Ứng dụng mạng nơ ron nhân tạo để dự đoán cường độ nén của bê tông đầm lăn làm bằng cốt liệu xỉ thép EAF và tro bay

Ứng dụng mạng nơ ron nhân tạo để Dự đoán cường độ nén của bê tông đầm lăn Làm bằng cốt liệu xỉ thép EAF và tro bay Lâm Ngọc Trà My... Bên cạnh đó, chủ nhiệm đề tài đã nghiên cứu thành c

Ứng dụng mạng nơ ron nhân tạo để

Dự đoán cường độ nén của bê tông đầm lăn Làm bằng cốt liệu xỉ thép EAF và tro bay

Lâm Ngọc Trà My

MỤC LỤC

Chương 1: Giới thiệu chung 1

1.1 Lý do nghiên cứu và tính cấp thiết của đề tài 1

1.2 Mục tiêu nghiên cứu 2

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

1.3.1 Đối tượng nghiên cứu 2

1.3.2 Phạm vi nghiên cứu 2

Chương 2: Tổng quan 3

2.1 Bê tông đầm lăn 3

2.2 Xỉ thép EAF 6

2.2.1 Đặc điểm 6

2.2.2 Ứng dụng của xỉ thép 8

2.3 Tro bay 8

2.4 Mạng nơ ron nhân tạo 9

2.5 Tình hình nghiên cứu 11

2.5.1 Trong nước 11

2.5.2 Ngoài nước 12

Chương 3: Phương pháp nghiên cứu 14

3.1 Nguyên vật liệu 14

3.1.1 Xi măng 14

3.1.2 Tro bay 14

3.1.3 Cốt liệu 16

3.1.4 Xỉ thép 17

3.2 Tạo mẫu và phương pháp thí nghiệm 18

3.2.1 Cấp phối hỗn hợp bê tông đầm lăn 18

3.2.2 Tạo mẫu và phương pháp thí nghiệm cường độ nén 18

3.3 Mô hình dự đoán 20

3.3.1 Phương trình hồi qui tuyến tính 20

3.3.2 Mạng nơ ron nhân tạo 20

3.3.3 Logic mờ 23

Chương 4: Các kết quả và thảo luận 26

4.1 Hàm lượng nước tối ưu cho các cấp phối bê tông đầm lăn 26

4.2 Cường độ chịu nén 28

4.3 Mô hình dự đoán 30

4.3.1 Phương trình hồi qui tuyến tính 30

4.3.2 Mạng nơ ron nhân tạo 32

4.3.3 Logic mờ 36

Chương 5: Kết luận và kiến nghị 42

5.1 Kết luận 42

5.2 Kiến nghị 42

Tài liệu tham khảo 43

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Thành phần cấp phối cốt liệu của bê tông đầm lăn theo ACPA 5

Bảng 2.2 Tính chất vật lý của xỉ thép EAF 6

Bảng 2.3 Thành phần hóa học của xỉ thép EAF 7

Bảng 3.1 Thành phần hóa học và các tính chất cơ lý của tro bay và xi măng 15

Bảng 3.2 Tính chất cơ lý của cốt liệu tự nhiên và xỉ thép 16

Bảng 3.3 Thành phần hóa học của xỉ thép 17

Bảng 3.4 Thành phần cấp phối hỗn hợp bê tông đầm lăn 19

Bảng 4.1 Độ ẩm tối ưu và khối lượng thể tích khô lớn nhất của hỗn hợp bê tông đầm lăn 28

Bảng 4.2 Cường độ chịu nén của các hỗn hợp bê tông đầm lăn 29

Bảng 4.3 Các luật mờ 37

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 2.1 Tổng diện tích sử dụng bê tông đầm lăn ở nước Mỹ từ năm 1983 3

Hình 2.2 Thành phần nguyên vật liệu theo thể tích của bê tông thông thường và bê tông đầm lăn 4

Hình 2.3 Thi công kết cấu mặt đường bằng bê tông đầm lăn 4

Hình 2.4 Xỉ thép EAF 6

Hình 2.5 Cấu tạo của tế bào nơ ron sinh học 10

Hình 2.6 Kiến trúc một nơ ron nhân tạo 10

Hình 2.7 Cấu trúc mạng nơ ron truyền thẳng 3 lớp 11

Hình 3.1 Tro bay 14

Hình 3.2 Thành phần cấp phối hạt cốt liệu sử dụng trong nghiên cứu 16

Hình 3.3 Xỉ thép EAF thay thế cốt liệu lớn 17

Hình 3.4 Quá trình bảo dưỡng mẫu 20

Hình 3.5 Mô hình ANN được đề xuất trong nghiên cứu 22

Hình 3.6 Các hàm thành viên của các tham số đầu vào, (a) hàm lượng tro bay, (b) hàm lượng xỉ thép EAF, (c) tuổi của mẫu 24

