Mạng nơ-ron nhân tạo sử dụng thuật toán tìm kiếm ngẫu nhiên để dự đoán cường độ nén của bê tông xỉ lò cao

Tác giả: TS. LÝ HẢI BẰNG
              TS. NGUYỄN THÙY ANH
              ThS. NGUYỄN DUY HƯNG
              Trường Đại học Công nghệ Giao thông vận tải

Kết quả sai số mô phỏng bằng thuật toán ANN cho dữ liệu kiểm chứng

Bê tông là vật liệu được sử dụng phổ biến nhất trong lĩnh vực xây dựng vì tính linh hoạt, dễ sản xuất, chi phí thấp và khả năng dễ tạo hình của nó. Các thành phần chính của hỗn hợp bê tông thông thường là xi măng poóc-lăng, cốt liệu thô, mịn và nước được trộn theo một tỉ lệ nhất định. Tuy nhiên, trong quá trình sản xuất xi măng poóc-lăng, một lượng đáng kể carbon dioxide (CO2) được giải phóng đã gây ra những lo ngại về vấn đề môi trường. Mỗi tấn xi măng được sản xuất thải ra khoảng 0,73 - 0,99 tấn CO2. Điều này dẫn đến 5 - 7% lượng phát thải khí nhà kính toàn cầu có liên quan đến việc sản xuất xi măng. Tác động tiêu cực đến môi trường liên quan đến việc sản xuất xi măng đã tạo ra áp lực lớn đối với ngành Xây dựng phải tìm cách để giảm sự phụ thuộc vào xi măng là chất kết dính chính trong sản xuất bê tông. Do đó, các nghiên cứu để tìm ra giải pháp thay thế xi măng tạo ra loại bê tông thân thiện với môi trường là hết sức cần thiết.

Trong hai thập kỷ gần đây, các vật liệu kết dính bổ sung như xỉ hạt lò cao đã được sử dụng rộng rãi trong hỗn hợp bê tông để nâng cao tính chất cơ học và độ bền của bê tông và hướng tới xây dựng bền vững hơn. Xỉ hạt lò cao là sản phẩm phụ của quá trình luyện gang và thép. Thành phần hóa học của nó có thể thay đổi đáng kể tùy thuộc vào thành phần của nguyên liệu thô được sử dụng để sản xuất gang [1]. Việc sử dụng xỉ lò cao thay thế một phần cho xi măng pooc-lăng đã làm giảm lượng phát thải CO2, tiết kiệm năng lượng và giảm tác động khắc nghiệt của bê tông đối với môi trường. Hơn nữa, bê tông chứa xỉ lò cao có khả năng chống lại các tác động của môi trường như sự xâm nhập của clorua, sự tấn công của sulphat và sự giãn nở do phản ứng kiềm-silica, do đó cho phép bê tông có tuổi thọ lâu hơn mà không bị ăn mòn [2]. Tuy nhiên, một số nghiên cứu thực nghiệm đã chứng minh, việc thay thế một phần xỉ hạt lò cao theo trọng lượng có thể làm giảm cường độ ban đầu của bê tông, nhưng làm tăng cường độ sau đó và cải thiện đáng kể cấu trúc vi mô và độ bền của bê tông đã đông cứng. Điều này cho thấy cường độ nén của bê tông xỉ lò cao ngoài việc phụ thuộc vào tỷ lệ thành phần của hỗn hợp bê tông còn phụ thuộc vào tuổi của bê tông. Bên cạnh đó, một số mô hình toán học và phương trình hồi quy được phát triển để ước tính cường độ nén và các đặc tính khác của bê tông xỉ lò cao với mục đích giảm bớt thí nghiệm liên quan đến thiết kế hỗn hợp bê tông. Nhưng bản chất mối quan hệ giữa cường độ nén với các thành phần trong hỗn hợp bê tông xỉ lò cao, đặc biệt là tuổi của bê tông là phi tuyến nên rất khó để đưa ra phương trình hồi quy một cách chính xác. Vì vậy, việc phát triển một mô hình đáng tin cậy để ước tính cường độ nén của bê tông xỉ lò cao là cần thiết.

Trong thập kỷ qua, phương pháp trí tuệ nhân tạo (AI) dựa trên nền tảng khoa học máy tính đã nhận được rất nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học. Trong số các thuật toán AI, mạng nơ-ron nhân tạo (ANN) hiện đang được sử dụng rộng rãi để mô phỏng các vấn đề kỹ thuật phức tạp [3, 4]. Mô hình mạng nơ-ron nhân tạo có khả năng giải quyết các vấn đề phức tạp, phi tuyến và đặc biệt trong các bài toán mà mối quan hệ giữa đầu vào và đầu ra không dễ dàng được thiết lập một cách rõ ràng. Vì vậy, mục tiêu chính của nghiên cứu này là đề xuất một mô hình ANN phù hợp để dự đoán cường độ nén của bê tông xỉ lò cao dựa trên bộ dữ liệu gồm 104 kết quả thí nghiệm được công bố trên tạp chí uy tín. Trên cơ sở đó, kết quả nghiên cứu này cung cấp cho các kỹ sư xây dựng tài liệu tham khảo để xác định cường độ nén của bê tông xỉ lò cao một cách nhanh chóng và chính xác.

Mời độc giả xem nội dung đầy đủ bài khoa học tại đây