3 1 1 Thiết kế thớ nghiệm và trỡnh tự phõn tớch thống kờ xử lý số liệu3 1 1 1 Thiết kế thớ nghiệm 3 1 1 1 Thiết kế thớ nghiệm
Thiết kế thực nghiệm DoE (Design of Experiments) bao gồm lựa chọn thớ nghiệm, quy hoạch mẫu, thực hiện thớ nghiệm và phõn tớch thống kờ xử lý kết quả Nghiờn cứu thiết kế thớ nghiệm tổng quỏt (General full factorial design) sử dụng phần mềm Minitab 20 ở độ tin cậy 95%, mức ý nghĩa = 5% Số lượng mẫu tuỳ theo mức độ chớnh xỏc đảm bảo phỏt hiện sai khỏc của thớ nghiệm
Phõn tớch phương sai ANOVA (Analysis of Variance) một nhõn tố là phương phỏp thống kờ dựng để kiểm định giả thuyết trung bỡnh bằng nhau của 3 nhúm mẫu trở lờn với khả năng phạm sai lầm chỉ là 5% Phõn tớch hậu định (post-hoc) dựng để xem cú sự khỏc biệt cụ thể giữa nhúm này với nhúm kia về một vấn đề nào đú cú ý nghĩa thống kờ khụng Hiện nay, cú nhiều phương phỏp phõn tớch hậu định theo cỏc tỏc giả khỏc nhau như Turkey, Fisher, Duncan,… trong khuụn khổ luận ỏn nghiờn cứu với số lượng mẫu ớt nờn sử dụng phương phỏp Turkey
3 1 1 2 Cỏc cụng thức tớnh toỏn
Để sử dụng được cụng thức, biểu đồ thống kờ phải được xỏc định xem đại lượng ngẫu nhiờn cú thuộc phõn phối chuẩn khụng Cỏc quy trỡnh của Hoa Kỳ sử dụng phần mềm Minitab để đỏnh giỏ phõn phối xỏc suất bằng phõn tớch Anderson – Darling (AD)
Đối với tập mẫu Xi gồm n mẫu, cú giỏ trị trung bỡnh Xtb và độ lệch chuẩn S được xỏc định theo cụng thức sau:
XNO = " n (3 1) S= " P XP − XNO T n−1 (3 2)
Hệ số biến sai Cv của thụng số cần kiểm soỏt được tớnh theo cụng thức sau:
C$ = S
XNO (3 3)
Đối với tổ mẫu, để đỏnh giỏ mức độ biến động hoặc đỏnh giỏ độ chụm, thường dựng khoảng R (range) theo cụng thức sau:
R = XUVW − XUP" (3 4)
Khoảng xin cậy là khoảng mà với một xỏc suất tương ứng thỡ tham số nằm trong khoảng đú Khoảng tin cậy cú hai cận là cận trờn và cận dưới
XCX = XNO ± τ[ S (3 5)
Trong đú:
XCI: cỏc giỏ trị cận dưới và cận trờn của khoảng tin cậy ứng với độ tin cậy R
: hệ số xỏc định theo t-test
: mức ý nghĩa, = 1 – R, khi lấy R = 95% thỡ = 5%
Giỏ trị đặc trưng Xđt của biến số X tuõn theo quy luật phõn bố chuẩn, được tớnh theo cụng thức sau
Xđt = Xtb K S (3 6)
Trong đú: K: hệ số, K = 1,645 ứng với độ tin cậy R = 95%
3 1 1 3 Đỏnh giỏ số mẫu trong tổ mẫu
Việc lựa chọn số mẫu trong tổ mẫu rất quan trọng, nếu số mẫu quỏ ớt sẽ khụng đỏnh giỏ được chớnh xỏc kết quả thớ nghiệm và ngược lại, nếu số mẫu quỏ nhiều sẽ kộo dài thời gian thớ nghiệm, dẫn đến kết quả bị ảnh hưởng bởi tuổi của mẫu và kinh phớ thực hiện thớ nghiệm tăng lờn Số mẫu trong 1 tổ mẫu thường là 3 mẫu, kết quả thớ nghiệm được đỏnh giỏ độ chụm theo cỏc tiờu chuẩn hiện hành Sử dụng phần mềm Minitab 20 đỏnh giỏ lại số mẫu theo tiờu chuẩn t-test, power = 0,8 và mức ý nghĩa = 0,05