Hình 3.7 Hệ thống logic mờ 25

Hình 4.1 Đường cong đầm nén 27

Hình 4.2 Cường độ chịu nén của bê tông đầm lăn 28

Hình 4.3 Các giá trị dự đoán theo mô hình MRA và các giá trị đích của tập huấn luyện31 Hình 4.4 Mối quan hệ giữa các giá trị dự đoán theo mô hình MRA và các giá trị đích của tập huấn luyện 31

Hình 4.5 Các giá trị dự đoán theo mô hình MRA và các giá trị đích của tập kiểm tra 32

Hình 4.6 Mối quan hệ giữa các giá trị dự đoán theo mô hình MRA và các giá trị đích của tập kiểm tra 32

Hình 4.7 Các hệ số RMSE và R2 của các mô hình ANN với các số nơ ron ở lớp ẩn khác 33 Hình 4.8 Mô hình ANN với số nơ ron tối ưu ở lớp ẩn (6 nơ ron) 33 Hình 4.9 Các giá trị dự đoán theo mô hình ANN và các giá trị đích của tập huấn luyện34 Hình 4.10 Mối quan hệ giữa các giá trị dự đoán theo mô hình ANN và các giá trị đích của tập huấn luyện 34 Hình 4.11 Các giá trị dự đoán theo mô hình ANN và các giá trị đích của tập kiểm tra 35 Hình 4.12 Mối quan hệ giữa các giá trị dự đoán theo mô hình ANN và các giá trị đích của tập kiểm tra 35 Hình 4.13 Hàm thành viên của cường độ chịu nén 36 Hình 4.14 Sơ đồ khối của mô hình logic mờ 36 Hình 4.15 Các giá trị dự đoán theo mô hình FL và các giá trị đích của tập huấn luyện 39 Hình 4.16 Mối quan hệ giữa các giá trị dự đoán theo mô hình FL và các giá trị đích của tập huấn luyện 39 Hình 4.17 Các giá trị dự đoán theo mô hình FL và các giá trị đích của tập kiểm tra 40

Hình 4.18 Mối quan hệ giữa các giá trị dự đoán theo mô hình FL và các giá trị đích của tập huấn luyện 40

Hình 4.19 So sánh giá trị dự đoán cường độ nén của các mô hình MRA, ANN và FL 41

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG

1.1 Lý do nghiên cứu và tính cấp thiết của đề tài

Sản xuất thép tăng trưởng rất nhanh trong 10 năm gần đây, cụ thể là tổng sản lượng thép trên thế giới đạt 1560, 1650, và 1670 triệu tấn trong năm 2012, 2013, và

2014 Cùng với sự gia tăng sản xuất thép, sản phẩm phụ của quá trình sản xuất thép – xỉ thép đã tạo nên những thách thức lớn cho vấn đề môi trường, như thiếu khu vực chứa và chôn lấp xỉ thép Xỉ thép EAF là sản phẩm phụ của quá trình sản xuất thép theo phương pháp hồ quang điện Quá trình sản xuất 1 tấn thép thô thải ra 150 – 200 kg xỉ thép EAF Sản lượng xỉ thép cần xử lý hàng năm trên thế giới là 170 – 250 triệu tấn Việc tái sử dụng xỉ thép EAF làm cốt liệu cho bê tông đã thu hút rất nhiều nghiên cứu trên thế giới

[1]–[11] Kết quả các nghiên cứu đã chứng minh rằng xỉ thép có thể thay thế cốt liệu tự nhiên trong bê tông và làm tăng cường độ cho bê tông thông thường, bê tông tính năng cao, bê tông geopolymer Tuy nhiên, cốt liệu xỉ thép khi thay thế cốt liệu tự nhiên sẽ làm giảm độ bền của bê tông

Ở Bà Rịa Vũng Tàu, chất thải xỉ thép EAF cần xử lý là 1 triệu tấn hàng năm Hiện nay ở Việt Nam rất ít nghiên cứu cho việc tái sử dụng xỉ thép Bên cạnh đó, chủ nhiệm

đề tài đã nghiên cứu thành công việc sử dụng xỉ thép làm cốt liệu cho bê tông đầm lăn trong phòng thí nghiệm Vì vậy, việc tiếp tục mở rộng nghiên cứu về bê tông đầm lăn cốt liệu xỉ thép để có thể ứng dụng vào thực tế là hết sức cấp thiết

