Đang tải... (xem toàn văn)
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
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 Hoàng Đức Tuấn Anh 1610041 Bùi Chí Cường 1610343 Phạm Đơng Hồ 1611204 Trần Nhật Minh 1612053 Huỳnh Minh Tuấn 1613880 Mục lục CHƯƠNG I: CÔNG NGHỆ SINH HỌC TRONG THI CƠNG Về cơng nghệ sinh học: 1.1 Cơng nghệ sinh học ? Cơng nghệ sinh học ngành khoa học-kỹ thuật nghiên cứu cách sử dụng hệ vi sinh vật sản phẩm chúng quy trình cơng nghiệp cỡ lớn Tùy vào ngành mà công nghê sinh học vi khuẩn chia thành: • Cơng nghệ sinh học thực phẩm, xuất từ thời cổ đại sản xuất bánh mì, rượu, bia, phơ mai, sữa chua, rau củ chua, ướp lên men,v.v, đóng vai trị lớn sống thường ngày • Cơng nghệ sinh học y khoa thú y, với sản xuất quy mô công nghiệp loại kháng sinh, vắc-xin dược phẩm khác, với loại men vi sinh – vi sinh vật sống để tăng cường hoạt động sinh lý học thể người hay động vật Công nghệ sinh học y khoa kết hợp công nghệ gen, công nghệ sinh học tế bào nhiều ngành khoa học khác, tạo đột phá y học • Cơng nghệ sinh học mơi trường, trì trường bền vững sử dụng q trình • vi sinh nước, nước thải, đất bị ô nhiễm, không khí bị nhiễm Cịn có lĩnh vực phát triển nơng nghiệp (phân bón sinh học), khai khống Cơng nghệ sinh học mơi trường đóng vai trị tối quan trọng sống người (xói mịn sinh học kim loại) lượng (sản xuất nhiên liệu sinh học) 1.2 Mức độ ứng dụng công nghệ sinh học thi công Công nghệ sinh học ứng dụng vào sản xuất vật liệu kết cấu nhờ vào lý do: • • Chi phí thấp sử dụng khai khống chất thải hữu dạng vật liệu thơ Chí phí thấp so với sản phẩm công nghiệp hóa học sử dụng cơng nghệ đơn • • giản tốn lượng Mức độ độc hại vật liệu sinh học thấp so với vật liệu hóa học Tính bền vững sản xuất công nghệ sinh học Công nghệ sinh học cơng trình thường đường ứng dụng địa kỹ thuật để tìm kiếm kết tụ sinh học, tắc nghẽn sinh học kết dính sinh học đất xốp hay mảnh đá nứt vỡ chỗ lý nêu trên, có đặc điểm quan trọng như: • Khả điều khiển tỉ lệ phản ứng sinh hóa chỗ gây độ đậm đặc hay hoạt • • động enzyme khối vi sinh Khả phân chia chỗ tế bào vi sinh Xử lý môi trường phương pháp sinh học cộng đồng chấp nhận phương • pháp hóa học Độ nhớt thấp dung dịch vữa sinh học, dung dịch kết dính sinh học độ sâu thấm dung dịch đấp xốp hay mảnh đá nứt vỡ Tuy nhiên, kết hợp phương pháp cơng nghệ sinh học, hóa học học hiệu nhiều so với áp dụng loại phương pháp Vậy nên, việc kết hợp vật liệu sinh học với hóa học cơng nghệ với tối ưu máy móc khí đảm bảo phát triển hiệu công nghệ Gần khơng có q trình sinh học mà khơng có đồng hành q trình hóa học học cơng nghệ sinh học xây dựng Vi sinh vật yếm khí ứng dụng chúng công nghệ sinh học xây dựng 2.1 Vi sinh vật kỵ khí ? Vi sinh vật yếm khí sinh vật khơng cần cung cấp oxy q trình tăng trưởng, phản