Self-healing Concrete: Bacillus Subtilis Natto Immobilized in Lightweight Aggregate
Self-healing concrete sử dụng Bacillus Natto trong cốt liệu nhẹ giúp tăng độ bền 30% thông qua khả năng tự vá lành vết nứt.
Năm xuất bản
Số trang
146
Thời gian đọc
22 phút
Lượt xem
0
Lượt tải
0
Phí lưu trữ
40 Point
Tổng quan nhanh
- Chủ đề:
- Giới Thiệu Công Nghệ Bê Tông Tự Phục Hồi Hiệu Quả
- Số trang:
- 146 trang
- Chuyên ngành:
- Civil Engineering
- Tác giả:
- Nguyen Ngoc Tri Huynh
- Năm:
- 2017
Tóm tắt nội dung luận án
I.Giới Thiệu Công Nghệ Bê Tông Tự Phục Hồi Hiệu Quả
Bê tông là vật liệu xây dựng phổ biến. Tuy nhiên, nó dễ bị nứt. Các vết nứt này ảnh hưởng đến độ bền, tuổi thọ công trình. Chi phí bảo trì, sửa chữa tăng cao. Công nghệ bê tông tự phục hồi mang lại giải pháp bền vững. Nó kéo dài tuổi thọ kết cấu. Đồng thời, nó giảm thiểu tác động môi trường. Nghiên cứu này tập trung vào việc ứng dụng Bacillus Natto. Vi khuẩn này được bất động hóa trong cốt liệu nhẹ. Nó giúp bê tông tự phục hồi các vết nứt. Đây là một tiến bộ quan trọng trong vật liệu xây dựng. Nó mở ra hướng đi mới cho ngành công nghiệp bê tông. Mục tiêu là tạo ra bê tông thông minh hơn. Vật liệu này có khả năng tự sửa chữa hư hại. Khả năng này giúp công trình bền vững hơn. Nó giảm nhu cầu can thiệp từ bên ngoài. Self-healing concrete technology là xu hướng tất yếu. Nó hướng tới xây dựng xanh và hiệu quả. Việc phát triển các sustainable concrete materials là ưu tiên hàng đầu.
1.1. Nhu Cầu Cấp Thiết Về Tự Phục Hồi Trong Bê Tông
Nhu cầu về bê tông tự phục hồi là cấp thiết. Bê tông là nền tảng của nhiều công trình. Tuy nhiên, nó dễ bị nứt do tải trọng, biến đổi nhiệt độ, và tác động hóa học. Các vết nứt này không chỉ làm giảm tính thẩm mỹ. Chúng còn tạo điều kiện cho các tác nhân ăn mòn xâm nhập. Nước, oxy, và các ion clorua dễ dàng đi vào. Chúng gây ăn mòn cốt thép bên trong. Quá trình này dẫn đến suy giảm nghiêm trọng khả năng chịu lực. Tuổi thọ thiết kế của công trình bị rút ngắn đáng kể. Chi phí cho việc concrete crack repair truyền thống rất cao. Nó đòi hỏi dừng hoạt động, sử dụng nhân công, và vật liệu đắt đỏ. Công nghệ tự phục hồi giải quyết trực tiếp những vấn đề này. Nó giúp duy trì tính toàn vẹn của kết cấu. Đồng thời, nó giảm thiểu chi phí bảo trì suốt vòng đời công trình. Phát triển các giải pháp tự phục hồi là bước tiến lớn. Nó hướng tới một tương lai bền vững hơn cho ngành xây dựng.
1.2. Bacillus Natto Giải Pháp Vi Sinh Tiềm Năng
Bacillus Natto nổi bật như một ứng cử viên lý tưởng. Đây là một loại vi khuẩn có khả năng tự nhiên. Nó sản xuất canxi cacbonat thông qua quá trình microbial induced calcium carbonate precipitation (MICP). Quá trình này xảy ra khi vi khuẩn thủy phân urea hoặc sử dụng các hợp chất khác. Nó tạo ra các tinh thể CaCO3. Các tinh thể này có thể lấp đầy các vết nứt nhỏ trong bê tông. Vi khuẩn Bacillus Natto có khả năng sống sót trong môi trường khắc nghiệt. Môi trường kiềm cao của bê tông là một thách thức lớn. Nhưng Bacillus Natto đã thể hiện sức bền đáng kinh ngạc. Nó không gây hại cho con người và môi trường. Đây là một yếu tố quan trọng cho ứng dụng rộng rãi. Bacillus natto concrete hứa hẹn mang lại hiệu quả cao. Nó cung cấp khả năng tự sửa chữa lâu dài. Việc tích hợp vi khuẩn này vào bê tông tạo ra một vật liệu thông minh. Nó có thể chủ động phản ứng với hư hại. Đây là một ví dụ điển hình về bacterial concrete thế hệ mới.
II.Cơ Chế Tự Phục Hồi Bê Tông Bằng Bacillus Natto
Cơ chế tự phục hồi của bê tông sử dụng Bacillus Natto dựa trên biomineralization in concrete. Vi khuẩn được đưa vào bê tông. Chúng ở trạng thái không hoạt động. Khi vết nứt xuất hiện, nước và oxy thấm vào. Điều này kích hoạt vi khuẩn. Vi khuẩn sử dụng chất dinh dưỡng được cung cấp. Chúng bắt đầu quá trình trao đổi chất. Sản phẩm của quá trình này là các ion cacbonat. Các ion này phản ứng với ion canxi có sẵn trong bê tông. Chúng tạo thành canxi cacbonat (CaCO3). Tinh thể CaCO3 kết tủa và lấp đầy các vết nứt. Quá trình này giúp khôi phục tính toàn vẹn của vật liệu. Nó ngăn chặn sự xâm nhập của các tác nhân gây hại. Hiệu quả phục hồi phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Bao gồm lượng vi khuẩn, chất dinh dưỡng, và điều kiện môi trường. Nghiên cứu tập trung vào tối ưu hóa cơ chế này. Mục đích là để đạt được hiệu suất phục hồi tối đa. Microbial induced calcium carbonate precipitation (MICP) là trái tim của công nghệ này.
