3.2.1. Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ chịu nén
Cường độ chịu nén bê tông chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố chính như sau: thành phần cấp phối [8], tuổi bê tông [14], phương pháp chế tạo bê tông [8], điều kiện dưỡng hộ và mẫu thí nghiệm [14] (Biểu đồ xương cá Ishikawa Hình 3.2).
Điều kiện dưỡng hộ Cấp phối
Nhiệt độ Mẫu hình trụ Chất kết dính Độ ẩm Nước Cốt liệu lớn Phụ gia Cường độ chịu nén bê tông (B10-B45) Thủ công
Mẫu khối vuông
Bằng máy
Mẫu thí nghiệm Phương pháp chế tạo bê tông Tuổi bê tông
Hình 3.2. Các yếu tố chính ảnh hưởng cường độ chịu nén bê tông
Tất cả các yếu tố trong Hình 3.2 đều ảnh hưởng đáng kể đến cường độ chịu nén của bê tông, tuy nhiên nếu đưa tất cả các yếu tố này vào cùng một mô hình để đánh giá ảnh hưởng đến cường độ chịu nén thì bài toán sẽ rất phức tạp. Vì vậy, các nghiên cứu thường chỉ xét ảnh hưởng của một đến hai yếu tố trong Hình 3.2 đến cường độ chịu nén, còn các yếu tố khác được xem như không thay đổi.
3.2.2. Xây dựng quy trình và bộ dữ liệu thực nghiệm3.2.2.1. Xây dựng quy trình thực nghiệm 3.2.2.1. Xây dựng quy trình thực nghiệm
Đối với các loại bê tông thường gặp, đã có đầy đủ quy trình thực nghiệm để xác định cường độ chịu nén bê tông [8]. Tuy nhiên, với bê tông sử dụng các cấp phối mới, đặc biệt với các vật liệu phế phẩm tro bay và bột đá, các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng bê tông sẽ tăng lên, nên việc lựa chọn và thiết kế quy trình
Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến cường độ chịu nén, tuy nhiên mục tiêu của Luận án là nghiên cứu ảnh hưởng của các thành phần vật liệu, đặc biệt là vật liệu phế phẩm tro bay và bột đá ảnh hưởng như thế nào đến cường độ chịu nén. Do vậy, Luận án chỉ nghiên cứu ảnh hưởng của cấp phối đến cường độ chịu nén bê tông, các điều kiện khác được giả thiết thực hiện theo các điều kiện thường gặp như: mẫu thử là mẫu hình khối vuông cạnh 15cm, tuổi bê tông chịu nén ở tuổi 28 ngày, điều kiện dưỡng hộ và chế tạo được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Kết cấu công trình, trường Đại học Bách khoa.
Trong các yếu tố cấp phối, phụ gia chế tạo bê tông có rất nhiều loại, do vậy để không bị nhiễu kết quả, Luận án không xét đến phụ gia trong nghiên cứu. Từ đó, các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ chịu nén bê tông sẽ được đưa vào nghiên cứu gồm có cát, bột đá, đá dăm, xi măng, tro bay và nước.
Dựa trên chỉ dẫn của Bộ xây dựng [8] về lựa chọn cấp phối, để chế tạo bê tông đạt cấp độ bền chịu nén từ B10 đến B45, các thành phần vật liệu cơ sở để chế tạo bê tông được thể hiện trong Bảng 3.7.
Bảng 3.7. Thành phần vật liệu cơ sở
Cốt liệu bé
Cốt liệu lớn (đá dăm)
Chất kết dính
Nước
Bảng 3.7 cho thấy, chất kết dính có khoảng biến thiên (so với hàm lượng tối đa của vật liệu này) là lớn nhất: 58,9%, tiếp theo cốt liệu bé: 32,2%, nước: 17,4% và cốt liệu lớn biến thiên ít nhất: 8,3%. Điều này cũng cho thấy cường độ chịu nén chịu
ảnh hưởng nhiều nhất của chất kết dính, tiếp theo đến cốt liệu bé, nước và cốt liệu lớn ảnh hưởng ít nhất.