ứng tiêu cực chí tử vong có oxy diện Một vi sinh vật yếm khí đơn bào, vi khuẩn 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 có • mặt oxy, sử dụng lên men hơ hấp yếm khí để tạo lượng Vi sinh vật yếm khí khơng bắt buộc (Anaetolerant Organism) , không sử dụng oxy để tăng trưởng, chịu diện nó, khơng sử dụng q trình lên men tạo • lượng Vi sinh vật yếm khí tùy ý ( Facultive anaerobe) , phát triển khơng cần oxy, sử dụng oxy có, khơng có oxy sử dụng men hơ hấp yếm khí Vi khuẩn yếm khí lên men dính dáng đến q trình kết dính hạt đất có mặt canxi, ma-giê, ion sắt Các carbonate hydroxide khơng tan kim loại ngưng tụ, từ dính hạt đất lại với lấp đầy lỗ đất Tuy nhiên, vi khuẩn làm giảm mạnh độ pH tạo thành axit hữu trình lên men carbonhydrate, điều không cản trở ngưng tụ carbonate mà chí cịn hịa tan carbonate hydroxide chúng dính chặt hạt đất lấp đầy lỗ rỗng Các axit hữu cơ, khí hidro, ancol sản xuất vi khuẩn lên men yếm khí từ đường polysaccharide monosaccharide sử dụng dạng chất cho electron vi khuẩn hơ hấp yếm khí Một ví dụ, nhóm vi khuẩn khử sắt, sử dụng sản phẩm lên men dạng chất cho electron để sản xuất ion sắt II hòa tan qua việc khử hợp chất sắt III không tan Sự khử sắt III vi sinh vật gây áp dụng công nghệ sinh học môi trường để xử lý nước ngầm nước thải Về lý thuyết, q trình sử dụng cho kết dính đất, vi khuẩn khử sắt có sản xuất ion Fe2+ chỗ từ nguồn sắt III có sẵn sản phẩm q trình lên men yếm khí chất thải hữu Các ion sắt khử phương pháp hóa học hay sinh học Sản phẩm trình oxy hóa hydroxide sắt khơng tan carbonate sắt không tan, giúp bịt lỗ rỗng đất dính chặt hạt đất với Vi sinh vật yếm khí tùy ý coi tác nhân sinh học thích hợp cho kết dính lấp đầy lỗ rỗng đất nhiều lồi có khả sản xuất lượng lớn polysaccharide ngoại bào (extracellular polysaccharide), thường tăng cường hình thành kết tụ tế bào tăng trưởng điều kiện hiếu khí hay yếm khí Đặc tính cuối vi khuẩn yếm khí tùy ý quan trọng xử lý sinh học đất chỗ, mà lượng oxy bị hạn chế độ rỗng đất vùng yếm khí hay hiếu khí tồn đất Vi khuẩn Enterobacter, loại vi khuẩn yếm khí tùy ý điển hình 2.2 Sử dụng vi khuẩn yếm khí cơng nghệ sinh học xây dựng Việc sử dụng vi khuẩn yếm khí phức tạp diện oxy lớp đất nhạy cảm vi khuẩn yếm khí oxy Thay vào đó, vi khuẩn hiếu khí sử dụng cho việc lấp lỗ rỗng đất kết dính hạt đất, vấn đề kỹ thuật lớn gặp phải cung cấp đủ khơng khí vào đất Nếu tốc độ cung cấp khí oxy vào đất thơng qua lưu thơng khuếch tán khí khơng đủ, có hình thành lớp vùng yếm khí, vi khuẩn hiếu khí khơng hoạt động Vì vậy, từ góc nhìn kỹ thuật sinh học, nhóm sinh lý thích hợp cho việc lấp đầy đất kết dính hạt đất chỗ vi khuẩn yếm khí tùy ý, có khả hoạt động điều kiện hiếu khí yếm khí Tùy vào điều kiện yêu cầu dự án xử lý đất thực tế, người thực kỹ thuật thay đổi