Ngoài ra, việc sử dụng tro bay để thay thế xi măng trong bê tông cũng mang lại nhiều lợi ích thiết thực, bao gồm giảm giá thành cho bê tông, giảm khí CO2 của quá trình sản xuất xi măng gây ra và hạn chế tác hại môi trường do tro xỉ của nhà máy nhiệt điện mang lại Việc sử dụng tro bay thay thế một phần xi măng trong bê tông đầm lăn làm giảm cường độ bê tông ở tuổi sớm [12] Nhưng cường độ của bê tông sau 90 ngày phát triển cao Đồng thời, việc sử dụng tro bay làm cải thiện độ thấm, độ hút nước, độ thấm clo cho kết cấu bê tông [13] Vì vậy, việc nghiên cứu dự báo cường độ nén bê tông đầm lăn sử dụng xỉ thép làm cốt liệu và tro bay là hết sức cần thiết để việc áp dụng trong thực

tế trở nên đơn giản và hiệu quả hơn Từ định hướng đó, đề tài nghiên cứu này ra đời

1.2 Mục tiêu nghiên cứu

Đề tài nghiên cứu có 1 mục tiêu chính: Xây dựng mô hình dự báo cường độ nén

của bê tông đầm lăn sử dụng cốt liệu xỉ thép EAF và tro bay bằng mạng nơ-ron nhân tạo

1.3 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu

1.3.1 Đối tượng nghiên cứu

Bê tông đầm lăn chế tạo từ cốt liệu xỉ thép EAF và tro bay

1.3.2 Phạm vi nghiên cứu

Xây dựng mô hình mạng nơ ron nhân tạo để dự đoán cường độ chịu nén của bê tông đầm lăn từ các số liệu thí nghiệm trong phòng

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN

2.1 Bê tông đầm lăn

Bê tông đầm lăn là một loại bê tông đặc biệt cứng và không có độ sụt Bê tông đầm lăn lần đầu tiên được sử dụng cho kết cấu mặt đường vào năm 1942 ở Bắc Mỹ [14]

Ketema và các cộng sự [15] đã chứng minh rằng kết cấu áo đường cứng có tuổi thọ gấp đôi kết cấu áo đường mềm Việc duy tu, bão dưỡng định kỳ áo đường cứng trong 40 năm thì tương tự áo đường mềm Vì vậy, kết cấu áo đường cứng có hiệu quả kinh tế cao hơn kết cấu áo đường mềm Ngày nay việc sử dụng bê tông đầm lăn rất phổ biến vì những ưu điểm nổi bật của nó, như: cường độ cao, độ bền lớn và chi phí đầu tư thấp (hình 2.1)

Hình 2.1 Tổng diện tích sử dụng bê tông đầm lăn ở nước Mỹ từ năm 1983 [16]

Hiện nay, ở Việt Nam kết cấu áo đường mềm chiếm 55% tổng chiều dài kết cấu

áo đường, đạt 9303 km đường [17] Trong khi đó, kết cấu áo đường cứng chỉ chiếm 4%

Vì vậy, việc nâng cao sử dụng kết cấu áo đường cứng ở Việt Nam trong tương lai là hết sức cần thiết

Tương tự như bê tông thông thường, bê tông đầm lăn là vật liệu hỗn hợp bao gồm chất kết dính, cốt liệu, nước và phụ gia (nếu có) Tuy nhiên, lượng chất kết dính của bê tông đầm lăn thấp hơn khoảng 10% bê tông xi măng thông thường (hình 2.2) Khối lượng xi măng sử dụng trong bê tông đầm lăn chiếm từ 11% đến 13% tổng lượng chất

kết dính và cốt liệu trong hỗn hợp [16] Với đặc điểm cứng, kết cấu mặt đường được xây dựng từ bê tông đầm lăn sẽ được thi công bằng máy rải bê tông nhựa và đầm chặt bằng

xe lu (hình 2.3) Vì vậy hỗn hợp bê tông đầm lăn phải đủ cứng để duy trì sự ổn định của các con lăn rung và đủ ướt để phân phối vữa mà không tách biệt

Hình 2.2 Thành phần nguyên vật liệu theo thể tích của bê tông thông thường và bê tông

đầm lăn [16]

Hình 2.3 Thi công kết cấu mặt đường bằng bê tông đầm lăn [16]

Cốt liệu chiếm 85% thể tích hỗn hợp bê tông đầm lăn, vì vậy chất lượng cốt liệu quyết định chất lượng của bê tông Thành phần cấp phối cốt liệu của bê tông đầm lăn theo American Concrete Pavement Association (ACPA) [18] được liệt kê trong bảng 2.1

