Tổng quan nghiên cứu

Gạch không nung xi măng cốt liệu là vật liệu xây dựng thân thiện với môi trường, có khả năng chịu tải tốt, cách nhiệt cao và khối lượng nhẹ. Theo ước tính, tại Việt Nam, tỷ lệ sử dụng gạch nung truyền thống chiếm từ 90-95%, gây ra nhiều vấn đề về ô nhiễm môi trường và hao phí tài nguyên đất canh tác. Chính phủ đã ban hành nhiều chính sách thúc đẩy phát triển vật liệu xây không nung (VLXKN), trong đó có Quyết định số 567/QĐ-TTg năm 2010 và Quyết định số 2171/QĐ-TTg năm 2021 nhằm tăng tỷ lệ sử dụng VLXKN lên 35-45% vào năm 2025-2030, đồng thời giảm phát thải khí CO2 trên 2,5 triệu tấn/năm.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là xây dựng chế độ làm việc tối ưu cho máy ép gạch kiểu rung bàn trong sản xuất gạch không nung xi măng cốt liệu loại 4 lỗ kích thước 80x80x180 mm. Nghiên cứu tập trung xác định ảnh hưởng của các thông số làm việc như tần số rung, cường độ ép và thời gian tạo hình đến chất lượng viên gạch, tỷ lệ hư hỏng, năng suất và tiêu thụ điện năng. Phạm vi nghiên cứu thực hiện trong năm 2022-2023 tại Công ty Cổ phần Đầu tư và Công nghệ Đức Thành, sử dụng máy ép rung bàn hiện có.

Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện qua việc góp phần nâng cao chất lượng và năng suất sản xuất gạch không nung, đáp ứng yêu cầu phát triển VLXKN của Việt Nam, đồng thời giảm chi phí sản xuất và tác động môi trường. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học cho việc điều chỉnh chế độ vận hành máy ép rung bàn, giúp tăng tính cạnh tranh của sản phẩm trên thị trường vật liệu xây dựng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình cơ học liên quan đến quá trình rung và ép tạo hình gạch không nung:

  • Lý thuyết cơ học rung động: Mô hình toán học và phương trình vi phân mô tả chuyển động dao động của hệ thống rung, bao gồm lực kích thích do trục lệch tâm và phản ứng của vật liệu dưới tác động rung. Đặc biệt, các phương trình vi phân chuyển động tương đối của hạt cốt liệu trong môi trường ma sát khô được sử dụng để phân tích hiệu quả làm chặt hỗn hợp bê tông.

  • Mô hình rung bàn (table vibration): Nguyên lý rung bàn tác động lực rung ly tâm lên khuôn và vật liệu, kết hợp với lực ép thủy lực để tạo hình viên gạch. Ba phương án thiết kế máy ép rung bàn được phân tích, trong đó phương án 1 được lựa chọn do đảm bảo hiệu quả nén chặt và tính ổn định kết cấu.

  • Lý thuyết làm chặt bê tông bằng rung động: Quá trình tạo hình diễn ra qua ba giai đoạn: sắp xếp cốt liệu, ép chặt dưới gia tải rung và phân bố lại độ ẩm. Các công thức xác định giá trị tải tối ưu và thời gian rung dựa trên khối lượng bê tông và đặc tính vật liệu được áp dụng.

  • Khái niệm chính: Tần số rung (Hz), cường độ ép (MPa), thời gian tạo hình (s), tỷ lệ hư hỏng (%), năng suất (viên gạch/ca), tiêu thụ điện năng riêng (kWh/viên).

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thu thập từ thực nghiệm trên máy ép gạch rung bàn tại Công ty Cổ phần Đầu tư và Công nghệ Đức Thành, kết hợp với tài liệu khoa học, tiêu chuẩn kỹ thuật và các nghiên cứu quốc tế, trong nước liên quan.

  • Phương pháp phân tích: Sử dụng quy hoạch thực nghiệm để khảo sát ảnh hưởng của các thông số tần số rung, cường độ ép và thời gian tạo hình đến chất lượng và năng suất sản phẩm. Phân tích hồi quy đa biến được áp dụng để xây dựng mô hình dự báo tỷ lệ hư hỏng và năng suất dựa trên các biến đầu vào.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Thực hiện nhiều lần lặp thí nghiệm với các mức thông số khác nhau, đảm bảo tính đại diện và độ tin cậy của kết quả. Cỡ mẫu khoảng vài chục mẻ gạch được thử nghiệm để thu thập dữ liệu.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được tiến hành trong vòng 12 tháng (2022-2023), bao gồm giai đoạn khảo sát, thiết kế thí nghiệm, thực hiện thí nghiệm, xử lý số liệu và đề xuất chế độ làm việc.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của tần số rung: Tần số rung trong khoảng 40-45 Hz cho hiệu quả làm chặt hỗn hợp bê tông tốt nhất, giúp giảm tỷ lệ hư hỏng viên gạch xuống dưới 3%. Tần số rung thấp hơn hoặc cao hơn làm giảm chất lượng sản phẩm do không tối ưu hóa được sự phân bố hạt cốt liệu.

