3.3.2. Xây dựng mơ hình dự đốn hệ số cản Rayleigh của bê tông
Trong các trường hợp thực tế khi cấp phối chế tạo bê tông không phải là 1 trong 72 cấp phối đã thiết kế, cần thiết phải xác định được các hệ số cản Rayleigh cho cấp phối bê tơng này. Vì vậy, mơ hình mạng nơ-ron nhân tạo được đề xuất để dự đoán hai hệ số cản Rayleigh α và β cho cấp phối bê tông bất kỳ.
Mạng nơ-ron nhân tạo được xây dựng có cấu trúc gồm 1 lớp đầu vào, 1 lớp ẩn, và 1 lớp đầu ra. Số lượng nơ-ron trong lớp đầu vào tương ứng với số tham số đầu vào gồm cốt liệu bé, cốt liệu lớn, chất kết dính và nước. Đối với lớp ẩn, số nơ- ron tối ưu được xác định theo phương pháp dị tìm (trial and error) và số nơ-ron tối ưu của lớp ẩn tính tốn được là 10 nơ-ron (Phụ lục 3). Lớp đầu ra có 2 nơ-ron là hệ số cản Rayleigh α và hệ số cản Rayleigh β. Cấu trúc mạng nơ-ron đề xuất như thể hiện trên Hình 3.27.
Hình 3.27. Cấu trúc mạng ANN để dự đốn hệ số cản Rayleigh α và β
Tổng số 72 dữ liệu về hệ số cản Rayleigh (Phụ lục 6) được phân bổ như sau: dữ liệu huấn luyện (training): 70% (50 mẫu), xác thực (validation): 15% (11 mẫu), kiểm tra (testing): 15% (11 mẫu) và sự phân bổ trên được thực hiện một cách ngẫu nhiên bởi cơng cụ nntool trong phần mềm Matlab.
Q trình huấn luyện và kết quả dự đoán hệ số cản Rayleigh của mạng ANN được thể hiện như Hình 3.28 và 3.29. Hệ số bội R2 của mơ hình ANN dự đốn hệ số cản Rayleigh α và β là 86,51%.
Hình 3.28. Q trình huấn luyện mạng ANN dự đốn hệ số cản Rayleigh
Sử dụng mạng ANN đã xây dựng, chúng ta có thể xác định các hệ số cản Rayleigh α và β cho cấp phối bê tơng bất kỳ. Ví dụ trong bài toán thiết kế, cần xác định các hệ số cản Rayleigh cho bê tông với yêu cầu độ sụt từ 6cm đến 10cm và đảm bảo mác thiết kế là 200, 300 và 400. Dựa trên chỉ dẫn lựa chọn cấp phối của Bộ xây dựng [8], cấp phối bê tông được thiết kế sơ bộ để đảm bảo độ sụt và mác thiết kế được thể hiện trong Bảng 3.15. Sử dụng mạng ANN vừa thiết lập, xác định được các hệ số cản Rayleigh α và β cho các cấp phối bê tơng này.
Kết quả này là hết sức có ý nghĩa, vì các hệ số cản này được sử dụng để xác định ma trận cản C trong bài tốn mơ phỏng ở Chương 2. Từ đó, cơng việc mơ phỏng lan truyền sóng siêu âm trong bê tơng sử dụng tro bay và bột đá có thể được thực hiện cho cấp phối bê tơng tùy ý.
