Tối ưu hóa thành phần cấp phối bê tông geopolymer bằng phương pháp taguchi

TỔNG QUAN

Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu

1.1.1 Môi trường – vấn đề chung của toàn cầu

Với sự phát triển nhanh chóng của xã hội hiện nay, ô nhiễm môi trường trở thành một vấn đề nghiêm trọng Sự gia tăng kinh tế dẫn đến lượng rác thải ngày càng lớn, gây ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng môi trường sống.

Để giảm ô nhiễm môi trường, có nhiều biện pháp hiệu quả như trồng cây xanh, sử dụng năng lượng mặt trời, biến thức ăn thừa thành phân bón và hạn chế túi ni lông Đặc biệt, việc tái chế chất thải thành vật liệu xây dựng đang được chú trọng Một nhóm nghiên cứu từ đại học Teknologi MARA ở Malaysia đã phát triển “bê tông xanh” bằng cách sử dụng tro bay, cốt liệu tái chế và nhôm dạng sợi Sản phẩm này không chỉ thân thiện với môi trường mà còn mang lại nhiều lợi ích cho sự phát triển xã hội và cải thiện môi trường sống của chúng ta.

Hình 1.1: Khối bê tông làm từ xi măng polymer vô cơ “xanh”

1.1.2 Tìm kiếm và phát triển nguồn vật liệu xây dựng cho tương lai

Ngành công nghiệp xây dựng đang đối mặt với tình trạng khai thác quá mức các nguồn tài nguyên thiên nhiên như đá vôi và đất sét để sản xuất xi măng truyền thống, dẫn đến nguy cơ thiếu hụt trong tương lai Do đó, việc tìm kiếm và phát triển các vật liệu xây dựng mới, thân thiện với môi trường nhưng vẫn đảm bảo chất lượng, trở thành ưu tiên hàng đầu của các nhà khoa học Mục tiêu này nhằm đảm bảo nguồn vật liệu bền vững cho tương lai trong bối cảnh tài nguyên đang dần cạn kiệt.

Polymer vô cơ đang ngày càng khẳng định vai trò quan trọng trong khoa học công nghệ vật liệu nhờ vào khả năng đạt được các tính chất vượt trội so với vật liệu truyền thống Loại vật liệu này không chỉ giúp giảm ô nhiễm nguồn nước và hạn chế phát thải chất thải ra môi trường, mà còn tận dụng hiệu quả chất thải công nghiệp Bê tông polymer vô cơ, hay Geopolymer, nổi bật với lượng khí thải CO2 thấp hơn bê tông truyền thống, đồng thời có tuổi thọ lên đến hàng trăm năm Nó mang lại nhiều lợi ích như tăng độ bền, khả năng chống ăn mòn và cường độ cao cho các công trình Đặc biệt, chất kết dính geopolymer sử dụng các phế thải từ quy trình sản xuất công nghiệp, như tro bay từ nhà máy nhiệt điện và xỉ lò từ nhà máy luyện gang, thép, góp phần bảo vệ môi trường.

1.1.3 Tối ưu hóa thành phần cấp phối và phương pháp Taguchi

Việc tính toán cấp phối bê tông là yếu tố quyết định chất lượng và giá thành của sản phẩm Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện về cấp phối bê tông, cả trên thế giới và tại Việt Nam, với mỗi phương pháp có phạm vi ứng dụng riêng và quy trình tính toán nhằm tối ưu hóa tỷ lệ các thành phần vật liệu Tuy nhiên, hầu hết các phương pháp hiện tại đều phức tạp, yêu cầu sử dụng bảng tra, phần mềm hỗ trợ, và nhiều hệ số kinh nghiệm, dẫn đến khó khăn trong thiết kế và giảm hiệu quả ứng dụng Đối với bê tông thông thường, quy trình thiết kế cấp phối tương đối đơn giản và chi phí thí nghiệm không cao Ngược lại, bê tông geopolymer đòi hỏi phải xác định cấp phối đáp ứng nhiều yêu cầu kỹ thuật, khiến các nhà nghiên cứu phải đầu tư nhiều công sức và kinh phí cho thí nghiệm Do đó, bài viết này áp dụng phương pháp Taguchi để tìm ra thành phần cấp phối tối ưu.

Nghiên cứu về bê tông Geopolymer nhằm đáp ứng yêu cầu về cường độ và giảm chi phí cho kết cấu, đồng thời tối thiểu hóa số lần thí nghiệm để tiết kiệm chi phí Đề tài này hướng đến việc giải quyết các vấn đề cấp thiết trong lĩnh vực xây dựng hiện nay.

“Tối ưu hóa thành phần cấp phối của bê tông Geopolymer bằng phương pháp Taguchi” đã được lựa chọn.

Tình hình nghiên cứu

Hiện nay, ô nhiễm môi trường do rác thải và khí thải đang trở thành vấn đề nghiêm trọng, đặc biệt là hiện tượng trái đất nóng dần do hiệu ứng nhà kính Ngành công nghiệp sản xuất xi măng truyền thống là một trong những nguyên nhân chính góp phần vào lượng khí CO2 thải ra, với ước tính rằng sản xuất 1 tấn xi măng pooc lăng thải ra 1 tấn khí CO2 từ đá vôi và than đốt Để giảm thiểu tác động này, nhiều quốc gia đang khuyến khích phát triển xi măng polime, một loại chất kết dính mới có khả năng thay thế xi măng pooc lăng truyền thống.

Geopolymer là một loại polymer vô cơ, được nghiên cứu từ những năm 1970, có khả năng thay thế hoàn toàn xi măng truyền thống Nguyên liệu thô để sản xuất geopolymer chủ yếu là phế thải công nghiệp như tro bay, xỉ lò và rác thải xây dựng, được xử lý và phối trộn với phụ gia hoạt tính Về mặt kinh tế, giá thành của 1 tấn tro bay hoặc xỉ lò rẻ hơn nhiều so với xi măng, dẫn đến giá bê tông geopolymer thấp hơn khoảng 10-30% so với bê tông xi măng, giúp vật liệu này có khả năng cạnh tranh trên thị trường.

Về khả năng chịu lực, bê tông geopolymer sử dụng tro bay có thể cho cường độ cao sau khi phản ứng kiềm (20-30 MPa sau 48 giờ)

Bê tông geopolymer nổi bật với tính bền vững, có khả năng chịu nhiệt tốt trong cả môi trường bình thường lẫn khắc nghiệt, đồng thời thể hiện khả năng chống ăn mòn hóa học xuất sắc.

Khả năng gắn kết giữa bê tông geopolymer và cốt thép đã được nghiên cứu và cho thấy tương đương hoặc vượt trội hơn so với bê tông xi măng pooc lăng truyền thống.

1.2.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

J Davidovits [1] đã nghiên cứu ra vật liệu geopolymer cùng với các tính chất hóa lý của vật liệu Những loại geopolymer này dựa vào quá trình nhiệt hoạt hóa các vật liệu tự nhiên hoặc sản phẩm của công nghiệp nhằm cung cấp nguồn vật liệu silic (Si) và nhôm (Al) hòa tan với dung dịch kiềm kích hoạt, sau quá trình trùng hợp tạo thành chuỗi phân tử có trật tự, ổn định

M.J.A Mijarsh và cộng sự [2] đã sử dụng phương pháp Taguchi đánh giá 6 yếu tố đầu vào cùng 5 cấp độ để tìm ra cấp phối tối ưu Kết quả cho thấy cường độ chịu nén đạt 47,27 ± 5,0 MPa sau 7 ngày Các tính chất của hỗn hợp tối ưu còn được phân tích thêm thông qua nhiễu xạ tia X và quang phổ hồng ngoại biến đổi

Mohammad Javad Khalaj đã nghiên cứu độ bền kéo của bê tông geopolymer sử dụng xỉ thép gia cố bằng sợi thép, áp dụng phương pháp Taguchi để xác định các thông số và điều kiện tối ưu Kết quả đánh giá bằng phương pháp phân tích phương sai (ANOVA) cho thấy ảnh hưởng của nồng độ natri hydroxit đến tính chất cơ học của bê tông.

14 M, sợi thép chiếm 5%, mẫu được bảo dưỡng 14 ngày cho cường độ chịu kéo 8,87 ± 1,71 MPa

Ahmer Ali Siyan và cộng sự đã thực hiện thí nghiệm theo phương pháp Taguchi để nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số bê tông sử dụng tro bay, dựa trên thời gian cài đặt của thiết bị Vicat Needle Kết quả cho thấy rằng với tỷ lệ Si/Al là 1,8, tỷ lệ Na/Al là 1,0, tỷ số W/S là 0,2 và nhiệt độ 80°C, quá trình polymer hóa diễn ra nhanh hơn.

A.M.Mustafa và các cộng sự [5] đã giới thiệu về công thức hóa học cấu thành, quy luật hình thành và cấu trúc vi mô của Geopolymer Báo cáo chỉ ra quá trình polymer hóa bao gồm ba giai đoạn: (1) hòa tan các nguyên tử Si và Al thông qua hoạt động của các ion hydroxit, (2) ngưng tụ các ion tiền thân thành monomer,

(3) quá trình trùng hợp cấu trúc phức hợp monomer

1.2.3 Tình hình nghiên cứu trong nước

Tống Tôn Kiên và cộng sự đã nghiên cứu và trình bày quá trình hình thành cấu trúc của bê tông geopolymer, cùng với các đặc tính nổi bật và ứng dụng thực tiễn của loại vật liệu này Họ cũng nhấn mạnh vai trò quan trọng của geopolymer trong ngành xây dựng hiện đại.

Quá trình phản ứng giữa vật liệu silic và nhôm với dung dịch kiềm tạo ra 5 sản phẩm chính, những vật liệu này có khả năng thay thế xi măng trong bê tông.

Nguyễn Văn Dũng nghiên cứu về việc chế tạo bê tông geopolymer từ tro bay, đồng thời xác định cường độ của loại bê tông này và các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ của nó.

Nghiên cứu của Phan Đức Hùng và Lê Anh Tuấn đã chỉ ra rằng nhiệt độ cao ảnh hưởng đến cường độ của vữa geopolymer, đồng thời chất xúc tác sinh nhiệt cũng đóng vai trò quan trọng trong quá trình geopolymer hóa Kết quả cho thấy, việc thay thế 20-60% tro bay bằng silicafume và 20% tro trấu sau quá trình hoạt hóa mang lại cường độ tốt hơn cho vữa.