2.1. Hoạt Động Vi Sinh Tạo Sản Phẩm Phục Hồi
Bacillus Natto là chủng vi khuẩn chủ chốt. Nó thực hiện quá trình biomineralization in concrete. Vi khuẩn này có khả năng thủy phân urea. Quá trình này tạo ra amoniac và carbon dioxide. Carbon dioxide hòa tan trong nước tạo thành ion cacbonat. Đồng thời, amoniac làm tăng pH cục bộ. pH tăng thúc đẩy phản ứng kết tủa canxi cacbonat. Canxi cacbonat là một chất không hòa tan. Nó có khả năng lấp đầy các vết nứt. Quá trình này tương tự như việc hình thành vỏ sò. Vi khuẩn cần một nguồn carbon và chất dinh dưỡng. Trong nghiên cứu này, lactose được sử dụng. Lactose cung cấp năng lượng cho vi khuẩn. Việc kiểm soát hoạt động vi khuẩn là rất quan trọng. Nó đảm bảo hiệu quả phục hồi tối ưu. Bacterial concrete phụ thuộc vào sự sống sót và hoạt động của vi khuẩn.
2.2. Bảo Vệ Vi Khuẩn Trong Cốt Liệu Nhẹ
Môi trường bên trong bê tông rất khắc nghiệt. pH cao, thiếu oxy, và áp suất nén là những thách thức. Vi khuẩn cần được bảo vệ để tồn tại. Kỹ thuật lightweight aggregate encapsulation được áp dụng. Các hạt cốt liệu nhẹ được sử dụng làm vật liệu mang. Vi khuẩn và chất dinh dưỡng được bao bọc bên trong. Cấu trúc xốp của cốt liệu nhẹ bảo vệ vi khuẩn. Nó che chắn chúng khỏi môi trường kiềm cao. Khi bê tông nứt, cốt liệu nhẹ cũng bị phá vỡ. Vi khuẩn và chất dinh dưỡng được giải phóng. Nước xâm nhập qua vết nứt. Điều này kích hoạt vi khuẩn. Kỹ thuật spore immobilization concrete này rất hiệu quả. Nó đảm bảo tỷ lệ sống sót cao cho vi khuẩn. Nó cũng giúp kéo dài tuổi thọ tự phục hồi của bê tông.
III.Phương Pháp Vỏ Bọc Cốt Liệu Nhẹ Cho Bacillus Natto
Kỹ thuật vỏ bọc vi khuẩn trong cốt liệu nhẹ là trọng tâm. Nó giúp giải quyết vấn đề sống sót của vi khuẩn. Môi trường bê tông khắc nghiệt. Các hạt cốt liệu nhẹ (LWA) cung cấp nơi trú ẩn an toàn. Vi khuẩn Bacillus Natto được đưa vào các lỗ rỗng của LWA. Chất dinh dưỡng cần thiết cũng được đưa vào cùng. Điều này tạo ra một "viên nang" tự phục hồi. Khi bê tông xuất hiện vết nứt, các viên nang này bị vỡ. Nước và oxy xâm nhập kích hoạt vi khuẩn. Sau đó, quá trình microbial induced calcium carbonate precipitation (MICP) bắt đầu. Việc lightweight aggregate encapsulation này tối ưu hóa khả năng giải phóng tác nhân tự phục hồi. Nó đảm bảo vi khuẩn được bảo vệ cho đến khi cần thiết. Đây là một bước tiến quan trọng. Nó biến bacterial concrete từ phòng thí nghiệm ra thực tế. Phương pháp này đóng vai trò quyết định. Nó quyết định hiệu quả lâu dài của hệ thống tự phục hồi.
3.1. Ưu Điểm Encapsulation Vi Khuẩn Bằng Hạt Nhẹ
Bảo vệ vi khuẩn khỏi môi trường kiềm cao. Đây là ưu điểm lớn nhất. Hạt nhẹ tạo lớp vỏ vật lý. Nó che chắn vi khuẩn khỏi pH khắc nghiệt của bê tông. Tỷ lệ sống sót của vi khuẩn được cải thiện đáng kể. Nó cũng bảo vệ vi khuẩn khỏi lực nén cao. Hạt nhẹ giải phóng vi khuẩn khi vết nứt hình thành. Nó đảm bảo tác nhân phục hồi được cung cấp đúng lúc. Kỹ thuật spore immobilization concrete này giúp kéo dài tuổi thọ của hệ thống. Nó duy trì khả năng tự phục hồi trong thời gian dài. Việc phân phối đều vi khuẩn trong hỗn hợp bê tông dễ dàng hơn. Điều này đảm bảo khả năng tự phục hồi đồng đều. Nó là một giải pháp hiệu quả. Nó giúp vượt qua các thách thức kỹ thuật của bio-admixtures concrete.
3.2. Tối Ưu Hóa Dinh Dưỡng Lactose Trong Hạt Nhẹ
Vi khuẩn cần nguồn dinh dưỡng để hoạt động. Lactose được chọn làm chất dinh dưỡng chính. Nó cung cấp năng lượng cho Bacillus Natto. Lactose được cố định cùng vi khuẩn trong cốt liệu nhẹ. Điều này ngăn chặn lactose bị tiêu thụ sớm. Nó cũng tránh tác động xấu đến quá trình hydrat hóa bê tông. Việc tối ưu hóa lượng lactose rất quan trọng. Quá nhiều lactose có thể ảnh hưởng đến cường độ bê tông. Quá ít sẽ không đủ để kích hoạt vi khuẩn. Nghiên cứu tập trung vào tỷ lệ tối ưu. Nó đảm bảo hiệu quả biomineralization in concrete. Đồng thời, nó không ảnh hưởng tiêu cực đến tính chất cơ học. Việc này là chìa khóa để phát triển sustainable concrete materials thực sự.
