67
4.4. Đánh giá kết quả
Phân tích quan hệ xám (GRA) được sử dụng để tối ưu hóa đồng thời các kết quả đầu ra được chuyển đổi thành một kết quả đầu ra duy nhất gọi là cấp độ quan hệ xám, sử dụng cấp độ quan hệ xám để tối ưu hóa các đặc điểm đã chuyển đổi thành một đặc trưng duy nhất. Sự kết hợp tốt nhất của các thông số ở các điểm khoanh trịn của Hình 4.6 là: CMNaOH = 12 mol, AL/FA = 0,4, SS/SH = 1,5, thời gian dưỡng hộ là 8 giờ và nhiệt độ dưỡng hộ là 1200C. Thực nghiệm kiểm chứng được tiến hành với các bước tương tự như trên, kết quả thực nghiệm được thể hiện ở Bảng 4.10.
Bảng 4.10: Bảng giá trị kết quả thực nghiệm GRA – Taguchi.
Thông số Đơn vị
Kết quả thực nghiệm
Cấp phối tối ưu GRA – Taguchi So sánh (%)
Cường độ chịu nén MPa 42,12 43,73 3,68
Cường độ chịu kéo
gián tiếp MPa 4,102 4,13 0,68
Giá thành đồng/m3 1.121.732 1.280.875 - 12,4 Từ kết quả thực nghiệm GRA – Taguchi cho thấy: Cường độ chịu nén của bê tông tăng 3,68% so với cường độ chịu nén ở cấp phối tối ưu, cường độ chịu kéo gián tiếp tăng 0,68% so với cường độ chịu kéo ở cấp phối tối ưu. Tuy nhiên, giá thành lại giảm 12,4%. Điều này chứng tỏ cường độ chịu nén và chịu kéo gián tiếp của bê tông được cải thiện rõ rệt bằng sự kết hợp của phân tích quan hệ xám và phương pháp Taguchi.
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
5.1. Kết luận
Sử dụng phương pháp Taguchi để thiết kế thí nghiệm cho phép lựa chọn được nhiều thông số đầu vào để khảo sát với số lượng thí nghiệm ít nhất nhưng lại có được kết quả tốt nhất. Phương pháp này phù hợp với các nghiên cứu về thí nghiệm bê tơng với các thông số đầu vào ảnh hưởng đến kết quả có số lượng lớn với các mức độ ảnh hưởng và tính chất khác nhau. Bên cạnh đó phương pháp tính tốn hồn tồn có thể được sử dụng để dự báo chính xác kết quả.
Trên cơ sở đánh giá về mức độ ảnh hưởng của các thông số đầu vào như: nồng độ NaOH, tỷ lệ dung dịch hoạt hóa – tro bay, tỷ lệ dung dịch thủy tinh lỏng – NaOH, thời gian và nhiệt độ dưỡng hộ đến cường độ chịu nén, chịu kéo gián tiếp và giá thành của cấp phối của bê tơng geopolymer, một số kết luận có thể được rút ra như sau:
- Thời gian và nhiệt độ dưỡng hộ là hai yếu tố chính ảnh hưởng trực tiếp, quyết định đến sự phát triển cường độ của bê tông geopolymer. Khi được dưỡng hộ ở mức nhiệt càng cao, thời gian dưỡng hộ càng dài thì cường độ của bê tơng càng tăng, nhưng lại ảnh hưởng rất ít đến giá thành của sản phẩm. Vì vậy có thể tăng thời gian và nhiệt độ dưỡng hộ để bê tông đạt cường độ tốt hơn và giá thành cũng tăng không đáng kể.
- Tỷ lệ dung dịch hoạt hóa - tro bay ảnh hưởng mạnh đến cường độ chịu nén và giá thành nhưng lại ảnh hưởng yếu đến cường độ chịu kéo gián tiếp của bê tông. Khi tăng tỷ lệ AL/FA từ 0,4 đến 0,6 thì cường độ chịu nén giảm dần, giá thành tỷ lệ nghịch với cường độ chịu nén.