Để xác định số lượng mẫu cần phải thực hiện, nghiên cứu sử dụng phương pháp qui hoạch thực nghiệm. Do chất kết dính biến thiên nhiều nhất, nên số mức thay đổi được chọn là 4 mức; với nước và cốt liệu bé, số mức thay đổi là 3 mức; cốt liệu lớn ít biến đổi nên số mức thay đổi được chọn là 2 mức (Bảng 3.8).
Bảng 3.8. Vật liệu thành phần và các mức thay đổi hàm lượng của vật liệu
Ký hiệu
A B C D
Số lượng cấp phối thí nghiệm được xác định theo phương pháp thiết kế thực nghiệm đa yếu tố (full factorial) như sau:
ố ấ ℎố = 21 × 32 × 41 = 72
Từ quá trình phân tích như trên, một quy trình thực nghiệm để xác định cường độ chịu nén bê tông được xây dựng gồm các bước như sau (Hình 3.3).
• Bước 1: Xây dựng bảng cấp phối cho các mẫu thí nghiệm.
• Bước 2: Thực hiện chế tạo và dưỡng hộ mẫu.
• Bước 3: Tiến hành đo đạc và xây dựng bộ dữ liệu thực nghiệm.
Xây dựng bảng cấp phối cho
các mẫu thí nghiệm
Xây dựng bộ dữ liệu thực nghiệm
Bước 1 Bước 2 Bước 3
3.2.2.2. Xây dựng bảng cấp phối cho các mẫu thực nghiệm
Dựa trên thành phần vật liệu và các mức thay đổi vật liệu đã lựa chọn ở Bảng 3.8, vật liệu thành phần của 72 cấp phối bê tông được thể hiện như Bảng 3.9 và chi tiết đầy đủ các cấp phối được thể hiện trong Phụ lục 5.1.
Bảng 3.9. Thành phần vật liệu 72 cấp phối bê tông
Cấp Diễn giải phối 1 2 3 … 71 72
3.2.2.3. Chế tạo mẫu thử và dưỡng hộ
Quá trình chế tạo mẫu thử được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Kết cấu công trình thuộc Khoa Xây dựng Dân dụng và Công nghiệp, Trường Đại học Bách khoa. Hình ảnh đo đạc độ sụt bê tông được thể hiện ở Hình 3.4a và kết quả độ sụt bê tông của 72 cấp phối được thể hiện ở Phụ lục 5.2. Theo hướng dẫn của Bộ xây dựng [8], chỉ dẫn về độ sụt bê tông khi chế tạo các cấu kiện thông thường có độ sụt từ 3cm đến 12cm. Tất cả các cấp phối trong nghiên cứu khi chế tạo đều có độ sụt bê tông nằm trong khoảng độ sụt như trên.
Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5574:2018 [14] về thiết kế kết cấu bê tông và bê tông cốt thép, qui định mẫu thí nghiệm để xác định cường độ chịu nén bê tông là mẫu hình lập phương có cạnh bằng 15cm. Sau khi chế tạo, mẫu thử được dưỡng hộ tại phòng thí nghiệm với nhiệt độ đo được trong quá trình dưỡng hộ là 25±20C và
a) Đo độ sụt b) Khuôn chế tạo c) Dưỡng hộ mẫu Hình 3.4. Chế tạo và dưỡng hộ mẫu bê tông
3.2.2.4. Xây dựng bộ dữ liệu thực nghiệm
a. Đo vận tốc xung siêu âm UPV
Theo TCVN 9357-2012 [13], có 3 cách để đặt đầu dò: hai đầu dò đặt trên 2 mặt đối diện nhau (truyền trực tiếp), hai đầu dò đặt trên hai mặt vuông góc (truyền bán trực tiếp) và hai đầu dò đặt trên cùng một bề mặt (truyền gián tiếp) (Hình 3.5a). Vận tốc xung siêu âm trong nghiên cứu được đo theo cách truyền trực tiếp (Hình 3.5b) và kết quả giá trị UPV ở tuổi 28 ngày được trình bày trong Phụ lục 5.3.
