Các tính chất của bê tông chịu nhiệt (BTCN) chịu ảnh hưởng của loại cốt liệu và thành phần hạt. Cốt liệu sử dụng cho loại bê tông này cần bền nhiệt, không bị phân hủy, nóng chảy, ổn định khi chịu nhiệt. Thành phần hạt được tính toán và lựa chọn theo mật độ sắp xếp các cỡ hạt với số điểm tiếp xúc lớn nhất. Bài viết nghiên cứu thành phần hạt tối ưu của tro xỉ nhiệt điện Cẩm Phả sử dụng làm cốt liệu cho BTCN.
>> Tối ưu hóa thành phần hạt tro xỉ nhiệt điện sử dụng làm cốt liệu cho bê tông chịu nhiệt (P1)
3. Kết quả và thảo luận
3.1. Tính toán thành phần hạt theo công thức Andersen
![]()
![]()
trong đó rclt là độ rỗng chung tính toán theo lý thuyết (%); rctt là độ rỗng chung thực tế xác định theo phương pháp thể tích nước tuyệt đối (%); r1 là độ rỗng hở trong hạt xác định theo phương pháp thể tích nước tuyệt đối (%); r2 là độ rỗng giữa hạt xác định theo phương pháp thể tích nước tuyệt đối (%).
Từ số liệu trong Bảng 7, ở trạng thái đổ đống (không đầm rung – 0 s), khi chỉ số n tăng từ 0,35 ± 0,43 thì khối lượng thể tích, độ rỗng của hỗn hợp hạt tăng dần nhưng từ giá trị n = 0,43 ± 0,5 thì khối lượng thể tích và độ rỗng của hỗn hợp hạt giảm dần. Tại giá trị n = 0,43 thì lượng hạt nhỏ giảm vừa đủ để lấp đầy giữa các hạt lớn nên khối lượng thể tích đạt giá trị lớn nhất, độ rỗng nhỏ nhất; khi n > 0,43 lượng hạt lớn tăng lên, lượng hạt nhỏ giảm quá nhiều không đủ để lấp đầy giữa các hạt lớn nên giá trị khối lượng thể tích giảm dần, độ rỗng tăng lên. Khi đầm rung, sự tăng giảm giá trị khối lượng thể tích và độ rỗng của hỗn hợp hạt cũng giống quy luật trên. Ngoài ra, khi tăng thời gian đầm rung từ 0s đến 60s, giá trị khối lượng thể tích của hỗn hợp hạt tăng dần và nếu tăng thời gian đầm > 60s thì giá trị khối lượng thể tích của hỗn hợp hạt có xu hướng giảm do sau khi đạt được mức độ lèn chặt, rung động sẽ làm hỗn hợp hạt lỏng lẻo. Thời gian rung đối với hỗn hợp cốt liệu xỉ có Dmax = 5 mm hợp lý là 60s với chỉ số n = 0,43.
So sánh các giá trị độ rỗng thì rclt > rctt do khi tính toán theo lý thuyết thì độ rỗng toàn phần của cốt liệu kể đến cả lỗ rỗng kín, còn khi tính theo thực tế ta căn cứ vào thể tích nước tuyệt đối chiếm chỗ trong hỗn hợp cốt liệu mà nước này không thể chui vào lỗ rỗng kín của cốt liệu được hoặc nước không thể chui qua các lỗ rỗng có kích thước d < 0,1 µm. Thông qua độ rỗng thực tế sẽ xác định được
lượng nước nhào trộn vữa và bêtông chính xác hơn, tránh lượng nước dư thừa làm ảnh hưởng đến khả năng chịu nhiệt và độ bền nhiệt của vữa và BTCN.
3.3. Xác định thành phần hạt tối ưu
Để xác định thành phần hạt tối ưu của hỗn hợp hạt cốt liệu tro xỉ nhiệt điện có Dmax = 5 mm tương ứng với chế độ đầm rung 60s, các tác giả đã lập mô hình quy hoạch thực nghiệm, giải bài toán tối ưu thành phần hỗn hợp hạt cốt liệu tro xỉ nhiệt điện với nhân tố ảnh hưởng là chỉ số mức n, hàm mục tiêu là giá trị khối lượng thể tích với giá trị tại tâm quy hoạch là n = 0,43 và khoảng quy hoạch
0,02; do bài toán quy hoạch thực nghiệm áp dụng kế hoạch bậc hai tâm xoay của Box và Hunter với một nhân tố ảnh hưởng nên giá trị của cánh tay đòn sao được xác định bằng 21/4 [21]. Bảng mã hóa và ma trận quy hoạch thực nghiệm cấp phối hạt được giới thiệu ở Bảng 8 và 9.
![]()
![]()
trong đó Yγi là giá trị khối lượng thể tích của mẫu i (i = 1; 2; 3) (kg/m3); Y ̅tb là giá trị khối lượng thể tích trung bình của tổ mẫu (kg/m3).
Giải bài toán quy hoạch thực nghiệm có được hàm hồi quy về khối lượng thể tích của hỗn hợp hạt cốt liệu tro xỉ với Dmax = 5 mm như sau: Y¯γ0 = 1706;4213 + 2;0259x − 18;1859x2. Để kiểm tra tính tương hợp của phương trình hồi quy thông qua chuẩn số Fischer (F), các giá trị cần tính toán là phương sai dư Sd2 = 132,71 và phương sai lặp Sll 2 = 7, từ đó tính được F = 18,95. Với mức có nghĩa p = 0,05, bậc tự do dư f1 = 2, bậc tự do lặp f2 = 3 thì Fb = 19,2. Nhận thấy F < Fb nghĩa là phương trình hồi quy tương hợp với bức tranh thực nghiệm [21]. Giá trị cực đại khối lượng thể tích hỗn hợp hạt cốt liệu tro xỉ nhiệt điện là Y = 1706,5 (kg/m3) tại x = 0,0557 hay n = 0,43. Kết quả này tương tự như trong nghiên cứu về thành phần hạt cốt liệu chế tạo vữa chịu nhiệt của Dinh [13].
4. Kết luận
Dựa trên các kết quả thực nghiệm đã tiến hành, một số kết luận được rút ra như sau:
- Sử dụng công thức Andersen, hàm lượng các cỡ hạt (thô, mịn) được xác định đơn giản thông qua chỉ số n từ 0,35 đến 0,5.
- Hỗn hợp hạt sau khi được phối trộn thành phần hạt theo công thức Andersen, áp dụng các chế độ công nghệ làm chặt 30s, 60s để tìm được mật độ cao nhất.
- Với phương pháp thể tích nước tuyệt đối đã xác định được các giá trị độ rỗng hở, độ rỗng giữa hạt, cho phép xác định lượng cần nước của hỗn hợp cốt liệu từ đó có thể tính lượng chất kết dính phù hợp để tính toán thành phần BTCN.
- Bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm đã tìm ra thành phần hạt tối ưu của tro xỉ nhiệt điện Cẩm Phả thích hợp chế tạo BTCN với chỉ số mức n = 0,43 và chế độ đầm chặt là 60s để đạt được giá trị khối lượng thể tích lớn nhất và độ rỗng nhỏ nhất.
3. Kết quả và thảo luận
3.1. Tính toán thành phần hạt theo công thức Andersen
Thành phần hạt cốt liệu xỉ nhiệt điện được tính toán trên cơ sở công thức Andersen (1); thành phần hạt liên tục được tính toán với Dmax = 5 mm, giá trị n = 0,35 ± 0,5 được thể hiện trong Bảng 6.
Theo kết quả tính ở Bảng 6 ta thấy khi giá trị n thay đổi thì thì hàm lượng các cỡ hạt thay đổi tăng giảm khác nhau; cỡ hạt 2,5 ± 5 mm tăng 7,75%; cỡ hạt 1,25 ± 2,5 mm tăng 3,81%; cỡ hạt 0,63 ± 1,25 mm hầu như không thay đổi; cỡ hạt 0,14 ± 0,315 mm giảm 1,02%; cỡ hạt < 0,14 giảm mạnh 11,88%. Khi n thay đổi từ 0,35 đến 0,5, hàm lượng cỡ hạt thô tăng dần, làm trị số Mđl tăng đáng kể
đến 23,52% và tăng khá đồng đều. Như vậy, khi tính toán thành phần hạt liên tục theo công thức (1) với giá trị n lớn sẽ có hỗn hợp hạt thô, có nghĩa độ rỗng của hỗn hợp hạt cốt liệu tăng; do đó để thay đổi hàm lượng các cỡ hạt (6 loại cỡ hạt) cần thay đổi giá trị n để xác định thành phần hạt tối ưu với chế độ công nghệ (làm chặt) thích hợp để đạt được sự sắp xếp làm chặt cao nhất, mật độ lớn nhất tức là khối lượng thể tích cao nhất và độ rỗng thấp nhất. Như vậy, thông qua một nhân tố là giá trị n xác định được hàm lượng các cỡ hạt (thô, mịn) từ 5 đến < 0,14 mm đạt được giá trị khối lượng thể tích cao nhất [1, 2, 9, 12].
3.2. Khối lượng thể tích và độ rỗng của hỗn hợp hạt tương ứng với các chế độ công nghệ làm chặt
Khối lượng thể tích và độ rỗng của các cấp phối hạt tro xỉ nhiệt điện tính toán theo công thức Andersen (n = 0,35 ± 0,5) tương ứng với các chế độ công nghệ làm chặt khác nhau (đầm rung 0s, 30s, 60s) được giới thiệu trong Bảng 7.
đến 23,52% và tăng khá đồng đều. Như vậy, khi tính toán thành phần hạt liên tục theo công thức (1) với giá trị n lớn sẽ có hỗn hợp hạt thô, có nghĩa độ rỗng của hỗn hợp hạt cốt liệu tăng; do đó để thay đổi hàm lượng các cỡ hạt (6 loại cỡ hạt) cần thay đổi giá trị n để xác định thành phần hạt tối ưu với chế độ công nghệ (làm chặt) thích hợp để đạt được sự sắp xếp làm chặt cao nhất, mật độ lớn nhất tức là khối lượng thể tích cao nhất và độ rỗng thấp nhất. Như vậy, thông qua một nhân tố là giá trị n xác định được hàm lượng các cỡ hạt (thô, mịn) từ 5 đến < 0,14 mm đạt được giá trị khối lượng thể tích cao nhất [1, 2, 9, 12].
3.2. Khối lượng thể tích và độ rỗng của hỗn hợp hạt tương ứng với các chế độ công nghệ làm chặt
Khối lượng thể tích và độ rỗng của các cấp phối hạt tro xỉ nhiệt điện tính toán theo công thức Andersen (n = 0,35 ± 0,5) tương ứng với các chế độ công nghệ làm chặt khác nhau (đầm rung 0s, 30s, 60s) được giới thiệu trong Bảng 7.
trong đó rclt là độ rỗng chung tính toán theo lý thuyết (%); rctt là độ rỗng chung thực tế xác định theo phương pháp thể tích nước tuyệt đối (%); r1 là độ rỗng hở trong hạt xác định theo phương pháp thể tích nước tuyệt đối (%); r2 là độ rỗng giữa hạt xác định theo phương pháp thể tích nước tuyệt đối (%).
Từ số liệu trong Bảng 7, ở trạng thái đổ đống (không đầm rung – 0 s), khi chỉ số n tăng từ 0,35 ± 0,43 thì khối lượng thể tích, độ rỗng của hỗn hợp hạt tăng dần nhưng từ giá trị n = 0,43 ± 0,5 thì khối lượng thể tích và độ rỗng của hỗn hợp hạt giảm dần. Tại giá trị n = 0,43 thì lượng hạt nhỏ giảm vừa đủ để lấp đầy giữa các hạt lớn nên khối lượng thể tích đạt giá trị lớn nhất, độ rỗng nhỏ nhất; khi n > 0,43 lượng hạt lớn tăng lên, lượng hạt nhỏ giảm quá nhiều không đủ để lấp đầy giữa các hạt lớn nên giá trị khối lượng thể tích giảm dần, độ rỗng tăng lên. Khi đầm rung, sự tăng giảm giá trị khối lượng thể tích và độ rỗng của hỗn hợp hạt cũng giống quy luật trên. Ngoài ra, khi tăng thời gian đầm rung từ 0s đến 60s, giá trị khối lượng thể tích của hỗn hợp hạt tăng dần và nếu tăng thời gian đầm > 60s thì giá trị khối lượng thể tích của hỗn hợp hạt có xu hướng giảm do sau khi đạt được mức độ lèn chặt, rung động sẽ làm hỗn hợp hạt lỏng lẻo. Thời gian rung đối với hỗn hợp cốt liệu xỉ có Dmax = 5 mm hợp lý là 60s với chỉ số n = 0,43.
So sánh các giá trị độ rỗng thì rclt > rctt do khi tính toán theo lý thuyết thì độ rỗng toàn phần của cốt liệu kể đến cả lỗ rỗng kín, còn khi tính theo thực tế ta căn cứ vào thể tích nước tuyệt đối chiếm chỗ trong hỗn hợp cốt liệu mà nước này không thể chui vào lỗ rỗng kín của cốt liệu được hoặc nước không thể chui qua các lỗ rỗng có kích thước d < 0,1 µm. Thông qua độ rỗng thực tế sẽ xác định được
lượng nước nhào trộn vữa và bêtông chính xác hơn, tránh lượng nước dư thừa làm ảnh hưởng đến khả năng chịu nhiệt và độ bền nhiệt của vữa và BTCN.
3.3. Xác định thành phần hạt tối ưu
Để xác định thành phần hạt tối ưu của hỗn hợp hạt cốt liệu tro xỉ nhiệt điện có Dmax = 5 mm tương ứng với chế độ đầm rung 60s, các tác giả đã lập mô hình quy hoạch thực nghiệm, giải bài toán tối ưu thành phần hỗn hợp hạt cốt liệu tro xỉ nhiệt điện với nhân tố ảnh hưởng là chỉ số mức n, hàm mục tiêu là giá trị khối lượng thể tích với giá trị tại tâm quy hoạch là n = 0,43 và khoảng quy hoạch
0,02; do bài toán quy hoạch thực nghiệm áp dụng kế hoạch bậc hai tâm xoay của Box và Hunter với một nhân tố ảnh hưởng nên giá trị của cánh tay đòn sao được xác định bằng 21/4 [21]. Bảng mã hóa và ma trận quy hoạch thực nghiệm cấp phối hạt được giới thiệu ở Bảng 8 và 9.
trong đó Yγi là giá trị khối lượng thể tích của mẫu i (i = 1; 2; 3) (kg/m3); Y ̅tb là giá trị khối lượng thể tích trung bình của tổ mẫu (kg/m3).
Giải bài toán quy hoạch thực nghiệm có được hàm hồi quy về khối lượng thể tích của hỗn hợp hạt cốt liệu tro xỉ với Dmax = 5 mm như sau: Y¯γ0 = 1706;4213 + 2;0259x − 18;1859x2. Để kiểm tra tính tương hợp của phương trình hồi quy thông qua chuẩn số Fischer (F), các giá trị cần tính toán là phương sai dư Sd2 = 132,71 và phương sai lặp Sll 2 = 7, từ đó tính được F = 18,95. Với mức có nghĩa p = 0,05, bậc tự do dư f1 = 2, bậc tự do lặp f2 = 3 thì Fb = 19,2. Nhận thấy F < Fb nghĩa là phương trình hồi quy tương hợp với bức tranh thực nghiệm [21]. Giá trị cực đại khối lượng thể tích hỗn hợp hạt cốt liệu tro xỉ nhiệt điện là Y = 1706,5 (kg/m3) tại x = 0,0557 hay n = 0,43. Kết quả này tương tự như trong nghiên cứu về thành phần hạt cốt liệu chế tạo vữa chịu nhiệt của Dinh [13].
4. Kết luận
Dựa trên các kết quả thực nghiệm đã tiến hành, một số kết luận được rút ra như sau:
- Sử dụng công thức Andersen, hàm lượng các cỡ hạt (thô, mịn) được xác định đơn giản thông qua chỉ số n từ 0,35 đến 0,5.
- Hỗn hợp hạt sau khi được phối trộn thành phần hạt theo công thức Andersen, áp dụng các chế độ công nghệ làm chặt 30s, 60s để tìm được mật độ cao nhất.
- Với phương pháp thể tích nước tuyệt đối đã xác định được các giá trị độ rỗng hở, độ rỗng giữa hạt, cho phép xác định lượng cần nước của hỗn hợp cốt liệu từ đó có thể tính lượng chất kết dính phù hợp để tính toán thành phần BTCN.
- Bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm đã tìm ra thành phần hạt tối ưu của tro xỉ nhiệt điện Cẩm Phả thích hợp chế tạo BTCN với chỉ số mức n = 0,43 và chế độ đầm chặt là 60s để đạt được giá trị khối lượng thể tích lớn nhất và độ rỗng nhỏ nhất.
ximang.vn (TH/ Tạp chí KHCNXD)
