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

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.96 MB, 55 trang )

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

2020

MỤC LỤC

Chƣơng 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
Chƣơng 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
Chƣơng 3: Phƣơng 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
ii

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 Mơ hình dự đốn .....................................................................................................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
Chƣơng 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 đốn .....................................................................................................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
Chƣơng 5: Kết luận và kiến nghị ..............................................................................42
5.1 Kết luận...................................................................................................................42
5.2 Kiến nghị ................................................................................................................42
Tài liệu tham khảo ......................................................................................................43

iii

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 khơ 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

iv

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 tơng thơng thường và bê tơng
đầm lăn ............................................................................................................................. 4
Hình 2.3 Thi cơng kết cấu mặt đường bằng bê tơng 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 Mơ 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 tơng đầm lăn ......................................................... 28
Hình 4.3 Các giá trị dự đốn theo mơ hình MRA và các giá trị đích của tập huấn luyện31
Hình 4.4 Mối quan hệ giữa các giá trị dự đốn theo mơ hình MRA và các giá trị đích của
tập huấn luyện ................................................................................................................. 31
Hình 4.5 Các giá trị dự đốn theo mơ hình MRA và các giá trị đích của tập kiểm tra .. 32
Hình 4.6 Mối quan hệ giữa các giá trị dự đốn theo mơ hình MRA và các giá trị đích của
tập kiểm tra ..................................................................................................................... 32
v

Hình 4.7 Các hệ số RMSE và R2 của các mơ hình ANN với các số nơ ron ở lớp ẩn khác
........................................................................................................................................ 33
Hình 4.8 Mơ hình ANN với số nơ ron tối ưu ở lớp ẩn (6 nơ ron) .................................. 33
Hình 4.9 Các giá trị dự đốn theo mơ hình ANN và các giá trị đích của tập huấn luyện34
Hình 4.10 Mối quan hệ giữa các giá trị dự đoán theo mơ hình ANN và các giá trị đích
của tập huấn luyện .......................................................................................................... 34
Hình 4.11 Các giá trị dự đốn theo mơ hình ANN và các giá trị đích của tập kiểm tra 35
Hình 4.12 Mối quan hệ giữa các giá trị dự đốn theo mơ 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 mơ hình logic mờ .................................................................. 36
Hình 4.15 Các giá trị dự đốn theo mơ 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 mơ hình FL và các giá trị đích của
tập huấn luyện ................................................................................................................. 39
Hình 4.17 Các giá trị dự đốn theo mơ hình FL và các giá trị đích của tập kiểm tra .... 40
Hình 4.18 Mối quan hệ giữa các giá trị dự đốn theo mơ 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 mơ hình MRA, ANN và FL . 41

vi

CHƢƠNG 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 tơng thơng thường, bê tơng tính năng
cao, bê tơng 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 tơng đầm lăn
trong phịng thí nghiệm. Vì vậy, việc tiếp tục mở rộng nghiên cứu về bê tơng 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 tơng cũng mang lại
nhiều lợi ích thiết thực, bao gồm giảm giá thành cho bê tông, giảm khí CO 2 của q 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 tơng [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

1.2 Mục tiêu nghiên cứu
Đề tài nghiên cứu có 1 mục tiêu chính: Xây dựng mơ 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 mơ hình mạng nơ ron nhân tạo để dự đốn cường độ chịu nén của bê
tơng đầm lăn từ các số liệu thí nghiệm trong phịng.

2

CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN

2.1. Bê tông đầm lăn
Bê tông đầm lăn là một loại bê tông đặc biệt cứng và khơng có độ sụt. Bê tơng
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 tơng 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 tơng 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
tơng đầm lăn thấp hơn khoảng 10% bê tơng xi măng thơng thường (hình 2.2). Khối
lượng xi măng sử dụng trong bê tông đầm lăn chiếm từ 11% đến 13% tổng lượng chất
3

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

Hình 2.2 Thành phần ngun vật liệu theo thể tích của bê tơng thơng thường và bê tơng
đầm lăn [16]

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

4

Cốt liệu chiếm 85% thể tích hỗn hợp bê tơng 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
Kích thước lỗ sàng

Lượng lọt qua sàng (%)
Giới hạn dưới

Giới hạn trên

1 in. (25 mm)

100

100

3/4 in. (19 mm)

95

100

1/2 in. (12.5 mm)

70

95

3/8 in. (9.5 mm)

60

85

No. 4 (4.75 mm)

40

60

No. 8 (2.36 mm)

30

50

No. 16 (1.18 mm)

20

40

No. 30 (600 m)

15

30

No. 50 (300 m)

10

25

No. 100 (150 m)

2

16

No. 200 (75 m)

0

8

Lượng nước tối ưu của hỗn hợp bê tơng đầm lăn được xác định theo thí nghiệm
Proctor cải tiến ASTM D1557 [19]. Thông thường, độ ẩm tối ưu dao động từ 5% đến 8%
đối với hầu hết các loại cốt liệu.

5

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.

Hình 2.4 Xỉ thép EAF

Bảng 2.2 Tính chất vật lý của xỉ thép EAF
Adegoloye et al.

Sekaran et al.

Yeih et al.