Phan Đức Hùng và Lê Anh Tuấn đã nghiên cứu việc tái chế phế thải xây dựng để thay thế cốt liệu tự nhiên trong các công trình như móng và nền đường giao thông Với tỷ lệ phối trộn, kích cỡ hạt và độ ẩm hợp lý, hỗn hợp phế thải tái chế từ bê tông và gạch thải đạt được độ đặc chắc cao, khối lượng thể tích lớn và khả năng chịu lực tối ưu, thể hiện qua cường độ, chỉ số sức chịu tải CBR và mô đun đàn hồi Đỗ Văn Vũ nhấn mạnh rằng quy hoạch thực nghiệm là nền tảng phương pháp luận của nghiên cứu hiện đại, bao gồm các tác động từ giai đoạn đầu đến kết thúc nghiên cứu Thống kê, với hai lĩnh vực chính là phân tích phương sai và phân tích hồi quy, là công cụ quan trọng giúp giải quyết các vấn đề kỹ thuật và tối ưu hóa sản phẩm.

Phương pháp Taguchi, theo Phan Đức Hùng và Lê Anh Tuấn, là một công cụ quan trọng trong thiết kế tối ưu trong sản xuất, được sử dụng để thiết kế thí nghiệm và phân tích hồi quy đa biến Phương pháp này cho phép đánh giá mô phỏng và thực nghiệm nhằm kiểm tra sự biến thiên của các biến số liên quan đến các thông số điều khiển, thông qua việc thực hiện các thí nghiệm trong mảng trực giao để đạt được các thiết lập tối ưu.

Mục tiêu của đề tài

Đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố thành phần trong cấp phối là rất quan trọng để xác định các chỉ tiêu về cường độ chịu nén và chịu kéo gián tiếp, cũng như ảnh hưởng đến giá thành sản phẩm Nghiên cứu này giúp tối ưu hóa công thức cấp phối nhằm nâng cao hiệu suất và giảm chi phí sản xuất.

- Tối ưu hóa đơn mục tiêu cho từng yếu tố đầu ra

- Tối ưu hóa đa mục tiêu nhằm tìm ra một cấp phối thỏa mãn nhiều tiêu chí.

Nhiệm vụ của đề tài

Đề tài này áp dụng phương pháp Taguchi để thiết kế ma trận thí nghiệm, nhằm xác định kết quả các chỉ tiêu đầu ra và tính toán giá trị tỷ số S/N Qua đó, nghiên cứu đánh giá mức độ ảnh hưởng của các yếu tố thành phần trong cấp phối đến cường độ chịu nén, chịu kéo gián tiếp và giá thành sản phẩm.

Dựa trên đánh giá và lý thuyết quy hoạch thực nghiệm, bài viết tập trung vào việc tính toán cấp phối tối ưu cho từng yếu tố đầu ra Mục tiêu cuối cùng là đạt được một cấp phối thỏa mãn đồng thời nhiều tiêu chí khác nhau.

Sau đó kết quả tối ưu hóa được thí nghiệm để kiểm chứng độ chính xác.

Phương pháp nghiên cứu

Với mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu nêu trên, đề tài được thực hiện trên cơ sở kết hợp phương pháp Taguchi với nghiên cứu thực nghiệm.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Bổ sung và hoàn thiện kiến thức lý thuyết về công nghệ geopolymer giúp phát triển các sản phẩm xây dựng hiệu quả Nghiên cứu cho thấy rằng công nghệ này có khả năng giảm thiểu lượng phế thải công nghiệp, tiết kiệm tài nguyên thiên nhiên và bảo vệ môi trường.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Công nghệ Geopolymer

Bê tông geopolymer là sản phẩm được hình thành từ phản ứng giữa dung dịch kiềm và vật liệu chứa silic cùng nhôm Chất kết dính trong bê tông geopolymer này thường được gọi là chất kết dính kiềm hoạt hóa.

2.1.1 Lịch sử hình thành và phát triển bê tông Geopolymer

Purdon (1940s) đã phát triển chất kết dính kiềm hoạt hóa bằng xỉ lò cao và dung dịch hydroxit natri, với quá trình cấu trúc diễn ra qua hai bước: giải phóng hợp chất nhôm - silic và hydroxit canxi, tiếp theo là hydrat hóa nhôm và silic cùng với tái tạo dung dịch kiềm Mặc dù vậy, Gluskhovsky được cho là người đầu tiên nghiên cứu chất kết dính trong xây dựng từ thời kỳ La Mã và Ai Cập cổ đại, sử dụng hợp chất hydro canxi aluminat tương tự như xi măng poóc lăng, kết hợp với pha thủy tinh analcite.

Theo nghiên cứu của Shi và Day (1995), việc sử dụng chất kiềm kích hoạt Na2O.nSiO3 có thể giúp đạt được cường độ chịu nén lên đến 160 MPa sau 90 ngày bảo dưỡng ở nhiệt độ phòng.

Davidovits, một nhà nghiên cứu người Pháp, đã phát triển và được cấp bằng sáng chế cho chất kết dính Mêta cao lanh sử dụng kiềm kích hoạt vào năm 1978, được gọi là Geopolymer Theo ông, geopolymer là vật liệu rắn tổng hợp từ nguyên liệu aluminosilicate kết hợp với dung dịch kiềm, tạo ra sản phẩm bền và có cường độ cao Nguyên liệu chính để chế tạo geopolymer bao gồm aluminosilicate, cung cấp nguồn Si và Al cho quá trình geopolymer hóa, và chất kiềm hoạt hóa, thường là dung dịch NaOH và thủy tinh lỏng natri silicat, tạo môi trường kiềm cần thiết cho phản ứng geopolymer hóa.

Có chín loại geopolymer, nhưng alumo silicat là loại có ứng dụng rộng rãi nhất trong xây dựng Loại vật liệu này được hình thành từ quá trình nhiệt hoạt hóa các nguyên liệu tự nhiên như Mê ta cao lanh hoặc sản phẩm công nghiệp như tro bay và xỉ lò Quá trình này cung cấp silic (Si) và nhôm (Al) để hòa tan trong dung dịch kiềm kích hoạt, sau đó thực hiện quá trình trùng hợp, tạo ra chuỗi phân tử kết tinh, hình thành chất kết dính.

2.1.2 Cơ sở khoa học của công nghệ geopolymer

Chất kết dính Geopolymer được hình thành từ phản ứng đa trùng ngưng giữa các khoáng aluminosilicate oxides và dung dịch alkali metal silicate trong môi trường kiềm cao Theo Davidovist, quá trình tổng hợp Geopolymer phụ thuộc chủ yếu vào ion Nhôm (Al) và nồng độ kiềm trong dung dịch, ảnh hưởng đến cấu trúc tinh thể và phản ứng hóa học của nó Cấu trúc silicate đóng vai trò quan trọng trong việc tạo nên xương sống của phân tử Geopolymer Tỷ lệ Si/Al là thông số chính quyết định tính chất và ứng dụng của Geopolymer, với tỷ lệ khoảng 2 cho vật liệu xây dựng.

Sản phẩm từ aluminosilicate là các polymer vô cơ với cấu trúc xương chứa các nguyên tố Si, O và Al Chúng có thể có cấu trúc từ vô định hình đến nửa kết tinh, bao gồm nhiều loại khác nhau như được minh họa trong Hình 2.2.

Hình 2.2: Cấu trúc Poly (Sialates) theo Davidovits [1]

Vật liệu polymer alumino silicate được cấu tạo từ mạng lưới polysialate, trong đó các tứ diện SiO4 và AlO4 được liên kết với nhau bằng các nguyên tố oxy Để cân bằng điện tích của Al+, các ion dương như Na+, K+, Li+, Ca++, Ba++, NH4+ và H3O+ xuất hiện trong các hốc của khung.

Công thức kinh nghiệm của polysialate:

Trong đó: M – các ion kim loại kiềm hay kiềm thổ n – mức độ trùng ngưng của phản ứng z – có giá trị 1,2,3 w – số phân tử nước

Quá trình đông rắn của Geopolymer dựa trên phản ứng polymer hóa, khác với cơ chế đóng rắn của xi măng pooc lăng, vốn là quá trình kết tinh trong nước của các silicate canxi Geopolymer có kích thước phân tử dài gấp 10.000 lần so với phân tử SiO3Ca của xi măng pooc lăng, cho thấy sự khác biệt đáng kể trong cơ chế và cấu trúc của chúng.

Quá trình tổng hợp Geopolymer có thể được mô tả thông qua những bước như Hình 2.3

Hình 2.3: Quá trình hoạt hóa vật liệu Aluminosilicate [1]

Theo Glukhovsky, cơ chế động học của quá trình đông kết và rắn chắc của chất kết dính kiềm hoạt hóa bao gồm phản ứng phân hủy nguyên liệu và phản ứng nội tại Đầu tiên, khi nồng độ pH của dung dịch kiềm tăng, các liên kết cộng hóa trị Si-O-Si và Al-O-Si bị bẻ gãy, dẫn đến việc các nhóm nguyên tố chuyển sang hệ keo Tiếp theo, các sản phẩm bị phá hủy tích tụ và phản ứng nội tại giữa chúng diễn ra, tạo ra cấu trúc ổn định Cuối cùng, quá trình này dẫn đến hình thành cấu trúc đông đặc.

Các sản phẩm hình thành trong quá trình Geopolymer hóa phụ thuộc vào sự phá vỡ cấu trúc của tro bay trong giai đoạn đầu Cuối cùng, quá trình ngưng kết diễn ra, tạo ra cấu trúc chuỗi có trật tự, dẫn đến sản phẩm với cường độ cơ học cao.

Quá trình tạo ra chất kết dính Geopolymer rất phức tạp với nhiều phản ứng diễn ra đồng thời, khó có thể nhận biết Các bước phản ứng không tuân theo trình tự mà diễn ra đồng thời và chồng chéo lên nhau.

Tro bay là thành phần mịn nhất của tro than, được hình thành từ quá trình đốt cháy than tại các nhà máy nhiệt điện Sản phẩm phế thải này được thu thập và phân loại qua các luồng khí, trong đó các hạt lớn rơi xuống đáy, còn các hạt nhỏ hơn được thu gom ở cuối ống khói bằng phương pháp kết sương tĩnh điện hoặc máy thu chuyên dụng theo phương pháp lốc xoáy.

Tro bay là một puzzolan nhân tạo chủ yếu bao gồm các oxit silic (SiO2), oxit nhôm (Al2O3), oxit sắt (Fe2O3), canxi oxit (CaO) và magie oxit (MgO) Hàm lượng của các thành phần này phụ thuộc vào loại than được sử dụng, trong khi màu sắc của tro bay cũng chịu ảnh hưởng từ các hợp chất có trong nó Đường kính hạt của tro bay thường nằm trong khoảng 1µm đến 20µm, và hàm lượng than chưa cháy trong tro bay không được phép vượt quá 5% khối lượng tổng.

