Bài báo này trình bày phương pháp sử dụng mạng nơ ron nhân tạo (ANN) để dự báo ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ thi công đến tính công tác của hỗn hợp bê tông tự lèn. Nghiên cứu được thực hiện trên các mẫu hỗn hợp bê tông có độ chảy lan khác nhau (SF1 = 650, SF2 = 710, SF3 = 795) ở 04 điều kiện khí hậu tự nhiên (ĐK1 là nồm ẩm, ĐK2 là khô hanh, ĐK3 là nóng ẩm, ĐK4 là nắng nóng). Mời các bạn tham khảo!
Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng, NUCE 2020 14 (5V): 118–128 ỨNG DỤNG MẠNG NƠ RON NHÂN TẠO DỰ BÁO ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC YẾU TỐ CÔNG NGHỆ THI CƠNG ĐẾN TÍNH CƠNG TÁC HỖN HỢP BÊ TƠNG TỰ LÈN Nguyễn Hùng Cườnga,∗, Trần Hoài Linhb , Phạm Tiến Tớia , Phạm Nguyễn Vân Phươnga a Khoa Xây dựng Dân dụng Công nghiệp, Trường Đại học Xây dựng, số 55 đường Giải Phóng, quận Hai Bà Trưng, Hà Nội, Việt Nam b Viện Điện, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, số Đại Cồ Việt, quận Hai Bà Trưng, Hà Nội, Việt Nam Nhận ngày 14/10/2020, Sửa xong 23/10/2020, Chấp nhận đăng 26/10/2020 Tóm tắt Bài báo trình bày phương pháp sử dụng mạng nơ ron nhân tạo (ANN) để dự báo ảnh hưởng yếu tố cơng nghệ thi cơng đến tính cơng tác hỗn hợp bê tông tự lèn Nghiên cứu thực mẫu hỗn hợp bê tông có độ chảy lan khác (SF1 = 650, SF2 = 710, SF3 = 795) 04 điều kiện khí hậu tự nhiên (ĐK1 nồm ẩm, ĐK2 khô hanh, ĐK3 nóng ẩm, ĐK4 nắng nóng) Các thơng số tính cơng tác bê tơng tự lèn đo thời điểm sau trộn sau 30 phút lưu giữ Thời gian khảo sát thông số bê tông tự lèn thực 120 phút kể từ sau hỗn hợp bê tông trộn xong Sử dụng mạng truyền thẳng đa lớp (MLP) huấn luyện thuật toán cổ điển Levenberg – Marquardt để xây dựng mơ hình dự báo sở thơng số thí nghiệm Kết thực cho thấy sử dụng mạng MLP lớp ẩn với nơ ron lớp ẩn thông số đầu vào (nhiệt độ môi trường, nhiệt độ bê tông, thời gian lưu giữ) dự báo thơng số tính cơng tác hỗn hợp BTTL: SF, T500 , Jring , Lbox , Vfunnel , R28 với độ xác cao, hệ số tương quan từ 0,96 – 0,99 Từ khố: bê tơng tự lèn; ước lượng phi tuyến tính; mạng truyền thẳng đa lớp; khả lấp đầy; khả chảy xuyên (vượt) qua; khả chống phân tầng THE APPLICATION OF ARTIFICIAL NEURAL NETWORK TO PREDICT THE EFFECT OF CONSTRUCTION TECHNOLOGY ELEMENTS ON THE WORKABILITY OF SELF-COMPACTING CONCRETE MIXTURE Abstract This article presents the use of Artificial Neural Network (ANN) method to predict the effect of construction technology elements on the workability of self-compacting concrete mixture The study was performed on samples of concrete mixtures with different slump flow (SF1 = 650, SF2 = 710, SF3 = 795) in natural climatic conditions (DK1: Humid, DK2: Dry, DK3: Hot and Humid, DK4: Hot and Sunny) The performance parameters of self-compacting concrete were measured at the time after mixing and at every 30 minutes of storage Self-compacting concrete parameters survey time was done within 120 minutes after the concrete mixture was mixed Using the Multi-layer Perceptron (MLP) trained by the classical algorithm Levenberg Marquardt to build a predictive model based on the tested parameters The performance results show that using the single - hidden -layer MLP with neurons on the