3 1 1 4 Loại bỏ số liệu ngoại lai và đỏnh giỏ độ chụm
Độ chụm là mức độ gần nhau giữa cỏc kết quả thử nghiệm độc lập nhận được trong điều kiện quy định Độ chụm thể hiện chất lượng cụng tỏc thớ nghiệm, đảm bảo cơ sở khoa học để phõn tớch đưa ra những kết luận và kiến nghị cho đề tài nghiờn cứu
Mỗi tiờu chuẩn thớ nghiệm đều cú quy định về độ chụm tương ứng Nếu tiờu chuẩn Việt Nam hiện hành chưa cú chuẩn đỏnh giỏ độ chụm nờn hiện nay thường dựng tiờu chuẩn AASHTO và ASTM
3 1 1 5 Trỡnh tự thiết kế thớ nghiệm và xử lý kết quả thớ nghiệm
- Thiết kế thớ nghiệm
- Thực hiện thớ nghiệm trong phũng thớ nghiệm
- Loại bỏ cỏc số liệu ngoại lai (nếu cú), kiểm tra phõn phối chuẩn, đỏnh giỏ độ chụm của cỏc kết quả thớ nghiệm
- Tớnh toỏn cỏc giỏ trị trung bỡnh, độ lệch chuẩn, hệ số biến sai, giỏ trị đặc trưng, giỏ trị 95% CI
- Phõn tớch, vẽ biểu đồ thống kờ cỏc kết quả thớ nghiệm (sử dụng Minitab 20)
3 2 Thiết kế thớ nghiệm
- Việc thiết kế thành phần bờ tụng đầm lăn sử dụng cốt liệu tỏi chế được thực hiện theo phương phỏp tớnh toỏn kết hợp với thực nghiệm
- Cấp phối bờ tụng đầm lăn sử dụng cốt liệu tỏi chế gồm:
Loại cốt liệu tỏi chế: 2 loại CLTC1 và CLTC2 thu gom từ 2 nguồn khỏc nhau Hàm lượng cốt liệu tỏi chế: 0%, 40% và 80%
Hàm lượng chất kết dớnh: 10%, 13% và 15%
Loại xi măng sử dụng: 2 loại xi măng PCB30 và PC40
Tuổi: 7 và 28 ngày Mỗi tổ hợp mẫu: 3 mẫu
Bảng 3-1 Bảng tổng hợp số lượng mẫu BTĐL sử dụng CLTC Mẫu Tổ hợp mẫu Loại CLTC Hàm lượng CLTC Loại XM Hàm lượng CKD Tuổi BTĐL 3 2 3 2 3 2 Tổng 3x2x3x2x3x2 = 216 mẫu
- Chế tạo mẫu thử nghiệm trong phũng thớ nghiệm xỏc định cường độ chịu nộn, cường độ ộp chẻ, mụ đun đàn hồi, mụ đun phức động, độ hỳt nước và độ co ngút của bờ tụng đầm lăn sử dụng cốt liệu tỏi chế
3 3 Thực nghiệm chế tạo mẫu trong phũng thớ nghiệm3 3 1 Qui trỡnh nhào trộn mẫu 3 3 1 Qui trỡnh nhào trộn mẫu
Trong điều kiện phũng thớ nghiệm tại trường Đại học Giao thụng vận tải, cỏc hỗn hợp bờ tụng đầm lăn được nhào trộn bằng mỏy trộn cưỡng bức theo theo trỡnh tự:
- Trộn khụ hỗn hợp bao gồm: Cốt liệu tự nhiờn + cốt liệu tỏi chế; - Thờm xi măng + tro bay và tiếp tục trộn;
- Thờm ẵ nước và tiếp tục trộn;
- Thờm ẵ nước cũn lại và tiếp tục trộn;
- Kết thỳc trộn và xả hỗn hợp vật liệu ra khỏi mỏy trộn
Hỡnh 3-1 Nhào trộn hỗn hợp BTĐL sử dụng CLTC bằng mỏy trộn cưỡng bức
3 3 2 Chế tạo mẫu thớ nghiệm
Cỏc mẫu bờ tụng hỡnh trụ đường kớnh 150 mm, chiều cao 300 mm được chế tạo theo Quyết định số 4452/QĐ-BGTVT [12] Sau khi chế tạo, cỏc mẫu thớ nghiệm được phủ ẩm bề mặt Sau 24h đỳc mẫu, cỏc mẫu được thỏo khuụn và dưỡng hộ trong nước ở điều kiện nhiệt độ phũng cho đến tuổi thớ nghiệm
Hỡnh 3-2 Chế tạo mẫu bờ tụng đầm lăn sử dụng cốt liệu tỏi chế
3 4 Thớ nghiệm xỏc định cỏc chỉ tiờu kỹ thuật của bờ tụng đầm lăn sử dụng cốtliệu cào búc từ bờ tụng nhựa cũ liệu cào búc từ bờ tụng nhựa cũ