điều kiện yếm khí hay hiếu khí chỗ để đảm bảo tính liên tục q trình địa hóa sinh học yếm khí-hiếu khí thuận lợi cho lấp đầy kết dính đất 2.3 Các nhóm vi khuẩn lớn phù hợp cho q trình sinh học xây dựng Các nhóm prokaryote lớn có tầm quan trọng cho Cơng nghệ sinh học: • Vi khuẩn lên men yếm khí Gram-âm tính Gram-dương tính, ví dụ giống Clostridum, Biocementation(kết dính đất) Bioclogging (lấp lỗ rỗng) thực giai đoạn tiêu hóa yếm khí chất thải hữu thủy phân polymer sinh học lên men monomer Axit hữu sản xuất vi khuẩn dùng cho hịa tan đá vơi dolomite, sản xuất muối canxi ma-giê, thành phần quan • trọng cho kết dính sinh học Vi khuẩn khử sulfate sử dụng hợp chất hữu làm chất cho electron sulfate nguyên tố lưu huỳnh làm chất nhận electron Dihydro Sulfua H2S sản phẩm độc hại • q trình này, ngưng tụ hầu hết kim loại dạng sulfit không tan Vi khuẩn khử nitrate, khử nitrate thành khí ni-tơ sử dụng chất cho electron hữu hay vô Chúng sử dụng cho việc giảm bão hòa cát bão hòa nước, đất nhiều lỗ rỗng, đá nứt vỡ điều kiện khơng có oxy, lấp đầy đất sử dụng polysaccharide ngoại bào chỗ Vi khuẩn khử nitrate kính hiển vi • Vi khuẩn khử sắt khử hợp chất sắt III sản xuất ion sắt hòa tan Các ion bị oxy hóa mơi trường hiếu khí, tạo hydroxide sắt khơng tan Vi khuẩn • sử dụng cho lấp đầy đất rỗng Vi khuẩn yếm khí tùy ý tạo bùn có hoạt động ure, sử dụng cho kết tụ, kết dính • lấp đầy lỗ đất Sự tăng trưởng vi khuẩn vi khí dạng sợi đất thơng thống tạo màng sinh học • Vi khuẩn hiếu khí dị dưỡng Gram-âm tính hoạt động mạnh sản xuất polysaccharide ngoại bào, sử dụng làm phụ gia Ví dụ giống Bacillus, quan trọng cải thiện đất Bacillus chiếm ưu xử lý hiếu khí nước thải chất • thải rắn giàu polymer tinh bột protein Xạ khuẩn vi khuẩn dạng sợi hiếu khí dị dưỡng Gram-dương tính làm biến chất polymer sinh học tự nhiên góp phần hình thành màng sinh học Xạ khuẩn kính hiển vi • Vi khuẩn nitrate hóa sản xuất axit nitric, axit có khả ảnh hưởng kết tinh silicate gây ăn mòn mạnh 10 • Vi khuẩn hóa dưỡng oxy hóa lưu huỳnh khử oxy hóa hợp chất lưu huỳnh tạo thành axit • sulphuric- chất ăn mịn mạnh, ảnh hưởng kết tính silicate canxi sunphat Vi khuẩn oxy hóa sắt có khả oxy hóa sắt II mơi trường axit trung tính Sự kết • tinh sắt hydroxide sử dụng lấp đầy lỗ rỗng đất Vi khuẩn lam prokaryote sản xuất oxy quang hợp tảo eukaryote có khả Vi khuẩn oxy hóa sắt làm mạch ngước ngầm có màu nâu đỏ quang hợp, sử dụng nước dạng chất cho electron Sử dụng kết tụ sinh học tạo thành lớp vỏ cho đất Tảo lam sông Tảo lam kính hiển vi 16 2.2 Tự động hồi phục Các cơng trình bê tơng thiết kế dựa theo tiêu chuẩn có sẵn, cho phép nứt tối đa rộng 0.2mm Những vết nứt nhỏ nhìn chung chấp nhận được, không trực tiếp ảnh hưởng đến độ an tồn sức bền cơng trình Hơn nữa, vết nứt nhỏ đôi lúc tự lành