Bảng 4.1: Bảng cấp phối tối ưu của các thông số.
Thông số tối ưu CMNaOH (mol) AL/FA SS/SH
Thời gian (giờ)
Nhiệt độ
(độ C) Giá trị tối ưu Cường độ chịu nén 16 0,4 2,0 8 120 45,15±1,58 MPa Cường độ chịu kéo
gián tiếp 12 0,5 2,5 8 120 4,36±0,163 MPa
Giá thành 12 0,4 1,5 4 60 1,117±0,0059 Tr.đ
Thực nghiệm kiểm chứng được tiến hành với thành phần cấp phối thực nghiệm được tính tốn dựa trên bảng cấp phối tối ưu của các yếu tố được thể hiện ở Bảng 4.2. Bảng 4.2: Bảng cấp phối thực nghiệm. Tên cấp phối Đá (kg/m3) (kg/mCát 3) Tro bay (kg/m3) NaOH (kg/m3) (kg/mTTL 3) NaOH khan (kg/m3) Nước (kg/m3) Điện năng (kW/h) CP-1A 1080 650 420 56,0 112,0 16,8 39,2 64 CP-2A 1080 650 420 60,0 150,0 13,5 46,5 64 CP-3A 1080 650 420 67,2 100,8 15,2 52,0 24
Tiến hành đúc mẫu với các bước thực hiện tương tự như Chương 3. Giá trị cường độ chịu nén và khả năng chịu kéo gián tiếp của bê tông geopolymer được tổng hợp ở Bảng 4.3.
Bảng 4.3: Bảng giá trị kết quả thực nghiệm.
Tên cấp
phối Cường độ chịu nén (MPa) Cường độ chịu kéo gián tiếp (MPa) Giá tiền (đồng/m3)
CP-1A, 2A 42,12 3,15 1.254.032
CP-1B, 2B 37,81 4,102 1.380.739
CP-1C, 2C 29,43 2,54 1.121.732
Kết quả thực nghiệm cho thấy:
Mẫu thí nghiệm CP-1A và CP-2A với thành phần cấp phối: CMNaOH = 16 mol, AL/FA = 0,4, SS/SH = 2,0, thời gian dưỡng hộ 8h và nhiệt độ dưỡng hộ 1200C cho giá trị cường độ chịu nén tối ưuRnentoiuu = 42,12 MPa có độ chính xác tương đối tốt và sự sai lệch giữa kết quả tính tốn và kết quả thực nghiệm là 6,7%.
Mẫu thí nghiệm CP-1B và CP-2B với thành phần cấp phối: CMNaOH = 12 mol, AL/FA = 0,5, SS/SH = 2,5, thời gian dưỡng hộ 8h và nhiệt độ dưỡng hộ 1200C cho giá trị cường độ chịu kéo gián tiếp tối ưu Rkeotoiuu = 4,102 MPa có độ chính xác tốt và sự sai lệch giữa kết quả tính tốn và kết quả thực nghiệm là 5,9%.
4.2. Kết hợp GRA - Taguchi tối ưu hóa đa mục tiêu
Tỷ số S/N của cường độ chịu nén (Rnén), chịu kéo gián tiếp (Rkéo) và giá thành (GT) được thể hiện ở Bảng 3.10. Trong luận văn này, tỷ số S/N sẽ được chuẩn hóa theo kiểu “lớn hơn thì tốt hơn”, sử dụng kết quả tỷ số S/N ở Bảng 3.10, với tổng số thí nghiệm m = 27, số đặc trưng được khảo sát n = 3 và áp dụng cơng thức (2.13) để chuẩn hóa dữ liệu. Sử dụng kết quả chuẩn hóa để xác định độ sai lệch của dãy tham chiếu 0i k , kết quả được thể hiện ở Bảng 4.4.
63
Bảng 4.4: Hệ số thơng số đầu ra chuẩn hóa và độ sai lệch dãy tham chiếu.