Tiến hành thớ nghiệm trong phũng để xỏc định cỏc chỉ tiờu kỹ thuật của cỏc mẫu bờ tụng đầm lăn đối chứng và bờ tụng đầm lăn sử dụng cốt liệu tỏi chế Từ đú, đỏnh giỏ đặc tớnh kỹ thuật của cỏc mẫu bờ tụng đầm lăn
3 4 1 Thớ nghiệm xỏc định cường độ chịu nộn
Để nghiờn cứu quy luật phỏt triển cường độ chịu nộn của bờ tụng đầm lăn sử dụng cốt liệu tỏi chế, thớ nghiệm xỏc định cường độ chịu nộn được thực hiện theo tiờu chuẩn ASTM C39 [52] Mẫu thớ nghiệm hỡnh trụ 150 x 300 mm Với mỗi loại bờ tụng đầm lăn sử dụng cốt liệu tỏi chế, thớ nghiệm được tiến hành trờn 3 mẫu thử ở 7 và 28 ngày Cỏc kết quả thớ nghiệm cường độ chịu nộn được trỡnh bày chi tiết trong bảng 3-2 phụ lục 3, thể hiện Hỡnh 3-4, Hỡnh 3-5
a Gia cụng mẫu b Bề mặt mẫu sau khi mài c Nộn mẫu
Hỡnh 3-3 Thớ nghiệm xỏc định cường độ chịu nộn của BTĐL sử dụng CLTC
Analysis of Variance
Source DF Adj SS Adj MS F-Value P-Value
Model Linear Loại RAP HL RAP Loại XM HL XM Tuổi Error 7 7 1 2 1 2 1 208 12982 6 12982 6 484 4 8521 4 475 8 1472 2 2028 8 539 5 1854 66 1854 66 484 38 4260 69 475 79 736 12 2028 78 2 59 715 11 715 11 186 76 1642 81 183 45 283 83 782 24 0 000 0 000 0 000 0 003 0 000 0 000 0 000 Total Model Summary 216 13522 0 S R-sq R-sq(adj) R-sq(pred) 1 61045 96 01% 95 88% 95 70%
Kết quả phõn tớch ANOVA cho thấy: Cỏc biến đều cú hệ số p-value < 0,05; Hệ số xỏc định điều chỉnh R2đc = 95,88% Như vậy, kết quả thực nghiệm cỏc yếu tố đầu vào và tớch tương tỏc của chỳng đều ảnh hưởng đến cường độ chịu nộn cú ý nghĩa thống kờ ở mức độ tin cậy cao
Hỡnh 3-4 Biểu đồ cường độ chịu nộn của BTĐL sử dụng CLTC1
Hỡnh 3-5 Biểu đồ cường độ chịu nộn của BTĐL sử dụng CLTC2
Như vậy, theo Hỡnh 3-6, cỏc yếu tố chớnh ảnh hưởng đến cường độ chịu nộn của BTĐL sử dụng cốt liệu tỏi chế là: loại cốt liệu tỏi chế, hàm lượng cốt liệu tỏi chế thay thế cốt liệu tự nhiờn, loại xi măng, hàm lượng chất kết dớnh và thời gian
Hỡnh 3-7 Biểu đồ Pareto cỏc yếu tố ảnh hưởng tới cường độ chịu nộn Mặt khỏc, theo Hỡnh 3-7, biểu đồ Pareto cho thấy yếu tố chớnh ảnh hưởng nhiều nhất đến cường độ chịu nộn của bờ tụng đầm lăn sử dụng cốt liệu tỏi chế chớnh là hàm lượng cốt liệu tỏi chế Sau đú đến yếu tố thời gian, hàm lượng xi măng, loại cốt liệu tỏi chế và loại xi măng
3 4 1 1 Ảnh hưởng của hàm lượng cốt liệu tỏi chế
Theo cỏc tài liệu đó nghiờn cứu ở cỏc nước trờn thế giới [57,61,62,65,80,81] khi sử dụng hàm lượng cốt liệu tỏi chế từ 40% trở xuống, cỏc chỉ tiờu kỹ thuật của bờ tụng đầm lăn khụng bị ảnh hưởng nhiều, tuy nhiờn khi sử dụng hàm lượng cốt liệu tỏi chế trờn 50%, đặc biệt là hàm lượng cốt liệu tỏi chế cao 80% thỡ cỏc chỉ tiờu về cường độ sẽ giảm đi đỏng kể so với bờ tụng đầm lăn đối chứng (100% cốt liệu tự nhiờn) Cỏc kết luận đú hoàn toàn trựng với kết quả thớ nghiệm trong phũng của luận ỏn, đồng thời được thể hiện bằng đường dốc thẳng đứng về sự biến thiờn của hàm lượng cốt liệu tỏi chế trong Hỡnh 3-6