hidden layer and input parameters (ambient temperature, concrete temperature, storage time) can predict workability parameters of self-compacting concrete mixture: SF, T500 , Jring , Lbox , Vfunnel , R28 with high accuracy, the correlation coefficient is from 0.96 to 0.99 Keywords: self-compacting concrete; nonlinear approximation; multi-layer perceptron; filling ability; passing ability; segregation resistance https://doi.org/10.31814/stce.nuce2020-14(5V)-10 © 2020 Trường Đại học Xây dựng (NUCE) ∗ Tác giả đại diện Địa e-mail: cuongnguyen.dhxdhn@gmail.com (Cường, N H.) 118 Cường, N H., cs / Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng Mở đầu Bê tông tự lèn (BTTL) loại bê tơng có độ linh động cao, tự chảy tác dụng trọng lượng thân để lấp đầy góc cạnh ván khn mà không cần đầm rung Sử dụng BTTL tạo thuận lợi công tác đổ bê tông kết cấu BTCT cơng trình lớn, u cầu chất lượng mỹ thuật cao, đặc biệt kết cấu có mật độ cốt thép dày đặc [1] Đảm bảo tính công tác hỗn hợp BTTL trước đổ vào khn có ý nghĩa quan trọng đến chất lượng, cường độ BTTL chịu ảnh hưởng trực tiếp điều kiện khí hậu Sự suy giảm tính cơng tác hỗn hợp BTTL theo thời gian dẫn đến khó khăn cho công tác đổ bê tông, làm tăng độ rỗng giảm cường độ nén BTTL [2] Việt Nam nằm khu vực nhiệt đới gió mùa, nhìn chung điều kiện khí hậu có tác động tốt cho q trình đóng rắn phát triển cường độ BTTL Tuy nhiên, năm có nhiều chu kỳ thời tiết bất lợi nắng nóng khơ hanh, biến thiên chênh lệch nhiệt độ, độ ẩm cao ngày đêm làm ảnh hưởng bất lợi đến tính cơng tác hỗn hợp BTTL [3] Một yếu tố quan trọng nhằm đảm bảo tính cơng tác hỗn hợp bê tông tự lèn cần phải dự báo xác mức độ suy giảm thơng số tính cơng tác theo yếu tố cơng nghệ thi cơng Hiện có nhiều phương pháp sử dụng toán dự báo phương pháp hồi quy, phương pháp chuỗi thời gian, hệ thống chuyên gia, máy véc tơ hỗ trợ, logic mờ Tuy nhiên, phương pháp thường không cho kết với độ xác đủ lớn, hội tụ chậm phân kỳ số trường hợp [4] Trong năm gần đây, lĩnh vực cơng nghệ nói chung cơng nghệ xây dựng nói riêng, mạng nơ non nhân tạo (ANN – Artificial Neural Networks) nghiên cứu ứng dụng để mô hình hóa quan hệ phi tuyến thơng số đối tượng [5, 6] để mô hình hóa ứng xử vật liệu Theo [4] ưu sử dụng ANN giải tốn khơng có mơ hình tốn học cụ thể đối tượng cần dự báo; đối tượng cần dự báo hàm phụ thuộc nhiều yếu tố hàm dự báo phức tạp, có quan hệ phi tuyến với yếu tố phụ thuộc Một số nghiên cứu ứng dụng mạng nơ ron nhân tạo tốn dự báo tính cơng tác hỗn hợp BTTL kể đến sau: Nehdi [7] cho thấy sử dụng phương pháp ANN để dự báo xác độ chảy lan, khả tự lèn, phân tầng cường độ BTTL theo thành phần vật liệu với sai số tuyệt đối trung bình 4, 5,7 7% Nghiên cứu cho thấy phương pháp ANN mơ hình sử dụng để đánh giá tính lưu biến đặc tính học bê tơng tự lèn, mơ hình thể tốt ảnh hưởng thành phần vật liệu đến đặc tính bê tơng tự lèn sử dụng hiệu mơ hình sản xuất chế tạo hỗn hợp BTTL nhằm hạn chế số lượng thử nghiệm; Tao Ji, cs [8] sử dụng ANN với thông số đầu vào (tỷ lệ N/X, độ dày lớp vữa, tỷ lệ chất kết dính/tro bay, thể tích cốt liệu mịn) để xây dựng mơ hình dự báo độ sụt cường độ bê tông Phương pháp thiết kế hỗn hợp bê tơng dựa lượng vữa tác