Bảng 2.1 Thành phần cấp phối cốt liệu của bê tông đầm lăn theo ACPA

2.2 Xỉ thép EAF

2.2.1 Đặc điểm

Xỉ thép là phế phẩm của quá trình luyện thép Sản xuất 1 tấn thép sẽ sản sinh ra

150 kg xỉ thép Xỉ thép EAF là xỉ lò điện hồ quang phát sinh trong quá trình luyện thép

từ thép phế liệu Trong quá trình luyện thép, các tạp chất được loại bỏ từ thép nóng chảy chính là xỉ thép EAF

NA: không có giá trị

Xỉ thép EAF nặng hơn đá, bởi vì các hợp chất sắt chứa trong xỉ thép (xem bảng 2.2) Khối lượng thể tích xốp của xỉ thép từ 1500 kg/m3 đến 2000 kg/m3 [21] Xỉ thép có hình dạng gồ ghề, góc cạnh, bề mặt thô ráp Độ hút nước của xỉ thép phụ thuộc vào cỡ hạt của nó

Thành phần hóa học chủ yếu của xỉ thép là CaO, SiO2, FeO, Fe2O3 , Al2O3, MgO, and MnO Bảng 2.3 thể hiện thành phần hóa học của xỉ thép trong nghiên cứu đã công

2.2.2 Ứng dụng của xỉ thép

2.2.2.1 Thay thế cốt liệu

Ameri và các cộng sự [24] sử dụng xỉ thép EAF làm cốt liệu cho bê tông nhựa nóng Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng độ ổn định Marshall của bê tông nhựa có cốt liệu xỉ thép được cải thiện so với bê tông nhựa cốt liệu tự nhiên Ngoài ra, độ bền kéo, mô đun đàn hồi và sức cản cũng được tăng cường trong hỗn hợp bê tông nhựa ấm chứa cốt liệu

xỉ EAF Tương tự, Pasetto and Baldo [25] cũng chứng minh rằng bê tông nhựa cốt liệu xỉ thép EAF có độ ổn định Marshall tốt Ngoài ra, nhờ hình dáng gồ ghề, góc cạnh, bề mặt thô ráp nên cốt liệu xỉ thép cải tiến độ cứng, độ bền mỏi và khả năng chống biến dạng của bê tông nhựa [26]

Phần lớn nghiên cứu tập trung vào việc sử dụng cốt liệu xỉ thép thay thế cốt liệu

tự nhiên trong bê tông xi măng Manso và các cộng sự [2] báo cáo rằng bê tông xi măng cốt liệu xỉ thép có cường độ và độ bền cao Tương tự, kết quả nghiên cứu của Adegologe

và các cộng sự [1] đã quan sát thấy sự cải thiện các tính chất cơ học của bê tông khi sử dụng cốt liệu xỉ thép Cường độ của bê tông tự lèn cốt liệu xỉ thép tăng 20% so với bê tông cốt liệu tự nhiên ở 28 ngày tuổi [27] Faleschini và các cộng sự [7] đã chứng minh rằng bê tông tính năng cao chế tạo từ 100% cốt liệu xỉ thép đáp ứng các yêu cầu về cường độ chịu nén, cường độ ép chẻ và mô đun đàn hồi

2.2.2.2 Thay thế xi măng

Xỉ thép có thể thay thế một phần xi măng trong bê tông Khi hàm lượng xỉ thép thay thế xi măng dưới 15% thì bê tông vẫn đáp ứng đủ các yêu cầu về cường độ và độ bền [28] Bê tông tự lèn chứa 30% xỉ thép thay thế xi măng đạt cường độ chịu nén ở 28 ngày tuổi là 35 Mpa Đồng thời, độ bền sun phát của bê tông tự lèn chứa 10% xỉ thép cao hơn độ bền sun phát của bê tông đối chứng [29]

2.3 Tro bay

Tro bay là phế thải của các nhà máy nhiệt điện Đường kính của phần lớn các hạt tro bay nằm trong khoảng 1μm đến 20μm và hàm lượng than chưa cháy (MKN) thường yêu cầu không được vượt quá 5% khối lượng tro bay Các thành phần hóa học chính của tro bay bao gồm oxit silic (SiO2), oxit nhôm (Al2O3), oxit sắt (Fe2O3), canxi oxit (CaO),

magie oxit (MgO) Tro bay là một loại phụ gia pozzolan nhân tạo, có thể thay thế một phần xi măng trong hỗn hợp bê tông để tăng độ bền và giảm chi phí nguyên vật liệu

Thành phần cũng như tỉ lệ thành phần hóa học của tro bay được quy định tại tiêu chuẩn ASTM 618 Tro bay được chia ra làm 2 loại: F và C Tro bay loại F có hàm lượng CaO < 6% Tro bay loại C có hàm lượng CaO > 15%