Tro bay được phân loại theo tiêu chuẩn ASTM 618 thành hai loại chính: loại F và loại C Tro bay loại F có hàm lượng CaO dưới 6%, được sản xuất từ việc đốt than antraxit hoặc than bitum, với hàm lượng than chưa cháy từ 2-10%, có tính chất puzzolan nhưng không tự đóng rắn Trong khi đó, tro bay loại C có hàm lượng CaO trên 6%, thường dao động từ 15-35%, được tạo ra từ việc đốt than lignit hoặc than bitum, với hàm lượng than chưa cháy dưới 2%, có cả tính chất puzzolan và khả năng tự đóng rắn giống như xi măng.

Phương pháp Taguchi

Quy hoạch thực nghiệm được giới thiệu lần đầu tiên bởi Ronald A Fisher

Vào năm 1935, khái niệm quy hoạch thí nghiệm được trình bày trong tài liệu "Design of Experiments" Năm 1940, Raj Chandra Bose và K Kishen đã giới thiệu một số dạng quy hoạch tại Viện thống kê Ấn Độ, trong đó quy hoạch Plackett-Burman được đăng trên tạp chí Biometrika vào năm 1946 đã thu hút sự chú ý đặc biệt Đồng thời, Calyampudi R Rao đã giới thiệu khái niệm ma trận trực giao như một dạng quy hoạch thực nghiệm, khái niệm này đã đóng góp quan trọng vào sự phát triển của phương pháp Taguchi.

Hình 2.7: Mô hình tối ưu theo phương pháp Taguchi

Genichi Taguchi là người sáng lập phương pháp thiết kế chắc chắn (Robust Design), giúp tối ưu hóa quy trình thiết kế thí nghiệm Phương pháp Taguchi cho phép lựa chọn mảng trực giao phù hợp nhất và xác định số lượng cột cần thiết, từ đó mô tả các kết hợp thí nghiệm đơn một cách hiệu quả Nhờ vào đó, người dùng có thể giảm thiểu số lượng thí nghiệm cần thực hiện, nhanh chóng nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số đến đặc tính mong muốn, và điều chỉnh các thông số để đạt được tối ưu hóa nhanh chóng.

Phương pháp Taguchi không áp dụng toàn bộ các tổ hợp thí nghiệm, do đó không cung cấp con số chính xác về ảnh hưởng của thông số đầu vào đến kết quả đầu ra, mà chỉ mang tính chất định hướng Tuy nhiên, việc đánh giá qua tỷ số S/N giúp các nhà nghiên cứu nhanh chóng xác định các thông số và phạm vi cần tác động để đạt được hiệu quả đầu ra tối ưu.

Thông số đầu vào Chỉ tiêu đánh giá

Các yếu tố gây nhiễu Các biến điều khiển và kiểm tra được

Phương pháp này khắc phục nhược điểm của thiết kế giai thừa bằng cách giảm đáng kể số lượng thí nghiệm, đồng thời vẫn đảm bảo tính tổng quát của quá trình xử lý Điều này giúp tiết kiệm thời gian và chi phí trong thí nghiệm Cách tổ chức thí nghiệm thực nghiệm trực giao được thực hiện như sau:

Số thí nghiệm cần thực hiện: N = 2 k (k là số yếu tố ảnh hưởng)

Mức cơ bản (tâm phương án):

Trong đó: Z max j là mức trên (mức cao)

Z min j là mức dưới (mức thấp)

Véc tơ vào tại mức cơ bản Z 0 j (j = 1, 2, 3,… k) chỉ ra không gian các yếu tố của một điểm đặc biệt gọi là tâm thực nghiệm

Khoảng biến thiên theo trục Z j :

Biến không thứ nguyên x j : Chọn tâm Z 0 j của miền nghiên cứu làm gốc của hệ trục tọa độ

Tọa độ thứ nguyên mức trên (x max j) luôn là +1, trong khi mức dưới (x min j) luôn là -1, và tọa độ của tâm phương án (xj) luôn bằng 0, trùng với gốc tọa độ.

Phương pháp Taguchi không áp dụng giá trị trung bình ytb cho các tính toán như phương pháp phân tích phương sai Thay vào đó, phương pháp này sử dụng tỷ số S/N, được tính theo công thức S/N = -10log10(MSD) (2.1).

Trong đó, MSD là độ lệch trung bình bình phương và tính bằng công thức cho các trường hợp khác nhau như sau:

- Nếu giá trị đầu ra mà là đại lượng có tính chất “càng lớn càng tốt”:

- Nếu giá trị đầu ra mà là đại lượng có tính chất “càng nhỏ càng tốt”:

- Nếu giá trị đầu ra cần đảm bảo một giá trị danh nghĩa hoặc một giá trị cần y 0 nào đó thì MSD được tính bằng công thức:

Khi tổng độ lệch trung bình bình phương (MSD) tăng, các giá trị y i sẽ càng cách xa giá trị mong muốn, dẫn đến tỷ số S/N giảm Điều này cho thấy rằng nếu nhiễu ít, tỷ số S/N sẽ cao hơn, và ngược lại Trong điều kiện lý tưởng, không có nhiễu, với một bộ thông số đầu vào nhất định, sẽ chỉ có một giá trị đầu ra duy nhất y 0 Tuy nhiên, trong thực tế, luôn tồn tại các yếu tố nhiễu gây ra sai lệch cho các giá trị thực xung quanh giá trị mong muốn y 0.

Dữ liệu 2 cho thấy ít nhiễu hơn so với dữ liệu 1 do tỷ số S/N cao hơn, cho thấy quá trình gia công và đo đạc trong điều kiện của dữ liệu 2 được thực hiện tốt hơn dữ liệu 1.

Hình 2.8:Ảnh hưởng của độ nhiễu lên kết quả theo tỷ số S/N [17]

Khi sử dụng tỷ số S/N trong phân tích tính toán sẽ đem lại tính hiệu quả hơn:

- Số bậc tự do cho thực nghiệm giảm đi

Tỷ số S/N không chỉ đánh giá giá trị trung bình mà còn phản ánh độ lệch trung bình bình phương một cách đồng thời Hơn nữa, nó còn được áp dụng để tính toán lại giá trị y ban đầu.

Tối ưu hóa thành phần cấp phối theo phương pháp Taguchi

2.3.1 Phương pháp xác định cấp phối tối ưu

Phương pháp giải các bài toán tối ưu trong công nghệ bê tông geopolymer chủ yếu dựa vào thực nghiệm, do đó, để đạt được kết quả tối ưu, các hàm mục tiêu và giới hạn biên cần phải dựa trên các dữ liệu thực nghiệm Việc tập trung vào các mục tiêu cụ thể như cường độ chịu nén, chịu kéo gián tiếp và giá thành sẽ tạo cơ sở cho việc mở rộng các nghiên cứu tương tự Phương pháp Taguchi trong xác định tối ưu không chỉ giảm thiểu số lần thí nghiệm mà còn giúp xác định điều kiện biên, từ đó đánh giá khả năng đạt được tối ưu cục bộ và điều chỉnh để tiến tới tối ưu toàn cục.

Hình 2.9: Sơ đồ quy trình thực hiện

2 Tiến hành thí nghiệm theo mảng trực giao và ghi nhận kết quả

3 Tính toán giá trị S/N của các kết quả thực nghiệm

4 Đánh giá mức độ ảnh hưởng của các yếu tố

6 Thực nghiệm → Xác định được cấp phối tối ưu ứng với từng chỉ tiêu

5 Tính toán dof, SS T , SS E , V e , n eff , CI CE , CI POP ,… → Kết quả tính toán tối ưu

7 Kết hợp GRA – Taguchi tính toán dựa trên các cấp phối tối ưu

8 Kiểm nghiệm và xác định được 1 cấp phối tối ưu thỏa mãn nhiều tiêu chí

1 Xác định các yếu tố khảo sát để tối ưu hóa → Chọn được mảng trực giao

Để xác định mối quan hệ giữa hàm mục tiêu y và các yếu tố đầu vào x i thông qua thực nghiệm, cần thay đổi các biến đầu vào x (các đại lượng có thể kiểm soát) và đo lường hàm đáp ứng đầu ra y (đại lượng đo được nhưng không thể điều khiển) bằng các phương pháp quy hoạch thực nghiệm.

Thực nghiệm sàng lọc là quá trình tách biệt các yếu tố ảnh hưởng quan trọng từ những yếu tố đầu vào, nhằm mục đích nghiên cứu sâu hơn trong các thực nghiệm tiếp theo.

- Thực nghiệm cực trị: là xây dựng mô hình toán thực nghiệm, xác định giá trị các yếu tố mà tại đó hàm mục tiêu đạt cực trị

- Kiểm tra sự tương thích của phương trình hồi qui với thực nghiệm dùng tiêu chuẩn Fisher (F)

Tỷ số S/N là một chỉ số quan trọng trong thí nghiệm, với giá trị cao nhất cho thấy kết quả tốt nhất và ít bị ảnh hưởng bởi các yếu tố gây nhiễu Trong phương pháp Taguchi, tỷ số S/N được sử dụng để xác định mức tối ưu cho kết quả đầu ra.

Giá trị tỷ số Fisher (F) là một chỉ số quan trọng trong phân tích thống kê, với giá trị F lớn hơn cho thấy ảnh hưởng mạnh mẽ hơn đến kết quả đầu ra Công thức xác định F là: lđđ đk.

Trong đó: MS đk : Cho điều kiện

MS lđk : Lỗi điều kiện

+ Tổng các bình phương (SS T ): Đo độ lệch của dữ liệu thí nghiệm từ trị số trung bình của dữ liệu SS T được xác định theo công thức:

Trong nghiên cứu này, n đại diện cho số lượng giá trị được kiểm tra, trong khi y i là giá trị trung bình của các kết quả kiểm tra yi cho đối tượng thứ i Để tính tổng bình phương của hệ số A (SSA), chúng ta áp dụng công thức cụ thể.