IV.Đánh Giá Hiệu Quả Phục Hồi Bê Tông Tự Chữa Lành
Việc định lượng khả năng tự phục hồi là rất quan trọng. Nó chứng minh hiệu quả của self-healing concrete technology. Nghiên cứu này sử dụng nhiều phương pháp đánh giá. Các phương pháp bao gồm kiểm tra trực quan, đo độ thấm nước. Nó cũng bao gồm kiểm tra vận tốc xung siêu âm (UPV). Kiểm tra cường độ chịu nén cũng được thực hiện. Mục tiêu là xác định mức độ phục hồi. Bao gồm cả việc phục hồi vết nứt và tính chất cơ học. Việc này đảm bảo tính tin cậy của vật liệu. Kết quả cho thấy sự cải thiện đáng kể. Đặc biệt là khả năng lấp đầy vết nứt. Cường độ nén được khôi phục. Độ thấm nước giảm. Điều này chứng minh tiềm năng của bacillus natto concrete. Các phương pháp này cung cấp dữ liệu định lượng. Dữ liệu này hỗ trợ phát triển và ứng dụng rộng rãi công nghệ.
4.1. Phương Pháp Định Lượng Khả Năng Tự Phục Hồi
Nhiều kỹ thuật được áp dụng để đánh giá. Kiểm tra trực quan ghi nhận sự đóng vết nứt. Điều này bằng mắt thường hoặc kính hiển vi. Độ thấm nước được đo để đánh giá tính kín của bê tông. Một vết nứt đã được lấp đầy sẽ có độ thấm nước thấp hơn. Vận tốc xung siêu âm (UPV) đo sự thay đổi về tính toàn vẹn vật liệu. Sự tăng UPV cho thấy vết nứt đã được phục hồi. Nó cho thấy cấu trúc bên trong được cải thiện. Khả năng hấp thụ nước mao dẫn cũng được đánh giá. Nó cung cấp thông tin về khả năng tự phục hồi của vết nứt. Các phương pháp này cung cấp bằng chứng khoa học vững chắc. Chúng cho thấy hiệu quả của concrete crack repair dựa trên vi khuẩn.
4.2. Phục Hồi Cường Độ Và Giảm Thấm Nước
Cường độ chịu nén là một chỉ số quan trọng. Nó cho thấy khả năng chịu lực của bê tông. Các mẫu bê tông tự phục hồi được kiểm tra. Cường độ chịu nén được so sánh trước và sau phục hồi. Kết quả cho thấy sự khôi phục đáng kể. Nó chứng tỏ khả năng tự sửa chữa cấu trúc. Giảm độ thấm nước cũng là một yếu tố then chốt. Nước là tác nhân chính gây hư hại bê tông. Việc giảm thấm nước giúp bảo vệ cốt thép. Nó kéo dài tuổi thọ công trình. Các thử nghiệm cho thấy sự giảm đáng kể. Đặc biệt là qua các vết nứt đã được phục hồi. Đây là minh chứng rõ ràng cho sustainable concrete materials. Nó tăng cường độ bền và hiệu suất của bê tông.
V.Thách Thức Và Triển Vọng Của Bê Tông Vi Khuẩn
Công nghệ bacterial concrete hứa hẹn nhiều tiềm năng. Tuy nhiên, nó vẫn đối mặt với thách thức. Việc mở rộng quy mô sản xuất là một vấn đề. Chi phí sản xuất ban đầu còn cao. Khả năng tồn tại lâu dài của vi khuẩn cần được nghiên cứu thêm. Các yếu tố môi trường như nhiệt độ, độ ẩm ảnh hưởng đến vi khuẩn. Cần có các tiêu chuẩn hóa cho vật liệu này. Dù vậy, triển vọng ứng dụng rất lớn. Nó có thể được dùng trong các công trình hạ tầng. Cầu đường, đập thủy điện, đường hầm là những ví dụ. Việc sử dụng sustainable concrete materials này giúp giảm chi phí bảo trì. Nó cũng giảm phát thải carbon. Công nghệ này đóng góp vào mục tiêu phát triển bền vững. Nó mở ra kỷ nguyên mới cho vật liệu xây dựng thông minh.
5.1. Các Vấn Đề Hiện Tại Cần Khắc Phục
Chi phí sản xuất là rào cản lớn. Việc nuôi cấy và spore immobilization concrete ở quy mô công nghiệp tốn kém. Cần tìm cách giảm giá thành. Khả năng kiểm soát phản ứng vi khuẩn cũng là thách thức. Tốc độ phục hồi cần được tối ưu hóa. Khả năng chịu đựng môi trường cực đoan còn hạn chế. Ví dụ như nhiệt độ quá cao hoặc quá thấp. Độ bền của vi khuẩn trong bê tông qua nhiều thập kỷ cần được chứng minh. Các vấn đề về tính đồng nhất của vật liệu cũng phát sinh. Đảm bảo vi khuẩn và chất dinh dưỡng phân bố đều. Điều này là quan trọng cho hiệu quả self-healing concrete technology. Cần nhiều nghiên cứu hơn nữa để giải quyết các vấn đề này.
5.2. Tiềm Năng Ứng Dụng Rộng Rãi Trong Xây Dựng
Bất chấp những thách thức, bacillus natto concrete có tiềm năng lớn. Nó có thể kéo dài tuổi thọ công trình. Điều này giảm đáng kể chi phí bảo trì. Nó cũng tăng tính an toàn và bền vững. Công nghệ này phù hợp cho các cấu trúc khó tiếp cận. Ví dụ như móng cầu, đường hầm dưới nước. Nó giảm nhu cầu can thiệp thủ công. Việc ứng dụng bio-admixtures concrete giúp giảm thiểu tác động môi trường. Nó giảm lượng vật liệu sửa chữa và chất thải. Đây là một bước tiến quan trọng. Nó hướng tới ngành xây dựng xanh. Tương lai của sustainable concrete materials sẽ bao gồm các giải pháp tự phục hồi.
Mục lục chi tiết luận án
Tải xuống file đầy đủ để xem toàn bộ nội dung
Tải đầy đủ (146 trang)Nội dung chính
Tổng quan nghiên cứu
Khoảng 90% các công trình bê tông cốt thép trong suốt vòng đời sử dụng đều gặp phải hiện tượng nứt nẻ do co ngót, tải trọng hoặc biến đổi nhiệt độ. Mặc dù các vết nứt ban đầu có kích thước siêu nhỏ dưới 0.30 mm không gây sụp đổ tức thì, nhưng chúng tạo điều kiện cho nước, ion clorua và axit xâm thực vào bên trong, đẩy nhanh tốc độ ăn mòn cốt thép và làm suy giảm tuổi thọ công trình. Việc sửa chữa thủ công các vết nứt ngầm trong hầm, cầu hoặc cấu trúc dưới nước thường vô cùng tốn kém và khó tiếp cận triệt để.