2.4 Mạng nơ ron nhân tạo

Hệ thống thần kinh của con người bao gồm khoảng 100 tỷ tế bào thần kinh, thường gọi là các nơ ron (hình 2.5) Mỗi tế bào nơ ron gồm ba phần:

o Thân nơ-ron với nhân bên trong (gọi là soma), là nơi tiếp nhận hay phát ra các xung động thần kinh

o Một hệ thống dạng cây các dây thần kinh vào (gọi là dendrite) để đưa tín hiệu tới nhân nơ ron Các dây thần kinh vào tạo thành một lưới dày đặc xung quanh thân nơ ron, chiếm diện tích khoảng 0,25 mm2

o Đầu dây thần kinh ra (gọi là sợi trục axon) phân nhánh dạng hình cây, có thể dài từ một cm đến hàng mét Chúng nối với các dây thần kinh vào hoặc trực tiếp với nhân tế bào của các nơ-ron khác thông qua các khớp nối (gọi

là synapse)

Chức năng cơ bản của các tế bào nơ ron là liên kết với nhau để tạo nên hệ thống thần kinh điều khiển hoạt động của cơ thể sống Các tế bào nơ ron truyền tín hiệu cho nhau thông qua các dây thần kinh vào và ra, các tín hiệu đó có dạng xung điện và được tạo ra từ các quá trình phản ứng hoá học phức tạp Tại nhân tế bào, khi điện thế của tín hiệu vào đạt tới một ngưỡng nào đó thì nó sẽ tạo ra một xung điện dẫn tới trục dây thần kinh ra Xung này truyền theo trục ra tới các nhánh rẽ và tiếp tục truyền tới các nơ ron khác

Vào năm 1943, các tác giả McCulloch và Pitts [30] đã đề xuất một mô hình tính toán phỏng theo cách làm việc của nơ ron trong bộ não con người Một nơ ron nhân tạo gồm nhiều đầu vào và đầu ra (hình 2.6)

Hình 2.5 Cấu tạo của tế bào nơ ron sinh học

o Các đầu vào tiếp nhận kích thích từ đầu ra của những nơ-ron khác hoặc từ môi trường

o Mỗi nơ-ron vào có một bộ trọng số nhằm khuếch đại tín hiệu kích thích sau

đó tất cả sẽ được cộng lại Tín hiệu sau đó sẽ được tiếp tục biến đổi nhờ một hàm phi tuyến, thường gọi là hàm kích hoạt

o Và cuối cùng tín hiệu sẽ được đưa đến đầu ra của nơ ron để lại trở thành đầu vào của các nơ-ron khác hoặc trở thành tín hiệu ra của toàn bộ mạng

Hình 2.6 Kiến trúc một nơ ron nhân tạo [30]

Soma

Axon Synapse

Dendrite

Khi kết hợp các nơ ron nhân tạo lại với nhau ta có một mạng nơ ron nhân tạo Mạng thần kinh nhân tạo truyền thẳng nhiều lớp được sắp xếp gồm: lớp đầu vào, các lớp

ẩn và lớp đầu ra (hình 2.7) được sử dụng rộng rãi trong các mô hình dự báo Mạng nơ ron nhân tạo có khả năng ―học" và xử lý song song Nó có thể tính toán và dự báo giá trị của biến đầu ra với một tập hợp các thông tin của biến đầu vào được cho trước

Mô hình mạng thần kinh nhân tạo (ANN) sẽ được ―huấn luyện‖ để có thể ―học‖ từ những thông tin quá khứ Từ đó, mạng có thể đưa ra kết quả dự báo dựa trên những gì đã được học Sau khi đã học xong, mạng nơ-ron nhân tạo có thể tính toán kết quả đầu ra tương ứng với bộ số liệu đầu vào mới

Hình 2.7 Cấu trúc mạng nơ ron truyền thẳng 3 lớp 2.5 Tình hình nghiên cứu

2.5.1 Trong nước

Hiện nay ở Việt Nam, mạng nơ ron nhân tạo đã thu hút nhiều nghiên cứu ứng dụng trong công tác dự báo, phân loại và điều khiển trong nhiều lĩnh vực, ví dụ ngành địa chất, xây dựng, cơ khí, công nghệ thông tin, thủy lợi, vật lý, v.v…[31]–[35] Tuy nhiên, chưa có nghiên cứu nào ở Việt Nam ứng dụng mạng nơ ron nhân tạo để dự đoán cường độ nén của bê tông

2.5.2 Ngoài nước

Việc sử dụng xỉ thép để thay thể cốt liệu tự nhiên và tro bay để thay thế một phần

xi măng trong bê tông đầm lăn là một trong những giải pháp hiệu quả giúp giải quyết các vấn đề môi trường do các phế thải công nghiệp mang lại