- Nồng độ dung dịch NaOH có ảnh hưởng đến cường độ chịu nén nhưng lại ảnh hưởng không đáng kể đến cường độ chịu kéo gián tiếp và giá thành của bê tông. - Tỷ lệ dung dịch thủy tinh lỏng – NaOH ảnh hưởng mạnh đến cường độ chịu kéo gián tiếp và giá thành nhưng lại ảnh hưởng không đáng kể đến cường độ chịu nén.
69
Kết quả tối ưu đơn mục tiêu bằng phương pháp Taguchi cho kết quả như sau: - Cường độ chịu nén Rnentoiuu= 45,15±1,58 MPa, với các thông số tối ưu: CMNaOH = 16 mol, AL/FA = 0,4, SS/SH = 2,0, thời gian 8 giờ và nhiệt độ là 1200C.
- Cường độ chịu kéo gián tiếp Rkeotoiuu = 4,36±0,163 MPa, với các thông số
tối ưu: CMNaOH = 12 mol, AL/FA = 0,5, SS/SH = 2,5, thời gian 8 giờ và nhiệt độ là 1200C.
- Giá thành Gtoiuu= 1,117±0,0059 triệu đồng, với các thông số tối ưu: CMNaOH = 12 mol, AL/FA = 0,4, SS/SH = 1,5, thời gian dưỡng hộ 4 giờ và nhiệt độ là 600C.
Kết hợp phương pháp phân tích quan hệ xám (GRA) và Taguchi để tối ưu hóa đa mục tiêu cho phép tối ưu hóa được tồn diện hơn và cho kết quả tốt hơn. Cả 3 mục tiêu (Rnentoiuu,Rkeotoiuu,Gtoiuu) đều chịu sự ảnh hưởng mạnh của nhiệt độ
dưỡng hộ, tỷ lệ dung dịch AL/FA, tỷ lệ SS/SH, với các thông số: CMNaOH = 12 mol, AL/FA = 0,4, SS/SH = 1,5, thời gian 8 giờ và nhiệt độ dưỡng hộ là 1200C.
5.2. Hướng phát triển đề tài
Các kết quả của nghiên cứu chỉ cho các kết quả ban đầu, cần tiếp tục nghiên cứu một cách toàn diện hơn, tối ưu nhiều hơn các thông số đầu vào, đánh giá toàn bộ các yếu tố, các hệ số liên quan đến chất lượng bê tông như module đàn hồi, hệ số young, hệ số poisson, khối lượng riêng… góp phần hồn thiện lý thuyết tính tốn, cơ sở khoa học cho một vật liệu mới thân thiện với môi trường.
Nghiên cứu mơ hình hóa, tối ưu hóa và mở rộng ứng dụng cho bê tông cốt thép, bê tông cốt sợi, … để gia công các cấu kiện bê tơng đúc sẵn sử dụng cho cơng trình là hướng tiếp tục cần nghiên cứu.
Hạn chế của báo cáo là chưa khảo sát được toàn bộ các yếu tố ảnh hưởng đến kết quả đầu ra, thông số đầu vào bị giới hạn chỉ cục bộ ở một mảng dữ liệu được nạp vào mà chưa thiết kế được mơ hình tổng qt. Bên cạnh đó, do hạn chế về mặt lý thuyết chuyên môn trong lĩnh vực toán ứng dụng và toán thống kê, nên báo cáo chỉ giới hạn ở mức độ vận dụng các cơng thức có sẵn, chưa xây dựng hay đổi mới các thuật tốn trong mơ hình.
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] J.Davidovits. Geopolymers – Inorganic polymeric new materials. Journal of
Thermal Analysis and Calorimetry, 1991.
[2] M.J.A. Mijarsh, M.A. Megat Johari, Z.A Ahmad. Synthesis of geopolymer from
large amounts of treated palm oil fuel ash: Application of the Taguchi method in investigating the main parameters affecting compressive strength. Construction and
Building Materials, 2014.