Trong đó: A i : Giá trị tại mức i của thí nghiệm

T: Tổng các giá trị kiểm tra n Ai : Số kết quả khảo sát ở điều kiện Ai + Tổng bình phương các lỗi (SS E ): Là phân bố bình phương của các giá trị khảo sát từ giá trị trung bình của trạng thái A

SS (2.7) + Phần trăm phân bố sự ảnh hưởng của thông số A:

2.3.3 Tối ưu hóa đơn mục tiêu

Giỏ trị tối ưu (à) được ước tớnh bởi cỏc thụng số cú ảnh hưởng mạnh và được xác định theo công thức [6]:

 (2.9) Trong đó: T là trị số trung bình của đặc trưng khảo sát

A 2 , B 2 ,C 3 : Trị số trung bình tại các mức A2, B2, C3

- Khoảng phân bố của trị số tối ưu:

+ Khoảng phân bố của các mẫu CI CE được xác định bởi công thức:

 1 (2.10) + Khoảng phân bố cho một nhóm mẫu CI POP được xác định bởi công thức:

Trong đó: f e : Hệ số f ở một mức tin cậy (1-α) với dof = 1 và dof của lỗi fe

V e : Giá trị thay đổi của lỗi

+ Giá trị n eff được xác định bởi công thức:

1 (2.12) Trong đó: dof: Bậc tự do tổng của các thông số có ảnh hưởng mạnh

N: Tổng số lượng kết quả thí nghiệm khảo sát

2.3.4 Tối ưu hóa đa mục tiêu

Lý thuyết hệ thống xám (Grey System Theory) được đề xuất bởi Deng (1982) và trong đó, Phân tích Quan hệ Xám (Grey Relational Analysis - GRA) là một công cụ toán học hiệu quả GRA có chức năng tính toán dữ liệu rời rạc và định lượng các yếu tố thông qua việc sắp xếp trình tự, giúp giải quyết các mối quan hệ phức tạp giữa các yếu tố cũng như hỗ trợ trong việc lựa chọn và đánh giá hiệu quả của chúng.

Phương pháp Taguchi chủ yếu được áp dụng để tối ưu hóa một kết quả đầu ra duy nhất, nhưng để đạt được hiệu quả tối ưu mạnh mẽ, cần giải quyết nhiều mối quan hệ đầu ra đồng thời Nghiên cứu trước đây đã kết hợp phân tích quan hệ xám (GRA) với phương pháp Taguchi nhằm tối ưu hóa nhiều kết quả đầu ra cùng lúc Trong phân tích kết hợp GRA – Taguchi, một cấp quan hệ xám được sử dụng để đánh giá đồng thời nhiều kết quả đầu ra, giúp biến bài toán tối ưu hóa nhiều đặc tính phức tạp thành tối ưu hóa ở một cấp độ xám duy nhất.

Tỷ số S/N của các kết quả đầu ra được chuyển đổi thành chuỗi so sánh các đại lượng không thứ nguyên, giúp chuẩn hóa kết quả thí nghiệm trong khoảng từ 0 đến 1 Dữ liệu sau đó được chuyển đổi về dạng gốc để thực hiện các so sánh cần thiết.

Nếu giá trị mục tiêu của dữ liệu gốc là “lớn hơn thì tốt hơn” thì dữ liệu ban đầu được chuẩn hóa theo công thức sau [17]:

Nếu giá trị mục tiêu của dữ liệu gốc là “nhỏ hơn thì tốt hơn” thì dữ liệu ban đầu được chuẩn hóa theo công thức sau [17]:

Trong bài viết, x i *   k và x i o   k đại diện cho dữ liệu đã được xử lý và dữ liệu gốc Giá trị max x i o   k và min x i o   k lần lượt là trị số lớn nhất và nhỏ nhất của dữ liệu gốc x i o   k Chỉ số i chạy từ 1 đến m, trong đó m là tổng số thí nghiệm, và chỉ số k chạy từ 1 đến n, với n là tổng số đặc trưng được khảo sát.

Hệ số xám là một chỉ số quan trọng để mô tả mối quan hệ giữa kết quả tốt nhất và các tỷ số S/N chuẩn hóa trong thực nghiệm Nó được tính toán theo công thức cụ thể, giúp phân tích hiệu quả của các yếu tố trong nghiên cứu.

Trong đó:  0 , i   k : Độ sai lệch của dãy tham chiếu x * 0   k với dãy x i *   k

 0 , i   k = x * 0   k - x * i   k : Trị tuyệt đối hiệu của x * 0   k và x i *   k  min  min min  oi   k ,  max  max max  oi   k

: Hệ số phân biệt,   0 , 1 , nghiên cứu thực nghiệm chọn =0,5

Cấp quan hệ xám là trọng số tổng hợp của các hệ số quan hệ xám, giúp đánh giá tổng thể các kết quả đầu ra Cấp quan hệ xám được xác định thông qua công thức n W(k) = ∑(k i), trong đó các hệ số quan hệ đóng vai trò quan trọng trong việc phân tích và đánh giá dữ liệu.

Với W k là trọng số của các đặc trưng thứ k và 1

Việc lựa chọn Wk phụ thuộc vào mức độ quan tâm của các đặc trưng trong từng bài toán cụ thể Thông thường, giá trị Wk được sử dụng là giá trị trung bình trong các nghiên cứu.

Trị số tối ưu của cấp quan hệ xám là chỉ số phản ánh kết quả đầu ra và các thông số có ảnh hưởng mạnh trong quá trình tính toán Cấp quan hệ xám tối ưu được xác định thông qua một công thức cụ thể.

 (2.17) Trong đó:  m : Giá trị trung bình của cấp quan hệ xám

 i : Giá trị trung bình của cấp quan hệ xám ở trạng thái tối ưu q: Số lượng các thông số ảnh hưởng mạnh đến kết quả đầu ra

NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM

Nguyên vật liệu thí nghiệm

Nguyên vật liệu để chế tạo bê tông geopolymer bao gồm: Cốt liệu lớn, cốt liệu nhỏ, nước, tro bay, dung dịch NaOH và dung dịch Na2SiO3

3.1.1 Cốt liệu lớn (đá dăm) Đá sử dụng cho thí nghiệm sử dụng đá 1x2 còn gọi là đá 20mm được vệ sinh sạch nhằm loại bỏ hàm lượng bụi, bùn, sét trong đá Sàng lọc kỹ nhằm chọn ra loại đá chứa ít hạt thoi, dẹt (là những hạt có kích thước lớn nhất vượt quá 3 lần kích thước nhỏ nhất) vì các hạt này chịu lực kém, dễ gãy vỡ nên ảnh hưởng xấu đến khả năng chịu lực của bê tông Thông thường đá chiếm từ 85 - 90% thể tích khô trong hỗn hợp bê tông Độ hút nước của đá phải đạt yêu cầu không lớn hơn 3%

Hình 3.1: Cốt liệu lớn và cốt liệu nhỏ

Cát sử dụng cho thí nghiệm theo TCVN 7570:2006 là cát thiên nhiên với kích thước hạt từ 0,14 – 5 mm Cát cần được vệ sinh và sàng lọc để loại bỏ tạp chất, tránh nhiễm mặn và nhiễm phèn, vì tạp chất có thể tạo màng mỏng trên bề mặt cốt liệu, cản trở sự kết dính và làm giảm cường độ bê tông Đặc tính cơ lý của cát phải tuân thủ tiêu chuẩn TCVN 1770 - 1986.

Bảng 3.1: Đặc tính của cát dùng cho bê tông

STT Tên các chỉ tiêu

1 Mô đun độ lớn không nhỏ hơn 7.5 1.5

2 Khối lượng thể tích xốp, tính bằng kg/m3, không nhỏ hơn 1150 1250

3 Hàm lượng muối gốc sunfat, sunfit tính ra SO3, tính bằng % khối lượng cát, không lớn hơn 2 1

4 Hàm lượng bùn, bụi, sét tính bằng % khối lượng cát , không lớn hơn 10 3

5 Lượng hạt nhỏ hơn 0.14mm, tính bằng % khối lượng cát, không lớn hơn 35 20

Cát thô có thành phần được quy định trong bảng sau thì được phép sử dụng để chế tạo bê tông (theo TCVN 7570:2006)

Bảng 3.2: Thành phần của hạt cát

Kích thước lỗ sàn Lượng sót tích lũy trên sàn, đơn vị %

1.25mm Từ 15 đến 45 Từ 0 đến 15

630àm Từ 35 đến 70 Từ 0 đến 35

315àm Từ 65 đến 90 Từ 5 đến 65

140àm Từ 90 đến 100 Từ 65 đến 90

Lượng qua sàn 140àm không lớn hơn 10 35

Nước dùng trong hỗn hợp bê tông tuân theo tiêu chuẩn TCXDVN 302:2004

Nước dùng trong trộn bê tông và vữa cần đảm bảo chất lượng cao, vì hàm lượng tạp chất vượt quá giới hạn có thể ảnh hưởng đến quá trình đông kết và giảm độ bền của kết cấu bê tông Để đạt được kết quả thí nghiệm chính xác, nước sử dụng để pha chế dung dịch NaOH phải đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật nghiêm ngặt.

- Không chứa váng dầu, váng mỡ, không có màu, có mùi

- Lượng tạp chất hữu cơ không lớn hơn 15mg/l,

- Độ pH không nhỏ hơn 4 và không lớn hơn 12,5

- Tổng hàm lượng ion natri, kali không được lớn hơn 1.000mg/l

Tro bay được sử dụng trong thí nghiệm là loại F với hàm lượng CaO dưới 6%, thu gom từ nhà máy nhiệt điện Formosa Đồng Nai Để đảm bảo chất lượng và các chỉ tiêu đặc trưng, tro bay được chia thành nhiều bao nilông nhỏ, tránh tiếp xúc với ánh nắng mặt trời và môi trường ẩm ướt Thành phần của tro bay được trình bày trong Bảng 3.3.

Bảng 3.3: Thành phần hóa học của tro bay Formosa

MKN SiO 2 Al 2 O 3 FeO Fe 2 O 3 CaO Na 2 O K 2 O TiO 2 P 2 O 5 SO 3

3.1.5 Dung dịch hoạt hóa (Alkaline)

Hỗn hợp dung dịch hoạt hóa, bao gồm Sodium Hydroxit (NaOH) và Sodium Silicat (Na2SiO3), được sử dụng để tạo phản ứng kết dính vật liệu.

3.1.5.1 Dung dịch Sodium Hydroxit (NaOH)

Hình 3.2: Natri Hydroxit dạng vảy nến

Dung dịch NaOH được tạo ra từ natri khan nguyên chất, có màu trắng đục và độ tinh khiết trên 90%, với khối lượng riêng là 2,130 kg/m³ Để xác định nồng độ dung dịch, cần tính khối lượng NaOH khan cần pha trộn theo công thức: dd = (100 * khối lượng NaOH)/(1000).