  2. Ảnh hưởng của cường độ ép: Cường độ ép 10 MPa là mức tối ưu, tạo ra lực nén đủ lớn để đảm bảo độ đặc chắc của viên gạch mà không gây hư hỏng khuôn. Khi cường độ ép tăng lên trên 10 MPa, tỷ lệ hư hỏng không giảm đáng kể nhưng tiêu hao điện năng tăng khoảng 15%.

  3. Ảnh hưởng của thời gian tạo hình: Thời gian tạo hình từ 28 đến 31 giây là phù hợp để viên gạch đạt độ nén và hình dạng chuẩn. Thời gian ngắn hơn làm tăng tỷ lệ hư hỏng lên khoảng 5%, trong khi thời gian dài hơn không cải thiện đáng kể chất lượng mà làm giảm năng suất khoảng 10%.

  4. Năng suất và tiêu thụ điện năng: Với chế độ làm việc tối ưu (tần số rung 40-45 Hz, cường độ ép 10 MPa, thời gian tạo hình 28-31 s), máy đạt năng suất khoảng 100.000 viên gạch/ca, tiêu thụ điện năng riêng giảm 12% so với chế độ vận hành trước đó.

Thảo luận kết quả

Kết quả thực nghiệm cho thấy sự kết hợp hài hòa giữa tần số rung, cường độ ép và thời gian tạo hình là yếu tố quyết định chất lượng và năng suất sản xuất gạch không nung. Tần số rung trong khoảng 40-45 Hz phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về rung động cơ học, giúp tinh chế cấu trúc vật liệu và giảm khuyết tật bên trong viên gạch. Cường độ ép 10 MPa đảm bảo lực nén đủ để tạo hình mà không gây hư hỏng khuôn, phù hợp với đặc tính vật liệu xi măng cốt liệu.

Thời gian tạo hình được cân nhắc kỹ lưỡng để vừa đảm bảo độ đặc chắc vừa tối ưu năng suất. So với các nghiên cứu trước đây, kết quả này tương đồng với các báo cáo về thời gian rung tối ưu trong sản xuất bê tông cốt sợi thép và gạch paving. Việc giảm tiêu thụ điện năng cũng góp phần nâng cao hiệu quả kinh tế và giảm tác động môi trường.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ mối quan hệ giữa các thông số vận hành và tỷ lệ hư hỏng, năng suất, tiêu thụ điện năng để minh họa rõ ràng ảnh hưởng của từng yếu tố. Bảng hồi quy đa biến cung cấp công cụ dự báo và điều chỉnh chế độ làm việc phù hợp trong thực tế sản xuất.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Điều chỉnh chế độ vận hành máy ép rung bàn: Áp dụng tần số rung từ 40 đến 45 Hz, cường độ ép 10 MPa và thời gian tạo hình 28-31 giây để đạt chất lượng viên gạch tối ưu và năng suất cao. Thời gian thực hiện điều chỉnh trong vòng 3 tháng, do bộ phận kỹ thuật nhà máy chịu trách nhiệm.

  2. Tăng cường đào tạo vận hành: Tổ chức các khóa đào tạo cho công nhân vận hành về cách điều chỉnh và giám sát các thông số kỹ thuật nhằm duy trì ổn định chất lượng sản phẩm. Thời gian đào tạo dự kiến 1 tháng, do phòng nhân sự phối hợp với kỹ thuật thực hiện.

  3. Ứng dụng hệ thống giám sát tự động: Lắp đặt cảm biến và hệ thống điều khiển tự động để theo dõi liên tục tần số rung, áp lực ép và thời gian tạo hình, giúp phát hiện và điều chỉnh kịp thời các sai lệch. Thời gian triển khai 6 tháng, do phòng công nghệ thông tin và kỹ thuật phối hợp thực hiện.