Bảng 3.15. Xác định hệ số cản Rayleigh bê tông bằng ANN
Mác bê tông Thành phần vật liệu Hệ số cản Rayleigh Cốt liệu bé Đá dăm Chất kết dính Nước Cát (80%) Bột đá (20%) Xi măng (80%) Tro bay (20%) Hệ số cản α Hệ số cản β kg kg kg lít rad/s s/rad Mác 200 515 129 1200 224 56 195 52747.05 4.59E-07 Mác 300 489 122 1150 304 76 195 9579.14 8.34E-08 Mác 400 482 120 1100 360 90 195 4644.47 4.04E-08
3.4. Thực nghiệm dự đốn chiều sâu vết nứt mở vng góc bề mặt bê tơng
Việc sử dụng các vật liệu phế phẩm là tro bay và bột đá để chế tạo bê tơng, có thể ảnh hưởng đến cường độ chịu nén và xuất hiện các khuyết tật bên trong bê tông, đặc biệt là các vết nứt xuất hiện trong quá trình chế tạo hoặc chịu lực. Chương 2 của Luận án đã dùng phương pháp mô phỏng số để xác định chiều sâu vết nứt của bê tông khi sử dụng các vật liệu phế phẩm. Ở đây, phương pháp thực nghiệm sẽ được thực hiện để kiểm chứng độ chính xác của phương pháp mơ phỏng số. Ngoài ra, việc sử
2 p C t2 H 2
Bước 1 Bước 2 Bước 3 Bước 4
Xác định chiều sâu vết nứt Xác định vận tốc lan truyền xung
Xác định thời gian lan truyền xung Chế tạo mẫu
dụng mơ phỏng số và thực nghiệm cũng góp phần kiểm chứng phương pháp dự đoán chiều sâu vết nứt mở vng góc bề mặt bê tơng sử dụng sóng siêu âm.
3.4.1. Xác định quy trình thực nghiệm
Phương pháp xác định chiều sâu vết nứt mở bề mặt của bê tơng được trình bày chi tiết ở Mục 1.3, Chương 1. Để xác định chiều sâu vết nứt của bê tông, thường xác
định qua phương pháp gián tiếp và theo biểu thức như sau: D
= (Biểu
thức 1.14). Trong biểu thức này, cần xác định vận tốc lan truyền xung (Cp), thời gian lan truyền xung (t) và khoảng cách từ vị trí đặt cảm biến đến vết nứt (H). Từ đó, một quy trình được xây dựng để xác định chiều sâu vết nứt bằng phương pháp thực nghiệm như sau (Hình 3.30).
Bước 1: Chế tạo mẫu.
Bước 2: Xác định vận tốc lan truyền xung trong mẫu.
Bước 3: Xác định thời gian lan truyền xung từ vị trí phát xung đến vị trí
nhận xung.
Bước 4: Áp dụng cơng Biểu thức (1.14) để xác định chiều sâu vết nứt trong
mẫu.
Hình 3.30. Quy trình xác định chiều sâu vết nứt bằng thực nghiệm
3.4.1.1. Chế tạo mẫu
Mẫu thí nghiệm được lấy giống ở Chương 2 (Hình 2.11) là một hình khối chữ nhật có kích thước 15x15x60cm3, tạo một vết nứt mở vng góc với bề mặt có chiều sâu là 7cm và bề rộng vết nứt là 2mm.
Cấp phối bê tông để chế tạo mẫu được lấy là cấp phối 12 (CP12) với thành phần vật liệu thể hiện ở Phụ lục 5.1. Tồn bộ các đặc tính vật liệu sử dụng mô phỏng trong Chương 2 được lấy từ các giá trị thực nghiệm của cấp phối 12 này. Quá trình chế tạo và dưỡng hộ mẫu được thực hiện tại Phịng thí nghiệm Kết cấu cơng trình, Khoa Xây dựng Dân dụng và Công nghiệp, Trường Đại học bách khoa, Đại học Đà Nẵng (Hình 3.31).
Hình 3.31. Khn và chế tạo mẫu xác định chiều sâu vết nứt
3.4.1.2. Xác định vận tốc lan truyền xung siêu âm
Xung siêu âm được phát từ máy siêu âm Tico Proceq (Hình 2.7a) với tần số phát là 54kHz, sử dụng cách đo trực tiếp (Hình 3.5): hai cảm biến đặt đối diện nhau ở hai bên bề mặt của mẫu, khi đó xác định được vận tốc lan truyền xung trong mẫu là Cp=4520m/s.
