dưỡng là calcium lactate được lựa chọn để chế tạo bê tông tự lành bằng công nghệ vi sinh. Các hàm lượng 1, 2, 3, 4, 5 kg/m3 vi sinh và 1, 2, 3, 4, 5 kg/m3 calcium lactate được lựa chọn trộn vào bê tông để tiến hành khảo sát. Các mác bê tông được nghiên cứu là 20, 30, 40, 50 và 60 MPa. Hỗn hợp vi sinh và chất dinh dưỡng giúp tăng cường độ bê tông so với bê tông thông thường cùng mác thiết kế. Dầm bê tông vi sinh có cường độ kháng uốn cao hơn dầm bê tông thông thường cùng mác thiết kế. Khả năng chữa lành của vi sinh đã được thể hiện thông qua cường độ kháng uốn của dầm bê tông vi sinh được chữa lành cao hơn so với dầm bê tông vi sinh không được chữa lành. Chiều dài vết nứt dường như không ảnh hưởng tới khả năng chữa lành vết nứt bằng công nghệ vi sinh, cụ thể là hỗn hợp bacillus subtilis và calcium lactate. Tuy nhiên, bề rộng ảnh hưởng rất lớn tới khả năng điền đầy vết nứt của vi sinh, các vết nứt có bề rộng không vượt quá 0.5 mm được điền đầy dễ dàng. Cường độ bê tông thiết kế không ảnh hưởng tới khả năng chữa lành của bê tông vi sinh. Độ ẩm ảnh hưởng lớn khả năng hoạt động hay chữa lành của vi sinh vật. Quá trình chữa lành diễn ra tốt nhất ở môi trường bão hòa nước trong điều kiện nhiệt độ môi trường. Quá trình tự lành của bê tông vi sinh diễn ra tương đối đồng nhất ở nhiệt độ 8°C đến 35°C.

Bê tông tự lành là vật liệu xanh thân thiện với môi trường, góp phần vào xu hướng phát triển bền vững và giảm thiểu chi phí bảo dưỡng hàng năm đối với các công trình bê tông cốt thép trong môi trường xâm thực như nước biển và nước thải.

Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu (Mã số 21374/2022) tại Cục Thông tin, Thống kê.

Khoahocphattrien