  4. Nghiên cứu mở rộng nguyên liệu: Khuyến khích nghiên cứu sử dụng các loại cốt liệu tái chế, tro bay và phế thải công nghiệp để giảm chi phí nguyên liệu và tăng tính bền vững. Thời gian nghiên cứu kéo dài 12 tháng, do phòng nghiên cứu và phát triển đảm nhiệm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà sản xuất máy ép gạch không nung: Có thể áp dụng kết quả nghiên cứu để cải tiến thiết kế và chế độ vận hành máy, nâng cao chất lượng sản phẩm và năng suất.

  2. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng: Sử dụng thông tin để tối ưu quy trình sản xuất gạch không nung, giảm tỷ lệ hư hỏng và chi phí điện năng, tăng tính cạnh tranh trên thị trường.

  3. Các viện nghiên cứu và trường đại học: Tham khảo để phát triển các đề tài nghiên cứu liên quan đến công nghệ rung ép, vật liệu xây dựng thân thiện môi trường và tự động hóa sản xuất.

  4. Cơ quan quản lý nhà nước về xây dựng và môi trường: Dùng làm tài liệu tham khảo trong việc xây dựng chính sách phát triển VLXKN, thúc đẩy sản xuất xanh và giảm phát thải khí nhà kính.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao chọn công nghệ rung bàn thay vì rung khuôn hay ép tĩnh?
    Công nghệ rung bàn cho phép lực rung tác động trực tiếp lên khuôn và vật liệu, giúp phân bố hạt cốt liệu đồng đều, tăng độ đặc chắc và năng suất cao hơn 2-3 lần so với ép tĩnh. Đồng thời, thiết kế đơn giản, dễ bảo trì và phù hợp với nhiều loại nguyên liệu.

  2. Ảnh hưởng của tần số rung đến chất lượng gạch như thế nào?
    Tần số rung trong khoảng 40-45 Hz giúp làm giảm khuyết tật bên trong vật liệu, tinh chế cấu trúc hạt và tăng cường độ bền của viên gạch. Tần số quá thấp hoặc quá cao làm giảm hiệu quả làm chặt và tăng tỷ lệ hư hỏng.

  3. Làm thế nào để xác định thời gian tạo hình tối ưu?
    Thời gian tạo hình được xác định qua thực nghiệm, cân bằng giữa đủ thời gian để vật liệu được nén chặt và không làm giảm năng suất. Trong nghiên cứu, thời gian 28-31 giây là phù hợp với loại gạch 4 lỗ kích thước 80x80x180 mm.

  4. Có thể áp dụng kết quả nghiên cứu cho các loại gạch khác không?
    Kết quả chủ yếu áp dụng cho gạch không nung xi măng cốt liệu loại 4 lỗ kích thước nêu trên. Tuy nhiên, nguyên lý và phương pháp có thể điều chỉnh để phù hợp với các loại gạch khác dựa trên đặc tính vật liệu và kích thước sản phẩm.

  5. Làm sao giảm tiêu thụ điện năng trong quá trình sản xuất?
    Điều chỉnh chế độ làm việc máy ép rung bàn theo các thông số tối ưu giúp giảm tiêu thụ điện năng riêng khoảng 12%. Ngoài ra, sử dụng hệ thống điều khiển tự động và bảo trì định kỳ cũng góp phần tiết kiệm năng lượng.

Kết luận

  • Đã xác định được chế độ làm việc tối ưu cho máy ép gạch kiểu rung bàn với tần số rung 40-45 Hz, cường độ ép 10 MPa và thời gian tạo hình 28-31 giây, giúp giảm tỷ lệ hư hỏng dưới 3% và tăng năng suất lên 100.000 viên/ca.

  • Kết quả nghiên cứu phù hợp với các lý thuyết rung động cơ học và các nghiên cứu quốc tế về rung ép bê tông, đồng thời đáp ứng yêu cầu thực tế sản xuất tại Việt Nam.

  • Phương pháp nghiên cứu kết hợp lý thuyết, thiết kế mô hình và thực nghiệm quy hoạch mang lại độ tin cậy cao cho kết quả.

  • Đề xuất các giải pháp điều chỉnh chế độ vận hành, đào tạo nhân lực và ứng dụng công nghệ tự động nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất.

  • Khuyến nghị các nhà sản xuất, doanh nghiệp và cơ quan quản lý tham khảo để phát triển công nghệ sản xuất gạch không nung bền vững, thân thiện môi trường.

Hành động tiếp theo: Triển khai áp dụng chế độ làm việc tối ưu tại các nhà máy sản xuất gạch không nung, đồng thời mở rộng nghiên cứu ứng dụng cho các loại vật liệu và sản phẩm khác nhằm thúc đẩy phát triển VLXKN tại Việt Nam.