Việc tái sử dụng xỉ thép EAF thay thế cốt liệu tự nhiên trong bê tông giúp bảo vệ việc khai thác nguồn tài nguyên thiên nhiên quốc gia, đồng thời mang lại biện pháp hiệu quả để giải quyết lượng xỉ thép khổng lồ thải ra hàng năm Nhiều công bố trên thế giới

đã chứng minh rằng xỉ thép EAF có thể làm cốt liệu trong tất cả các loại bê tông, như bê tông thông thường, bê tông tính năng cao, bê tông geopolymer và bê tông đầm lăn [1]–[7], [11] Cường độ chịu nén của bê tông thông thường, bê tông tính năng cao và bê tông geopolymer được cải thiện khi sử dụng cốt liệu xỉ thép EAF [1]–[7] Trong khi đó, hiện tượng giảm cường độ chịu nén của bê tông đầm lăn cốt liệu xỉ thép EAF được quan sát thấy trong nghiên cứu của Lam và các cộng sự [11] Tuy nhiên, bê tông đầm lăn làm bằng cốt liệu xỉ thép EAF vẫn đáp ứng đầy đủ các yêu cầu về cường độ và độ bền khi sử dụng cho kết cấu mặt đường

Mặt khác, những phế phẩm công nghiệp có đặc tính pozzolan như tro bay, xỉ lò cao nghiền mịn hay tro trấu được sử dụng như một phần của xi măng trong bê tông cũng thu hút nhiều nghiên cứu trên thế giới [36]–[40] Việc thay thế một phần xi măng bằng các phế phẩm công nghiệp làm giảm khí thải CO2 do ngành công nghiệp xi măng mang lại và giảm giá thành cho bê tông Tro bay là loại phế phẩm được sử dụng rộng rãi trong

bê tông đầm lăn Khi thay thế một phần xi măng bằng tro bay dẫn đến cường độ bê tông đầm lăn sẽ giảm ở tuổi sớm, nhưng sẽ tăng nhanh ở tuổi muộn [12] Ngoài ra, việc thay thế xi măng bằng tro bay sẽ cải thiện độ thấm, độ hút nước và độ thấm clo trong bê tông đầm lăn [13]

Cường độ chịu nén của bê tông là đặc tính quan trọng nhất quyết định tính ứng dụng của nó Thông thường, cường độ chịu nén được dự báo bằng mô hình của ACI [41] Theo mô hình này, cường độ bê tông được dự báo dựa trên cường độ chịu nén ở 28 ngày tuổi và tuổi của bê tông [11] Bên cạnh đó, cường độ chịu nén của bê tông đầm lăn còn phụ thuộc vào thành phần nguyên vật liệu Vì vậy, các phương trình hồi qui tuyến tính hoặc mạng nơ ron nhân tạo cũng tỏ ra có hiệu quả trong việc dự báo cường độ

Chithra và các cộng sự [42] đã xây dựng phương trình hồi qui tuyến tính để dự báo cường độ cho bê tông tính năng cao chứa nano silica và xỉ đồng Sadrmomtazi và các

cộng sự [43] dùng mô hình hồi qui tuyến tính để dự báo cường độ cho bê tông nhẹ Và nhiều mô hình hồi qui tuyến tính khác được thiết lập để dự báo cường độ của bê tông có cốt liệu tái chế [44], [45]

Ngày nay, mạng nơ ron nhân tạo và logic mờ là công cụ hiệu quả trong việc dự báo cường độ của bê tông Ozcan và các cộng sự [46] đã chứng minh rằng mạng nơ ron nhân tạo và logic mờ có thể dự đoán cường độ dài hạn của bê tông chứa silica fume Cường độ của bê tông cường độ cao được dự đoán bởi mô hình nơ ron nhân tạo và logic

mờ trong nghiên cứu của Tayfur và các cộng sự [47] Và nhiều nghiên cứu khác đã thành công trong việc dùng mạng nơ ron nhân tạo và logic mờ để dự báo cường độ cho nhiều loại bê tông khác nhau [48]–[50]

CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

3.1 Nguyên vật liệu

3.1.1 Xi măng poóc lăng

Xi măng poóc lăng thỏa mãn các yêu cầu kỹ thuật theo ASTM C150 [51] được sử dụng để thay thế một phần tro bay trong hỗn hợp geopolymer Xi măng poóc lăng có khối lượng riêng là 3.1 g/cm3, có bề mặt riêng xác định theo phương pháp Blaine là

3100 cm2/g Thành phần hóa học của xi măng poóc lăng được xác định bằng thí nghiệm XRF được thể hiện ở bảng 3.1

