Bài toán giảm khai thác tài nguyên, tận dụng phế thải xây dựng và tiết kiệm nguồn nước ngọt đang thúc đẩy nhiều hướng nghiên cứu mới trong lĩnh vực vật liệu xây dựng. Một trong những giải pháp đáng chú ý là ứng dụng công nghệ kết tủa canxi cacbonat do vi sinh vật tạo ra (MICP) nhằm cải thiện chất lượng bê tông cốt liệu tái chế sử dụng nước biển, đồng thời nâng cao khả năng tự phục hồi của vật liệu trong quá trình khai thác.
Nghiên cứu mới công bố trên tạp chí Scientific Reports cho thấy công nghệ kết tủa canxi cacbonat do vi sinh vật tạo ra có thể cải thiện đáng kể chất lượng bê tông cốt liệu tái chế sử dụng nước biển. Giải pháp này giúp tăng cường độ chịu nén, giảm độ hút nước của cốt liệu và hỗ trợ bê tông tự hàn gắn các vết nứt, mở ra hướng phát triển vật liệu bền vững cho các công trình ven biển và ngoài khơi.
Bê tông sử dụng cốt liệu tái chế sau xử lý vi sinh có khả năng tự hàn gắn các vết nứt.
Công nghệ vi sinh giúp cải thiện chất lượng cốt liệu tái chế
Nước biển được xem là nguồn tài nguyên có thể thay thế nước ngọt trong một số công trình ven biển, ngoài khơi hoặc trên các đảo, góp phần giảm áp lực lên nguồn nước sạch. Tuy nhiên, việc sử dụng nước biển trong bê tông cũng đặt ra nhiều thách thức do các ion clorua và sunfat có thể làm gia tăng nguy cơ ăn mòn cốt thép, thúc đẩy các phản ứng hóa học bất lợi và ảnh hưởng đến độ bền lâu dài của kết cấu.
Để khắc phục những hạn chế này, các nhà khoa học đã nghiên cứu ứng dụng công nghệ MICP. Phương pháp này sử dụng vi khuẩn Bacillus pasteurii để tạo ra các tinh thể canxi cacbonat, từ đó lấp đầy các lỗ rỗng và vết nứt nhỏ bên trong vật liệu, giúp cải thiện cấu trúc và độ đặc chắc của bê tông.
Trong nghiên cứu, cốt liệu bê tông tái chế và cốt liệu gạch tái chế thu hồi từ các công trình phá dỡ được lựa chọn làm vật liệu mang vi khuẩn. Cấu trúc nhiều lỗ rỗng của các loại cốt liệu này tạo điều kiện thuận lợi để vi khuẩn phát triển và hình thành các khoáng canxi cacbonat.
Kết quả thử nghiệm cho thấy phương pháp xử lý hiệu quả nhất là ngâm cốt liệu trong dung dịch chứa vi khuẩn được pha bằng nước muối có độ mặn tương đương nước biển tự nhiên trong thời gian 24 giờ.
Cải thiện cường độ chịu nén của bê tông
Các mẫu bê tông được chế tạo bằng cốt liệu đã xử lý và chưa xử lý trong nhiều điều kiện sử dụng nước ngọt hoặc nước biển để trộn và bảo dưỡng. Kết quả cho thấy xử lý vi sinh giúp cải thiện rõ rệt chất lượng cốt liệu tái chế. Sau quá trình khoáng hóa, khối lượng cốt liệu tăng lên trong khi độ hút nước giảm đáng kể, cho thấy các lỗ rỗng bên trong đã được lấp đầy bởi các tinh thể canxi cacbonat.
Hiệu quả này thể hiện rõ hơn đối với cốt liệu bê tông tái chế so với cốt liệu gạch tái chế do cấu trúc đặc chắc hơn, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình hình thành khoáng chất. Nhờ đó, bê tông sử dụng cốt liệu đã xử lý đạt cường độ chịu nén cao hơn so với các mẫu đối chứng, bất kể sử dụng nước ngọt hay nước biển trong quá trình trộn và bảo dưỡng. Trong đó, bê tông sử dụng cốt liệu bê tông tái chế tiếp tục cho kết quả vượt trội nhờ đặc tính cơ học vốn có cao hơn cốt liệu gạch tái chế.
Tuy nhiên, nghiên cứu cũng ghi nhận một điểm cần lưu ý. Đối với các mẫu vừa trộn vừa bảo dưỡng bằng nước biển, cường độ chịu nén có xu hướng giảm trong giai đoạn từ 28 đến 56 ngày. Theo nhóm nghiên cứu, các phản ứng do ion clorua gây ra có thể làm tiêu hao canxi hydroxit, hình thành các hợp chất không mong muốn và tạo ra các vi nứt trong vật liệu, từ đó ảnh hưởng đến hiệu quả khoáng hóa ở giai đoạn sau.
Khả năng tự hàn gắn mở ra triển vọng cho công trình ven biển
Ngoài việc nâng cao cường độ chịu nén, công nghệ MICP còn giúp cải thiện đáng kể khả năng tự hàn gắn các vết nứt của bê tông. Trong suốt thời gian theo dõi, các mẫu sử dụng cốt liệu chưa xử lý hầu như không xuất hiện hiện tượng tự phục hồi. Ngược lại, các mẫu đã xử lý bằng vi sinh dần hình thành các tinh thể canxi cacbonat trên bề mặt vết nứt, giúp các khe nứt được lấp kín theo thời gian.
Đáng chú ý, các mẫu được tạo vết nứt sau 56 ngày bảo dưỡng cho tốc độ phục hồi nhanh nhất khi các tinh thể canxi cacbonat xuất hiện chỉ sau một ngày bảo dưỡng trong không khí. Sau 91 ngày, bê tông có thể tự hàn gắn hoàn toàn các vết nứt có chiều rộng lên tới 0,5 mm.
Phân tích cấu trúc vi mô cũng xác nhận sự hình thành của các tinh thể canxi cacbonat trong bê tông. Đối với cốt liệu bê tông tái chế, dạng khoáng chủ yếu được ghi nhận là calcit, loại tinh thể ổn định nhất của canxi cacbonat. Trong khi đó, cốt liệu gạch tái chế hình thành nhiều tinh thể vaterit và aragonit hơn. Theo nhóm nghiên cứu, sự khác biệt này bắt nguồn từ môi trường có độ pH cao hơn trong cốt liệu bê tông tái chế, tạo điều kiện thuận lợi cho sự hình thành calcit.
Kết quả nghiên cứu cho thấy công nghệ MICP có tiềm năng nâng cao chất lượng bê tông cốt liệu tái chế sử dụng nước biển thông qua việc cải thiện chất lượng cốt liệu, tăng cường cường độ chịu nén và thúc đẩy khả năng tự hàn gắn vết nứt mà không cần can thiệp từ bên ngoài.
Theo các nhà nghiên cứu, cần tiếp tục đánh giá độ bền lâu dài của vật liệu cũng như tối ưu hoạt động của vi sinh vật trong điều kiện tiếp xúc liên tục với môi trường biển. Nếu được hoàn thiện và kiểm chứng trong thực tế, công nghệ này có thể góp phần mở rộng ứng dụng cốt liệu tái chế, giảm tiêu thụ tài nguyên thiên nhiên, kéo dài tuổi thọ công trình và thúc đẩy phát triển các giải pháp vật liệu xây dựng bền vững.
BuilData (TH/ Azobuild)
