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

Beton ist der am weitesten verbreitete Baustoff der Erde, eine Mischung aus Zement, Wasser, Sand und Stein, die das Skelett unserer modernen Welt bildet. Dennoch steht die Industrie vor einem wachsenden Dilemma: Wie lässt sich dieses Material stärker und langlebiger machen, ohne mehr der endlichen Ressourcen unseres Planeten zu verbrauchen? Eine Lösung besteht darin, alten Beton zu recyceln, indem man ihn zerkleinert, um neues Zuschlagmaterial zu erzeugen, aber dieses recycelte Material ist oft schwächer und poröser als frischer Stein, was zu Strukturen führen kann, die schneller reißen oder degradieren. Um dies zu beheben, haben Ingenieure lange Zeit Fasern – winzige Stränge aus Stahl oder Kunststoff – hinzugefügt, um Risse zu überbrücken und das Material zusammenzuhalten. Das bloße Hinzufügen von mehr Fasern ist jedoch keine einfache Lösung; verschiedene Arten von Fasern wirken auf unterschiedlichen Skalen, vom mikroskopischen Niveau des Zementleims bis zum makroskopischen Niveau der gesamten Struktur, und das Finden des perfekten Gleichgewichts erfordert das Navigieren durch ein komplexes Geflecht von Wechselwirkungen, bei dem zu viel von einer Sache das Ganze schwächen kann.

In einer aktuellen Studie setzten sich Forscher daran, dieses Balanceverhältnis für einen speziellen Typ fortschrittlichen Betons zu lösen, der als mehrskaliger faserverstärkter Recyclingbeton bekannt ist. Dieses Material kombiniert recycelten Stein mit drei verschiedenen Arten von Fasern: steifen Stahlsträngen, flexiblen Kunststofffasern und winzigen, nadelartigen Mineralwhisker. Das Ziel bestand nicht nur darin, diese Zutaten zu testen, sondern genau das Rezept zu finden, das den Beton gleichzeitig so druckfest wie möglich, so zugfest wie möglich und so resistent gegen Salzwasserkorrosion wie möglich macht. Das Team, unter der Leitung von Wissenschaftlern der Hohai University und anderen Institutionen aus China, erkannte, dass traditionelle Trial-and-Error-Methoden zu langsam waren und die menschliche Intuition allein nicht in der Lage war, die beste Mischung unter den Tausenden von möglichen Kombinationen zu berechnen. Stattdessen behandelten sie das Problem wie eine komplexe Navigationsaufgabe und nutzten einen hochentwickelten Computeralgorithmus, um den perfekten Pfad durch die Daten zu suchen.

Die Forscher begannen damit, eine Reihe von Betonchargen herzustellen, von denen jede eine leicht unterschiedliche Menge der drei Fasern enthielt. Sie verwendeten eine statistische Designmethode, um sicherzustellen, dass sie den vollen Bereich der Möglichkeiten abdeckten, ohne Zeit mit unnötigen Tests zu verschwenden. Nachdem sie diese Proben für achtundzwanzig Tage ausgehärtet hatten, unterzogen sie sie strengen physikalischen Tests. Sie pressten Betonwürfel zusammen, bis sie zerbrachen, um die Druckfestigkeit zu messen, zogen Zylinder auseinander, um die Zugfestigkeit zu messen, und setzten sie einem elektrischen Strom aus, um zu sehen, wie schnell Chloridionen in das Material eindringen können – ein Schlüsselindikator dafür, wie gut der Beton in rauen Umgebungen der Korrosion widerstehen kann. Die Ergebnisse zeigten, dass die Menge jeder Faser entscheidend war, aber auch, wie die Fasern miteinander interagierten. Beispielsweise machte das Hinzufügen von mehr Stahlfasern den Beton im Allgemeinen stärker, aber nur bis zu einem gewissen Punkt; wenn der Anteil der Kunststofffasern zu hoch war, verhedderten sich die Stahlfasern und verloren ihre Wirksamkeit. Ähnlich verhielten sich die winzigen Mineralwhisker, die Lücken im Material füllten, doch das Hinzufügen zu vieler von ihnen schuf neue Schwachstellen.

Um diese konkurrierenden Ergebnisse zu verstehen, entwickelte das Team einen neuen Weg, die Daten für sich selbst sprechen zu lassen. In vielen ingenieurtechnischen Entscheidungen weisen Experten den verschiedenen Zielen basierend auf ihrem eigenen Urteil eine Bedeutung zu, was zu Voreingenommenheit führen kann. Diese Studie vermied dies, indem sie ein mathematisches Konzept namens Informationsentropie verwendete, um die Wichtigkeit von Festigkeit gegenüber Dauerhaftigkeit objektiv zu gewichten. Sie speisten diese Gewichtungen dann in einen fortgeschrittenen Suchalgorithmus ein, eine digitale Evolution der Art und Weise, wie ein Vogelschwarm Nahrung findet, wobei eine Gruppe virtueller „Partikel“ den Lösungsraum exploriert, um die beste Antwort zu finden. Dieser verbesserte Algorithmus, den die Forscher EWMOPSO nennen, wurde entwickelt, um eine einzige Mischung zu finden, die die beste Gesamtleistung bietet, statt nur die beste Leistung in einer spezifischen Kategorie.

Die Suche lieferte einen klaren Gewinner. Der Algorithmus ermittelte, dass die optimale Mischung für diesen mehrskaligen Beton 1,06 Prozent Stahlfasern, 0,23 Prozent Kunststofffasern und 1,39 Prozent Mineralwhisker nach Volumen enthielt. Bei dieser präzisen Kombination erreichte der Beton eine Druckfestigkeit von 44,28 Megapascal, eine Spaltzugfestigkeit von 5,38 Megapascal und einen Chloridmigrationskoeffizienten von 6,52 mal 10 hoch minus zwölf Quadratmetern pro Sekunde. Diese Zahlen repräsentieren ein überlegenes Gleichgewicht und übertreffen die besten Ergebnisse, die in der ursprünglichen Reihe der physikalischen Experimente gefunden wurden. Die Studie zeigte, dass Ingenieure durch diesen objektiven, computergesteuerten Ansatz über das Raten hinausgehen können, um Mischungsdesigns zu identifizieren, die nicht nur theoretisch fundiert, sondern auch praktisch lebensfähig für den realen Bau sind. Die Ergebnisse legen nahe, dass es mit der richtigen Kombination aus recycelten Materialien und mehrskaliger Verstärkung möglich ist, Beton zu schaffen, der sowohl umweltfreundlich als auch strukturell überlegen ist, und bietet somit einen zuverlässigen Weg für nachhaltige Baupraktiken.