[3] Mohammad Javad Khalaj. Split tensile strength of slag-based geopolymer composites reinforced with steel fibers: Application of Taguchi method in evaluating the effect of production parameters and their optimum condition.
Ceramics International, November 2015.
[4] Ahmer Ali Siyan, Khairun Azizi Azizli. Effects of Parameters on the Setting Time of Fly Ash Based Geopolymers Using Taguchi Method. Procedia Engineering,
2016, page 302–307.
[5] A.M.Mustafa Al Bakri, H.Kamarudin, M.Bnhussain, I Khairul Nuzar, W.I.W Mastura. Mechanism and chemical reaction of Fly ash Geopolymer cement, 2011. [6] Roy, R. A Primer on the Taguchi Method. Van Nostrand Reinhold, 1990.
[7] Chao Li, Sun Henghu, Li Longtu A review: The comparison between alkali- activated slag (Si+Ca) and metacaolin (Si+Al) cements. Cement and Concrete Reasearch, 2010. Vol. 40, pp. 1341-1349.
[8] Shi Caijun, Day Robert. A calorimetric study of early hydration of alkali – slag cements. Cement Concrete Reasearch, 1995. Vol. 25, pp. 1333-1346.
[9] Douglas C. Montgomery, Design and Analysis of Experiments, Wiley & Sons, 2001.
[10] Lê Trung Thành, Tống Tôn Kiên, Phạm Thị Vinh Lanh. Bê tông Geopolymer - những thành tựu, tính chất và ứng dụng. Hội Nghị Khoa Học kỷ niệm 50 năm ngày
71
[11] Nguyễn Văn Dũng. Nghiên cứu chế tạo bê tông Geopolymer từ tro bay. Tạp
chí khoa học cơng nghệ, số 5, 2014.
[12] Phan Đức Hùng, Lê Anh Tuấn. Ảnh hưởng của nhiệt độ cao đến cường độ của vữa Geopolymer. Diễn đàn khoa học công nghệ, số tháng 5 & 6, 2015.
[13] Lê Anh Tuấn, Phan Đức Hùng. Ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn, kích cỡ hạt và độ ẩm đến khả năng thay thế cốt liệu tự nhiên của phế thải xây dựng. Tạp chí Người
Xây Dựng, số tháng 9 & 10, 2015.
[14] Đỗ Văn Vũ. Phương pháp Taguchi – Khả năng ứng dụng trong quy hoạch thực nghiệm và nghiên cứu tối ưu hóa. Tạp chí Cơ Khí Ngày Nay, số 94, 2002.
[15] Phan Đức Hùng, Lê Anh Tuấn. Phân tích ảnh hưởng của thành dung dịch hoạt hóa đến cường độ của bê tơng Geoplymer bằng phương pháp Taguchi. Tạp chí Xây
Dựng, số 01, 2016.
[16] Nguyễn Ngọc Kiên. Ứng dụng phương pháp trí tuệ nhân tạo và phân tích Taguchi để xác định chế độ cắt tối ưu khi gia công trên máy phay CNC. Trường Đại
học Bách khoa Hà Nội, 2014.
[17] Nguyễn Hữu Phấn. Nghiên cứu nâng cao hiệu quả gia công của phương pháp tia lửa điện bằng biện pháp trộn bột Titan vào dung dịch điện môi. Đại học Thái Nguyên, 2016.
Danh mục tiêu chuẩn tham khảo
Tiêu chuẩn TCVN 7570:2006. Cốt liệu cho bê tông và vữa – yêu cầu kỹ thuật. Tiêu chuẩn TCVN 8262:2009. Tro bay – phương pháp phân tích hóa học.
Tiêu chuẩn TCVN 10302:2014. Phụ gia hoạt tính tro bay dùng cho bê tông, vữa xây.