Luận văn tập trung nghiên cứu phát triển hệ thống bê tông tự hàn gắn thông minh thông qua cơ chế kết tủa khoáng sinh học canxi cacbonat từ vi khuẩn Bacillus subtilis natto cố định trong hạt cốt liệu nhẹ đất sét nung. Mục tiêu cốt lõi của nghiên cứu là đánh giá hiệu quả tự chữa lành vết nứt, kiểm chứng khả năng lặp lại của phản ứng sinh khoáng qua nhiều chu kỳ hư hại liên tiếp và duy trì mật độ vi khuẩn trong thời gian dài mà không làm tổn hại đến quá trình đóng rắn của xi măng.
Nghiên cứu được triển khai thực nghiệm toàn diện trong vòng 10 tháng tại phòng thí nghiệm Khoa học Vật liệu Xây dựng thuộc Đại học Khoa học Tokyo. Kết quả đạt được mang ý nghĩa thực tiễn lớn khi chứng minh các vết nứt có bề rộng khoảng 0.5 mm được hàn gắn hoàn toàn sau 7 đến 14 ngày bảo dưỡng trong nước, giúp phục hồi đáng kể cường độ chịu nén và giảm hơn 80% lưu lượng thấm nước, mở ra hướng đi bền vững cho ngành vật liệu xây dựng hiện đại.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Khung lý thuyết áp dụng
Nghiên cứu được xây dựng dựa trên lý thuyết kết tủa canxi cacbonat do vi sinh vật gây ra thông qua quá trình thủy phân urea. Theo cơ chế này, vi khuẩn tiết ra enzyme urease để phân hủy urea thành ion amoni và ion cacbonat; màng tế bào vi khuẩn mang điện tích âm sẽ thu hút ion canxi trong môi trường để hình thành các tinh thể canxi cacbonat bám chắc vào bề mặt khe nứt.
Bên cạnh đó, tác giả áp dụng lý thuyết tự hàn gắn tự sinh và tự hàn gắn kỹ thuật theo tiêu chuẩn của Ủy ban Kỹ thuật Viện Bê tông Nhật Bản JCI TC-075B và tổ chức quốc tế RILEM 221-SHC. Nghiên cứu khai thác mô hình bảo vệ vi sinh vật bằng vật liệu mang xốp xơ, đồng thời ứng dụng cơ chế giải phóng có kiểm soát chất tự lành khi xuất hiện vết nứt phá vỡ vỏ bọc cốt liệu. Các khái niệm nền tảng được làm rõ bao gồm: quá trình sinh khoáng sinh học, chuyển hóa đường lactose nồng độ thấp, vùng chuyển tiếp bề mặt giữa cốt liệu và vữa xi măng, và khả năng ngủ đông tạo bào tử của vi khuẩn gram dương.
Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu sử dụng cỡ mẫu gồm 120 mẫu vữa lăng trụ kích thước 40x40x160 mm và 90 mẫu bê tông hình trụ đường kính 50 mm, chiều cao 100 mm. Phương pháp chọn mẫu ngẫu nhiên phân tầng được áp dụng để chia thành 3 nhóm nghiệm thức: nhóm đối chứng không vi khuẩn, nhóm bổ sung bào tử vi khuẩn đơn thuần, và nhóm chứa vi khuẩn kèm đường lactose cố định trong cốt liệu nhẹ đất sét nung kích cỡ 9 đến 15 mm.
Tác giả lựa chọn phương pháp nén phá hủy từng phần có kiểm soát ở các mốc tuổi nứt 7, 14, 28, 60 và 90 ngày nhằm tạo độ mở vết nứt nhân tạo chuẩn xác từ 0.1 mm đến 1.0 mm. Lý do lựa chọn hệ thống phân tích kết hợp đa phương pháp—bao gồm kiểm tra siêu âm không phá hủy UPV, đo độ thấm mao dẫn, thử nghiệm dòng chảy áp lực, đếm khuẩn lạc vi sinh và phân tích vi cấu trúc qua kính hiển vi điện tử quét SEM kết hợp quang phổ tán xạ năng lượng tia X EDS và nhiễu xạ tia X XRD—là nhằm đảm bảo tính định lượng khách quan từ cấp độ vĩ mô cơ lý tính đến cấp độ vi mô hóa khoáng.
Kết quả nghiên cứu và thảo luận
Những phát hiện chính
Thứ nhất, phân tích hình ảnh quang học đơn sắc cho thấy các vết nứt bề mặt có độ rộng trung bình 0.5 mm được lấp đầy hoàn toàn bằng tinh thể khoáng chất sau 7 đến 14 ngày bảo dưỡng trong nước. Đối với các khe nứt lớn hơn từ 0.8 mm đến 1.0 mm, mức độ thu hẹp diện tích vết nứt đạt trên 85% sau 28 ngày.
Thứ hai, thử nghiệm phục hồi cường độ chịu nén qua 3 chu kỳ nứt lặp lại ghi nhận nhóm mẫu chứa vi khuẩn trong cốt liệu nhẹ có tỷ lệ hồi phục cường độ cao hơn từ 15% đến 25% so với mẫu đối chứng ở mọi mốc tuổi tạo nứt từ 7 đến 60 ngày.
Thứ ba, khả năng chống thấm nước của bê tông tự lành cải thiện vượt bậc. Lưu lượng dòng chảy qua vết nứt giảm hơn 80% chỉ sau 7 ngày tự phục hồi và hệ số hấp thụ nước mao dẫn giảm gần 70% so với thời điểm ngay sau khi nứt.
Thứ tư, phương pháp đếm khuẩn lạc xác nhận nồng độ bào tử Bacillus subtilis natto bên trong cốt liệu nhẹ vẫn duy trì ổn định ở mức cao từ 10^6 đến 10^7 tế bào trên mỗi gram sau 10 tháng thử nghiệm và trải qua 3 chu kỳ nứt-lành liên tục.
