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

El hormigón es el material de construcción más utilizado en la Tierra, una mezcla de cemento, agua, arena y piedra que forma el esqueleto de nuestro mundo moderno. Sin embargo, la industria se enfrenta a un dilema creciente: cómo hacer que este material sea más fuerte y duradero sin consumir más de los recursos finitos del planeta. Una solución consiste en reciclar el hormigón viejo, triturándolo para crear nuevo árido, pero este material reciclado suele ser más débil y poroso que la piedra virgen, lo que da lugar a estructuras que pueden agrietarse o degradarse más rápido. Para solucionar esto, los ingenieros han recurrido durante mucho tiempo a la adición de fibras —diminutos filamentos de acero o plástico— para cerrar las grietas y mantener unido el material. No obstante, añadir simplemente más fibra no es una solución sencilla; diferentes tipos de fibras funcionan a distintas escalas, desde el nivel microscópico de la pasta de cemento hasta el nivel macroscópico de toda la estructura, y encontrar el equilibrio perfecto requiere navegar por una compleja red de interacciones donde el exceso de un elemento puede debilitar el conjunto.

En un estudio reciente, los investigadores se propusieron resolver este equilibrio para un tipo específico de hormigón avanzado conocido como hormigón de árido reciclado reforzado con fibras multiescala. Este material combina piedra reciclada con tres tipos distintos de fibras: filamentos de acero rígidos, fibras de plástico flexibles y diminutos bigotes minerales en forma de aguja. El objetivo no era solo probar estos ingredientes, sino encontrar la receta exacta que hiciera que el hormigón fuera lo más fuerte posible en compresión, lo más resistente posible a la tracción y lo más resistente posible a la corrosión por salitre, todo al mismo tiempo. El equipo, liderado por científicos de la Universidad de Hohai y otras instituciones de China, se dio cuenta de que los métodos tradicionales de ensayo y error eran demasiado lentos y que la intuición humana por sí sola no podía calcular la mejor mezcla entre las miles de combinaciones posibles. En su lugar, trataron el problema como una compleja tarea de navegación, utilizando un sofisticado algoritmo informático para buscar la ruta perfecta a través de los datos.

Los investigadores comenzaron creando una serie de lotes de hormigón, cada uno con una cantidad ligeramente diferente de las tres fibras. Utilizaron un método de diseño estadístico para asegurar que cubrían todo el rango de posibilidades sin perder tiempo en pruebas innecesarias. Tras curar estas muestras durante veintiocho días, las sometieron a rigurosas pruebas físicas. Comprimieron cubos de hormigón hasta que se aplastaron para medir la resistencia a la compresión, estiraron cilindros para medir la resistencia a la tracción y los sometieron a una corriente eléctrica para ver con qué rapidez podían penetrar los iones de cloruro en el material, un indicador clave de cómo el hormigón resistiría la corrosión en entornos hostiles. Los resultados mostraron que la cantidad de cada fibra importaba, pero también la forma en que las fibras interactuaban entre sí. Por ejemplo, añadir más fibras de acero generalmente fortalecía el hormigón, pero solo hasta cierto punto; si la cantidad de fibras de plástico era demasiado alta, las fibras de acero se enredaban y perdían su eficacia. Del mismo modo, los diminutos bigotes minerales ayudaban a rellenar los huecos en el material, pero añadir demasiados creaba nuevos puntos débiles.

Para dar sentido a estos resultados contrapuestos, el equipo desarrolló una nueva forma de dejar que los datos hablaran por sí mismos. En muchas decisiones de ingeniería, los expertos asignan importancia a diferentes objetivos basándose en su propio juicio, lo que puede introducir sesgos. Este estudio evitó esto utilizando un concepto matemático llamado entropía de la información para ponderar objetivamente la importancia de la resistencia frente a la durabilidad. Luego, introdujeron estos pesos en un algoritmo de búsqueda avanzado, una evolución digital de la forma en que una bandada de aves encuentra comida, donde un grupo de "partículas" virtuales explora el espacio de soluciones para encontrar la mejor respuesta. Este algoritmo mejorado, que los investigadores llaman EWMOPSO, fue diseñado para encontrar una única mezcla que ofreciera el mejor rendimiento general en lugar de solo el mejor rendimiento en una categoría específica.

La búsqueda arrojó un ganador claro. El algoritmo determinó que la mezcla óptima para este hormigón multiescala contenía un 1,06 por ciento de fibras de acero, un 0,23 por ciento de fibras de plástico y un 1,39 por ciento de bigotes minerales por volumen. En esta combinación precisa, el hormigón alcanzó una resistencia a la compresión de 44,28 megapascales, una resistencia a la tracción por división de 5,38 megapascales y un coeficiente de migración de cloruros de 6,52 veces 10 a la potencia menos doce metros cuadrados por segundo. Estas cifras representan un equilibrio superior, superando los mejores resultados encontrados en los experimentos físicos iniciales. El estudio demostró que, mediante este enfoque objetivo impulsado por la computación, los ingenieros pueden ir más allá de las conjeturas para identificar diseños de mezcla que no solo son teóricamente sólidos, sino también prácticamente viables para la construcción real. Los hallazgos sugieren que, con la combinación adecuada de materiales reciclados y refuerzo multiescala, es posible crear un hormigón que sea tanto respetuoso con el medio ambiente como estructuralmente superior, ofreciendo un camino fiable hacia prácticas de construcción sostenibles.