(1) Trực tiếp (2) Bán trực tiếp (3) Gián tiếp
a) Phương pháp đo UPV b) Đo đạc UPV
Hình 3.5. Đo vận tốc xung siêu âm UPV
b. Xác định tỉ lệ suy giảm biên độ sóng siêu âm
Để thu nhận tín hiệu dạng sóng của sóng siêu âm, thiết bị được kết nối với máy tính thông qua phần mềm Latis-Pro (Được trình bày chi tiết ở Mục 2.3.4, Chương 2). Tín hiệu sóng được thu nhận theo hai phương vuông góc với nhau và vuông góc với phương thẳng đứng. Kết quả biên độ sóng qua mẫu sẽ được lấy là giá trị trung bình của hai phương.
Đối với cấp phối 5 (Phụ lục 5.1): Từ tín hiệu dạng sóng thu được từ nguồn phát (Hình 3.6), gọi biên độ của sóng phát là A1 và xác định được A1=20volt; Tín hiệu dạng sóng thu theo phương 1 và phương 2 (Hình 3.7), xác định được biên độ A2-P1 của sóng thu theo phương 1 là 6,32volt và biên độ A2-P2 theo phương 2 là 7,56volt, từ đó giá trị trung bình biên độ dạng sóng qua mẫu theo hai phương là 6,94volt. Tỉ
lệ suy giảm biên độ sóng siêu âm qua khi mẫu sẽ là: A A
0,347 . Bằng cách
tương tự, xác định được tỉ lệ suy giảm biên độ sóng siêu âm ứng với 72 cấp phối bê tông và kết quả được thể hiện ở Phụ lục 5.4.
Vo lt Bi ên đ ộ, 1
Hình 3.6. Xác định biên độ của nguồn phát sóng
Bi ên đ ộ, v ol t 4 1 -2 -4
Thời gian, mili giây
Bi ên đ ộ, v ol t 6 4 2 0 -2 -4 A2 -P 2 1 14
Thời gian, mili giây
Hình 3.7. Xác định biên độ sóng qua mẫu thuộc cấp phối 5
c. Xác định khối lượng riêng của các mẫu bê tông
Ở tuổi 28 ngày, tiến hành cân mẫu, xác định được khối lượng riêng của 72 mẫu và kết quả khối lượng riêng bê tông của các mẫu được thể hiện ở Phụ lục 5.5.
d. Xác định mô-đun đàn hồi của các mẫu bê tông
vận tốc xung siêu âm. Kết quả mô-đun đàn hồi bê tông của các mẫu thể hiện trong Phụ lục 5.6.
e. Xác định cường độ chịu nén của các mẫu bê tông
Máy nén bê tông được sử dụng là máy nén thủy lực SYE-2000A (Hình 3.8), cường độ nén lớn nhất là 200tấn. Cường độ nén được xác định theo biểu thức sau đây [14]:
R = P
A Trong đó: R là cường độ nén của bê tông (daN/cm2), P là lực nén (daN) và A
là diện tích tiết diện mẫu (cm2).
Kết quả cường độ chịu nén 72 mẫu được trình bày trong Phụ lục 5.7.
Hình 3.8. Nén mẫu xác định cường độ chịu nén bê tông 3.2.3. Xây dựng mô hình dự đoán cường độ chịu nén của bê tông
Qua phân tích nghiên cứu tổng quan, chúng tôi đã xác định được hai phương pháp để dự đoán cường độ chịu nén đó là hồi quy tuyến tính và mạng nơ-ron nhân tạo. Ba mô hình dự đoán với thông số đầu vào khác nhau được thực hiện, mục đích là để so sánh độ chính xác của các mô hình và lựa chọn được mô hình tối ưu nhất.