Cấp phối thí nghiệm
Hệ số thơng số đầu ra đã được
chuẩn hóa 0i k Rnén Rkéo GT Rnén Rkéo GT nén i R 0 0iRkéo 0i GT CP-1 0,0000 0,0000 1,0000 1,0000 1,0000 0,0000 CP-2 0,1871 0,1758 0,9876 0,8129 0,8242 0,0124 CP-3 0,8563 0,7299 0,9753 0,1437 0,2701 0,0247 CP-4 0,3080 0,5244 0,5295 0,6920 0,4756 0,4705 CP-5 0,6528 0,7211 0,5143 0,3472 0,2789 0,4857 CP-6 0,7835 0,8965 0,4994 0,2165 0,1035 0,5006 CP-7 0,2551 0,7646 0,0319 0,7449 0,2354 0,9681 CP-8 0,3725 0,9044 0,0160 0,6275 0,0956 0,9840 CP-9 0,5319 1,0000 0,0000 0,4681 0,0000 1,0000 CP-10 0,4658 0,4056 0,6204 0,5342 0,5944 0,3796 CP-11 0,6528 0,5637 0,5995 0,3472 0,4363 0,4005 CP-12 1,0000 0,8645 0,5789 0,0000 0,1355 0,4211 CP-13 0,3211 0,5294 0,2555 0,6789 0,4706 0,7445 CP-14 0,4658 0,6116 0,2465 0,5342 0,3884 0,7535 CP-15 0,8409 0,9004 0,2377 0,1591 0,0996 0,7623 CP-16 0,1802 0,3400 0,6521 0,8198 0,6600 0,3479 CP-17 0,2551 0,4056 0,6361 0,7449 0,5944 0,3639 CP-18 0,7245 0,7859 0,6204 0,2755 0,2141 0,3796 CP-19 0,4961 0,4687 0,3791 0,5039 0,5313 0,6209 CP-20 0,6807 0,5830 0,3649 0,3193 0,4170 0,6351 CP-21 0,9759 0,8028 0,3510 0,0241 0,1972 0,6490 CP-22 0,3211 0,5244 0,7113 0,6789 0,4756 0,2887 CP-23 0,7300 0,6809 0,6894 0,2700 0,3191 0,3106 CP-24 0,8409 0,6944 0,6680 0,1591 0,3056 0,3320 CP-25 0,3469 0,4216 0,3175 0,6531 0,5784 0,6825 CP-26 0,5141 0,5734 0,3083 0,4859 0,4266 0,6917 CP-27 0,6359 0,6627 0,2993 0,3641 0,3373 0,7007
Từ kết quả ở Bảng 4.4. cho thấy: max
= CP12Rnén = CP9Rkéo = CP1 GT = 1,000 min
Sử dụng phương trình (2.15) để xác định hệ số quan hệ xám 0,i k . Cấp quan hệ xám được xác định bằng trị số trung bình hệ số quan hệ xám 0,i k , kết quả được thể hiện ở Bảng 4.5. Bảng 4.5: Bảng hệ số quan hệ xám 0,i k . Cấp phối thí nghiệm Hệ số quan hệ xám 0,i k Thứ hạng 0,i k Rnén Rkéo GT CP-1 0,3333 0,3333 1,000 0,556 13 CP-2 0,3808 0,3776 0,976 0,578 11 CP-3 0,7767 0,6492 0,953 0,793 1 CP-4 0,4195 0,5125 0,515 0,482 20 CP-5 0,5902 0,6419 0,507 0,580 10 CP-6 0,6978 0,8285 0,500 0,675 4 CP-7 0,4016 0,6799 0,341 0,474 24 CP-8 0,4435 0,8395 0,337 0,540 14 CP-9 0,5165 1,0000 0,333 0,617 9 CP-10 0,4835 0,4569 0,568 0,503 18 CP-11 0,5902 0,5340 0,555 0,560 12 CP-12 1,0000 0,7868 0,543 0,777 2 CP-13 0,4241 0,5151 0,402 0,447 26 CP-14 0,4835 0,5628 0,399 0,482 21 CP-15 0,7586 0,8339 0,396 0,663 5 CP-16 0,3788 0,4311 0,590 0,467 25 CP-17 0,4016 0,4569 0,579 0,479 22 CP-18 0,6448 0,7002 0,568 0,638 7 CP-19 0,4981 0,4848 0,446 0,476 23 CP-20 0,6103 0,5453 0,440 0,532 15 CP-21 0,9540 0,7171 0,435 0,702 3 CP-22 0,4241 0,5125 0,634 0,524 17 CP-23 0,6493 0,6104 0,617 0,626 8 CP-24 0,7586 0,6207 0,601 0,660 6 CP-25 0,4336 0,4637 0,423 0,440 27 CP-26 0,5071 0,5396 0,420 0,489 19 CP-27 0,5787 0,5972 0,416 0,531 16
Hệ số cấp độ quan hệ xám lớn hơn sẽ cho kết quả đầu ra tốt hơn. Từ bảng hệ số quan hệ xám cho thấy cấp quan hệ xám của giá thành là lớn nhất, tiếp đến là cấp quan hệ xám của cường độ chịu nén và cuối cùng là cường độ chịu kéo gián tiếp.