lại nhiều loại bê tơng có đặc tính tự hồi phục Nghiên cứu cho thấy gọi “tự hồi phục” liên quan mật thiết đến hạt xi măng khô hỗn hợp bê tông ban đầu Khi vết nứt hình thành, nước phản ứng với hạt này, lấp đầy vết nứt nhỏ Tuy nhiên, rị nước q trình hình thành vết nứt nhỏ xảy cơng trình đất Tại Việt Nam, người ta thường sử dụng phương pháp trộng thêm xi măng khô vào hỗn hợp Khi vết nứt xuất nước thâm nhập vào trộn với xi măng khô, lấp đầy vết nứt, đồng thời CO hòa tan phản ứng với ion Ca2+ tạo tinh thể CaCO3 Tuy nhiên, hai chế hàn lại vết nứt nhỏ co ngót dẻo tạo Trong thí nghiệm khả phục hồi nứt bê tông Viện nghiên cứu Delft quan sát thấy khả tự hồi phục truyền thống nhờ hạt xi măng khô 30% 100% với tự hồi phục vi khuẩn với vết nứt 0.2mm Với vết nứt lên tới 0.5mm, vi khuẩn có khả hồi phục hồn tồn vết nứt Ở vết nứt có động rộng 0.15mm, hồi phục truyền thống hàn lại vết nứt nguyên vẹn, thành công phần 17 Đối với hồi phục vi khuẩn, vết nứt 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 giống vi khuẩn sống sót mơi trường độ kiềm cực cao Hỗn hợp xi măng nước có độ pH lên đến 13, môi trường nguy hại cho phần lớn sống: phần lớn vi sinh vật chết độ pH lớn 10 Cơng tìm kiếm lồi vi sinh sống mạnh mẽ mơi trường kiềm tập hồ nước kiềm Nga, đất giàu carbonate số khu vực sa mạc Tây Ban Nha hồ muối soda Ai Cập Hồ Natron Tanzania Các mẫu vi khuẩn sống đá thu thập mẫu vi khuẩn tìm thấy lớp trầm tích hồ Mẫu chứa giống vi khuẩn Bacillus quan sát thấy phát triển mạnh môi trường độ kiềm cao Nhiều loại vi khuẩn khác đưa vào khối bê tông nhỏ Mỗi khối để yên tháng Sau đó, khối mẫu nghiền ra, kiểm tra xem liệu giống vi khuẩn thí nghiệm có sống sót khơng Các mẫu thử 19 Quan sát thấy khối chứa giống Bacillus tồn tại, sản xuất bào tử hình dạng giống hạt giống trồng Những bào tử có thành dày, có khả tồn đến 200 năm, chờ gặp môi trường tốt để nảy mầm Chúng kích hoạt bê tơng nứt ra, thức ăn trở nên sẵn có nước lọt vào kết cấu Qúa trình làm giảm độ pH 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 sống sót bê tơng tốn nhiều thời gian Nhiều loại dinh dưỡng thử nghiệm canxi lactat phát hiện, nguồn cung carbon cho sinh khối Nếu hòa tan trộn hỗn hợp bê tông, canxi lactat xé không can thiệp vào thời gian khô bê tông Bào tử khuẩn Bacillus kính hiển vi (độ phóng đại 15000 lần) 20 2.4 Cách thức hoạt động bê tông tự phục hồi Bê tông tự phục hồi vết nứt đá vôi sản xuất trình sống vi khuẩn Bacillus Vi khuẩn sử dụng nguồn dinh dưỡng Canxi lactat, với ni tơ phốt trộn sẵn hỗn hợp bê tơng Các chất hồi phục nằm ngủ bê tông tới 200 năm Tuy nhiên, bê tông bị phá vỡ nước bắt đầu tràn vào khe nứt Các bào tử vi khuẩn nảy mầm, tiếp xúc với nước dinh dưỡng có sẵn Khi kích hoạt, vi khuẩn bắt đầu ăn canxi lactat Khi canxi lactat tiêu thụ, oxy sử dụng, canxi