TỐI ƯU HĨA THÀNH PHẦN CẤP PHỐI BÊ TƠNG GEOPOLYMER BẰNG PHƯƠNG PHÁP TAGUCHI
GEOPOLYMER CONCRETE GRINDING COVERAGE BY TAGUCHI METHOD
PGS.TS. Phan Đức Hùng* KS. Hồ Sỹ Tuấn
Khoa Xây dựng, Đại học Sư phạm kỹ thuật TP.HCM, Việt Nam. * Đại học Sư phạm kỹ thuật TP.HCM.
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
TÓM TẮT
Báo cáo này sử dụng phương pháp Taguchi để đánh giá mức độ ảnh hưởng với ba cấp độ của năm yếu tố: Nồng độ NaOH (12, 14, 16 mol), tỷ lệ dung dịch hoạt hóa – tro bay (0,4, 0,5, 0,6), tỷ lệ sodium silicate – sodium hydroxide (1.5, 2, 2.5), thời gian (4, 6, 8 giờ) và nhiệt độ dưỡng hộ (600C, 900C, 1200C) đến các chỉ tiêu về cường độ chịu nén, chịu kéo gián tiếp và giá thành. Sau đó tìm ra cấp phối tối ưu cho từng yếu tố đầu ra và cuối cùng là hướng đến một cấp phối thỏa mãn nhiều tiêu chí.
Kết quả thực nghiệm cho thấy: Cường độ chịu nén đạt 42,12 MPa ở cấp phối tối ưu CMNaOH = 16mol, AL/FA=0,4, SS/SH=2,0, thời gian dưỡng hộ 8 giờ và nhiệt độ dưỡng hộ 1200C. Cường độ chịu kéo gián tiếp đạt 4,102 MPa ở cấp phối tối ưu CMNaOH = 12mol, AL/FA=0,5, SS/SH=2,5, thời gian dưỡng hộ 8 giờ và nhiệt độ dưỡng hộ 1200C. Giá thành thấp nhất ở cấp phối tối ưu CMNaOH = 12mol, AL/FA=0,4, SS/SH=1,5, thời gian dưỡng hộ 4 giờ và nhiệt độ dưỡng hộ 600C.
Từ các cấp phối tối ưu nêu trên, kết hợp phân tích quan hệ xám (Grey Relational Analysis) và phương pháp Taguchi để tối ưu hóa đa mục tiêu. Kết quả kiểm nghiệm cho thấy các thông số: CMNaOH = 12 mol, AL/FA = 0,4, SS/SH = 1,5, thời gian 8 giờ và nhiệt độ dưỡng hộ là 1200C cho cường độ chịu nén tăng 3,68%, cường độ chịu kéo gián tiếp tăng 0,68% và giá thành giảm 12,4%.
Từ khóa: Bê tơng geopolymer, phương pháp Taguchi.
ABSTRACT
This report uses the Taguchi method to assess the effect of three levels of five factors: concentration of sodium hydroxide solution (12, 14, 16 mol), rate of activated solution - fly ash (0.4, 0.5, 0.6) , sodium silicate - sodium hydroxide (1.5, 2, 2.5), time (4, 6, 8 hours) and curing temperature (60, 90, 1200C) to the index of compressive strength, indirect
73
tensile and cost. Then find the optimal distribution for each of the outputs and finally to a level that satisfies many criteria.
The experimental results showed that: Compressive strength was 42.12 MPa at optimum CMNaOH = 16mol, AL/FA = 0.4, SS/SH = 2.0, treatment time 8h and temperature 1200C. The average tensile strength was 4.102 MPa at the optimum mixing level of CMNaOH = 12mol, AL/FA = 0.5, SS/ SH = 2.5, the cure time of 8h and the curing temperature of 1200C. Lowest cost in optimal mix CMNaOH = 12mol, AL/FA = 0.4, SS/SH = 1.5, cure time of 4 hours and warming temperature of 600C.
From the above optimal gradients, incorporate Gray Relational Analysis and Taguchi to optimize multi-objective. The test results showed that the parameters: CMNaOH = 12 mol, AL/FA = 0.4, SS/SH = 1.5, time 8 hours and curing temperature was 1200C for compressive strength increased 3,68%, the tensile strength increased indirectly 0.68% and the price decreased 12.4%.