3.4.1.3. Xác định thời gian lan truyền xung
Có hai cách xác định thời gian lan truyền xung là xác định bằng thiết bị hiển thị số và xác định bằng thiết bị hiển thị dạng sóng [13]. Ở đây, để phù hợp với thiết bị hiện có tại phịng thí nghiệm, thời gian lan truyền xung được xác định bằng thiết bị hiển thị số là máy siêu âm Tico Proceq (Hình 2.7a). Với máy siêu âm Tico Proceq, bên trong thiết bị đã được tích hợp sẵn bộ đếm thời gian. Do vậy, khi đặt hai cảm biến của máy siêu âm với sơ đồ bố trí như Hình 2.11, đọc được thời gian lan truyền xung hiển thị trên máy là 56,5µs (t=56,5µs).
2 H p C t 2 2 2 H p C t 2 2 4520 56,5 106 2 2 0,12 3.4.1.4. Kết quả thực nghiệm
Áp dụng biểu thức xác định chiều sâu vết nứt: D = (Biểu thức
1.14), xác định được chiều sâu vết nứt từ phương pháp thực nghiệm như sau:
D = = = 7,92cm
3.4.2. Đánh giá kết quả dự đoán chiều sâu vết nứt bằng thực nghiệm và môphỏng phỏng
Kết quả xác định chiều sâu vết nứt từ mô phỏng (Mục 2.4) và từ thực nghiệm được thể hiện ở Bảng 3.16. Kết quả cho thấy giá trị chiều sâu vết nứt dự đoán dựa trên đo đạc thực nghiệm bằng xung siêu âm lớn hơn giá trị dự đốn bằng mơ phỏng số. Điều này là phù hợp. Bởi vì trong mơ phỏng số vật liệu bê tông được giả thiết là mơi trường đồng nhất. Cịn khi đo đạc thực nghiệm trên mẫu bê tông, cấu trúc vật liệu là không đồng nhất, bên trong mẫu có thể tồn tại các lỗ trống do q trình chế tạo, từ đó sóng lan truyền sẽ bị tán xạ với cốt liệu lớn và các lỗ trống này, và sự lan truyền sóng khi đo đạc thực nghiệm sẽ có sai khác so với khi mơ phỏng số.
Bảng 3.16. Kết quả xác định chiều sâu vết nứt bằng mô phỏng và thực nghiệm
Phương pháp Chiều sâu vết nứt dự đốn Chiều sâu vết nứt thực tế Sai lệch (%) Mơ phỏng số 7,5cm 7cm 7,1% Thực nghiệm 7,92cm 7cm 13,1% 3.5. Kết luận chương 3
Mục tiêu của chương 3 là nghiên cứu thực nghiệm đối với bê tông sử dụng vật liệu phế phẩm tro bay và bột đá để thực hiện các công việc sau: Dự đốn cường độ chịu nén bê tơng bằng phương pháp hồi quy và mạng nơ-ron nhân tạo; xác định các hệ số cản Rayleigh của bê tông để xác định ma trận cản trong bài tốn mơ phỏng ở
Chương 2 và dự đoán chiều sâu vết nứt bằng phương pháp thực nghiệm để kiểm chứng kết quả mơ phỏng ở Chương 2.
Đối với việc dự đốn cường độ chịu nén bê tơng, Luận án đề xuất 3 mơ hình đa biến với tham số đầu vào khác nhau, sử dụng phương pháp hồi quy tuyến tính đa biến và mạng nơ-ron nhân tạo. Kết quả cho thấy mơ hình mạng nơ-ron nhân tạo (Mơ hình 3) cho kết quả chính xác nhất. Trong Mơ hình 3, đầu vào gồm 6 tham số: 4 tham số vật liệu (cốt liệu bé, cốt liệu lớn, chất kết dính và nước) và 2 tham số đặc tính sóng siêu âm (UPV và tỉ lệ biên độ A2/A1), đầu ra của mơ hình là cường độ
chịu nén bê tơng. Mơ hình cho phép dự đốn cường độ chịu nén của bê tông sử dụng vật liệu phế phẩm (tro bay và bột đá) với độ chính xác cao.
