3.2.1. Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ chịu nén
Cường độ chịu nén bê tông chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố chính như sau: thành phần cấp phối [8], tuổi bê tông [14], phương pháp chế tạo bê tơng [8], điều kiện dưỡng hộ và mẫu thí nghiệm [14] (Biểu đồ xương cá Ishikawa Hình 3.2).
Hình 3.2. Các yếu tố chính ảnh hưởng cường độ chịu nén bê tơng
Tất cả các yếu tố trong Hình 3.2 đều ảnh hưởng đáng kể đến cường độ chịu nén của bê tông, tuy nhiên nếu đưa tất cả các yếu tố này vào cùng một mơ hình để đánh giá ảnh hưởng đến cường độ chịu nén thì bài tốn sẽ rất phức tạp. Vì vậy, các nghiên cứu thường chỉ xét ảnh hưởng của một đến hai yếu tố trong Hình 3.2 đến cường độ chịu nén, còn các yếu tố khác được xem như khơng thay đổi.
3.2.2. Xây dựng quy trình và bộ dữ liệu thực nghiệm
3.2.2.1. Xây dựng quy trình thực nghiệm
Đối với các loại bê tơng thường gặp, đã có đầy đủ quy trình thực nghiệm để xác định cường độ chịu nén bê tông [8]. Tuy nhiên, với bê tông sử dụng các cấp phối mới, đặc biệt với các vật liệu phế phẩm tro bay và bột đá, các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng bê tông sẽ tăng lên, nên việc lựa chọn và thiết kế quy trình thực nghiệm là rất quan trọng. Quy trình bao gồm thiết kế cấp phối, lựa chọn mẫu thí nghiệm, chế tạo và dưỡng hộ mẫu, và xác định các dữ liệu thực nghiệm.
Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến cường độ chịu nén, tuy nhiên mục tiêu của Luận án là nghiên cứu ảnh hưởng của các thành phần vật liệu, đặc biệt là vật liệu phế phẩm tro bay và bột đá ảnh hưởng như thế nào đến cường độ chịu nén. Do vậy, Luận án chỉ nghiên cứu ảnh hưởng của cấp phối đến cường độ chịu nén bê tông, các điều kiện khác được giả thiết thực hiện theo các điều kiện thường gặp như: mẫu thử là mẫu hình khối vng cạnh 15cm, tuổi bê tơng chịu nén ở tuổi 28 ngày, điều kiện dưỡng hộ và chế tạo được thực hiện tại Phịng thí nghiệm Kết cấu cơng trình, trường Đại học Bách khoa.
Trong các yếu tố cấp phối, phụ gia chế tạo bê tơng có rất nhiều loại, do vậy để không bị nhiễu kết quả, Luận án khơng xét đến phụ gia trong nghiên cứu. Từ đó, các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ chịu nén bê tơng sẽ được đưa vào nghiên cứu gồm có cát, bột đá, đá dăm, xi măng, tro bay và nước.
Dựa trên chỉ dẫn của Bộ xây dựng [8] về lựa chọn cấp phối, để chế tạo bê tông đạt cấp độ bền chịu nén từ B10 đến B45, các thành phần vật liệu cơ sở để chế tạo bê tông được thể hiện trong Bảng 3.7.
Bảng 3.7. Thành phần vật liệu cơ sở
Vật liệu Đơn vị Khoảng biến thiên
Cốt liệu bé Cát (80%) kg 512-755,2 Bột đá (20%) kg 128-188,8 Tổng kg 640-944 Cốt liệu lớn (đá dăm) kg 1100-1200 Chất kết dính Xi măng (80%) kg 172,8-420 Tro bay (20%) kg 43,2-105 Tổng kg 216-525 Nước lít 190-230
Bảng 3.7 cho thấy, chất kết dính có khoảng biến thiên (so với hàm lượng tối đa của vật liệu này) là lớn nhất: 58,9%, tiếp theo cốt liệu bé: 32,2%, nước: 17,4% và cốt liệu lớn biến thiên ít nhất: 8,3%. Điều này cũng cho thấy cường độ chịu nén chịu
Bước 1 Bước 2 Bước 3 Chế tạo mẫu thử và dưỡng hộ mẫu
Xây dựng bộ dữ liệu thực nghiệm Xây dựng bảng cấp phối cho các mẫu thí nghiệm
ảnh hưởng nhiều nhất của chất kết dính, tiếp theo đến cốt liệu bé, nước và cốt liệu lớn ảnh hưởng ít nhất.