Khi sử dụng hàm lượng cốt liệu tỏi chế 40%, cường độ chịu nộn giảm khoảng 30% - 35% so với bờ tụng đầm lăn đối chứng ở 28 ngày tuổi, khi sử dụng hàm lượng cốt liệu tỏi chế 80%, cường độ chịu nộn giảm khoảng 40% - 45% so với bờ tụng đầm lăn đối chứng ở 28 ngày tuổi tuỳ theo loại cốt liệu tỏi chế, loại xi măng và hàm lượng chất kết dớnh
Như vậy, so với bờ tụng đầm lăn đối chứng (0% cốt liệu tỏi chế), cường độ chịu nộn của bờ tụng đầm lăn sử dụng cốt liệu tỏi chế giảm rừ rệt khi sử dụng 40%
cốt liệu tỏi chế và tiếp tục giảm mạnh khi tăng hàm lượng cốt liệu tỏi chế từ 40% lờn 80% Đõy là một điểm cần lưu ý khi sử dụng hàm lượng cốt liệu tỏi chế cao (trờn 50%) thay thế cốt liệu tự nhiờn trong chế tạo hỗn hợp bờ tụng đầm lăn
3 4 1 2 Ảnh hưởng của thời gian
Qui luật phỏt triển cường độ chịu nộn của bờ tụng đầm lăn sử dụng cốt liệu tỏi chế được thể hiện ở Hỡnh 3-8, Hỡnh 3-9
30 25 20 15 10 5 25 20 15 10 5 0 5 10 15
Thời gian (ngày)
20 25 30 0 5 10 15
Thời gian (ngày) 20 25 30
BTĐL-40%CLTC1-10%PC40 BTĐL-40%CLTC1-15%PC40 BTĐL-80%CLTC1-13%PC40 BTĐL-40%CLTC2-10%PC40 BTĐL-40%CLTC2-15%PC40 BTĐL-80%CLTC2-13%PC40 BTĐL-40%CLTC1-13%PC40 BTĐL-80%CLTC1-10%PC40 BTĐL-80%CLTC1-15%PC40 BTĐL-40%CLTC2-13%PC40 BTĐL-80%CLTC2-10%PC40 BTĐL-80%CLTC2-15%PC40 BTĐL-40%CLTC1-10%PCB30 BTĐL-40%CLTC1-15%PCB30 BTĐL-80%CLTC1-13%PCB30 BTĐL-40%CLTC2-10%PCB30 BTĐL-40%CLTC2-15%PCB30 BTĐL-80%CLTC2-13%PCB30 BTĐL-40%CLTC1-13%PCB30 BTĐL-80%CLTC1-10%PCB30 BTĐL-80%CLTC1-15%PCB30 BTĐL-40%CLTC2-13%PCB30 BTĐL-80%CLTC2-10%PCB30 BTĐL-80%CLTC2-15%PCB30 Hỡnh 3-8 Quan hệ giữa cường độ chịu nộn
và thời gian của BTĐL dựng XM PC40
Hỡnh 3-9 Quan hệ giữa cường độ chịu nộn và thời gian của BTĐL dựng XM PCB30
- Từ kết quả thớ nghiệm cú thể thấy rằng sau 7 ngày cường độ chịu nộn của
bờ tụng đầm lăn sử dụng cốt liệu tỏi chế đạt khoảng 40%-55% so với cường độ chịu nộn ở 28 ngày tuổi tuỳ theo hàm lượng chất kết dớnh Cũn với BTĐL đối chứng cú cường độ chịu nộn ở 7 ngày đạt khoảng 60-75% so với cường độ chịu nộn ở 28 ngày tuổi tuỳ theo hàm lượng chất kết dớnh Như vậy, quỏ trỡnh phỏt triển cường độ của BTĐL sử dụng cốt liệu tỏi chế khỏc với BTĐL thụng thường và BTXM núi chung Điều này cú thể được giải thớch do sự xuất hiện của màng nhựa cũ bao bọc xung quanh cỏc hạt cốt liệu tỏi chế sẽ ảnh hưởng đến quỏ trỡnh thủy húa xi măng Ảnh hưởng đú thể hiện bằng màng nhựa cũ ngăn khụng cho nước tiếp xỳc với hồ xi măng, xi măng thuỷ hoỏ khụng hoàn toàn hoặc làm chậm quỏ trỡnh phỏt triển hydrat húa khi bảo dưỡng Vựng chuyển tiếp ITZ của nhựa cũ và vữa xi măng trở nờn xốp hơn, dưới tỏc dụng của tải trọng vựng chuyển tiếp đú sẽ bị phỏ hoại đầu tiờn, làm giảm cường độ của BTĐL sử dụng cốt liệu tỏi chế [83,89]