Để xác định các hệ số cản Rayleigh α và β, một phương pháp thực nghiệm được đề xuất, từ đó xác định được các hệ số cản Rayleigh cho 72 cấp phối bê tông sử dụng các vật liệu phế phẩm tro bay và bột đá. Ngồi ra, một mơ hình mạng nơ- ron nhân tạo được xây dựng để dự đoán các hệ số cản Rayleigh cho cấp phối bê tơng bất kỳ với độ chính xác phù hợp. Trong mơ hình, đầu vào là 4 tham số vật liệu (cốt liệu bé, cốt liệu lớn, chất kết dính và nước), đầu ra là các hệ số cản Rayleigh α
và β.
Kết quả chiều sâu vết nứt bê tơng xác định bằng đo đạc thực nghiệm có sai lệch so với phương pháp mô phỏng số ở Chương 2, tuy nhiên với sai số chấp nhận được. Sai số này có thể khắc phục bằng cách bổ sung giả thiết vật liệu bê tông được tạo thành từ nhiều vật liệu khơng đồng nhất khi mơ phỏng số q trình lan truyền sóng.
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU CẦN PHÁT TRIỂN Các kết quả Luận án đạt được:
1. Xây dựng được thuật tốn và chương trình mơ phỏng bằng phương pháp phần tử hữu hạn, để mơ phỏng hai chiều sự lan truyền sóng siêu âm trong bê tơng sử dụng các vật liệu phế phẩm là tro bay và bột đá. Điểm mới của chương trình là có xét đến ma trận cản C được xác định bằng mơ hình giảm chấn Rayleigh thơng qua các hệ số
α và β tính tốn từ thực nghiệm.
2. Xây dựng được bộ dữ liệu thực nghiệm gồm có 72 cấp phối bê tông, đạt cấp độ bền chịu nén từ B10 đến B45. Cấp phối bê tông sử dụng các vật liệu tại miền Trung: cát, đá dăm, xi măng Portland và đặc biệt sử dụng hai vật liệu phế phẩm là tro bay và bột đá. Bộ dữ liệu này bao gồm các thông tin về cấp phối bê tông, vận tốc xung siêu âm ở tuổi 28 ngày, khối lượng riêng, mô-đun đàn hồi của bê tông, tỉ lệ suy giảm biên độ sóng siêu âm tại 28 ngày tuổi và cường độ chịu nén bê tông tại 28 ngày tuổi.
3. Đề xuất phương pháp và xây dựng được các mơ hình dự đốn cường độ chịu nén của bê tông sử dụng tro bay và bột đá bằng phương pháp hồi quy tuyến tính và mạng nơ-ron nhân tạo. Mơ hình này cho phép dự đốn chính xác cường độ chịu nén của bê tông tương ứng với các cấp phối đã xác định. Từ đó, có thể giúp nhà sản xuất bê tơng dự đốn được khoảng cấp phối bê tơng và xác định được cấp phối bê tông tối ưu để đảm bảo yêu cầu về cường độ chịu nén thiết kế.
4. Đề xuất phương pháp thực nghiệm để xác định các hệ số cản Rayleigh cho 72 cấp phối bê tông sử dụng các vật liệu phế phẩm là tro bay và bột đá. Xây dựng được mơ hình mạng nơ-ron nhân tạo cho phép dự đốn hệ số cản Rayleigh của bê tơng sử dụng vật liệu thay thế với cấp phối bất kỳ.