Để xác định số lượng mẫu cần phải thực hiện, nghiên cứu sử dụng phương pháp qui hoạch thực nghiệm. Do chất kết dính biến thiên nhiều nhất, nên số mức thay đổi được chọn là 4 mức; với nước và cốt liệu bé, số mức thay đổi là 3 mức; cốt liệu lớn ít biến đổi nên số mức thay đổi được chọn là 2 mức (Bảng 3.8).
Bảng 3.8. Vật liệu thành phần và các mức thay đổi hàm lượng của vật liệu
Ký hiệu Vật liệu Mức thay đổi Số mức
1 2 3 4
A Cốt liệu bé (kg) 640 792 944 3
B Cốt liệu lớn (kg) 1100 1200 2
C Chất kết dính (kg) 216 319 422 525 4
D Nước (lít) 190 210 230 3
Số lượng cấp phối thí nghiệm được xác định theo phương pháp thiết kế thực nghiệm đa yếu tố (full factorial) như sau:
� ố �ấ� �ℎố� = 21 × 32 × 41 = 72 (3.1) Từ q trình phân tích như trên, một quy trình thực nghiệm để xác định cường độ chịu nén bê tông được xây dựng gồm các bước như sau (Hình 3.3).
• Bước 1: Xây dựng bảng cấp phối cho các mẫu thí nghiệm.
• Bước 2: Thực hiện chế tạo và dưỡng hộ mẫu.
• Bước 3: Tiến hành đo đạc và xây dựng bộ dữ liệu thực nghiệm.
3.2.2.2. Xây dựng bảng cấp phối cho các mẫu thực nghiệm
Dựa trên thành phần vật liệu và các mức thay đổi vật liệu đã lựa chọn ở Bảng 3.8, vật liệu thành phần của 72 cấp phối bê tông được thể hiện như Bảng 3.9 và chi tiết đầy đủ các cấp phối được thể hiện trong Phụ lục 5.1.
Bảng 3.9. Thành phần vật liệu 72 cấp phối bê tông Cấp
phối Diễn giải
Cốt liệu bé (A) (kg/m3) Đá (B) (kg/m3) CKD (C) (kg/m3) Nước (D) (lít) Cát (80%) Bột đá (20%) Tổng (100%) XM (80%) Tro bay (20%) Tổng (100%) 1 A1B1C1D1 512 128 640 1100 172.8 43.2 216 190 2 A1B1C1D2 512 128 640 1100 172.8 43.2 216 210 3 A1B1C1D3 512 128 640 1100 172.8 43.2 216 230 … … … … … … … … … … 71 A3B2C4D2 755.2 188.8 944 1200 420 105 525 210 72 A3B2C4D3 755.2 188.8 944 1200 420 105 525 230
3.2.2.3. Chế tạo mẫu thử và dưỡng hộ
Quá trình chế tạo mẫu thử được thực hiện tại Phịng thí nghiệm Kết cấu cơng trình thuộc Khoa Xây dựng Dân dụng và Cơng nghiệp, Trường Đại học Bách khoa. Hình ảnh đo đạc độ sụt bê tơng được thể hiện ở Hình 3.4a và kết quả độ sụt bê tông của 72 cấp phối được thể hiện ở Phụ lục 5.2. Theo hướng dẫn của Bộ xây dựng [8], chỉ dẫn về độ sụt bê tông khi chế tạo các cấu kiện thơng thường có độ sụt từ 3cm đến 12cm. Tất cả các cấp phối trong nghiên cứu khi chế tạo đều có độ sụt bê tông nằm trong khoảng độ sụt như trên.
Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5574:2018 [14] về thiết kế kết cấu bê tông và bê tơng cốt thép, qui định mẫu thí nghiệm để xác định cường độ chịu nén bê tơng là mẫu hình lập phương có cạnh bằng 15cm. Sau khi chế tạo, mẫu thử được dưỡng hộ tại phịng thí nghiệm với nhiệt độ đo được trong quá trình dưỡng hộ là 25±20C và độ ẩm đo được là 80±7%. Hình ảnh khn mẫu chế tạo bê tơng và q trình dưỡng hộ mẫu được mơ tả trên Hình 3.4b và Hình 3.4c.
a) Đo độ sụt b) Khn chế tạo c) Dưỡng hộ mẫu Hình 3.4. Chế tạo và dưỡng hộ mẫu bê tông
3.2.2.4. Xây dựng bộ dữ liệu thực nghiệma. Đo vận tốc xung siêu âm UPV a. Đo vận tốc xung siêu âm UPV
Theo TCVN 9357-2012 [13], có 3 cách để đặt đầu dị: hai đầu dò đặt trên 2 mặt đối diện nhau (truyền trực tiếp), hai đầu dị đặt trên hai mặt vng góc (truyền bán trực tiếp) và hai đầu dò đặt trên cùng một bề mặt (truyền gián tiếp) (Hình 3.5a). Vận tốc xung siêu âm trong nghiên cứu được đo theo cách truyền trực tiếp (Hình 3.5b) và kết quả giá trị UPV ở tuổi 28 ngày được trình bày trong Phụ lục 5.3.
(1)Trực tiếp (2) Bán trực tiếp (3) Gián tiếp
a) Phương pháp đo UPV b) Đo đạc UPV
Hình 3.5. Đo vận tốc xung siêu âm UPVb. Xác định tỉ lệ suy giảm biên độ sóng siêu âm b. Xác định tỉ lệ suy giảm biên độ sóng siêu âm
Để thu nhận tín hiệu dạng sóng của sóng siêu âm, thiết bị được kết nối với máy tính thơng qua phần mềm Latis-Pro (Được trình bày chi tiết ở Mục 2.3.4, Chương 2). Tín hiệu sóng được thu nhận theo hai phương vng góc với nhau và vng góc với phương thẳng đứng. Kết quả biên độ sóng qua mẫu sẽ được lấy là giá trị trung bình của hai phương.
10 5 0 -5 -10
Thời gian, mili giây
4 2 0 -2 -4
Thời gian, mili giây
6 4 2 0 -2 -4
Thời gian, mili giây
Đối với cấp phối 5 (Phụ lục 5.1): Từ tín hiệu dạng sóng thu được từ nguồn phát (Hình 3.6), gọi biên độ của sóng phát là A1 và xác định được A1=20volt; Tín hiệu dạng sóng thu theo phương 1 và phương 2 (Hình 3.7), xác định được biên độ A2- P1 của sóng thu theo phương 1 là 6,32volt và biên độ A2-P2 theo phương 2 là 7,56volt, từ đó giá trị trung bình biên độ dạng sóng qua mẫu theo hai phương là 6,94volt. Tỉ
A lệ suy giảm biên độ sóng siêu âm qua khi mẫu sẽ là:
2
A1
6, 94
0, 347 . Bằng cách 20
tương tự, xác định được tỉ lệ suy giảm biên độ sóng siêu âm ứng với 72 cấp phối bê tông và kết quả được thể hiện ở Phụ lục 5.4.
Hình 3.6. Xác định biên độ của nguồn phát sóng
Hình 3.7. Xác định biên độ sóng qua mẫu thuộc cấp phối 5c. Xác định khối lượng riêng của các mẫu bê tông c. Xác định khối lượng riêng của các mẫu bê tông
Ở tuổi 28 ngày, tiến hành cân mẫu, xác định được khối lượng riêng của 72 mẫu và kết quả khối lượng riêng bê tông của các mẫu được thể hiện ở Phụ lục 5.5.
d. Xác định mô-đun đàn hồi của các mẫu bê tông
Dựa trên chỉ dẫn của Tiêu chuẩn TCVN 9357:2012 [13] về đánh giá chất lượng bê tông bằng vận tốc xung siêu âm, mô-đun đàn hồi bê tông được nội suy dựa trên Bi ê n đ ộ, V 1 36 43 A1 Bi ê n đ ộ, vo 1 14 27 A2 - P1 Bi ê n đ ộ, vo A2 - P21 14
vận tốc xung siêu âm. Kết quả mô-đun đàn hồi bê tông của các mẫu thể hiện trong Phụ lục 5.6.