Thảo luận kết quả
Khả năng tự hàn gắn vượt trội bắt nguồn từ việc bào tử vi khuẩn ngủ đông trong các lỗ rỗng của cốt liệu nhẹ được đánh thức ngay khi nước và oxy xâm nhập qua vết nứt vỡ. Việc sử dụng nguồn dinh dưỡng đường lactose nồng độ thấp từ 2 đến 20 g/L đã giải quyết triệt để vấn đề ức chế đông kết xi măng mà các nguồn dinh dưỡng giàu đạm thông thường hay gặp phải.
Dữ liệu thực nghiệm có thể được biểu diễn trực quan thông qua biểu đồ biến thiên vận tốc xung siêu âm UPV theo thời gian bảo dưỡng, thể hiện sự gia tăng liên tục của vận tốc truyền sóng khi các lỗ rỗng được tinh thể khoáng lấp đầy. Bảng đối chiếu lưu lượng thấm nước thực tế với phương trình dòng chảy chất lỏng Hagen-Poiseuille cũng khẳng định sự thu hẹp rõ rệt của khẩu độ thủy lực bên trong vết nứt.
Đặc biệt, ảnh chụp vi cấu trúc SEM và phổ XRD làm sáng tỏ rằng các tinh thể canxi cacbonat sinh học không chỉ đơn thuần trám khe hở mà còn đóng vai trò làm mầm kết tinh, kích thích quá trình hydrat hóa thứ cấp của clinker dư thừa để tạo thành các lớp khoáng C-S-H và Ettringite đan xen bền vững.
Đề xuất và khuyến nghị
Thứ nhất, chuẩn hóa quy trình công nghệ ngâm tẩm chân không bào tử Bacillus subtilis natto và dưỡng chất lactose vào cốt liệu nhẹ đất sét nung cỡ hạt 9-15 mm. Mục tiêu duy trì tỷ lệ sống sót của vi khuẩn trên 90% trong quá trình trộn bê tông, thời gian hoàn thiện quy chuẩn trong vòng 6 tháng do các phòng thí nghiệm công nghệ vật liệu chủ trì.
Thứ hai, ban hành hướng dẫn kỹ thuật thiết kế cấp phối bê tông tự hàn gắn sinh học ứng dụng cho các công trình ngầm, bể chứa nước và đập thủy điện. Mục tiêu giảm từ 40% đến 50% chi phí duy tu bảo dưỡng định kỳ sau 10 năm vận hành, lộ trình triển khai 1 đến 2 năm do Bộ Xây dựng phối hợp cùng các viện nghiên cứu chuyên ngành thực hiện.
Thứ ba, tích hợp phương pháp đánh giá không phá hủy bằng sóng siêu âm xung đa hướng UPV vào quy trình kiểm định chất lượng định kỳ tại hiện trường. Mục tiêu theo dõi mức độ phục hồi các vết nứt dưới 0.3 mm với độ chính xác đạt trên 95%, triển khai áp dụng thí điểm trong vòng 12 tháng tại các đơn vị tư vấn giám sát công trình.
Thứ tư, mở rộng nghiên cứu ứng dụng công nghệ in 3D bê tông chứa vi khuẩn tự lành nhằm tối ưu hóa khả năng định vị chất tự hàn tại các vị trí kết cấu chịu ứng suất kéo cao. Mục tiêu thử nghiệm thành công cấp phối in 3D trong vòng 24 tháng dưới sự hợp tác giữa các trường đại học kỹ thuật và doanh nghiệp xây dựng tiên phong.
Đối tượng nên tham khảo luận văn
Nhóm giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật Xây dựng và Công nghệ Vật liệu: Tài liệu cung cấp cơ sở lý thuyết sâu sắc, quy trình thiết kế thí nghiệm sinh hóa kết hợp cơ lý bài bản và phương pháp luận định lượng mức độ tự hàn gắn đa chu kỳ.
Nhóm kỹ sư kết cấu và chuyên gia tư vấn thiết kế công trình ngầm, công trình thủy lợi, cảng biển: Luận văn cung cấp giải pháp kỹ thuật nâng cao độ bền vững cho kết cấu bê tông trong môi trường ẩm ướt, giúp kéo dài tuổi thọ công trình thêm 20 đến 30 năm.
Nhóm doanh nghiệp sản xuất bê tông thương phẩm và cấu kiện bê tông đúc sẵn: Đề tài gợi mở hướng phát triển dòng sản phẩm bê tông sinh học cao cấp, tạo lợi thế cạnh tranh xanh trên thị trường vật liệu xây dựng thân thiện với môi trường.
Nhóm ban quản lý dự án hạ tầng giao thông và chủ đầu tư công trình công cộng: Tài liệu mang lại góc nhìn kinh tế kỹ thuật rõ ràng, giúp cắt giảm 30% đến 40% chi phí xử lý rò rỉ và chống thấm trong giai đoạn vận hành khai thác.
Câu hỏi thường gặp
Chủng vi khuẩn Bacillus subtilis natto có ưu điểm gì vượt trội so với các loại vi khuẩn tự lành khác? Vi khuẩn natto là chủng vi sinh vật an toàn, không gây bệnh, dễ nuôi cấy với chi phí thấp hơn đáng kể so với các chủng vi khuẩn kiềm chuyên biệt khác. Đặc biệt, khả năng tạo bào tử bền vững giúp vi khuẩn tồn tại trong môi trường kiềm cao có độ pH từ 12 đến 13 của bê tông suốt hơn 10 tháng.
Cốt liệu nhẹ đất sét nung đóng vai trò bảo vệ vi khuẩn như thế nào khi trộn bê tông? Các hạt cốt liệu nhẹ có cấu trúc rỗng xốp đóng vai trò như khoang chứa an toàn, bảo vệ vi khuẩn khỏi lực cắt cơ học khi nhào trộn và áp lực nén khi xi măng co ngót. Khi xuất hiện vết nứt xuyên qua cốt liệu, các bào tử được kích hoạt và giải phóng ra ngoài để thực hiện phản ứng sinh khoáng.
Đường lactose được sử dụng trong nghiên cứu có làm ảnh hưởng đến thời gian ninh kết của xi măng không? Nghiên cứu đã chứng minh việc sử dụng đường lactose với nồng độ kiểm soát từ 2 đến 20 g/L và cố định bên trong cốt liệu nhẹ hoàn toàn không làm chậm quá trình đóng rắn của xi măng, khắc phục nhược điểm gây suy giảm cường độ ban đầu vốn gặp phải ở các môi trường giàu cao nấm men.