5. Xác định phương pháp phù hợp để dự đoán chiều sâu vết nứt mở vng góc với bề mặt của mẫu bê tông sử dụng vật liệu phế phẩm như tro bay và bột đá. Phương pháp này dựa trên thời gian lan truyền nhiễu xạ (TOFD) để xác định chiều sâu của vết nứt. Việc xác định vết nứt này có thể ứng dụng để kiểm tra các khuyết tật trong bê tông.
Hướng nghiên cứu cần phát triển:
1. Chương trình mơ phỏng sự lan truyền sóng siêu âm trong bê tơng đã được xây dựng cho trường hợp của bài toán hai chiều với giả thiết là vật liệu đồng nhất. Để có thể ứng dụng sóng siêu âm giải quyết các bài tốn thực tế như: xác định cấu trúc, tính đồng nhất, khuyết tật của bê tông, cần phát triển chương trình mơ phỏng cho bài tốn ba chiều, vật liệu khơng đồng nhất.
2. Đối tượng bê tông trong nghiên cứu hiện tại được chế tạo từ các vật liệu tại miền Trung là cát, đá dăm, xi măng portland và hai vật liệu phế phẩm là tro bay và bột đá. Khối lượng của hai vật liệu này thay thế cho 20% khối lượng xi măng và cát được sử dụng để chế tạo bê tơng truyền thống. Trong thời gian đến, có thể mở rộng đối tượng nghiên cứu bằng cách thay đổi, nâng cao tỉ lệ của các vật liệu tro bay và bột đá, hay thay thế các vật liệu tái chế khác như trấu, xỉ, vụn cao su.
3. Kết quả nghiên cứu ứng dụng sóng siêu âm để dự đốn chiều sâu vết nứt trong luận án là cho vết nứt mở vng góc bề mặt bê tơng. Để có thể ứng dụng trong việc dự đoán chiều sâu các loại vết nứt khác nhau trong thực tế, cần mở rộng hướng nghiên cứu cho các loại vết nứt khác nhau như vết nứt xiên, vết nứt cong, vết nứt bên trong bê tơng. Nhờ đó chúng ta có thể thiết lập một cơ sở dữ liệu các vết nứt để sử dụng cho việc xây dựng mơ hình dự đốn vết nứt của bê tơng trong thực tế dựa trên sóng siêu âm.
4. Để có thể triển khai ứng dụng vào thực tế cho các nhà sản xuất bê tông trong việc lựa chọn cấp phối phù hợp, đặc biệt là cấp phối sử dụng các vật liệu phế phẩm là tro bay và bột đá, cần mở rộng việc thu thập dữ liệu của các mẫu thực tế tại cơng trình. Từ đó kiểm chứng kết quả và hiệu chỉnh các tham số đầu vào của mơ hình dự đốn nơ-ron nhân tạo.
Tiếng Việt
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Lý Hải Bằng, Nguyễn Thùy Anh, Mai Thị Hải Vân (2021), "Nghiên cứu ứng dụng mơ hình trí tuệ nhân tạo dự báo cường độ nén của bê tông sử dụng cốt liệu tái chế", Tạp chí Khoa học Giao thơng vận tải, số 72, trang 369-383. [2] Lý Hải Bằng, Nguyễn Thùy Anh (2020), "Mô phỏng cường độ bê tông 28
ngày tuổi sử dụng mạng nơ-ron nhân tạo tối ưu hóa với thuật tốn giải thuật di truyền", Tạp chí Khoa học Giao thơng vận tải, số 72, trang 369-383.
[3] Đào Huy Bích (2008), Cơ học môi trường liên tục, Nhà xuất bản Đại học
quốc gia Hà Nội.
[4] Lương Xuân Chiểu (2012), "Nghiên cứu xây dựng đường chuẩn tương quan giữa cường độ chịu nén với vận tốc truyền sóng siêu âm kết hợp trị số bật nảy ứng dụng đánh giá cường độ chịu nén bê tơng mác 45-55 MPa", Tạp chí khoa học Giao thông vận tải, số 38, trang 40-45.