giả đề xuất cho thấy giảm số lượng thử nghiệm, tiết kiệm chi phí, nhân cơng thời gian Bê tơng thiết kế theo thuật tốn đề xuất có hàm lượng xi măng nước thấp hơn, độ bền lâu cao; Yeh [9] dùng mơ hình mạng nơ ron nhân tạo (ANN) để mô tả ảnh hưởng thành phần vật liệu đến độ chảy lan hỗn hợp BTTL Trong nghiên cứu khác Yeh sử dụng ANN mơ hình phương pháp hồi quy để xây dựng mơ hình dự báo độ chảy lan hỗn hợp bê tông HPC Nghiên cứu cho thấy mơ hình ANN có độ xác nhiều so với phương pháp hồi quy [10] Kết đầu ANN nghiên cứu đưa dự báo thơng số tính cơng tác hỗn hợp bê tơng với độ xác cao Tuy nhiên, nghiên cứu nêu chưa làm rõ mức độ ảnh hưởng điều kiện khí hậu, thơng số dự báo chưa bao quát tổng thể tính công tác hỗn hợp BTTL đến nay, chưa có nghiên cứu sử dụng ANN liên quan đến tính cơng tác hỗn hợp cường độ BTTL điều kiện khí hậu Việt Nam Do đó, việc nghiên cứu phát triển mơ hình dự báo thơng số tính cơng tác hỗn hợp BTTL áp dụng mơ hình thiết kế, 119 2.1 Các thơng số tính cơng tác hỗn hợp bê tơng tự lèn Tính cơng tác hỗn hợp BTTL đặc trưng thông số kỹ thuật bản: lấp đầy (filling ability), khả chảy xuyên (vượt) qua (passing ability), khả ch tầng (segregation resistance) (Hình 1) [9] Cường, N H., cs / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng - Khả lấp đầy khả hỗn hợp bê tơng tự chảy và làm đầy ván k trọng lượng đề xuất biện pháp thi cơng vận chuyển hỗn hợp BTTL cần thiết - Khả vượt qua khả hỗn hợp bê tơng chảy qua khe hẹp mà tắc phân tầng Đặc tính này liên quan đến dịng chảy cốt liệu qua khoảng hở Cơ sở khoa học dự báo tính cơng hỗn tự lèn théptác cáchợp khu bê vựctông chật hẹp ván khuôn tiết diện đường ống bơm b - Khả chống phân tầng khả hỗn hợp BTTL chống lại phân tách củ 2.1 Các thơng số tính cơng tác hỗn hợp bê tơng tự lèn liệu thành phần để đảm bảo tính đờng hỗn hợp bê tơng Tính cơng tác hỗn hợp BTTL đặc Khả chống phân tầng trưng thông số kỹ thuật bản: khả lấp đầy (filling ability), khả chảy xuyên (vượt) qua (passing ability), khả chống Tính cơng phân tầng (segregation resistance) (Hình 1) [11] tác hỗn hợp Khả chảy Khả - Khả lấp đầy khả hỗn hợp bê BTTL xuyên qua lấp đầy tông tự chảy làm đầy ván khn trọng Hình.1 Sơ bê tơng tự lèn lượng Hình Sơ đồ thơng số tính cơng tác Các thơng sớ tính cơng tác BTTL xác định theo hướng dẫn tiêu c - Khả vượt qua khả hỗn hợp bê hợptácbêđược tôngnghiên tự lèn cứu gồm độ chảy lan S 12350 [10], thơng sớ củacủa tínhhỗn cơng tơng chảy qua khe hẹp Flow), mà không bị tắc độ nhớt (T500, Vfunnel), khả vượt qua (Lbox, Jring) và độ phân tầng SR (Seg phân tầng Đặc tính liên Resistance) quan đến dịng liệuÂu qua khoảng hở3 hợp théptheo phân loại Theochảy hướng dẫncốt Châu [11] gờm có loại hỗn BTTL lan, khuôn loại SF1:550-650mm, khu vực chật hẹp ván tiết SF2:660-750mm, diện đường ống SF3:760-850mm bơm bị giảm Giới hạn cho phép theo điề cơngnăng sớ tính cơngchống tác là: SF T50 - Khả chống phân tầng khả củathông hỗn hợp BTTL lạicác loại phânBTTL tách vật(650-800mm), liệu Vfunnel (8-12s), Lbox (0,8-1), Jring (0-10mm), Sr (5-15%) thành phần để đảm bảo tính đồng hỗn hợp bê tơng Các thơng số tính cơng tác đượccủa xác theonghệ, hướng dẫnđến củatính tiêu chuẩn ENhợp 12350 2.2.BTTL Ảnh hưởng