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

BÊ TÔNG TỰ LÀNH, SELFHEALING CONCRETE, JEFF HONKERS, ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ĐHBK TPHCM, ĐẠI HỌC BK TPHCM, NUCE, XÂY DỰNG, TRẦN NHẬT MINH, VÕ THANH HUY, BÙI CHÍ CƯỜNG, HUỲNH MINH TUẤN, LÝ ĐĂNG KHOA, TIẾNG CHIM HÓT TRONG BỤI MẬN GAI, THỦY SINH, HYGROPHILA PINNATIFIDA, THUNDER, SINH HỌC, TIỂU LUẬN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HỒ CHÍ MINH

BÊ TÔNG TỰ PHỤC HỒI NHỜ VI KHUẨN

GV: NGUYỄN KIM MINH TÂM

LỚP: DT01

Mục lục

CHƯƠNG I: CÔNG NGHỆ SINH HỌC TRONG THI CÔNG 1

1 Về công nghệ sinh học: 1

1.1 Công nghệ sinh học là gì ? 1

1.2 Mức độ ứng dụng của công nghệ sinh học trong thi công 2

2 Vi sinh vật yếm khí và ứng dụng của chúng trong công nghệ sinh học xây dựng 3

2.1 Vi sinh vật kỵ khí là gì ? 3

2.2 Sử dụng vi khuẩn yếm khí trong công nghệ sinh học xây dựng 5

2.3 Các nhóm vi khuẩn lớn phù hợp cho quá trình sinh học xây dựng 5

CHƯƠNG 2: BÊ TÔNG TỰ PHỤC HỒI NHỜ VI KHUẨN 9

1 Bê tông trong xây dựng 9

1.1 Bê tông 9

1.2 Các yếu tố gây nứt gãy bê tông 10

2 Bê tông tự hồi phục nhờ vi khuẩn 12

2.1 Vì sao cần bê tông tự phục hồi ? 12

2.2 Tự động hồi phục 13

2.3 Lựa chọn vi khuẩn phù hợp 15

2.4 Cách thức hoạt động của bê tông tự phục hồi 17

2.5 Một số bất lợi 20

CHƯƠNG 3: KẾT LUẬN 21

Nguồn tham khảo 22

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

 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(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

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 đóng vai trò tối quan trọng trong cuộc sống

con người

 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

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 phảnứng 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 hạtđất 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 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 lýnước 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 haysinh 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

Biocementation(kết dính đất) và Bioclogging (lấp các lỗ

rỗng)

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

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 dựngCác 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, 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

 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 nhấttrong 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

Vi khuẩn khử nitrate 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.

 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 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

Xạ khuẩn dưới kính hiển vi

Vi khuẩn oxy hóa sắt làm mạch ngước

ngầm có màu nâu đỏ

Tảo lam dưới kính hiển vi

Tảo lam ở sông

CHƯƠNG 2: BÊ TÔNG TỰ PHỤC HỒI NHỜ VI

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 vàoviệc 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 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 tôngvẫn 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 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 bởivùng bên trong tạo ra lực kéo vượt quá sức bền bê tông, gây ra nứt vỡ

 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