Khả năng tự hàn gắn của bê tông sinh học này có thể lặp lại qua nhiều chu kỳ nứt không? Kết quả đo vận tốc siêu âm và thử tải nén phá hủy qua 3 chu kỳ lặp lại chứng minh bê tông vẫn duy trì khả năng tự chữa lành xuất sắc. Bào tử vi khuẩn còn lại trong các lỗ xốp chưa vỡ tiếp tục được kích hoạt ở các chu kỳ nứt tiếp theo khi có độ ẩm xâm nhập.
Bề rộng vết nứt tối đa mà hệ thống vi sinh vật này có thể tự hàn gắn là bao nhiêu? Trong điều kiện bảo dưỡng ẩm hoặc ngâm nước, hệ thống có thể hàn gắn hoàn toàn vết nứt có bề rộng lên tới 0.5 mm trong 14 ngày. Với thời gian bảo dưỡng kéo dài 28 ngày, các vết nứt rộng từ 0.8 mm đến 1.0 mm cũng được lấp đầy đáng kể bởi khoáng canxi cacbonat.
Kết luận
- Luận văn đã chế tạo thành công hệ thống bê tông tự hàn gắn thông minh sử dụng bào tử vi khuẩn Bacillus subtilis natto cố định trong cốt liệu nhẹ đất sét nung với nguồn dinh dưỡng lactose.
- Đạt hiệu quả hàn gắn 100% diện tích các vết nứt bề mặt có độ mở khoảng 0.5 mm trong thời gian bảo dưỡng từ 7 đến 14 ngày.
- Tỷ lệ phục hồi cường độ nén sau 3 chu kỳ nứt liên tiếp cao hơn từ 15% đến 25% so với mẫu đối chứng không có vi sinh vật.
- Khả năng chống thấm nước cải thiện rõ rệt với lưu lượng dòng chảy rò rỉ qua khe nứt giảm hơn 80% sau 7 ngày tự phục hồi.
- Bào tử vi khuẩn duy trì mật độ sống sót cao trên 10^6 tế bào trên mỗi gram sau 10 tháng, chứng minh tiềm năng tự phục hồi lâu dài trong thực tế.
Trong giai đoạn 6 đến 12 tháng tới, hướng nghiên cứu cần tập trung triển khai thử nghiệm quy mô pilot trên các cấu kiện đúc sẵn chịu lực thực tế, tiến tới giai đoạn 12 đến 24 tháng ứng dụng thực địa vào các công trình ngầm và bể chứa nước. Quý bạn đọc, nhà khoa học và doanh nghiệp quan tâm có thể kết nối với nhóm nghiên cứu để cùng hợp tác hoàn thiện công nghệ và chuyển giao ứng dụng vật liệu sinh học tự lành vào thực tiễn xây dựng.
Trích đoạn nội dung luận án
Tải xuống để đọc toàn bộ'HYHORSPHQWRI6HOI+HDOLQJ6\VWHPLQ&RQFUHWHXVLQJ %DFLOOXV6XEWLOLV1DWWR,PPRELOL]HG LQ/LJKW:HLJKW$JJUHJDWH (ேᕤ㍍㔞㦵ᮦࢆ㍺㏦፹యࡋࡓ⣡㇋⳦ࡼࡿࢥࣥࢡ࣮ࣜࢺࡢ ⮬ᕫಟࢩࢫࢸ࣒ࡢ㛤Ⓨ) 'HFHPEHU 1JX\HQ1JRF7UL+X\QK Table of content Page Acknowledgment -----------------------------------------------------------------------------------------iv Dedication -------------------------------------------------------------------------------------------------- v Abstract ----------------------------------------------------------------------------------------------------vi List of Figures ------------------------------------------------------------------------------------------- viii List of Tables --------------------------------------------------------------------------------------------- xv Chapter 1. Why we need self-healing in concrete materials? ----------------------------------------------- 1 1. Advances and challenges for current self-healing approaches --------------------------------- 1 1. What bacteria can do and how to shorten the way from the laboratory to real self-healing applications? ------------------------------------------------------------------------------------------------ 4 Reference --------------------------------------------------------------------------------------------------- 7 Chapter 2.
Literature review of self-healing ------------------------------------------------------ 11 2. Different approaches of self-healing concrete -------------------------------------------------- 12 2. Quantification methods of self-healing ability -------------------------------------------------- 21 2. Current problems and challenges ----------------------------------------------------------------- 28 Reference -------------------------------------------------------------------------------------------------- 30 Chapter 3.
Features of the study --------------------------------------------------------------------- 35 3. Mechanism of healing products formation and promotion of the hydration process ------ 35 3. Bacterial protection in lightweight aggregate --------------------------------------------------- 36 3. Using lactose as nutrient-low for bacteria and the effect of immobilizing sugar in lightweight aggregate on prevention adverse on concrete ------------------------------------------ 42 3.
Self-healing evaluation and quantification ------------------------------------------------------ 45 Reference -------------------------------------------------------------------------------------------------- 49 Chapter 4. Materials and experiments design ---------------------------------------------------- 53 4. Analysis of the urea hydrolysis and bio-mineralization ------------------------------------- 53 4. Bacterial activites and its bio-mineralization in concrete ----------------------------------- 54 i 4.
Breakage rate and the behavior of lightweight aggregate for releasing bacterial self- healing agents --------------------------------------------------------------------------------------------- 55 4. Effect of immobilizing sugar in lightweight aggregate on prevention adverse on concrete --------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 57 4. Compressive strength improvement using bacterial repairing solution ------------------- 58 4. Compressive strength improvement using lightweight aggregate immobilized bacteria --------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 59 4.
Compressive strength restoration ----------------------------------------------------------------- 60 4. Continuous curing for one-cycle strength restoration --------------------------------------- 60 4. Multi-cycle strength restoration and the repetitive self-healing ---------------------------- 61 4. Ultrasonic pulse velocity --------------------------------------------------------------------------- 62 4.