Trong đó: + m NaOH là khối lượng NaOH khan cần cho vào

+ M là khối lượng Mol của NaOH (M@)

+ V dd là thể tích dung dịch cần pha trộn

+ P là độ tinh khiết của dung dịch NaOH lấy bằng 99%

3.1.5.2 Dung dịch Sodium Silicate (Na 2 SiO 3 )

Sodium Silicate dùng trong thí nghiệm có tỉ lệ thành phần là SiO2 = 30,1%,

Na2O = 9,4%, H2O = 60,5% Hàm lượng SiO2/Na2O = 3,2, tỷ trọng 1,420,01 g/ml

Dung dịch thủy tinh lỏng (Na2SiO3) là một dung dịch màu trắng đục, có tính sệt và dễ hòa tan trong nước Nó có khả năng tương tác với nhiều dạng chất khác nhau, bao gồm rắn, lỏng và khí Tuy nhiên, thủy tinh lỏng dễ bị phân hủy bởi các axit, ngay cả axit cacbonic, dẫn đến việc tách ra kết tủa keo silic.

Thiết kế thí nghiệm

Trong quá trình tìm kiếm thành phần cấp phối tối ưu cho bê tông geopolymer, mục tiêu là đạt được cường độ chịu nén và chịu kéo cao nhất với chi phí thấp nhất Điều này phụ thuộc vào nhiều yếu tố đầu vào, trong khi bản chất của quy trình bên trong vẫn chưa được hiểu rõ Trước khi tiến hành thực nghiệm, cần xác định sơ bộ mô hình toán học, giải thích các yếu tố cần thay đổi, giữ cố định và xác định mục tiêu tối ưu cần đạt được.

3.2.1 Tính toán thành phần cấp phối định hướng Đối tượng trong công nghệ bê tông geopolymer phụ thuộc vào các yếu tố có thể điều chỉnh như nồng độ NaOH, tỷ lệ Na2SiO3/NaOH, tỷ lệ Alkaline/tro bay, thời gian, nhiệt độ dưỡng hộ và các yếu tố ngẫu nhiên không điều khiển được (sai số khi đo, rung động từ bên ngoài, thay đổi nhiệt độ của môi trường, …) Vì vậy nếu sử dụng phương pháp thiết kế thí nghiệm truyền thống có thể dẫn đến kết quả bài toán có độ chính xác thấp Các kết quả nghiên cứu trước đây cho thấy phương pháp Taguchi đã được ứng dụng hiệu quả để giải bài toán có số lượng các yếu tố đầu vào

Giá thành Thời gian dưỡng hộ

TTL/NaOH Alkaline/Tro bay

N

Hình 3.3: Mô hình các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ bê tông geopolymer

Cường độ chịu nén, chịu kéo và giá thành của bê tông chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố Để giảm thiểu số lượng thí nghiệm, cần giả định một số yếu tố như cốt liệu lớn, cốt liệu nhỏ và tro bay sẽ giữ nguyên không thay đổi trong kế hoạch thực nghiệm ban đầu.

3.2.2 Lựa chọn thông số đầu vào Để nhận được các kết quả thí nghiệm chính xác và đầy đủ thì các thông số đầu vào phải thỏa mãn các yêu cầu: Các biến độc lập và điều chỉnh được Từ các công trình thực nghiệm đã được công bố cho thấy thông số đầu vào có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng cùng nhiều cấp độ khác nhau Tuy nhiên, vì thời gian có hạn nên không thể khảo sát tất cả các cấp độ nên trong luận văn chỉ chọn các cấp độ sau để tiến hành nghiên cứu Các thông số đầu vào và điều kiện biên được tổng hợp ở Bảng 3.4

Bảng 3.4: Bảng trực giao của các yếu tố ảnh hưởng trong thành phần cấp phối

Kí hiệu Yếu tố Cấp độ 1 Cấp độ 2 Cấp độ 3

D Thời gian dưỡng hộ 4 giờ 6 giờ 8 giờ

Các biến không điều khiển được

3.2.3 Thiết kế thí nghiệm bằng phương pháp Taguchi

Phương pháp Taguchi là một công cụ thiết kế ma trận thí nghiệm hiệu quả, được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật Khác với phương pháp thực nghiệm truyền thống yêu cầu kiểm tra tất cả các sự kết hợp của các yếu tố, Taguchi chỉ tiến hành kiểm tra các cặp kết hợp, giúp giảm thiểu số lượng thí nghiệm cần thiết Với việc chỉ cần thực hiện ít thí nghiệm hơn, phương pháp này vẫn cho phép xác định các yếu tố ảnh hưởng mạnh nhất đến kết quả đầu ra, từ đó hỗ trợ trong việc thiết kế các thử nghiệm tiếp theo và loại bỏ những thông số không đáng kể.

Phân tích phương sai (ANOVA) sử dụng dữ liệu từ ma trận thí nghiệm Taguchi nhằm lựa chọn các giá trị thông số mới, tối ưu hóa kết quả đầu ra Dữ liệu này có thể được phân tích thông qua các bảng, biểu đồ, hình ảnh và hệ số kiểm tra Fisher.

Ma trận trực giao của Taguchi không xem xét tất cả các sự kết hợp giữa các thông số, mà chỉ mang lại hiệu quả cao cho các nghiên cứu ở giai đoạn đầu.

Số lượng thí nghiệm được xác định dựa trên bậc tự do, mà bậc tự do của ma trận thí nghiệm được tính bằng tổng bậc tự do của các thông số đầu vào Cụ thể, bậc tự do của một thông số được tính theo công thức dof = K - 1, trong đó K là số mức của thông số.

Bảng 3.5: Bậc tự do của ma trận thí nghiệm

Bậc tự do của ma trận thí nghiệm là 10, do đó bảng ma trận thí nghiệm trực giao của Taguchi (dãy OA) cần phải lớn hơn 10 Dãy OA phù hợp nhất cho trường hợp này là L27 với bậc tự do là 13, trong đó 3 bậc tự do được thêm vào để đo lỗi ngẫu nhiên.

Trong dãy OA, có ba mức, và mức thứ ba được thực hiện bằng cách lặp lại một trong hai mức của thông số đầu vào Theo nguyên tắc của phương pháp Taguchi, "Cặp trạng thái của các yếu tố điều khiển ở hai cột bất kỳ có xác suất xuất hiện như nhau", cho phép chúng ta chọn bất kỳ mức nào trong hai mức của thông số đầu vào để thực hiện việc lặp lại.

Bảng 3.6: Bảng ma trận thí nghiệm Taguchi

Cấp phối thí nghiệm CMNaOH (A) AL/FA (B) SS/SH (C) Thời gian (D) Nhiệt độ (E)

Giá trị tỷ số S/N cao nhất trong thí nghiệm sẽ mang lại kết quả tối ưu nhất và ít bị ảnh hưởng bởi các yếu tố gây nhiễu Tỷ số S/N được sử dụng để xác định mức độ của kết quả đầu ra tối ưu, và giá trị này được tính theo công thức (2.1).

- Với kết quả đầu ra là cường độ chịu nén và chịu kéo gián tiếp của bê tông

“càng lớn càng tốt” và giá thành của từng cấp phối “càng nhỏ càng tốt” Giá trị

MSD được tính theo công thức (2.2) và (2.3).

Kết quả thí nghiệm

3.3.1 Điều kiện để tiến hành thí nghiệm:

- Khuôn thí nghiệm: Sử dụng khuôn mẫu hình trụ kích thước 100x200 (mm) để đúc mẫu bê tông thực hiện công tác thí nghiệm

Hình 3.4: Khuôn đúc mẫu thí nghiệm

Hình 3.5: Máy nén mẫu và tủ sấy mẫu

- Máy nén mẫu 3000KN-MATEST: - Tủ sấy mẫu ECOCELL:

Model: C071A Hãng sản xuất: EU

Xuất xứ: MATEST - ITALIA (EU) Model: LIS-B2V/EC55

Khoảng cách hai tấm nén: 336mm Dung tích: 55 lít Đường kính tấm nén: 287mm Nhiệt độ max: 250 o C

Hành trình piston: 55mm Màn hình hiển thị nhiệt độ, thời gian Kích thước: 860 x 470 x 1450mm Nguồn điện: 230V, 50/60Hz, 8,0KW

Quy trình thí nghiệm được thực hiện như sơ đồ sau:

Hình 3.6: Sơ đồ quy trình thí nghiệm

Giá trị cường độ chịu nén và chịu kéo gián tiếp của bê tông geopolymer được tổng hợp trong Bảng 3.7 sau khi thực hiện thí nghiệm Giá thành cho mỗi cấp phối thí nghiệm được tính toán dựa trên Công bố giá vật liệu xây dựng tại thành phố Hồ Chí Minh trong Quý I năm 2017 Thông tin về số lượng vật liệu và giá tiền cho từng cấp phối được trình bày chi tiết trong Bảng 3.8 và Bảng 3.9.

NaOH khan Nước Na2SiO3

Máy trộn trong 2 phút dd Alkaline dd NaOH

Máy trộn trong 3 phút Đúc mẫu

Tháo mẫu, tĩnh định 48 giờ ở nhiệt độ phòng

Dưỡng hộ nhiệt trong máy sấy với thời gian, nhiệt độ định sẵn

Tháo mẫu, kiểm tra, đo đạc

Bảng 3.7: Bảng kết quả thực nghiệm cường độ chịu nén, chịu kéo gián tiếp

A B C D E Cường độ chịu nén (MPa)

Cường độ chịu kéo (MPa)

Bảng 3.8: Bảng tổng hợp vật liệu trong mỗi cấp phối

Tro bay (kg/m 3 ) dd NaOH (kg/m 3 )

Bảng 3.9: Bảng giá tiền mỗi cấp phối thí nghiệm cho 01m 3 bê tông

Phần mềm Minitab 16 hỗ trợ phân tích dữ liệu bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm Taguchi Kết quả phân tích tỷ số S/N về cường độ chịu nén và chịu kéo gián tiếp của bê tông geopolymer, cùng với giá thành của từng cấp phối, được tổng hợp trong Bảng 3.10.