yếuđịnh tố cơng khí hậu cơng tác hỗn bê tơng tự lèn [12], thơng số tính cơng tác nghiên cứu gồm độ chảy lan SF (Slump Flow), 2.2.1 qua Ảnh(L hưởng nhiệt độ ban đầu hỗn hợp bê tông độ nhớt (T500 , Vfunnel ), khả vượt box , Jring ) độ phân tầng SR (Segregation Resistance) độ ban củaBTTL hỗn hợp bê tông thuộc ban SF1: đầu vật liệu th Theo hướng dẫn Châu Âu [13] gồm cóNhiệt loại hỗnđầu hợp theo phânphụ loại độ vào chảynhiệt lan,độloại yếu tố khác nhiệt thủy hóa, nhiệt ma sát trộn có ảnh hưởng đáng kể đến 550-650 mm, SF2: 660-750 mm, SF3: 760-850 mm Giới hạn cho phép theo điều kiện thi công tác ban đầu hỗn hợp bê tông Ảnh hưởng nhiệt độ ban đầu nghiên cứu bở o thơng số tính cơng tác các[12], loạihỗn BTTL là: SF (650-800 T500 (8-12 s), độ chảy lan hợp bê tơng phịng thímm), nghiệm với (2-5 nhiệt s), độ V bêfunnel tông 25 C cho o Lbox (0,8-1), Jring (0-10 mm), SR nhiệt (5-15%) độ bê tông C, độ chảy lan giảm xuống 52,5cm; đặc biệt nhiệt độ bê tông ca 32oC, độ chảy lan tăng lên 67,5cm 2.2 Ảnh hưởng yếu tố cơng nghệ, đếncủa tính cơng hợpvàbêlưutơng 2.2.2 khí Ảnhhậu hưởng thời giantác vậnhỗn chuyển giữ tự lèn Tính tác hỗn hợp BTTL giảm theo thời gian vận chuyển và lưu giữ Trong a Ảnh hưởng nhiệt độ ban đầu hỗn hợpcơng bê tơng o phịng thí nghiệm nhiệt độ từ 28 đến 30 C, độ chảy hỗn hợp bị suy giảm sau 12 Nhiệt độ ban đầu hỗn hợpkhoảng bê tông phụ đến thuộc vào nhiệt độsuy bangiảm đầu phụ thuộc vật liệu thành 40mm 90mm Tốc độ nhiều vào phần lượngvà xi măng, xi m nhiều tốc độ nhanh Tốc độ đáng giá kể trị suy công yếu tố khác nhiệt thủy hóa, nhiệt masuy sátgiảm trộn có [13] ảnh hưởng đếngiảm tính tính cơng táctác hỗn h thuộccủa chủnhiệt yếu vào thời đầu gian lưu giữ hỗn hợp, bị ảnh hưởng[14], ban đầu hỗn hợp bê tông Ảnhphụ hưởng độ ban nghiên cứuvàbởi Erkmen hỗnyếu tố cấp điều kiện khí hậu Bản chất suy giảm tính cơng tác hỗn hợp BTTL theo thời gian lưu g hợp bê tơng phịng thí nghiệm với nhiệt độ bê tông 25 °C cho độ chảy lan 61 cm; nhiệt độ trình trao đổi chất hỗn hợp bê tông với môi trường xung quanh thân đông k bê tông °C, độ chảy lan giảm xuống 52,5 xi măng [14].cm; đặc biệt nhiệt độ bê tông cao khoảng 32 °C, độ chảy lan tăng lên 67,5 cm Theo khảo sát tính cơng tác hỗn hợp BTTL Vipulanandan [15] cho thấy hỗn hợ (thành phần gồmgiữ xi măng, đá, cát, nước, phụ gia siêu dẻo, tỷ lệ N/X = 0,35) có độ chảy lan b Ảnh hưởng thời gian vận chuyển lưu Tính cơng tác hỗn hợp BTTL giảm theo thời gian vận chuyển lưu giữ Trong điều kiện phòng thí nghiệm nhiệt độ từ 28 đến 30 °C, độ chảy hỗn hợp bị suy giảm sau 120 phút khoảng 40 mm đến 90 mm Tốc độ suy giảm phụ thuộc nhiều vào lượng xi măng, xi măng nhiều tốc độ suy giảm nhanh [15] Tốc độ giá trị suy giảm tính cơng tác hỗn hợp BTTL phụ thuộc chủ yếu vào thời gian lưu giữ hỗn hợp, bị ảnh hưởng yếu tố cấp phối điều kiện khí hậu Bản chất suy giảm tính cơng tác hỗn hợp BTTL theo thời gian lưu giữ trình trao đổi chất hỗn hợp bê tông với môi trường xung quanh thân đông kết hồ xi măng [16] 120 Nhiệt độ và độ ẩm môi trường hai yếu tố ảnh hưởng lớn đến tính cơng tác BTTL Ở nhiệt độ thấp, tính công tác bê tông tự lèn suy giảm nhanh Theo nghiên Chen cộng [16], điều kiện tĩnh, điều kiện nhiệt độ thấp (