Bacterial survival rate and the protecting effectiveness of lightweight aggregate --------- 63 4. Water permeability and visual evaluation of crack healing ----------------------------------- 64 4. Capillary water absorption through the crack ------------------------------------------------- 64 4. Water flow through the crack ------------------------------------------------------------------- 65 4.
Visual evaluation of crack healing ------------------------------------------------------------- 66 Reference -------------------------------------------------------------------------------------------------- 68 Chapter 5. Results and discussion ------------------------------------------------------------------- 69 5. Analysis of the urea hydrolysis and bio-mineralization ------------------------------------- 69 5. Bacterial activites and its bio-mineralization in concrete ----------------------------------- 70 5.
Breakage rate and the behavior of lightweight aggregate for releasing bacterial self- healing agents --------------------------------------------------------------------------------------------- 72 5. Compressive strength improvement using bacterial repairing solution ------------------- 73 5. Compressive strength improvement using lightweight aggregate immobilized bacteria --------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 74 5. Compressive strength restoration ----------------------------------------------------------------- 75 5.
Continuous curing for one-cycle strength restoration --------------------------------------- 75 5. Multi-cycle strength restoration and the repetitive self-healing ---------------------------- 75 5. Ultrasonic pulse velocity --------------------------------------------------------------------------- 82 5. Pulse velocity over curing time ----------------------------------------------------------------- 82 5.
Pulse velocity over multi cracking-healing cycle -------------------------------------------- 83 5. Microstructure analysis ----------------------------------------------------------------------------- 86 ii 5. Performance of bacteria immobilized in lightweight aggregate for calcium carbonate precipitation ----------------------------------------------------------------------------------------------- 86 5. Stimulating ability on the formation and development of hydrated cement minerals of bacterial calcium carbonate ----------------------------------------------------------------------------- 91 5.
Bacterial survival rate and the protecting effectiveness of lightweight aggregate --------- 94 5. Water permeability and visual evaluation of crack healing ----------------------------------- 95 5. Capillary water absorption through the crack ------------------------------------------------- 95 5. Water flow through the crack ------------------------------------------------------------------- 97 5.
Visual evaluation of crack healing ----------------------------------------------------------- 102 Reference ------------------------------------------------------------------------------------------------ 106 Chapter 6. Possibility of Bacillus subtilis natto on bio-mineralization ------------------------------ 109 6. Mechanical behavior of self-healing concrete under multi-cracking cycles --------- 110 6. Water permeability and water leakage prevention in bacteria-based self-healing concrete -------------------------------------------------------------------------------------------------- 110 Appendix 1.
Real-scale application ---------------------------------------------------------------- 111 Appendix 2. Experimental data -------------------------------------------------------------------- 114 iii Acknowledgment I would like to to express my gratitude to the Japanese Government through the MEXT Scholarship and Building Material Science IMAMOTO LAB, Biology Science SHIMIZU LAB - Tokyo University of Science for financial support, materials, and technical equipment. By all my heart, no word can be enough to show my gratitude to my supervisor - Professor Imamoto Kei-ichi, research associate Kiyohara Chizuru, and all of the LAB members for all of their support me. I would like to express my gratitude to Shang Li and Tanaka Hiroto, my best friends, for all of their help.
All of the achievements I can get in this work is a gift for my father, my mother, my wife, and my little daughter. Thank you and love you all. Even if cracked concrete can bravely heal itself, nothing can prevent us from healing every pain ourselves º v Abstract Concrete is probably the most important and commonly used construction materials. Despite many technical improvements, concrete still faces quality degradation problems caused by cracks.
Recent studies show that the early cracking in micro-size can occur as soon as the cement matrix becomes hardened. In many ways, these cracks can become macro-size and open cracks resulting in significant issues for the durability of concrete structures as water leakage and corrosion. Many approaches have been studied more extensively, meeting the criteria, and realizing that management should be better than preventing concrete cracks. The technique of self-healing using bacteria has recently received attention for its potential applications.
With the ability to be easily cultured and form CaCO3, the potential to use Bacillus subtilis natto in the full-scale application is very promising. However, the effectiveness and the repeatability of this method over a long period was not clarified. The information on both the survival and the number of bacteria after healing is limited. This study aims to improve the self-healing capacity and evaluate the repeatability of concrete when using Bacillus subtilis natto with nutrient-low source as lactose and clarify the mechanism of the bio-mineralization to find a suitable way to protect and maintain the self-healing ability in a long time.
The high survival rate of bacteria immobilized in expanded clay lightweight aggregate gave essential information for maintaining self-healing ability for a long time. The experiments were designed to study the bacterial biomineralization, the possibility of lightweight aggregate as protecting and carrying vehicle to control the release of healing agents, and demonstrate self-healing through mechanical behavior and water permeability multi-cracking cycles. The urea hydrolysis and the bacterial biomineralization with urea and lactose as the primary carbon source were assessed. We studied the effect of cracking age on the self-healing capacity, associated with the compressive strength improvement.
The self- healing effect was expected to occur over curing time with the age of cracks from 7, 14, 28, 60, and 90 days. The compressive strength restoration of concrete specimens can translate into the self-healing efficiency, and then gives information about the relation between self-healing capacity and necessary curing time. Optical microscope and SEM/EDS/XRD microstructure analysis indicated the existence of bacterial CaCO3 forming in concrete after three cracking- healing cycles. Besides, these precipitated CaCO3 could become nucleations for promoting the crystallization of other cement minerals, creating a strong-bonding as multi-layer healing products to restore the damaged structure.
During a long duration, bacterial concentration in concrete was also determined by the colony counting method. Experimental results demonstrated that Bacillus subtilis natto could produce urease enzyme to break down urea in the harsh condition of lack of organic carbon source to form CaCO3 through the biomineralization process from three to seven days. Combining bacteria and nutrient-low in lightweight aggregate was an effective technique to control the release of healing fluid without adverse effects on setting and hardening properties. Consequently, the higher compressive strength and strength restoration of concrete specimens with bacteria could be obtained after a 3-cycle of cracking and once again confirmed the high self-healing ability of concrete when using bacteria in lightweight aggregate.
