Multiobjective Comprehensive Optimization of Fibre-Reinforced Concrete Mix Proportions Based on Entropy Weight Improved MOPSO in Multiscale Context

تُعد الخرسانة أكثر مواد البناء استخداماً على وجه الأرض، وهي خليط من الإسمنت والماء والرمل والحجر يشكل الهيكل العظمي لعالمنا الحديث. ومع ذلك، يواجه هذا القطاع معضلة متزايدة: كيف يمكن جعل هذه المادة أقوى وأكثر ديمومة دون استهلاك المزيد من موارد الكوكب المحدودة. يتضمن أحد الحلول إعادة تدوير الخرسانة القديمة، عبر سحقها لإنشاء ركام جديد، لكن هذه المادة المعاد تدويرها غالباً ما تكون أضعف وأكثر مسامية من الحجر الطازج، مما يؤدي إلى هياكل قد تتشقق أو تتدهور بشكل أسرع. ولإصلاح ذلك، لجأ المهندسون منذ فترة طويلة إلى إضافة الألياف — وهي خيوط دقيقة من الفولاذ أو البلاستيك — لربط الشقوق وتماسك المادة معاً. ومع ذلك، فإن مجرد إضافة المزيد من الألياف ليس حلاً بسيطاً؛ إذ تعمل أنواع مختلفة من الألياف بمقاييس مختلفة، بدءاً من المستوى المجهري لعجينة الإسمنت وصولاً إلى المستوى العياني للهيكل بأكتها، ويتطلب إيجاد التوازن المثالي التنقل في شبكة معقدة من التفاعلات حيث يمكن أن يؤدي الإفراط في عنصر واحد إلى إضعاف الكل.

في دراسة حديثة، سعى الباحثون لحل عملية التوازن هذه لنوع معين من الخرسانة المتقدمة تُعرف بالخرسانة ذات الركام المعاد تدويره والمعززة بالألياف متعددة المقاييس. تجمع هذه المادة بين الحجر المعاد تدويره وثلاثة أنواع متميزة من الألياف: خيوط فولاذية صلبة، وألياف بلاستيكية مرنة، وشعيرات معدنية دقيقة تشبه الإبر. لم يكن الهدف مجرد اختبار هذه المكونات، بل إيجاد الوصفة الدقيقة التي تجعل الخرسانة أقوى ما يمكن في الضغط، وأكثر متانة عند الشد، وأكثر مقاومة للتآكل بفعل المياه المالحة، كل ذلك في آن واحد. أدرك الفريق، بقيادة علماء من جامعة هوهاي ومؤسسات أخرى في الصين، أن طرق التجربة والخطأ التقليدية كانت بطيئة للغاية، وأن الحدس البشري وحده لا يمكنه حساب أفضل مزيج من بين آلاف التوليفات الممكنة. وبدلاً من ذلك، عاملوا المشكلة كأنها مهمة ملاحة معقدة، باستخدام خوارزمية حاسوبية متطورة للبحث عن المسار الأمثل عبر البيانات.

بدأ الباحثون بإنشاء سلسلة من دفعات الخرسانة، حيث تحتوي كل منها على كميات مختلفة قليلاً من الأنواع الثلاثة من الألياف. واستخدموا طريقة تصميم إحصائية لضمان تغطية النطاق الكامل من الاحتمالات دون إضاعة الوقت في اختبارات غير ضرورية. وبعد معالجة هذه العينات لمدة ثمانية وعشرين يوماً، أخضعوها لاختبارات فيزيائية صارمة. فقد قاموا بضغط مكعبات الخرسانة حتى تتحطم لقياس قوة الضغط، وسحب الأسطوانات بعيداً عن بعضها لقياس قوة الشد، وأخضعوها لتيار كهربائي لمعرفة مدى سرعة اختراق أيونات الكلوريد للمادة، وهو مؤشر رئيسي على مدى قدرة الخرسانة على مقاومة التآكل في البيئات القاسية. وأظهرت النت la أن كمية كل ليف كانت مهمة، ولكن تفاعل الألياف مع بعضها البعض كان مهماً أيضاً. فعلى سبيل المثال، إضافة المزيد من الألياف الفولاذية جعلت الخرسانة أقوى بشكل عام، ولكن إلى حد معين؛ فإذا كانت كمية الألياف البلاستيكية مرتفقة جداً، فإن الألياف الفولاذية ستتشابك وتفقد فعاليتها. وبالمثل، ساعدت الشعيرات المعدنية الدقيقة في ملء الفجوات في المادة، لكن إضافة الكثير منها خلق نقاط ضعف جديدة.

ولفهم هذه النتائج المتضاربة، طور الفريق طريقة جديدة تترك للبيانات مجالاً للتعبير عن نفسها. في العديد من القرارات الهندسية، يحدد الخبراء أهمية الأهداف بناءً على تقديرهم الشخصي، مما قد يؤدي إلى التحيز. وقد تجنبت هذه الدراسة ذلك باستخدام مفهوم رياضي يُسمى "إنتروبيا المعلومات" لوزن أهمية القوة مقابل المتانة بشكل موضوعي. ثم قاموا بتغذية هذه الأوزان في خوارزمية بحث متقدمة، وهي نسخة رقمية متطورة من الطريقة التي تجد بها أسراب الطيور الطعام، حيث يستكشف مجموعة من "الجسيمات" الافتراضية مساحة الحل لإيجاد أفضل إجابة. صُممت هذه الخوارزمية المحسنة، التي يسميها الباحثون EWMOPSO، لإيجاد مزيج واحد يقدم أفضل أداء إجمالي بدلاً من مجرد أفضل أداء في فئة واحدة محددة.

أسفر البحث عن فائز واضح. فقد حددت الخوارزمية أن المزيج الأمثل لهذه الخرسانة متعددة المقاييس يحتوي على 1.06 بالمائة من الألياف الفولاذية، و0.23 بالمائة من الألياف البلاستيكية، و1.39 بالمائة من الشعيرات المعدنية من حيث الحجم. وعند هذا المزيج الدقيق، حققت الخرسانة قوة ضغط بلغت 44.28 ميجاباسكال، وقوة شد انشطاري بلغت 5.38 ميجاباسكال، ومعامل هجرة كلوريد بلغ 6.52 مضروباً في 10 لأس سالب اثني عشر متر مربع لكل ثانية. تمثل هذه الأرقام توازناً فائقاً، حيث تفوقت على أفضل النتائج التي تم العثور عليها في التجارب الفيزيائية الأولية. لقد أثبتت الدراسة أنه باستخدام هذا النهج الموضوعي المدفوع بالحاسوب، يمكن للمهندسين تجاوز التخمين لتحديد تصميمات خلط ليست سليمة نظرياً فحسب، بل قابلة للتطبيق عملياً في البناء الواقعي. وتشير النتائج إلى أنه مع الجمع الصحيح بين المواد المعاد تدويرها والتعزيز متعدد المقاييس، فمن الممكن إنشاء خرسانة صديقة للبيئة ومتفوقة إنشائياً في آن واحد، مما يوفر مساراً موثوقاً لممارسات البناء المستدامة.