CHƯƠNG 3 : NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM
3.2 Thiết kế thí nghiệm
Trong quá trình tìm kiếm thành phần cấp phối tối ưu của bê tơng geopolymer mà mục đích là đạt được cường độ chịu nén, chịu kéo “càng lớn càng tốt” và giá thành “càng nhỏ càng tốt” phụ thuộc đồng thời vào nhiều yếu tố đầu vào mà bản chất qui luật của quá trình xảy ra bên trong đối tượng chưa được biết rõ. Dựa vào những hiểu biết ban đầu về đối tượng, trước khi tiến hành thực nghiệm cần xác định sơ bộ mơ hình tốn học của đối tượng, cần giải thích những yếu tố nào phải thay đổi, những yếu tố nào giữ ở mức cố định và mục tiêu cần đạt được tối ưu.
3.2.1 Tính tốn thành phần cấp phối định hướng
Đối tượng trong công nghệ bê tơng geopolymer phụ thuộc vào các yếu tố có thể điều chỉnh như nồng độ NaOH, tỷ lệ Na2SiO3/NaOH, tỷ lệ Alkaline/tro bay, thời gian, nhiệt độ dưỡng hộ và các yếu tố ngẫu nhiên không điều khiển được (sai số khi đo, rung động từ bên ngoài, thay đổi nhiệt độ của mơi trường, …). Vì vậy nếu sử dụng phương pháp thiết kế thí nghiệm truyền thống có thể dẫn đến kết quả bài tốn có độ chính xác thấp. Các kết quả nghiên cứu trước đây cho thấy phương pháp Taguchi đã được ứng dụng hiệu quả để giải bài tốn có số lượng các yếu tố đầu vào
27
Cường độ chịu kéo Cường độ chịu nén Giá thành
Thời gian dưỡng hộ Nhiệt độ dưỡng hộ
TTL/NaOH Alkaline/Tro bay Nồng độ NaOH
lớn do số lượng thí nghiệm rất ít, các thơng số này có thể khơng cần định lượng và trị số các mức thể lựa chọn tùy ý. Ngoài ra, kết quả nhận được từ phương pháp này có độ chính xác cao do đã loại bỏ được các yếu tố không điều khiển được.
Hình 3.3: Mơ hình các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ bê tông geopolymer.
- Các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ chịu nén, chịu kéo và giá thành của bê tông bao gồm nhiều yếu tố, nhưng để giảm thiểu số thí nghiệm, cần phải giả thiết một số yếu tố giữ nguyên không thay đổi như: Cốt liệu lớn, cốt liệu nhỏ, tro bay đã tính tốn được sơ bộ ban đầu, trong kế hoạch thực nghiệm không thay đổi.
3.2.2 Lựa chọn thông số đầu vào
Để nhận được các kết quả thí nghiệm chính xác và đầy đủ thì các thơng số đầu vào phải thỏa mãn các yêu cầu: Các biến độc lập và điều chỉnh được. Từ các cơng trình thực nghiệm đã được cơng bố cho thấy thơng số đầu vào có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng cùng nhiều cấp độ khác nhau. Tuy nhiên, vì thời gian có hạn nên khơng thể khảo sát tất cả các cấp độ nên trong luận văn chỉ chọn các cấp độ sau để tiến hành nghiên cứu. Các thông số đầu vào và điều kiện biên được tổng hợp ở Bảng 3.4.
Bảng 3.4: Bảng trực giao của các yếu tố ảnh hưởng trong thành phần cấp phối.
Kí hiệu Yếu tố Cấp độ 1 Cấp độ 2 Cấp độ 3
A CMNaOH 12 mol 14 mol 16 mol
B AL/FA 0,4 0,5 0,6
C SS/SH 1,5 2 2,5
D Thời gian dưỡng hộ 4 giờ 6 giờ 8 giờ
E Nhiệt độ dưỡng hộ 600C 900C 1200C
THÀNH PHẦN CẤP PHỐI
3.2.3 Thiết kế thí nghiệm bằng phương pháp Taguchi
Phương pháp Taguchi là công cụ thiết kế ma trận thí nghiệm đơn giản, ứng dụng trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật và cho hiệu quả cao. Theo phương pháp thực nghiệm truyền thống phải kiểm tra tất cả các sự kết hợp của các yếu tố ảnh hưởng, nếu quy hoạch hoàn toàn với 3 cấp độ cùng 5 thơng số thì cần 35 = 243 thí nghiệm. Phương pháp Taguchi khơng kiểm tra tất cả các sự kết hợp mà chỉ tiến hành kiểm tra các cặp của các kết hợp. Điều này cho phép xác định được sự ảnh hưởng của các thông số đến kết quả đầu ra với số lượng thí nghiệm ít nhất, nhưng lại xác định được các yếu tố ảnh hưởng mạnh nhất, từ đó đưa ra những thử nghiệm tiếp theo và loại bỏ những thơng số có ảnh hưởng khơng đáng kể.