Bảng 3.10: Bảng giá trị và tỷ số S/N của các chỉ tiêu

Cường độ chịu nén (MPa)

S/N của cường độ chịu nén

Cường độ chịu kéo (MPa)

S/N của cường độ chịu kéo

CP-1 29,8 29.4843 2,36 7.4582 1.121.732 -120.998 CP-2 32,4 30.2109 2,63 8.3991 1.127.960 -121.046 CP-3 43,7 32.8096 3,7 11.3640 1.134.188 -121.094 CP-4 34,2 30.6805 3,26 10.2644 1.384.416 -122.825 CP-5 39,9 32.0195 3,68 11.3170 1.393.758 -122.884 CP-6 42,3 32.5268 4,1 12.2557 1.403.100 -122.942 CP-7 33,4 30.4749 3,78 11.5498 1.729.162 -124.757 CP-8 35,2 30.9309 4,12 12.2979 1.741.618 -124.819 CP-9 37,8 31.5498 4,37 12.8096 1.754.074 -124.881 CP-10 36,7 31.2933 3,03 9.6289 1.329.254 -122.472 CP-11 39,9 32.0195 3,34 10.4749 1.341.710 -122.553 CP-12 46,6 33.3677 4,02 12.0845 1.354.166 -122.633 CP-13 34,4 30.7312 3,27 10.2910 1.564.855 -123.889 CP-14 36,7 31.2933 3,44 10.7312 1.571.083 -123.924 CP-15 43,4 32.7498 4,11 12.2768 1.577.311 -123.958 CP-16 32,3 30.1841 2,91 9.2779 1.310.581 -122.349 CP-17 33,4 30.4749 3,03 9.6289 1.319.923 -122.411 CP-18 41,2 32.2979 3,83 11.6640 1.329.265 -122.472 CP-19 37,2 31.4109 3,15 9.9662 1.480.724 -123.409 CP-20 40,4 32.1276 3,38 10.5783 1.490.066 -123.464 CP-21 46,1 33.2740 3,87 11.7542 1.499.408 -123.518 CP-22 34,4 30.7312 3,26 10.2644 1.276.347 -122.119 CP-23 41,3 32.3190 3,59 11.1019 1.288.803 -122.204 CP-24 43,4 32.7498 3,62 11.1742 1.301.259 -122.287 CP-25 34,8 30.8316 3,06 9.7144 1.521.999 -123.648 CP-26 37,5 31.4806 3,36 10.5268 1.528.227 -123.684 CP-27 39,6 31.9539 3,55 11.0046 1.534.455 -123.719

Đánh giá mức độ ảnh hưởng của các thông số đầu vào đến cường độ chịu nén của bê tông geopolymer

Kết quả phân tích phương sai (ANOVA) cho thấy cường độ chịu nén của bê tông geopolymer đạt độ tin cậy 90% với R-squared = 88,96%, cho thấy mô hình dự đoán tuyến tính là tốt Các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ chịu nén bao gồm điều kiện nhiệt độ dưỡng hộ (FF,47) với F=7,12, tỷ lệ dung dịch hoạt hóa - tro bay (F=7,12), và nồng độ dung dịch NaOH (F=5,30) là những yếu tố có ảnh hưởng mạnh nhất Ngược lại, tỷ lệ dung dịch sodium silicate – sodium hydroxide (F=3,05) và thời gian dưỡng hộ bê tông (F=2,51) có ảnh hưởng ít hơn, trong đó điều kiện nhiệt độ dưỡng hộ là yếu tố quan trọng nhất và thời gian dưỡng hộ là yếu tố ít ảnh hưởng nhất.

Bảng 3.11: Bảng ANOVA trị số cường độ chịu nén

TT Thông số Bậc tự do

Phương sai Trị số F Hệ số

Để xác định sự phù hợp của phương trình hồi quy với dữ liệu thực nghiệm, tiêu chuẩn Fisher được áp dụng Với khoảng tin cậy 90%, giá trị P < 0,1 được coi là có ý nghĩa thống kê, trong khi các yếu tố có giá trị P > 0,1 không đáp ứng tiêu chí kiểm định ý nghĩa thống kê theo bảng phân phối chuẩn Fisher.

Bảng 3.12 trình bày mức độ ảnh hưởng của các thông số đến cường độ chịu nén của bê tông Sự tác động của các thông số và sự tương tác giữa chúng được minh họa rõ ràng trong Hình 3.7 và Hình 3.8.

Hình 3.7: Ảnh hưởng của các thông số đầu vào đến cường độ chịu nén

Hình 3.8: Sự tương tác giữa các thông số đầu vào đến cường độ chịu nén

Nhiệt độ dưỡng hộ cao góp phần tăng cường độ chịu nén của bê tông Cụ thể, khi dưỡng hộ ở nhiệt độ từ 60 °C đến 90 °C, cường độ bê tông tăng 8,76%, và khi nâng nhiệt độ lên từ 90 °C đến 120 °C, cường độ tăng thêm 12,3% Điều này cho thấy, nhiệt độ cao thúc đẩy nhanh quá trình geopolymer hóa, tăng cường sự kết hợp giữa các khoáng alumino silicate trong tro bay và dung dịch alkaline, từ đó làm tăng tốc độ phản ứng trùng ngưng giữa các monomer Thời gian hằng nhiệt đủ dài cũng giúp các phản ứng tạo chuỗi –O-Si-O-Al diễn ra triệt để hơn Đặc biệt, ở nhiệt độ 120 °C, cường độ bê tông geopolymer cao hơn do lượng hơi nước giảm, dẫn đến lực liên kết giữa các phân tử gel trong hỗn hợp bê tông được tăng cường.

Hình 3.9: Ảnh hưởng của nhiệt độ dưỡng hộ đến cường độ chịu nén

Tỷ lệ dung dịch hoạt hóa và tro bay ảnh hưởng trực tiếp đến cường độ chịu nén của bê tông geopolymer Cường độ cao nhất đạt được ở tỷ lệ 0,4, nhưng giảm 0,79% ở tỷ lệ 0,5 và tiếp tục giảm 7,08% ở tỷ lệ 0,6 Khi hàm lượng tro bay giảm xuống không đủ để tương tác với dung dịch, cường độ bê tông sẽ bị giảm Ngược lại, nếu hàm lượng tro bay quá cao, dung dịch hoạt hóa không đủ để phản ứng hết, dẫn đến hiệu quả giảm Do đó, việc cân bằng tỷ lệ dung dịch hoạt hóa và tro bay là cần thiết để tăng cường độ bê tông geopolymer mà vẫn duy trì tính công tác của hỗn hợp.

Cường độ chịu nén của bê tông geopolymer tăng 4,61% khi nồng độ dung dịch NaOH tăng từ 12 đến 14 mol và tăng thêm 2,84% khi nồng độ đạt 16 mol Sự gia tăng nồng độ NaOH kích hoạt phản ứng với tro bay, làm tăng tốc độ đông đặc của hỗn hợp kết dính Kết quả là, gel sản phẩm liên kết chặt chẽ hơn, tối ưu hóa quá trình giải phóng ion SiO4+ và Al3+ từ tro bay, giảm thể tích hạt tro bay và tạo ra cấu trúc vật liệu ít lỗ rỗng, từ đó nâng cao cường độ bê tông.

Hình 3.10: Ảnh hưởng của tỷ lệ AL/FA đến cường độ chịu nén

Hình 3.11: Ảnh hưởng của nồng độ NaOH đến cường độ chịu nén

Thành phần dung dịch hoạt hóa có ảnh hưởng không đáng kể đến cường độ chịu nén của bê tông, nhưng lại quyết định khả năng hình thành chuỗi geopolymer trong quá trình kích hoạt Tỷ lệ và thành phần dung dịch hoạt hóa có sự tương tác qua lại, do đó, thiết kế cấp phối cần chú ý đến hàm lượng dung dịch này Việc tăng thêm dung dịch hoạt hóa đồng nghĩa với việc gia tăng môi trường chứa NaOH và thủy tinh lỏng, từ đó thúc đẩy phản ứng với alumino silicate và tạo điều kiện cho các khoáng hoạt tính kết hợp, nâng cao cường độ bê tông.

Kết quả nghiên cứu cho thấy cường độ bê tông tăng 4,25% trong khoảng thời gian từ 4 đến 6 giờ, nhưng chỉ tăng 0,46% từ 6 đến 8 giờ Thời gian dưỡng hộ nhiệt không ảnh hưởng đáng kể đến cường độ chịu nén của bê tông geopolymer, điều này phù hợp với các nghiên cứu trước đây cho rằng cường độ của bê tông geopolymer không phụ thuộc nhiều vào thời gian dưỡng hộ, dẫn đến sự gia tăng cường độ không đáng kể theo thời gian.

Hình 3.12: Ảnh hưởng của tỷ lệ SS/SH đến cường độ chịu nén

Hình 3.13: Ảnh hưởng của thời gian đến cường độ chịu nén

Tối ưu hóa cường độ chịu nén của bê tông geopolymer

Đặc trưng giá trị tỷ số S/N của cường độ chịu nén bê tông geopolymer là

Kết quả phân tích phương sai (ANOVA) với độ tin cậy 90% cho thấy các yếu tố ảnh hưởng mạnh đến cường độ chịu nén của bê tông geopolymer bao gồm điều kiện nhiệt độ dưỡng hộ (FD,96), nồng độ NaOH (F=6,36) và tỷ lệ dung dịch hoạt hóa - tro bay (F=5,66) Trong khi đó, tỷ lệ dung dịch sodium silicate – sodium hydroxide (F=3,65) và thời gian dưỡng hộ bê tông (F=2,65) có ảnh hưởng ít hơn.

Bảng 3.13: Bảng ANOVA trị số tỷ số S/N của cường độ chịu nén

TT Thông số Bậc tự do

Phương sai Trị số F Hệ số

Để kiểm tra sự tương thích của phương trình hồi quy với dữ liệu thực nghiệm, người ta sử dụng tiêu chuẩn Fisher Với khoảng tin cậy 90%, các giá trị P nhỏ hơn 0,1 được coi là có ý nghĩa thống kê, trong khi những yếu tố có giá trị P lớn hơn 0,1 không đáp ứng yêu cầu của phương pháp kiểm định ý nghĩa thống kê theo bảng phân phối chuẩn Fisher.

Bảng 3.14 trình bày mức độ ảnh hưởng của các thông số đến tỷ số S/N của cường độ chịu nén Hình 3.14 và Hình 3.15 minh họa tác động của các thông số cũng như sự tương tác giữa chúng đối với cường độ chịu nén của bê tông.

Hình 3.14: Ảnh hưởng của các thông số đến tỷ số S/N của cường độ chịu nén

Hình 3.15: Sự tương tác của các thông số đầu vào đến S/N của cường độ chịu nén

Nồng độ dung dịch NaOH (A3), tỷ lệ dung dịch hoạt hóa - tro bay (B1), tỷ lệ dung dịch sodium silicate – sodium hydroxide (C2), thời gian dưỡng hộ (D3) và nhiệt độ dưỡng hộ (E3) là những yếu tố quyết định tỷ số S/N lớn nhất, giúp kết quả tối ưu ít bị ảnh hưởng bởi nhiễu Trị số tối ưu của cường độ chịu nén bê tông được xác định bởi các thông số: CMNaOH = 16 mol, AL/FA = 0,4, SS/SH = 2,0, thời gian dưỡng hộ 8 giờ và nhiệt độ dưỡng hộ 120°C.