3.1.2 Tro bay

Hình 3.1 Tro bay

Tro bay (hình 3.1) là phế thải của các nhà máy nhiệt điện Đường kính của phần lớn các hạt tro bay nằm trong khoảng 1μm đến 20μm và hàm lượng than chưa cháy (MKN) thường yêu cầu không được vượt quá 5% khối lượng tro bay Các thành phần hóa học chính của tro bay bao gồm oxit silic (SiO2), oxit nhôm (Al2O3), oxit sắt (Fe2O3), canxi oxit (CaO), magie oxit (MgO) Thành phần hóa học của tro bay được xác định bằng thí nghiệm XRF (X-ray fluorescence) được thể hiện ở bảng 3.1

Bảng 3.1 Thành phần hóa học và các tính chất cơ lý của tro bay và xi măng

Thành phần hóa học (%)

Silica (SiO2)

Alumina (Al2O3)

Ferric oxide (Fe2O3)

Calcium oxide (CaO)

Magnesium oxide (MgO)

Sodium oxide (Na2O)

Potassium oxide (K2O)

Sulphuric anhydride (SO3)

Loss on ignition (LOI)

20.7 4.5 3.3 63.0 1.8 0.10 0.74 2.3 2.8

52.3 24.9 14.1

NA

NA 0.67

NA 0.47 0.15

Tính chất vật lý

Độ mịn (Blaine) (m2/kg)

Tỉ trọng

Thời gian bắt đầu ninh kết (phút)

Thời gian kết thúc ninh kết (phút)

Phần còn lại trên sàng 45 µm (%)

347 3.14

110

170

NA

289 2.40

NA

NA 7.92

NA

NA

NA

NA NA: không có giá trị

3.1.3 Cốt liệu

Cốt liệu sử dụng trong nghiên cứu này là đá nghiền, có kích cỡ hạt lớn nhất là 19

mm Các tính chất cơ lý của cốt liệu thể hiện trong bảng 3.2 Thành phần cấp phối hạt của cốt liệu thể hiện trên hình 3.2

Bảng 3.2 Tính chất cơ lý của cốt liệu tự nhiên và xỉ thép

(4.75 - 0 mm) (19 - 4.75 mm) (19 - 4.75 mm)

Khối lượng thể tích (kg/m3

Hình 3.2 Thành phần cấp phối hạt cốt liệu sử dụng trong nghiên cứu

3.1.4 Xỉ thép

Xỉ thép có kích cỡ hạt từ 4.75 mm đến 19 mm (hình 3.3) thu thập từ bãi phế thải ở tỉnh Bà Rịa Vũng Tàu được sử dụng để thay thế cốt liệu tự nhiên Sau khi 90 ngày xử lý bằng cách tưới nước mỗi ngày để hạn chế trương nở, xỉ thép được xác định thành phần hóa học và các chỉ tiêu cơ lý

Hình 3.3 Xỉ thép EAF thay thế cốt liệu lớn

Xỉ thép có tỉ trọng là 3.4, có khối lượng thể tích là 1686 kg/m3, độ hút nước là 2.93% và độ mài mòn Los Angeles là 19.37% (bảng 3.2) Các thành phần hóa học chính của xỉ thép EAF được liệt kê trong bảng 3.3

Bảng 3.3 Thành phần hóa học của xỉ thép

Thành phần hóa học % theo khối lượng CaO

 Oxit sắt SiO2

25.94 34.73 16.32

MnO TiO2

Na2O

K2O

P2O5 CaO tự do

5.18 1.98 0.30 0.10 0.25

<0.1%

3.2 Tạo mẫu và phương pháp thí nghiệm

3.2.1 Cấp phối hỗn hợp bê tông đầm lăn

Mười năm hỗn hợp cấp phối bê tông đầm lăn bao gồm 3 nhóm (nhóm A, nhóm B, nhóm C) với các hàm lượng xỉ thép EAF khác nhau được chuẩn bị để thí nghiệm

o Nhóm A với thành phần cốt liệu lớn (4.75 – 19 mm) là 100% đá nghiền

o Nhóm B với thành phần cốt liệu lớn (4.75 – 19 mm) là 50% đá nghiền cộng với 50% xỉ thép EAF

o Nhóm C với thành phần cốt liệu lớn (4.75 – 19 mm) là 100% xỉ thép EAF Hàm lượng chất kết dính (tro bay + xi măng) trong tất cả các hỗn hợp được giữ cố định là 12% Tro bay thay thế một phần xi măng ở 4 mức độ 10%, 20%, 30% và 40%