e. Xác định cường độ chịu nén của các mẫu bê tông
Máy nén bê tông được sử dụng là máy nén thủy lực SYE-2000A (Hình 3.8), cường độ nén lớn nhất là 200tấn. Cường độ nén được xác định theo biểu thức sau đây [14]:
R = P
A (3.2)
Trong đó: R là cường độ nén của bê tông (daN/cm2), P là lực nén (daN) và A là diện tích tiết diện mẫu (cm2).
Kết quả cường độ chịu nén 72 mẫu được trình bày trong Phụ lục 5.7.
Hình 3.8. Nén mẫu xác định cường độ chịu nén bê tơng
3.2.3. Xây dựng mơ hình dự đốn cường độ chịu nén của bê tơng
Qua phân tích nghiên cứu tổng quan, chúng tơi đã xác định được hai phương pháp để dự đoán cường độ chịu nén đó là hồi quy tuyến tính và mạng nơ-ron nhân tạo. Ba mơ hình dự đốn với thơng số đầu vào khác nhau được thực hiện, mục đích là để so sánh độ chính xác của các mơ hình và lựa chọn được mơ hình tối ưu nhất.
• Mơ hình 1: 05 tham số đầu vào gồm khối lượng cốt liệu bé A[kg], cốt liệu
lớn B[kg], chất kết dính C[kg], lượng nước D[lít] (Phụ lục 5.1) và vận tốc xung siêu âm UPV tuổi 28 ngày[m/s] (Phụ lục 5.3); Đầu ra của mơ hình là cường độ chịu nén bê tơng tuổi 28 ngày R[daN/cm2].
• Mơ hình 2: 05 tham số đầu vào gồm khối lượng cốt liệu bé A[kg], cốt liệu
lớn B[kg], chất kết dính C[kg], lượng nước D[lít] (Phụ lục 5.1) và tỉ lệ suy giảm biên độ sóng siêu âm A2/A1 (Phụ lục 5.4); Đầu ra của mơ hình là cường độ chịu nén bê tơng tuổi 28 ngày R[daN/cm2].
• Mơ hình 3: 06 tham số đầu vào gồm khối lượng cốt liệu bé A[kg], cốt liệu
lớn B[kg], chất kết dính C[kg], lượng nước D[lít] (Phụ lục 5.1), UPV tuổi 28 ngày[m/s] (Phụ lục 5.3) và tỉ lệ suy giảm biên độ A2/A1 (Phụ lục 5.4); Đầu ra
của mơ hình là cường độ chịu nén bê tơng tuổi 28 ngày R[daN/cm2].
3.2.3.1. Mơ hình hồi quy tuyến tính đa biếna. Kết quả mơ hình dự đốn a. Kết quả mơ hình dự đốn
Các phương trình hồi quy của ba mơ hình (mơ hình 1, 2 và 3) để dự đốn cường độ chịu nén của bê tơng sử dụng các vật liệu thay thế được thể hiện qua các Biểu thức (3.3), (3.4) và (3.5). Các hệ số hồi quy trong các phương trình này được xác định dựa trên sự hỗ trợ của phần mềm Minitab 19.
R1 = −150 + 0.094 × A − 0.047 × B +1.096 × C −1.328× D + 0.0718× UPV (3.3) R2 = 132 + 0.0912 × A + 0.012 × B +1.1768 × C −1.675 × D + 91.9(A2 / A1 ) (3.4) R3 = −506 + 0.1723× A + 0.041× B + 0.967 × C −1.07 × D + 0.1099× UPV +132.8(A2 / A1 ) (3.5)
Các biểu đồ phần dư có thể được phân tích để đánh giá sự phù hợp của phương trình hồi quy [40, 41]. Hình 3.9, 3.10 và 3.11 thể hiện kết quả phân tích phần dư cường độ nén bê tơng của mơ hình 1, mơ hình 2 và mơ hình 3.