[1]

[20]

[6]

Tỉ trọng

2.8

2.9

3.44

Khối lượng thể tích (kg/m3)

NA

1540

NA

Độ hút nước (%)

2.6

2.0

3

Độ mài mịn Los Angeles (%)

23

16.4

NA

Chỉ tiêu

NA: khơng có giá trị

6

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 cơng
bố.
Bảng 2.3 Thành phần hóa học của xỉ thép EAF

Thành phần hóa học

Manso et al.

Arribas et al.

(% khối lượng)

[2]

[22]

[23]

[3]

CaO

23.9

25.72

30.30

26

 Oxit sắt

42.5

27.54

33.28

35

SiO2

15.3

17.88

14.56

14

MgO

5.1

3.82

2.97

5

Al2O3

7.4

11.62

10.20

12

MnO

4.5

4.15

4.34

6

Na2O

NA

0.71

NA

0.41

K2 O

NA

0.1

NA

0.2

P2O5

NA

0.46

NA

NA

Cao tự do

0.45

NA

NA

NA

NA: khơng có giá trị

7

Faleschini et al. Monosi et al.

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 tơng nhựa
nóng. Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng độ ổn định Marshall của bê tơng nhựa có cốt liệu xỉ
thép được cải thiện so với bê tơng nhựa cốt liệu tự nhiên. Ngồi 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. Ngồi ra, nhờ hình dáng gồ ghề, góc cạnh, bề mặt
thơ 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 tơng 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 tơng vẫn đáp ứng đủ các u 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),
8

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 thơng 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 mơ hình tính

tốn 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).

9

Synapse

Dendrite

Axon

Soma

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 tồn bộ mạng.

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

10

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 mơ 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.
Mơ hình mạng thần kinh nhân tạo (ANN) sẽ được ―huấn luyện‖ để có thể ―học‖ từ
những thơng 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 tốn 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, cơng 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.
11

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 tơng, như bê
tơng thơng thường, bê tơng tính năng cao, bê tông geopolymer và bê tông đầm lăn [1]–
[7], [11]. Cường độ chịu nén của bê tông thông thường, bê tơng tính năng cao và bê tơng
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 lị
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 cơng 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 tơng là đặc tính quan trọng nhất quyết định tính ứng
dụng của nó. Thơng thường, cường độ chịu nén được dự báo bằng mơ hình của ACI [41].
Theo mơ hình này, cường độ bê tơng được dự báo dựa trên cường độ chịu nén ở 28 ngày
tuổi và tuổi của bê tơng [11]. Bên cạnh đó, cường độ chịu nén của bê tơng đầm lăn cịn
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 tơng tính năng cao chứa nano silica và xỉ đồng. Sadrmomtazi và các
12

cộng sự [43] dùng mơ hình hồi qui tuyến tính để dự báo cường độ cho bê tông nhẹ. Và
nhiều mơ hình hồi qui tuyến tính khác được thiết lập để dự báo cường độ của bê tơng 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 đốn cường độ dài hạn của bê tông chứa silica fume.

Cường độ của bê tơng cường độ cao được dự đốn bởi mơ 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].

13

CHƢƠNG 3: PHƢƠNG 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.

14

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

Chỉ tiêu

Xi măng

Tro bay

Silica (SiO2)

20.7

52.3

Alumina (Al2O3)

4.5

24.9

Ferric oxide (Fe2O3)

3.3

14.1

Calcium oxide (CaO)

63.0

NA

Magnesium oxide (MgO)

1.8

NA

Sodium oxide (Na2O)

0.10

0.67

Potassium oxide (K2O)

0.74

NA

Sulphuric anhydride (SO3)

2.3

0.47

Loss on ignition (LOI)

2.8

0.15

Độ mịn (Blaine) (m2/kg)

347

289

Tỉ trọng

3.14

2.40

Thời gian bắt đầu ninh kết (phút)

110

NA

170

NA

NA

7.92

1 ngày

14.6

NA

3 ngày

26.2

NA

7 ngày

33.0

NA

28 ngày

43.0

NA

Thành phần hóa học (%)

Tính chất vật lý

Thời gian kết thúc ninh kết (phút)
Phần còn lại trên sàng 45 µm (%)
Cường độ nén (N/mm2)

NA: khơng có giá trị
15

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
Chỉ tiêu

Cốt liệu tự nhiên

Xỉ thép EAF

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

(19 - 4.75 mm)

Tỉ trọng

2.71

2.72

3.40

Khối lượng riêng (OD) (kg/m3)

2609

2680

3085

Khối lượng riêng (SSD) (kg/m3)

2644

2691

Khối lượng thể tích (kg/m3)

1493

1466

Độ hút nước (%)

1.36

0.44

Độ mài mịn Los Angeles (%)

NA

13.98

3176
1686
2.93

19.37

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

16

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
% theo khối lượng

Thành phần hóa học
CaO

25.94

 Oxit sắt

34.73
16.32

SiO2
MgO

6.86

Al2O3

8.31

MnO

5.18

TiO2

1.98

Na2O

0.30

K2 O

0.10

P2O5

0.25
<0.1%

CaO tự do
17

3.2. Tạo mẫu và phƣơng pháp thí nghiệm
3.2.1 Cấp phối hỗn hợp bê tông đầm lăn
Mười năm hỗn hợp cấp phối bê tơng 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 tơng 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 khn trong vịng
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].

18

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

STT

Kí hiệu

Tro bay
3

Xi măng
3

Xỉ thép
3

(kg/m )

(kg/m )

(kg/m )

Đá nghiền

Đá nghiền

(4.75 – 19 mm)