• Mô hình 1: 05 tham số đầu vào gồm khối lượng cốt liệu bé A[kg], cốt liệu lớn B[kg], chất kết dính C[kg], lượng nước D[lít] (Phụ lục 5.1) và vận tốc xung siêu âm UPV tuổi 28 ngày[m/s] (Phụ lục 5.3); Đầu ra của mô hình là cường độ chịu nén bê tông tuổi 28 ngày R[daN/cm2].
• Mô hình 2: 05 tham số đầu vào gồm khối lượng cốt liệu bé A[kg], cốt liệu lớn B[kg], chất kết dính C[kg], lượng nước D[lít] (Phụ lục 5.1) và tỉ lệ suy giảm biên độ sóng siêu âm A2/A1 (Phụ lục 5.4); Đầu ra của mô hình là cường độ chịu nén bê tông tuổi 28 ngày R[daN/cm2].
• Mô hình 3: 06 tham số đầu vào gồm khối lượng cốt liệu bé A[kg], cốt
liệu lớn B[kg], chất kết dính C[kg], lượng nước D[lít] (Phụ lục 5.1), UPV tuổi 28 ngày[m/s] (Phụ lục 5.3) và tỉ lệ suy giảm biên độ A2/A1 (Phụ lục 5.4); Đầu ra của mô hình là cường độ chịu nén bê tông tuổi 28 ngày R[daN/cm2].
3.2.3.1. Mô hình hồi quy tuyến tính đa biến
a. Kết quả mô hình dự đoán
Các phương trình hồi quy của ba mô hình (mô hình 1, 2 và 3) để dự đoán cường độ chịu nén của bê tông sử dụng các vật liệu thay thế được thể hiện qua các Biểu thức (3.3), (3.4) và (3.5). Các hệ số hồi quy trong các phương trình này được xác định dựa trên sự hỗ trợ của phần mềm Minitab 19.
R 1 = −150 + 0.094 A − 0.047 B + 1.096 C − 1.328 D + 0.0718 UPV (3.3) R =132 + 0.0912 A + 0.012 B +1.1768 C −1.675 D + 91.9(A2 / A1 )(3.4)
(3.5)
Các biểu đồ phần dư có thể được phân tích để đánh giá sự phù hợp của phương trình hồi quy [40, 41]. Hình 3.9, 3.10 và 3.11 thể hiện kết quả phân tích phần dư cường độ nén bê tông của mô hình 1, mô hình 2 và mô hình 3.
Cả ba biểu đồ phần dư cho thấy giá trị thống kê hầu như tuân theo quy luật phân bố chuẩn (Hình 3.9a, 3.10a, 3.11a), giá trị phần dư ở gần với đường trung tính (Hình 3.9b, 3.10b, 3.11b và 3.9d, 3.10d, 3.11d), và tần suất xuất hiện các giá trị phần dư có giá trị nhỏ là chủ yếu (Hình 3.9c, 3.10c, 3.11c). Các phân tích này cho thấy sự phù hợp cao của cả ba mô hình và hoàn toàn có thể sử dụng các phương trình hồi quy nói trên nhằm dự đoán cường độ chịu nén của bê tông sử dụng các vật liệu phế phẩm là tro bay và bột đá.
Trong Luận án, vận tốc xung siêu âm UPV và tỉ lệ suy giảm biên độ sóng siêu âm A2/A1 được coi là hai tham số đầu vào để dự đoán cường độ chịu nén bê tông. Ảnh hưởng của vật liệu đến hai tham số này không phải là mục tiêu nghiên cứu chính của đề tài. Tuy nhiên, để hiểu rõ ảnh hưởng của tham số vật liệu, các biểu đồ phân tích ảnh hưởng của vật liệu đến UPV và tỉ lệ suy giảm biên độ A2/A1 được trình bày chi tiết trong Phụ lục 7 của Luận án.