Phân tích phương sai (ANOVA) dựa vào dữ liệu từ ma trận thí nghiệm của Taguchi để lựa chọn các giá trị thơng số mới để tối ưu hóa các kết quả đầu ra, dữ liệu từ các bảng có thể phân tích bằng biểu đồ, hình ảnh và hệ số kiểm tra Fisher. Ma trận trực giao của Taguchi không kiểm tra tất cả các sự kết hợp giữa các thông số và chỉ cho hiệu quả cao đối với các đối tượng nghiên cứu ở giai đoạn đầu.
Số lượng thí nghiệm được lựa chọn dựa vào bậc tự do. Bậc tự do của ma trận thí nghiệm được xác định bằng tổng bậc tự do của các thông số đầu vào. Bậc tự do của một thông số: dof K1 (K: số mức của thông số).
Bảng 3.5: Bậc tự do của ma trận thí nghiệm.
Hệ số A B C D E Tổng
dof 2 2 2 2 2 10
Như vậy bậc tự do của ma trận thí nghiệm là 10 và bảng ma trận thí nghiệm trực giao của Taguchi (dãy OA) được lựa chọn phải lớn hơn 10 và dãy OA’s phù hợp nhất là L27 với bậc tự do là 13, việc thêm 3 bậc tự do dùng để đo lỗi ngẫu nhiên. Trong dãy OA có 3 mức nên mức thứ 3 sẽ được thực hiện bằng cách lặp lại một trong hai mức của thông số đầu vào. Theo nguyên tắc của phương pháp Taguchi “Cặp trạng thái của các yếu tố điều khiển ở 2 cột bất kỳ có xác suất xuất hiện như nhau” nên có thể chọn bất kỳ mức nào trong 2 mức của thông số đầu vào để thực hiện việc lặp lại.
29
Bảng 3.6: Bảng ma trận thí nghiệm Taguchi.
Cấp phối thí
nghiệm CMNaOH (A) AL/FA (B) SS/SH (C) Thời gian (D) Nhiệt độ (E)
CP-1 12 0,4 1,5 4 60 CP-2 12 0,4 1,5 4 90 CP-3 12 0,4 1,5 4 120 CP-4 12 0,5 2 6 60 CP-5 12 0,5 2 6 90 CP-6 12 0,5 2 6 120 CP-7 12 0,6 2,5 8 60 CP-8 12 0,6 2,5 8 90 CP-9 12 0,6 2,5 8 120 CP-10 14 0,4 2 8 60 CP-11 14 0,4 2 8 90 CP-12 14 0,4 2 8 120 CP-13 14 0,5 2,5 4 60 CP-14 14 0,5 2,5 4 90 CP-15 14 0,5 2,5 4 120 CP-16 14 0,6 1,5 6 60 CP-17 14 0,6 1,5 6 90 CP-18 14 0,6 1,5 6 120 CP-19 16 0,4 2,5 6 60 CP-20 16 0,4 2,5 6 90 CP-21 16 0,4 2,5 6 120 CP-22 16 0,5 1,5 8 60 CP-23 16 0,5 1,5 8 90 CP-24 16 0,5 1,5 8 120 CP-25 16 0,6 2 4 60 CP-26 16 0,6 2 4 90 CP-27 16 0,6 2 4 120
- Thí nghiệm có giá trị tỷ số S/N cao nhất sẽ cho kết quả tối ưu nhất, ít bị ảnh hưởng bởi yếu tố gây nhiễu nhất. Giá trị tỷ số S/N dùng để xác định mức cho kết
quả đầu ra tối ưu. Giá trị này được tính theo cơng thức (2.1).
- Với kết quả đầu ra là cường độ chịu nén và chịu kéo gián tiếp của bê tông “càng lớn càng tốt” và giá thành của từng cấp phối “càng nhỏ càng tốt”. Giá trị