Cường độ chịu nộn (MPa)
a BTĐL đối chứng b BTĐL sử dụng cốt liệu tỏi chế
Hỡnh 3-10 Vựng chuyển tiếp ITZ trong BTĐL được phõn tớch bằng hỡnh ảnh SEM [83]
3 4 1 3 Ảnh hưởng của hàm lượng chất kết dớnh
Hỡnh 3-11 Quan hệ của hàm lượng chất kết dớnh với cường độ chịu nộn Hỡnh 3-11 thể hiện cường độ chịu nộn của bờ tụng đầm lăn thay đổi theo hàm lượng chất kết dớnh 10%, 13% và 15% (theo tổng khối lượng khụ của hỗn hợp cốt liệu) Khi hàm lượng chất kết dớnh thay đổi từ 10%, 13% lờn 15%, cường độ chịu nộn của bờ tụng đầm lăn sử dụng cốt liệu tỏi chế được cải thiện Tuy nhiờn, mức độ cải thiện cường độ chịu nộn ngoài phụ thuộc vào hàm lượng chất dớnh cũn phụ thuộc vào hàm lượng cốt liệu tỏi chế thay thế cốt liệu tự nhiờn Với bờ tụng đầm lăn đối chứng (100% cốt liệu tự nhiờn), hiệu quả của việc tăng hàm lượng chất kết dớnh đến cường độ chịu nộn rừ rệt hơn đối với bờ tụng đầm lăn sử dụng cốt liệu tỏi chế, khi sử dụng hàm lượng chất kết dớnh 10%, 13% và 15% thỡ cường độ chịu nộn tăng khoảng 10% - 25% tuỳ thuộc loại xi măng sử dụng
3 4 1 4 Ảnh hưởng của cỏc loại cốt liệu tỏi chế
Để so sỏnh và đỏnh giỏ hiệu quả cỏc loại cốt liệu tỏi chế khỏc nhau trong chế tạo hỗn hợp bờ tụng đầm lăn, sử dụng 2 loại cốt liệu cào búc từ 2 nguồn thu gom
Kết quả thớ nghiệm cho thấy cường độ chịu nộn của bờ tụng đầm lăn sử dụng CLTC2 thấp hơn khi sử dụng CLTC1 ở 28 ngày tuổi khoảng 10% - 15% Như vậy, cỏc loại cốt liệu tỏi chế khỏc nhau cho kết quả cường độ chịu nộn khỏc nhau
Từ kết quả thớ nghiệm trong chương 2, cỏc loại cốt liệu tỏi chế (CLTC1 và CLTC2) đều cú cỏc chỉ tiờu kỹ thuật đảm bảo tiờu chuẩn, chất lượng tốt, tuy nhiờn, hàm lượng nhựa trong CLTC2 cao hơn CLTC1 Điều này cho thấy hàm lượng nhựa dớnh bỏm ảnh hưởng đỏng kể đến cường độ chịu nộn Tức là hàm lượng nhựa dớnh bỏm càng nhiều thỡ cường độ của BTĐL sử dụng cốt liệu tỏi chế càng giảm Đõy là điểm cần lưu ý khi sử dụng cốt liệu cào búc từ bờ tụng nhựa cũ để chế tạo hỗn hợp bờ tụng xi măng núi chung và hỗn hợp bờ tụng đầm lăn núi riờng
3 4 1 5 Ảnh hưởng của cỏc loại xi măng Pooclang
Để đỏnh giỏ ảnh hưởng của cỏc loại xi măng Pooc lăng đến đặc tớnh cơ học của bờ tụng đầm lăn, hai loại xi măng Pooclang được sử dụng trong luận ỏn là xi măng PC40 và PCB30 Kết quả thớ nghiệm cho thấy cường độ chịu nộn của bờ tụng đầm lăn sử dụng xi măng PCB30 cú giỏ trị thấp hơn khoảng 15% - 20% so với khi sử dụng xi măng PC40 tuỳ theo hàm lượng cốt liệu tỏi chế sử dụng
Theo kết quả phõn tớch số liệu thớ nghiệm, phương trỡnh hồi quy của cường độ chịu nộn và cỏc loại xi măng sử dụng trong luận ỏn được biểu diễn như sau: