» Nghiên cứu công bố trên tạp chí Scientific Reports cho thấy việc sử dụng bột đá cẩm thạch phế thải kết hợp với sợi polypropylene có thể cải thiện đáng kể cường độ và độ bền của bê tông. Đáng chú ý, các mô hình dự đoán bằng trí tuệ nhân tạo đã được áp dụng để phân tích dữ liệu thí nghiệm và xác định cấp phối tối ưu, mở ra hướng tiếp cận mới trong thiết kế vật liệu xây dựng bền vững.
Lĩnh vực xi măng và bê tông đang đối mặt với yêu cầu ngày càng cao về giảm phát thải carbon và nâng cao hiệu quả sử dụng tài nguyên. Việc tận dụng phụ phẩm công nghiệp kết hợp với công cụ phân tích dữ liệu hiện đại đang trở thành xu hướng nghiên cứu đáng chú ý trong lĩnh vực vật liệu xây dựng. Một nghiên cứu gần đây cho thấy bột đá cẩm thạch và sợi polymer có thể được tích hợp hiệu quả trong bê tông, trong khi trí tuệ nhân tạo giúp xác định nhanh cấp phối phù hợp nhằm cải thiện tính năng cơ học và độ bền của vật liệu.
Đánh giá tính chất cơ học và độ bền của bê tông bột đá cẩm thạch gia cường sợi với sự hỗ trợ của AI.
Tận dụng bột đá cẩm thạch phế thải để cải thiện tính năng bê tông
Sản xuất xi măng là ngành tiêu thụ nhiều năng lượng và phát thải lượng lớn khí CO₂ trên toàn cầu. Do đó, các nhà nghiên cứu đang tích cực tìm kiếm những vật liệu thay thế một phần xi măng nhằm giảm tác động môi trường nhưng vẫn đảm bảo chất lượng bê tông.
Trong nghiên cứu này, bột đá cẩm thạch được sử dụng như một phụ phẩm từ quá trình chế biến đá tự nhiên. Vật liệu này có thành phần chính là CaCO₃ và có thể đóng vai trò như một chất độn siêu mịn trong hỗn hợp bê tông. Khi được bổ sung vào cấp phối, các hạt mịn giúp tăng mật độ đóng gói của vật liệu, qua đó cải thiện cấu trúc vi mô và nâng cao cường độ cơ học của bê tông.
Bên cạnh bột đá cẩm thạch, nhóm nghiên cứu sử dụng sợi polypropylene nhằm tăng khả năng chịu kéo và kiểm soát sự phát triển của các vết nứt vi mô trong bê tông. Sợi polymer giúp phân tán ứng suất trong cấu trúc vật liệu, từ đó hạn chế sự lan rộng của vết nứt và góp phần nâng cao độ bền lâu dài của kết cấu.
Tuy nhiên, việc tăng hàm lượng bột đá và sợi polymer có thể ảnh hưởng đến tính công tác của hỗn hợp bê tông. Khi hàm lượng các vật liệu này cao, ma sát nội trong hỗn hợp tăng lên và nhu cầu nước cũng lớn hơn. Vì vậy, việc xác định tỷ lệ phối trộn hợp lý là yếu tố quan trọng để đảm bảo sự cân bằng giữa tính công tác, cường độ và độ bền.
Ứng dụng AI để dự đoán và tối ưu cấp phối bê tông
Nhóm nghiên cứu đã chế tạo 25 cấp phối bê tông với hàm lượng bột đá cẩm thạch thay đổi từ 0 - 20% và hàm lượng sợi polypropylene từ 0 - 1%. Chất kết dính sử dụng là xi măng portland thông thường, kết hợp với cát sông tự nhiên và đá granite nghiền làm cốt liệu.
Các mẫu bê tông được kiểm tra nhiều chỉ tiêu quan trọng bao gồm độ sụt, khối lượng thể tích, cường độ nén, cường độ uốn, cường độ kéo tách, khả năng hút nước, độ thấm và khả năng kháng môi trường axit.
Kết quả thí nghiệm cho thấy một số tổ hợp vật liệu đã giúp cải thiện rõ rệt tính năng của bê tông. Cấp phối tối ưu được xác định với khoảng 10% bột đá cẩm thạch và 0,6 - 0,8% sợi polypropylene.
Ở cấp phối này, cường độ nén của bê tông đạt 57,7 MPa, cao hơn so với 51,62 MPa của mẫu bê tông đối chứng. Cường độ kéo tách tăng từ 3,236 MPa lên 4,249 MPa, tương đương mức tăng khoảng 31%. Cường độ uốn đạt khoảng 5,54 MPa, cao hơn khoảng 25% so với bê tông thông thường.
Các chỉ tiêu về độ bền lâu dài cũng được cải thiện. Tỷ lệ hút nước giảm từ 3,42% xuống còn 2,84%, cho thấy cấu trúc vi mô của bê tông trở nên đặc chắc hơn. Độ thấm nước giảm khoảng 30%, từ 9,42 × 10⁻¹² m/s xuống còn 6,64 × 10⁻¹² m/s. Trong thử nghiệm môi trường axit, sợi polypropylene cũng giúp hạn chế sự phát triển của vết nứt và làm chậm quá trình xâm nhập của dung dịch ăn mòn.
Song song với thí nghiệm vật liệu, nhóm nghiên cứu đã xây dựng các mô hình dự đoán bằng trí tuệ nhân tạo AI nhằm phân tích dữ liệu và xác định cấp phối bê tông tối ưu. Ba phương pháp AI được sử dụng gồm Artificial Neural Network, Support Vector Regression và Random Forest. Các mô hình được huấn luyện dựa trên dữ liệu thu được từ thí nghiệm để dự đoán cường độ và khả năng chống thấm của bê tông khi thay đổi tỷ lệ vật liệu.
Kết quả cho thấy mô hình mạng nơron nhân tạo đạt độ chính xác dự đoán cao nhất với hệ số xác định R² > 0,95, thể hiện sự tương đồng cao giữa dữ liệu dự đoán và kết quả thí nghiệm thực tế.
Kết quả nghiên cứu cho thấy việc tận dụng bột đá cẩm thạch phế thải kết hợp với sợi polymer có thể tạo ra loại bê tông có cường độ và độ bền cao hơn so với bê tông truyền thống. Đồng thời, việc ứng dụng trí tuệ nhân tạo trong phân tích dữ liệu thí nghiệm giúp tối ưu hóa thiết kế cấp phối và rút ngắn thời gian nghiên cứu vật liệu.
Giải pháp này được đánh giá có tiềm năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như kết cấu xây dựng, mặt đường, cấu kiện bê tông đúc sẵn và các công trình hạ tầng. Trong bối cảnh ngành xi măng và vật liệu xây dựng đang hướng tới giảm phát thải và nâng cao hiệu quả sử dụng tài nguyên, việc kết hợp vật liệu tái chế với công nghệ phân tích dữ liệu hiện đại được xem là hướng phát triển đáng chú ý cho các nghiên cứu và ứng dụng trong tương lai.
Cem.Info