Cả ba biểu đồ phần dư cho thấy giá trị thống kê hầu như tuân theo quy luật phân bố chuẩn (Hình 3.9a, 3.10a, 3.11a), giá trị phần dư ở gần với đường trung tính (Hình 3.9b, 3.10b, 3.11b và 3.9d, 3.10d, 3.11d), và tần suất xuất hiện các giá trị phần dư có giá trị nhỏ là chủ yếu (Hình 3.9c, 3.10c, 3.11c). Các phân tích này cho thấy sự phù hợp cao của cả ba mơ hình và hồn tồn có thể sử dụng các phương trình hồi quy nói trên nhằm dự đốn cường độ chịu nén của bê tông sử dụng các vật liệu phế phẩm là tro bay và bột đá.
Trong Luận án, vận tốc xung siêu âm UPV và tỉ lệ suy giảm biên độ sóng siêu âm A2/A1 được coi là hai tham số đầu vào để dự đoán cường độ chịu nén bê
tông. Ảnh hưởng của vật liệu đến hai tham số này không phải là mục tiêu nghiên cứu chính của đề tài. Tuy nhiên, để hiểu rõ ảnh hưởng của tham số vật liệu, các biểu đồ phân tích ảnh hưởng của vật liệu đến UPV và tỉ lệ suy giảm biên độ A2/A1 được
trình bày chi tiết trong Phụ lục 7 của Luận án.
Hình 3.9. Biểu đồ phần dư của cường độ chịu nén bê tông (Mô hình 1)
1 n p n i1 yˆi yi 2
Hình 3.11. Biểu đồ phần dư của cường độ chịu nén bê tơng (Mơ hình 3) b. Đánh giá mơ hình dự đốn
Có nhiều tham số để đánh giá độ chính xác của mơ hình dự đốn, trong đó các tham số sau thường được sử dụng: hệ số độ lệch S[daN/cm2] xác định theo Biểu thức (3.6) [31, 32], hệ số bội R2[%] xác định theo Biểu thức (3.7) [24, 39, 41, 43, 45, 46,
82, 86] và hệ số bội điều chỉnh R 2[%] xác định theo Biểu thức (3.8) [31, 32].
S = (3.6) ∑(yˆ − y )2 R 2 = 1 − i = 1 (3.7) ∑(y i=1 − y )2 ∑(yˆ 2 − y )2 n −1 Radj = 1− i = 1 (3.8) ∑(yi i i=1
Các ký hiệu trong các biểu thức trên: yi là giá trị thí nghiệm của mẫu thứ
i, yˆi adj n n i i i i i i − y )2 n −
là giá trị dự đốn bởi mơ hình của mẫu thứ i, y là giá trị trung bình của các giá trị thí nghiệm, p là số lượng tham số biến trong mơ hình và n là số lượng mẫu thí nghiệm.
Kết quả ở Bảng 3.10 cho thấy giá trị các tham số đánh giá R2
và
2
adj của cả 3 mơ hình đều tương đối cao trong đó mơ hình 3 có kết quả tốt nhất. Như vậy, chúng ta có thể chọn mơ hình 3 để dự đốn cường độ chịu nén của bê tông sử dụng các vật liệu phế phẩm tro bay và bột đá. Tuy nhiên, trong trường hợp khơng có đầy đủ thiết bị để đo cả UPV và tỉ lệ biên độ A2/A1, mơ hình 1 hoặc mơ hình 2 có thể được sử dụng vì vẫn đảm bảo độ chính xác.
Bảng 3.10. Các tham số đánh giá mơ hình hồi quy tuyến tính đa biến
Tham số đánh giá Mơ hình 1 Mơ hình 2 Mơ hình 3
Độ lệch (S), daN/cm2 49,08 48,90 47,80
Hệ số bội (R2), % 90,32 90,40 90,96
Hệ số bội điều chỉnh ( R2 ), %
adj 89,59 89,67 90,13
c. Dự đoán cấp phối chế tạo bê tông
Hiện nay, các doanh nghiệp mong muốn giảm việc sử dụng cát và xi măng trong việc chế tạo bê tông bằng cách sử dụng các vật liệu phế phẩm là tro bay và bột