Thành phần cấp phối hỗn hợp bê tông đầm lăn được liệt kê trong bảng 3.4

Lượng nước tối ưu dùng trong mỗi hỗn hợp cấp phối bê tông đầm lăn được xác định theo phương pháp đầm nén Proctor cải tiến Theo phương pháp này, hỗn hợp bê tông đầm lăn được đầm nén ở 5 cấp độ ẩm khác nhau, ví dụ độ ẩm 5%, 6%, 7%, 8%, và 9% theo tiêu chuẩn ASTM D1557 [19] Đường cong đầm nén được xây dựng từ kết quả thí nghiệm đầm nén Proctor cải tiến sẽ tiết lộ độ ẩm tối ưu cho hỗn hợp

3.2.2 Tạo mẫu và thí nghiệm cường độ nén

Các mẫu trụ bê tông đầm lăn có đường kính d = 150 mm, chiều cao h = 300 mm được chế tạo theo tiêu chuẩn ASTM C1435 [52] để thí nghiệm cường độ nén

Hỗn hợp bê tông đầm lăn sau khi trộn xong được đổ 4 lớp vào khuôn trụ Mỗi lớp dùng đầm rung trong vòng 80s Sau khi đúc xong, tất cả mẫu được để khuôn trong vòng

24 giờ Sau 24 giờ, mẫu được tháo khuôn và bảo dưỡng trong nước ở nhiệt độ 23  2 oC (hình 3.4) cho đến tuổi thí nghiệm

Cường độ chịu nén của mẫu được xác định ở 3 ngày tuổi, 7 ngày tuổi, 28 ngày tuổi, 56 ngày tuổi và 91 ngày tuổi theo ASTM C39 [53]

Bảng 3.4 Thành phần cấp phối hỗn hợp bê tông đầm lăn

STT Kí hiệu

Tro bay (kg/m3)

Xi măng (kg/m3)

Xỉ thép (kg/m3)

Đá nghiền (4.75 – 19 mm) (kg/m3)

Đá nghiền (0 – 4.75 m) (kg/m3)

Hình 3.4 Quá trình bảo dưỡng mẫu 3.3 Mô hình dự đoán

3.3.1 Phương trình hồi qui tuyến tính

Phương trình hồi qui tuyến tính như công thức (3.1) đã được đề xuất để thiết lập mối quan hệ giữa cường độ chịu nén của bê tông đầm lăn (CS) và các nhân tố can thiệp, bao gồm: hàm lượng tro bay (F), hàm lượng xi măng (C), hàm lượng xỉ thép EAF (S), hàm lượng cốt liệu lớn tự nhiên (CA), hàm lượng cốt liệu nhỏ tự nhiên (FA), hàm lượng nước trong hỗn hợp (W) và tuổi của bê tông (A)

(3.1)

Trong đó b0, b1, b2, b3, b4, b5, b6, b7 là các hệ số của mô hình

3.3.2 Mạng nơ ron nhân tạo

Mạng thần kinh nhân tạo truyền thẳng ba lớp (hình 2.7), gồm 1 lớp đầu vào, 1 lớp

ẩn và 1 lớp đầu ra được đề xuất trong nghiên cứu này để thiết lập mối quan hệ giữa cường độ chịu nén của bê tông đầm lăn và các nhân tố can thiệp

Hàm tổng của các phần tử đầu vào được xây dựng bằng công thức 3.2 Kết quả của hàm này được đưa đến một hàm truyền (được gọi là hàm kích hoạt) để tạo ra các giá trị đầu ra của chúng Hàm sigmoid (công thức 3.3) được sử dụng làm hàm kích hoạt của

mô hình nghiên cứu này

n

j ij i j i



(3.2)1

min ,

(3.5)Trong đó,

X i norm, là giá trị chuẩn hóa của giá trị X i;

min

X và Xmaxlà giá trị tối thiểu và giá trị tối đa của dữ liệu đầu vào, tương ứng Mặt khác, kiến trúc mạng ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng của mô hình ANN Lớp đầu vào lấy tham số đầu vào từ các thông số kỹ thuật bên ngoài của vấn đề Do đó, lớp đầu vào của mô hình ANN trong nghiên cứu này bao gồm bảy tế bào thần kinh, thể hiện hàm lượng tro bay (F), hàm lượng xi măng (C), hàm lượng cốt liệu xỉ EAF (S), hàm lượng cốt liệu thô tự nhiên (CA), hàm lượng cốt liệu mịn tự nhiên (FA), hàm lượng nước (W) trong hỗn hợp và tuổi của mẫu bê tông (A) Cường độ nén (CS) được biểu thị bằng một nơ ron trong lớp đầu ra (Hình 3.5) Và, số lượng tế bào thần kinh trong lớp ẩn được