Trị số tối ưu cường độ chịu nén của bê tông (R nentoiuu) được xác định dựa trên các thông số ảnh hưởng mạnh đến tỷ số S/N của cường độ chịu nén Công thức tính toán này được thể hiện qua công thức (2.9).

E 3: Rn của nhiệt độ dưỡng hộ, E 3= 42,68 MPa (Bảng 3.12)

A 3: Rn của nồng độ dung dịch NaOH, A 3= 39,41 MPa (Bảng 3.12)

B 1: Rn của tỷ lệ dung dịch hoạt hóa - tro bay, B 1= 39,2 MPa (Bảng 3.12).

T : Trị số trung bình của cường độ chịu nén bê tông geopolymer

-Khoảng phân bố giá trị trung bình của R n :

+ Khoảng phân bố f e = 16 (Bảng 3.11), F 0.1(1;16) = 3,048 (tra Bảng phần phụ lục của tài liệu [6] V e = 3,599 (Bảng 3.11), Số thí nghiệm N = 27, Số lần lặp lại thí nghiệm R = 1

Thay số: 41,44 MPa ≤ R nentoiuu ≤ 48,86 MPa

+ Khoảng tin cậy phổ biến:

Thay số: 43,57 MPa ≤ R nentoiuu ≤ 46,73 MPa

Theo kết quả tính toán, với thành phần cấp phối CMNaOH = 16 mol, AL/FA = 0,4, SS/SH = 2,0, thời gian dưỡng hộ 8 giờ và nhiệt độ 120 °C, cường độ chịu nén tối ưu đạt từ 43,57 MPa đến 46,73 MPa.

Đánh giá mức độ ảnh hưởng của các thông số đầu vào đến cường độ chịu kéo gián tiếp (ép chẻ) của bê tông geopolymer

Kết quả phân tích phương sai (ANOVA) cho cường độ chịu kéo gián tiếp của bê tông geopolymer với độ tin cậy 90% cho thấy nhiệt độ dưỡng hộ (FB,79), tỷ lệ dung dịch sodium silicate – sodium hydroxide (F,23) và thời gian dưỡng hộ (F,03) là những yếu tố ảnh hưởng mạnh nhất Ngược lại, tỷ lệ dung dịch hoạt hóa - tro bay (F=8,06) và nồng độ dung dịch NaOH (F=1,33) có ảnh hưởng ít hơn đến cường độ chịu kéo gián tiếp.

Bảng 3.15: Bảng ANOVA trị số cường độ chịu kéo gián tiếp

TT Thông số Bậc tự do

Phương sai Trị số F Hệ số

Mức độ ảnh hưởng của các thông số và sự tương tác của chúng đến cường độ chịu kéo gián tiếp của bê tông được thể hiện rõ trong Bảng 3.16 và các hình ảnh minh họa Hình 3.16 và Hình 3.17.

Hình 3.16: Ảnh hưởng của các thông số đầu vào đến cường độ chịu kéo gián tiếp

Hình 3.17: Sự tương tác giữa các thông số đến cường độ chịu kéo gián tiếp

Nhiệt độ dưỡng hộ có ảnh hưởng đáng kể đến cường độ chịu kéo gián tiếp, tương tự như cường độ chịu nén Khi nhiệt độ dưỡng hộ tăng, cường độ chịu kéo gián tiếp cũng có xu hướng tăng theo.

Nghiên cứu cho thấy, khi nhiệt độ tăng từ 60°C đến 90°C, cường độ chịu kéo gián tiếp tăng 8,24%, và tiếp tục tăng thêm 12,8% khi nhiệt độ đạt từ 90°C đến 120°C Điều này chứng tỏ rằng cường độ đạt được ở 120°C chưa phải là sản phẩm cuối cùng của thành phần cấp phối đã thiết kế Quá trình kết hợp giữa các khoáng alumino-silicate và dung dịch alkaline yêu cầu nhiệt độ cao để thực hiện phản ứng tạo chuỗi –O-Si-O-Al, do đó, việc lựa chọn nhiệt độ thích hợp trong môi trường hoạt hóa là rất quan trọng để thúc đẩy quá trình tạo cường độ cho bê tông geopolymer.

Hình 3.18: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến cường độ chịu kéo

Thành phần của dung dịch hoạt hóa có tác động lớn đến khả năng hình thành chuỗi gopolymer trong quá trình hoạt hóa Kết quả nghiên cứu cho thấy cường độ chịu kéo gián tiếp tăng lên đáng kể, từ 3,21 MPa ở tỷ lệ nhất định.

1,5 đến 3,72 MPa ở tỷ lệ 2,5, điều này có thể giải thích khi hàm lượng của sodium silicate so với hàm lượng

Sự tăng cường hàm lượng Al2O3 và SiO2 trong tro bay sẽ kích hoạt quá trình geopolymer, tạo ra liên kết Si-O-Si bền vững hơn và nâng cao độ đặc chắc của cấu trúc, từ đó cải thiện cường độ Điều này cho thấy vai trò quan trọng của sodium silicate trong việc tăng cường khả năng liên kết trong chuỗi geopolymer, đồng thời cần sự hỗ trợ từ sodium hydroxide để đạt hiệu quả tối ưu.

Thời gian dưỡng hộ nhiệt có ảnh hưởng quan trọng đến cường độ chịu kéo gián tiếp của bê tông Cường độ này tăng 5,48% khi dưỡng hộ từ 4 đến 6 giờ và tiếp tục tăng 5,7% khi thời gian dưỡng hộ đạt 8 giờ Điều này cho thấy rằng thời gian dưỡng hộ nhiệt càng dài, quá trình geopolymer giữa dung dịch kiềm và khoáng vật alumino-silicate diễn ra nhanh hơn, tạo điều kiện thuận lợi cho dung dịch kiềm phá hủy các khoáng chất Al và Si trong tro bay Kết quả là, quá trình hình thành hệ gel liên kết nhanh chóng dẫn đến sự gia tăng cường độ bê tông theo thời gian.

Hình 3.19: Ảnh hưởng của tỷ lệ SS/SH đến cường độ chịu kéo

Hình 3.20: Ảnh hưởng của thời gian đến cường độ chịu kéo

- Khi tăng tỷ lệ khối lượng dung dịch hoạt hóa – tro bay từ 0,4 đến 0,5 thì cường độ chịu kéo gián tiếp tăng

8,91% Khi tiếp tục tăng đến tỷ lệ 0,6 thì cường độ có xu hướng giảm

1,11% Điều này có thể giải thích khi tăng tỷ lệ khối lượng AL/FA thì hàm lượng SiO2 tăng nên dẫn đến tỷ số

Khi tỷ lệ SiO2/Al2O3 tăng, quá trình geopolymer hóa sẽ tạo ra nhiều liên kết Si-O-Al, làm cho lực liên kết của các chuỗi này trở nên mạnh mẽ hơn, từ đó tăng cường độ sản phẩm sau phản ứng Bên cạnh đó, việc tăng tỷ lệ dung dịch kiềm NaOH cũng thúc đẩy quá trình hoạt hóa vật liệu aluminosilicate, giúp quá trình diễn ra mạnh mẽ và triệt để hơn Sự hiện diện của các lỗ rỗng chứa nước và các sản phẩm phụ từ quá trình trùng ngưng, đặc biệt là Na2SiO3, sẽ phản ứng hoàn toàn, góp phần nâng cao cường độ của sản phẩm.

Nồng độ dung dịch NaOH có ảnh hưởng đáng kể đến cường độ chịu kéo của bê tông Cụ thể, khi nồng độ tăng từ 12 đến 14 mol, cường độ chịu kéo giảm 3,37% Tiếp tục tăng nồng độ lên 16 mol, cường độ này lại giảm thêm 0,58% Kết quả này cho thấy sự giảm sút cường độ chịu kéo của bê tông khi nồng độ dung dịch NaOH tăng.

Việc sử dụng NaOH vừa đủ giúp ngăn chặn hiện tượng cô đặc của dung dịch, nhờ vào lớp sản phẩm bao bọc trên bề mặt hạt tro bay Lớp gel này hình thành sớm khi alumino silicate tiếp xúc với dung dịch kiềm, dẫn đến tính linh động thấp của dung dịch Đặc biệt, lớp sản phẩm này làm chậm quá trình hòa tan các ion trên bề mặt hạt tro bay và ngăn cản phần tro bay bên trong tiếp xúc với dung dịch kiềm để tạo gel liên kết.

Hình 3.21: Ảnh hưởng của tỷ lệ AL/FA đến cường độ chịu kéo

Hình 3.22: Ảnh hưởng của nồng độ NaOH đến cường độ chịu kéo.

Tối ưu hóa cường độ chịu kéo gián tiếp của bê tông geopolymer

Đặc trưng tỷ số S/N của cường độ chịu kéo gián tiếp bê tông geopolymer là

Kết quả phân tích phương sai (ANOVA) với độ tin cậy 90% cho thấy các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ chịu kéo của bê tông bao gồm điều kiện nhiệt độ dưỡng hộ (F=3,62), tỷ lệ dung dịch sodium silicate – sodium hydroxide (F=60) và thời gian dưỡng hộ nhiệt (F=9,42) là những thông số có ảnh hưởng mạnh nhất Trong khi đó, tỷ lệ dung dịch hoạt hóa - tro bay (F=7,51) và nồng độ dung dịch NaOH (F=0,37) có ảnh hưởng ít hơn đến cường độ chịu kéo của bê tông.

Bảng 3.17: Bảng ANOVA trị số tỷ số S/N của cường độ chịu kéo gián tiếp

TT Thông số Bậc tự do

Phương sai Trị số F Hệ số

Với khoảng tin cậy 90%, trị số P < 0,1 được coi là có ý nghĩa thống kê, trong khi các yếu tố có trị số P > 0,1 không đáp ứng tiêu chuẩn của phương pháp kiểm định ý nghĩa thống kê theo bảng phân phối chuẩn Fisher.

Bảng 3.18 trình bày mức độ ảnh hưởng của các thông số đến tỷ số S/N của cường độ chịu kéo Hình 3.23 và Hình 3.24 minh họa tác động của các thông số cũng như sự tương tác giữa chúng đối với cường độ chịu kéo của bê tông geopolymer.