By microscopic image-analysis, cracks around 0.5 mm could be healed entirely from 7-day to 14-day curing. For the water vi permeability, both in the capillary absorption and water flow test, concrete specimens with bacteria show significantly better results than the reference. Also, Bacillus subtilis natto can survive to maintain its ability to form healing products for at least 10 months after three cycles of cracking-healing with considerable high bacterial concentration, which suggested that they can maintain their survival for years. In summary, the self-healing system in concrete using Bacillus subtilis natto immobilized in lightweight aggregate is a technique with reasonable manufacturing costs without environmentally unfriendly chemicals in producing the repairing materials.
Also, experimental results on mechanical behavior, water permeability, and crack closing process of concrete specimens can add to the understanding of the bio-mineralization of Bacillus subtilis natto in self-healing concrete and show this can be a promising solution with repeatable self-healing possibility for long-time using, leading to sustainable development. vii List of Figures Page Figure 1.1 Schematic description of repair mechanism through biomineralization using porous controlled release material immobilized Bacillus subtilis natto.2 Illustration of two approaches of crack repairing using bacteria in concrete and the healing products after long time. Outside treatment by spraying or injection (left) and inside treatment by adding bacteria into concrete mix through LWA (right) (a). The self-healing mechanism by activating Bacillus subtilis natto immobilized in LWA combines with natural carbonation and chemical reactions (b).3 Range of crack width for sufficient healing capacity through different self-healing approaches (De Rooij et al., 2013; Souradeep and Kua, 2016; Fernandez et al.4 The illustrated scenario develops a self-healing system using Bacillus subtilis natto immobilized in lightweight aggregate for concrete structures.5 The general strategy of research and experiment designs.1 Venn diagram of self-healing terminology according to JCI TC-075B.2 1XPEHURISXEOLFDWLRQVLQWKHZRUOG DQGLQ-DSDQSHU\HDULQWKHWRSLFRI³VHOI- KHDOLQJ FRQFUHWH´ 6RXUFH ³*RRJOH 6KRODU´ DQG ³-DSDQ 6FLHQFH DQG 7HFKQRORJ\ $JHQF\´ database.3 Expanded clay immobilized bacteria used as lightweight aggregate and SEM images in reference (Chen et al., 2020) (a), (Han et al., 2019a) (b), (Huynh et al.
Diatomite immobilized bacteria in two different type: paste (J. Wang et al., 2012) (d) and pellet (Huynh et al.4 Crack area detection by image processing: crack region definition, image binarization output, and final output (a) (Cuenca et al. Cracking measurements map within the gauge length (b) (NguyӉn et al. Surface binarization images of specimens with different crack width after different repair time (c) (Luo et al., 2015), (d) (Huynh et al.5 Ultrasonic schematic diagram (a).
The propagation time of the ultrasonic waves on the upper and lower surfaces to confirm that the repair agent filled the cracks (b) (TANAKA et al. Crack depth calculation by measuring the ultrasonic waves propagating time (c) (Alghamri et al., 2016; Mao et al. Ultrasonic wave-based technology to monitor the healing of cracks. Experimental results using Reflection analysis (d) and numerical simulation results using wave propagation (e) (Kaur et al.
Ultrasonic frequency analysis of concrete samples (f) (Yuan et al. Evaluate the change in concrete structure by the change of pulse velocity through the different directions of concrete specimens over time and the relationship with compressive strength (g) (Huynh et al.1 Self-healing mechanism by the activation of Bacillus subtilis natto immobilized in LWA (a). Mechanism of bacterial bioflms formation (b).2 Illustration of promoting bacterial CaCO3 on C-S-H crystallization to create multi- layers (a) and the formation of the crack healing materials with CaCO3 as the main component and C-S-H layers (b).3 The mechanism of the bioactivation process in LWA in the case of using lactose as the priority nutrient source (a), and urea as the only energy (b). Effects to each other of lactose and urea in two different ways of CaCO3 precipitation under bacterial metabolisms (c).
Illustration of the bacterial activities through multi cracking-healing cycles (d). Picture 1: the 1st crack appears, bacteria move and form healing materials while a part is washed away. Picture 2: the 2nd crack appears. Picture 3: the 2nd crack is healed, and the 3rd crack appears.
Picture 4: the bacteria begin to produce spores. Picture 5: spores occupy the other porous positions. Picture 6: when suitable conditions come, spores germinate and restart a new healing cycle.4 Crack healing on the surface of concrete specimen after the first (a), the second (2), and the third cracking-healing cycle (c).
Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ
Trích dẫn luận án này
Nguyen Ngoc Tri Huynh (2017). Self-healing Concrete: Bacillus Natto in Lightweight Aggregate [Luận án tiến sĩ]. LuanAn.net. https://luanan.net/ky-thuat-xay-dung-kien-truc/ky-thuat-xay-dung-dan-dung-cong-nghiep/self-healing-concrete-bacillus-natto-immobilized-lightweight-aggregate
Câu hỏi thường gặp
Luận án "Self-healing Concrete: Bacillus Natto in Lightweight Aggregate" nghiên cứu về vấn đề gì?
Self-healing concrete sử dụng Bacillus Natto trong cốt liệu nhẹ giúp tăng độ bền 30% thông qua khả năng tự vá lành vết nứt.
Luận án "Self-healing Concrete: Bacillus Natto in Lightweight Aggregate" thuộc chuyên ngành gì?
Luận án "Self-healing Concrete: Bacillus Natto in Lightweight Aggregate" thuộc chuyên ngành Civil Engineering. Danh mục: Kỹ Thuật Xây Dựng Dân Dụng & Công Nghiệp.
Luận án "Self-healing Concrete: Bacillus Natto in Lightweight Aggregate" có bao nhiêu trang?
Luận án "Self-healing Concrete: Bacillus Natto in Lightweight Aggregate" có 146 trang. Bạn có thể xem trước một phần tài liệu ngay trên trang web trước khi tải về.
Cách tải luận án "Self-healing Concrete: Bacillus Natto in Lightweight Aggregate" về máy như thế nào?
Để tải luận án về máy, bạn nhấn nút "Tải xuống ngay" trên trang này, sau đó hoàn tất thanh toán phí lưu trữ. File sẽ được tải xuống ngay sau khi thanh toán thành công. Hỗ trợ qua Zalo: 0559 297 239.