Keywords: Optimization of concrete mix, geopolymer, Taguchi method. 1. GIỚI THIỆU
Phương pháp Taguchi là phương pháp tối ưu hóa thực nghiệm dựa trên nền tảng của phương pháp quy hoạch thực nghiệm truyền thống. Theo phương pháp này một loạt các thí nghiệm được thực hiện theo bảng trực giao được Taguchi đưa ra dựa trên nguyên tắc: “Cặp trạng thái của các yếu tố điều khiển ở hai cột bất kỳ có xác suất xuất hiện như nhau”. Phương pháp Taguchi đánh giá mức độ ảnh hưởng của các yếu tố chính trong quá trình làm việc và các yếu tố gây nhiễu tác động làm sai lệch đi kết quả mong muốn ở đầu ra.
Phương pháp Taguchi thiết kế thí nghiệm dựa trên việc lựa chọn mảng trực giao phù hợp nhất, định ra số lượng cột thích hợp, miêu tả kết hợp của các thí nghiệm đơn từ đó giảm đáng kể số lần thí nghiệm nhưng vẫn đảm bảo tính tổng qt của q trình xử lý.
Báo cáo sử dụng phương pháp Taguchi để thiết kế ma trận thí nghiệm, sử dụng kết quả thí nghiệm để tính tốn giá trị tỷ số S/N, từ đó đánh giá mức độ ảnh hưởng của các yếu tố thành phần trong cấp phối đến các chỉ tiêu về cường độ chịu nén, chịu kéo gián tiếp và giá thành.
Sau đó, dựa vào lý thuyết quy hoạch thực nghiệm để tìm ra cấp phối tối ưu cho từng yếu tố đầu ra và cuối cùng là hướng đến tối ưu một cấp phối thỏa mãn nhiều tiêu chí cùng lúc.
m j ij i y m MSD 1 2 1 1 m j i y m MSD 1 2 ) ( 1 2 1 n i i T y T SS N T n A SS k n i Ai i A 2 2 1 2 lđđ đk MS MS F 2. NỘI DUNG
3.1. Tối ưu hóa theo phương pháp Taguchi
Phương pháp Taguchi dựa vào việc đánh giá qua tỷ số S/N để giúp các nhà nghiên cứu nhanh chóng tìm ra các thơng số và phạm vi cần tác động để nhận được hiệu quả đầu ra tốt nhất. Thí nghiệm có giá trị tỷ số S/N cao nhất sẽ cho kết quả tốt nhất, tỷ số này để xác định mức cho kết quả đầu ra tối ưu.
S/N = -10log10(MSD) (2.1) Trong đó: MSD là độ lệch trung bình bình phương. Nếu giá trị đầu ra có tính chất:
- “Càng lớn càng tốt”: (2.2) - “Càng nhỏ càng tốt”: (2.3)
- Thơng số có giá trị tỷ số Fisher lớn hơn sẽ ảnh hưởng mạnh hơn đến kết quả đầu ra:
(2.4)
Trong đó: MSđk: Cho điều kiện. MSlđk: Lỗi điều kiện.
3.2. Phân tích phương sai:
- Tổng các bình phương (SST): Đo độ lệch của dữ liệu thí nghiệm từ trị số trung bình.
(2.5)
Trong đó: n: Số lượng giá trị được kiểm tra.
yi: Giá trị trung bình các kết quả kiểm tra yi của đối tượng thứ i. - Tổng bình phương của hệ số A (SSA) được xác định theo công thức:
(2.6) Trong đó: Ai: Giá trị tại mức i của thí nghiệm.
T: Tổng các giá trị kiểm tra. nAi: Số kết quả khảo sát ở Ai.
- Tổng bình phương các lỗi (SSE): Là phân bố bình phương của các giá trị khảo sát từ giá trị trung bình của trạng thái A.
75 2 1 1 A Ai k j n i j i E y A SS R n V F CI eff e f CE e 1 1 . . , 1 eff e f