lactat chuyển biến thành đá vơ khơng tan Đá vơi sau đơng cứng bền mặt khe nứt, nút chặt vết nứt lại Qúa trình tương tự trình liền xương thể người, tự hồi phục nhờ tế bào xương Sự tiêu thụ oxy trình vi khuẩn chuyển đổi canxi lactat thành đá vơi có lợi thế( có thêm tác dụng?), oxy cực quan trọng cho ăn mòn thép, hoạt động vi khuẩn tiêu thụ hết oxy bịt kín nguồn oxy đó, vơ hình trung ta tăng cường độ bền cốt thép cấu kiện Phương trình: 21 Tốc độ tạo CaCO3 cực nhanh Hai thành phần gồm bào tử vi khuẩn dinh dưỡng canxi lactat đưa vào bê tơng hạt đất sét kích thước khoản 2-4 mm, đảm bảo bào tử không nảy mầm trình trộn hỗn hợp diễn Chỉ vết nứt làm vỡ hạt đất sét, bào tử tiếp xúc với nước dinh dưỡng để phát triển Thử nghiệm cho thấy nước lọt vào bê tông, vi khuẩn nảy mầm sinh sản mạnh Chúng biến đổi dinh dưỡng thành đá vơi vịng ngày ( mơi trường phịng thí nghiệm) Ngồi ra, nhiệt độ tháp hơn, q trình diễn 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 chướng ngại cần vượt qua để loại bê tông sinh học phát triển năm tới: • Hạt đất sét giữ tác nhân hồi phục chiếm đến 20% thể tích khối bê tơng 20% thường chứa cấp phối cứng sỏi Đất sét lại yếu nhiều so với cấp phối thường dùng, điều khiến sức bền bê tông giảm 25% đặc biệt giảm tính chịu nén cấu kiện Trong nhiều cấu trúc, điều không vấn đề nan giải, nhà cao tầng cơng trình cầu cảng, khả chịu lực nén quan trọng, loại bê tơng • khơng khả thi Giá loại bê tông sinh học gấp đôi so với bê tơng thơng thường cịn mẻ, chưa sản xuất quy mô lớn Điều khiến cho quy mơ khách hàng thu hẹp lại cơng trình định cơng trình hải qn, đường hầm, nơi cần yếu tố an toàn cực cao cơng trình khó sửa chữa bảo dưỡng 24 CHƯƠNG 3: KẾT LUẬN Bê tông tự phục hồi vi khuẩn bước tiến lớn ngành kỹ thuật xây dựng Trong nhiều năm tới, loại bê tông sinh học góp phần giảm thiểu mối nguy hại từ vết nứt cơng trình, giảm thiểu tai nạn khơng đáng có bất ngờ Nhìn trước tiềm bê tơng tự phục hồi, giới có nhiều cơng ty đầu tư R&D để mang sản xuất quy mô lớn Tiến đến việc loại bỏ hạt đất sét mà sử dụng 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 tiếng Việt [6] Nguyen-Cote, D., 2014, Evaluating Cracking in Concrete: Procedures, GIATEC ... tất thành khối cứng đá Có loại bê tơng phổ biến là: bê tông tươi, bê tông nhựa, bê tông Asphalt, bê tông Polyme loại bê tông đặc biệt khác Về sức bền vật lý, bê tông chịu lực nén tốt khả chịu... trình sinh học mà khơng có đồng hành q trình hóa học học công nghệ sinh học xây dựng Vi sinh vật yếm khí ứng dụng chúng cơng nghệ sinh học xây dựng 2.1 Vi sinh vật kỵ khí ? Vi sinh vật yếm khí sinh. .. lục CHƯƠNG I: CÔNG NGHỆ SINH HỌC TRONG THI CƠNG Về cơng nghệ sinh học: 1.1 Cơng nghệ sinh học ? Cơng nghệ sinh học ngành khoa học- kỹ thuật nghiên cứu cách sử dụng hệ vi sinh vật sản phẩm chúng