Hình 3.23: Ảnh hưởng của các thông số đến tỷ số S/N của cường độ chịu kéo

Hình 3.24: Sự tương tác của các thông số đến S/N của cường độ chịu kéo

Nồng độ dung dịch NaOH tối ưu để đạt được cường độ chịu kéo bê tông cao nhất là 12 mol, với tỷ lệ dung dịch hoạt hóa - tro bay (AL/FA) là 0,5 và tỷ lệ dung dịch sodium silicate – sodium hydroxide (SS/SH) là 2,5 Thời gian và nhiệt độ dưỡng hộ cũng cần được điều chỉnh để đạt được hiệu quả tối ưu trong quá trình sản xuất bê tông.

8 giờ và nhiệt độ dưỡng hộ là 120 0 C

Trị số tối ưu cường độ chịu kéo gián tiếp của bê tông (R keotoiuu) được xác định dựa trên các thông số ảnh hưởng mạnh đến tỷ số S/N của cường độ này, được tính theo công thức (2.9).

Với: E 3 = 3,908 MPa, C 3 = 3,721 MPa, D 3 = 3,681 MPa (Bảng 3.16).

Trị số trung bình của cường độ chịu kéo:   

+ Khoảng phân bố f e = 16 (Bảng 3.15), F 0.1(1;16) = 3,048 (tra Bảng phần phụ lục của tài liệu [6] V e = 0,0336 (Bảng 3.15), số thí nghiệm N = 27, số lần lặp lại thí nghiệm R = 1

Thay số: 4,001 MPa ≤ R keotoiuu ≤ 4,719 MPa

+ Khoảng tin cậy phổ biến:  

Thay số: 4,197 MPa ≤ R keotoiuu ≤ 4,523 MPa

Theo kết quả tính toán, với thành phần cấp phối CMNaOH = 12 mol, AL/FA = 0,5, SS/SH = 2,5, thời gian dưỡng hộ 8 giờ và nhiệt độ 120 độ C, cường độ chịu kéo gián tiếp tối ưu đạt từ 4,197 MPa đến 4,523 MPa.

Đánh giá mức độ ảnh hưởng của các thông số đầu vào đến giá thành của từng cấp phối

Kết quả phân tích phương sai (ANOVA) với độ tin cậy 99,5% cho thấy tỷ lệ dung dịch sodium silicate – sodium hydroxide (F7327,14), tỷ lệ dung dịch hoạt hóa - tro bay (F070,91) và thời gian dưỡng hộ nhiệt (F91,05) là những yếu tố ảnh hưởng mạnh nhất đến giá thành cấp phối bê tông geopolymer Trong khi đó, nồng độ dung dịch NaOH (F3,34) và điều kiện nhiệt độ dưỡng hộ (F1,8) có ảnh hưởng ít hơn.

Bảng 3.19: Bảng ANOVA trị số giá thành 01m 3 bê tông

TT Thông số Bậc tự do

Phương sai Trị số F Hệ số

Mức độ ảnh hưởng của các thông số và sự tương tác của chúng đến giá thành 1m³ bê tông được thể hiện rõ trong Bảng 3.20, cùng với các hình ảnh minh họa Hình 3.25 và Hình 3.26.

Hình 3.25: Ảnh hưởng của các thông số đầu vào đến giá thành

Hình 3.26: Sự tương tác giữa các thông số đầu vào đến giá thành

Giá thành sản phẩm có xu hướng tăng khi tỷ lệ dung dịch hoạt hóa tăng, do NaOH khan dạng vảy nến và thủy tinh lỏng là hai loại dung dịch có giá cao nhất Khi tỷ lệ đá, cát, và tro bay không đổi, việc tăng tỷ lệ dung dịch SS/SH sẽ dẫn đến sự gia tăng giá thành sản phẩm.

- Khi tăng tỷ lệ khối lượng AL/FA từ

Khi tỷ lệ AL/FA tăng từ 0,4 đến 0,5, giá thành sản phẩm tăng 7,04% Nếu tiếp tục tăng tỷ lệ này lên 0,6, giá thành sẽ tăng thêm 7,84% Tương tự, với dung dịch hoạt hóa, khi giữ nguyên khối lượng tro bay, việc tăng tỷ lệ cũng dẫn đến sự gia tăng giá thành sản phẩm.

AL/FA giá thành sản phẩm sẽ tăng theo

Thời gian dưỡng hộ ảnh hưởng đến công suất tiêu thụ điện của lò sấy; thời gian càng lâu, máy càng tiêu thụ nhiều điện Giá thành sản phẩm không thay đổi nhiều giữa 4 giờ và 6 giờ, nhưng tăng 4,1% ở thời gian 8 giờ do liên quan đến nhiệt độ lò sấy Nhiệt độ cao hơn đồng nghĩa với việc tiêu thụ điện năng nhiều hơn Khi sấy mẫu ở 120°C trong 6 giờ và 60°C trong 8 giờ, công suất tiêu thụ điện năng gần như tương đương.

Hình 3.27: Ảnh hưởng của tỷ lệ

SS/SH đến giá tiền

Hình 3.28: Ảnh hưởng của tỷ lệ

AL/FA đến giá tiền

Hình 3.29: Ảnh hưởng của thời gian dương hộ đến giá tiền

- Nồng độ dung dịch NaOH ảnh hưởng không đáng kể đến giá thành sản phẩm vì nồng độ dung dịch NaOH được pha trộn từ

NaOH tồn tại dưới dạng vảy nến và được hòa tan với nước theo tỷ lệ nhất định Tuy nhiên, do giá nước không cao, nên nồng độ dung dịch NaOH không ảnh hưởng nhiều đến chi phí sản phẩm.

Nhiệt độ dưỡng hộ có ảnh hưởng hạn chế đến giá thành sản phẩm, vì khi nhiệt độ tăng lên, lò sấy tiêu tốn nhiều điện năng hơn Tuy nhiên, do nghiên cứu chỉ tập trung ở mức nhiệt độ 120°C, nên mức tiêu thụ điện năng không đáng kể Vì vậy, yếu tố nhiệt độ dưỡng hộ được xem là ít ảnh hưởng nhất so với các yếu tố khác trong quá trình sản xuất.

Tối ưu hóa giá thành của bê tông geopolymer

Tỷ số S/N của giá thành bê tông geopolymer có đặc trưng là “nhỏ hơn thì tốt hơn” Kết quả phân tích phương sai (ANOVA) với độ tin cậy 99,5% cho thấy tỷ lệ dung dịch sodium silicate – sodium hydroxide (F4666,34), tỷ lệ dung dịch hoạt hóa - tro bay (F993,27) và thời gian dưỡng hộ (F1,23) là những yếu tố ảnh hưởng mạnh nhất đến tỷ số S/N Ngược lại, nồng độ dung dịch NaOH (F21,26) và điều kiện nhiệt độ dưỡng hộ (F18) có ảnh hưởng ít nhất Điều này chứng tỏ rằng các thông số đầu ra ít bị ảnh hưởng bởi nhiễu và có giá trị ổn định, hoàn toàn đáng tin cậy.

Hình 3.30: Ảnh hưởng của nồng độ

Hình 3.31: Ảnh hưởng của nhiệt độ dưỡng hộ đến giá tiền

Bảng 3.21: Bảng ANOVA trị số tỷ số S/N của giá thành

TT Thông số Bậc tự do

Phương sai Trị số F Hệ số

Kiểm tra sự tương thích của phương trình hồi quy với thực nghiệm được thực hiện thông qua phương pháp kiểm định ý nghĩa thống kê của bảng phân phối chuẩn Fisher Với khoảng tin cậy 99,5%, trị số P < 0,005 được coi là có ý nghĩa thống kê, cho thấy các thông số đều tương thích với phương trình hồi quy.

Bảng 3.22 trình bày sự ảnh hưởng của các thông số đến tỷ số S/N của giá thành Hình 3.32 và Hình 3.33 minh họa tác động của các thông số và sự tương tác của chúng đối với giá thành của bê tông geopolymer.

Hình 3.32: Ảnh hưởng của các thông số đầu vào đến tỷ số S/N của giá tiền

Hình 3.33: Sự tương tác của các thông số đầu vào đến S/N của giá tiền

Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng các yếu tố ảnh hưởng đến tỷ số S/N lớn nhất bao gồm nồng độ NaOH (A1), tỷ lệ AL/FA (B1), tỷ lệ dung dịch SS/SH (C1), thời gian dưỡng hộ (D1) và nhiệt độ dưỡng hộ (E1) Các thông số tối ưu được xác định là: nồng độ NaOH 12 mol, tỷ lệ AL/FA 0,4, tỷ lệ SS/SH 1,5, thời gian dưỡng hộ 4 giờ và nhiệt độ dưỡng hộ 60 độ C.

- Trị số tối ưu giá thành của bê tông ( G toiuu ) được xác định theo (2.9):

(Với: C 1=1,246, B 1 =1,320, D 1=1,40, A 1=1,421, E 1=1,413, T = 1,423 tr.đồng) + Khoảng phân bố f e = 16 (Bảng 3.20), F 0.05(1;16) = 10,575 (tra Phụ lục của tài liệu [6]) V e = 0,000008 (Bảng 3.20), N = 27, số lần lặp lại thí nghiệm R = 1

Theo công thức (2.12): n eff = 2,45 và (2.10): CI CE = ±0,011 triệu đồng

Thay số: 1,106 MPa ≤ G toiuu ≤ 1,128 MPa

+ Khoảng tin cậy phổ biến theo (2.11): CI POP = ±0,0059 triệu đồng

Thay số: 1,111 triệu đồng ≤ G toiuu ≤ 1,123 triệu đồng

- Tiến hành tính toán lại để kiểm chứng với thành phần cấp phối: CMNaOH 12 mol, AL/FA = 0,4, SS/SH = 1,5, thời gian dưỡng hộ 4 giờ với nhiệt độ dưỡng hộ

60 0 C Kết quả tính toán thể hiện ở Bảng 3.23

Bảng 3.23: Giá tiền cấp phối cho 01 m 3 bê tông geopolymer

Vật liệu 01m 3 bê tông Giá tiền (đồng) Thành tiền (đồng) Đá (kg/m 3 ) 1080 243,9 263.412

Nước (kg/m 3 ) 52,1 13,2 687,72 Điện năng (kWh) 24 1.557 37.368

Kết quả tính toán với thành phần cấp phối tối ưu đạt 1.121.732 đồng, cho thấy độ chính xác cao với sai lệch chỉ 0,45% so với kết quả thực nghiệm.

KIỂM NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