Hình 3.9. Biểu đồ phần dư của cường độ chịu nén bê tông (Mô hình 1)
Hình 3.11. Biểu đồ phần dư của cường độ chịu nén bê tông (Mô hình 3)
b. Đánh giá mô hình dự đoán
Có nhiều tham số để đánh giá độ chính xác của mô hình dự đoán, trong đó các tham số sau thường được sử dụng: hệ số độ lệch S[daN/cm2] xác định theo Biểu thức (3.6) [31, 32], hệ số bội R2[%] xác định theo Biểu thức (3.7) [24, 39, 41, 43, 45, 46, 82, 86] và hệ số bội điều chỉnh Radj2[%] xác định theo Biểu thức (3.8) [31, 32].
S = R Radj2 i =1 (3.6) (3.7) (3.8)
Kết quả ở Bảng 3.10 cho thấy giá trị các tham số đánh giá R2 và R của cả 3 mô hình đều tương đối cao trong đó mô hình 3 có kết quả tốt nhất. Như vậy, chúng ta có thể chọn mô hình 3 để dự đoán cường độ chịu nén của bê tông sử dụng các vật liệu phế phẩm tro bay và bột đá. Tuy nhiên, trong trường hợp không có đầy đủ thiết bị để đo cả UPV và tỉ lệ biên độ A2/A1, mô hình 1 hoặc mô hình 2 có thể được sử dụng vì vẫn đảm bảo độ chính xác.
Bảng 3.10. Các tham số đánh giá mô hình hồi quy tuyến tính đa biến
Tham số đánh giá
Độ lệch (S), daN/cm2 Hệ số bội (R2), % Hệ số bội điều chỉnh (
c. Dự đoán cấp phối chế tạo bê tông
Hiện nay, các doanh nghiệp mong muốn giảm việc sử dụng cát và xi măng trong việc chế tạo bê tông bằng cách sử dụng các vật liệu phế phẩm là tro bay và bột đá. Tuy nhiên, việc này sẽ làm thay đổi cường độ chịu nén, một trong những tiêu chí quan trọng của chất lượng bê tông. Như vậy, vấn đề đặt ra lúc này là việc lựa chọn các thành phần vật liệu thay thế này như thế nào để đảm bảo yêu cầu cường độ chịu nén mong muốn của nhà sản xuất. Cả ba mô hình hồi quy đã xây dựng đều cho phép làm bài toán ngược là tìm ra cấp phối đáp ứng giá trị cường độ chịu nén thiết kế.
Các biểu đồ hình bao (contour plot) được sử dụng để dự đoán khoảng cấp phối cần thiết để đảm bảo cường độ chịu nén thiết kế (Hình 3.12). Chẳng hạn, từ biểu đồ hình bao Hình 3.12, có thể thấy rằng, muốn cường độ chịu nén bê tông (R) đạt từ 300daN/cm2 trở lên, lượng chất kết dính (C) cần thiết phải lớn hơn 350kg.
Để xác định cấp phối cần thiết đáp ứng theo yêu cầu cường độ chịu nén bê tông theo thiết kế, phân tích lựa chọn cấp phối tối ưu được sử dụng để tìm ra cấp phối phù hợp nhất trong số 72 cấp phối đã thiết kế. Ví dụ: cần thiết kế cấp phối bê tông đảm bảo cường độ chịu nén (R) là 300daN/cm2, kết quả phân tích tìm cấp phối tối ưu
thể hiện như Hình 3.13. Kết quả xác định được cấp phối tối ưu nhất để đảm bảo cường độ chịu nén (R) đạt 300daN/cm2 thể hiện trong Bảng 3.11.
Hình 3.12. Biểu đồ hình bao (contour plot) dự đoán cấp phối bê tông
Bảng 3.11. Cấp phối tối ưu để cường độ chịu nén bê tông đạt 300daN/cm2
CÁT (80%)
755,2
3.2.3.2. Mô hình mạng nơ-ron nhân tạo
Để so sánh độ chính xác của việc dự đoán cường độ chịu nén bằng phương pháp hồi quy, phương pháp mạng nơ-ron nhân tạo được áp dụng cho các mô hình 1, 2 và 3. Từ đó, lựa chọn phương án tối ưu cho việc dự đoán cường độ chịu nén bê