65
Trị số cấp độ quan hệ xám lớn nhất tại CP-3 với giá trị 0,793. Có 3 cấp phối sẽ cho kết quả ở đầu ra tốt nhất là CP-3, CP-12 và CP-21. Bảng 4.6: Bảng ANOVA trị số hệ số cấp độ quan hệ xám. TT Thông số Bậc tự do Tổng bình phương Phương sai Trị số F Fisher Hệ số Trị số P 1 CMNaOH 2 0,0066 0,0033 2,12 2,668 0,153 2 AL/FA 2 0,0360 0,0180 11,56 2,668 0,001 3 SS/SH 2 0,0089 0,0044 2,88 2,668 0,086 4 Thời gian 2 0,0057 0,0028 1,86 2,668 0,188 5 Nhiệt độ 2 0,1670 0,0835 53,57 2,668 0,000 6 Lỗi 16 0,0249 0,0015 - - 7 Tổng 26 0,2493 - - -
Kết quả phân tích phương sai (ANOVA) của giá trị cấp độ quan hệ xám chỉ ra thông số ảnh hưởng mạnh đến cường độ chịu nén, chịu kéo gián tiếp và giá thành là nhiệt độ dưỡng hộ và tiếp đến là tỷ lệ dung dịch hoạt hóa – tro bay. Trong đó nhiệt độ dưỡng hộ là yếu tố ảnh hưởng lớn nhất và thời gian dưỡng hộ có ảnh hưởng nhỏ nhất.
Bảng 4.7: Mức độ ảnh hưởng của các thông số đến hệ số cấp độ quan hệ xám.
4.3. Tối ưu hóa cấp quan hệ xám
Đặc trưng tỷ số S/N của cấp quan hệ xám là “lớn hơn thì tốt hơn”. Kết quả phân tích phương sai (ANOVA) trị số S/N của cấp quan hệ xám với độ tin cậy 90% được thể hiện trong Bảng 4.8 và Bảng 4.9 cho thấy điều kiện nhiệt độ dưỡng hộ (F=53,57), tỷ lệ dung dịch hoạt hóa - tro bay (F=11,56) và tỷ lệ dung dịch sodium silicate – sodium hydroxide (F=2,88) là những thông số ảnh hưởng mạnh nhất đến
tỷ số S/N của cấp quan hệ xám, nồng độ dung dịch NaOH (F=2,12) và thời gian dưỡng hộ nhiệt (F=1,86) là những thơng số có ảnh hưởng ít nhất.
Bảng 4.8: Bảng ANOVA trị số tỷ số S/N của cấp quan hệ xám.
TT Thơng số Bậc tự do Tổng bình phương Phương sai Trị số F Fisher Hệ số Trị số P
1 CMNaOH 2 1,626 0,8128 2,96 2,668 0,081 2 AL/FA 2 7,735 3,8673 14,08 2,668 0,000 3 SS/SH 2 2,079 1,0393 3,78 2,668 0,045 4 Thời gian 2 1,577 0,7884 2,87 2,668 0,086 5 Nhiệt độ 2 36,711 18,3554 66,85 2,668 0,000 6 Lỗi 16 4,393 0,2746 - - 7 Tổng 26 54,120 - - -
Bảng 4.9: Sự ảnh hưởng của các thông số đến tỷ số S/N của cấp quan hệ xám.
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 thơng 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 khơng 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 thơng số đầu vào, đánh giá tồn 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 tông 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 quát. Bên cạnh đó, do hạn chế về mặt lý thuyết chun mơn trong lĩnh vực tốn 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.