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

कंक्रीट पृथ्वी पर सबसे व्यापक रूप से उपयोग की जाने वाली निर्माण सामग्री है, जो सीमेंट, पानी, रेत और पत्थर का एक मिश्रण है जो हमारी आधुनिक दुनिया का कंकाल बनाता है। फिर भी, उद्योग एक बढ़ती हुई दुविधा का सामना कर रहा है: इस सामग्री को ग्रह के सीमित संसाधनों का अधिक उपभोग किए बिना इसे और अधिक मजबूत और टिकाऊ कैसे बनाया जाए। एक समाधान पुराने कंक्रीट को पुनर्चक्रित (रिसाइकिल) करने में निहित है, जिसे नए एग्रीगेट के रूप में बनाने के लिए कुचला जाता है, लेकिन यह पुनर्चक्रित सामग्री अक्सर ताजे पत्थर की तुलना में कमजोर और अधिक छिद्रपूर्ण होती है, जिससे ऐसी संरचनाएं बन सकती हैं जो तेजी से टूट या खराब हो सकती हैं। इसे ठीक करने के लिए, इंजीनियरों ने लंबे समय से दरारों को भरने और सामग्री को एक साथ थामे रखने के लिए रेशों (फाइबर्स)—स्टील या प्लास्टिक के सूक्ष्म धागों—को जोड़ने की ओर रुख किया है। हालांकि, केवल अधिक फाइबर जोड़ना कोई सरल समाधान नहीं है; विभिन्न प्रकार के रेशे अलग-अलग पैमानों पर काम करते हैं, जो सीमेंट पेस्ट के सूक्ष्म स्तर से लेकर पूरी संरचना के स्थूल स्तर तक होते हैं, और सही संतुलन खोजने के लिए एक जटिल अंतःक्रियाओं के जाल से गुजरना पड़ता है जहाँ एक चीज़ की अधिकता पूरी सामग्री को कमजोर कर सकती है।

हाल ही में एक अध्ययन में, शोधकर्ताओं ने मल्टीस्केल फाइबर-रीइन्फोर्स्ड रिसाइकल्ड एग्रीगेट कंक्रीट नामक एक विशिष्ट प्रकार के उन्नत कंक्रीट के लिए इस संतुलन कार्य को हल करने का प्रयास किया। यह सामग्री पुनर्चक्रित पत्थर के साथ तीन अलग-अलग प्रकार के रेशों को जोड़ती है: सख्त स्टील स्ट्रैंड्स, लचीले प्लास्टिक फाइबर और सूक्ष्म, सुई जैसे खनिज व्हिस्कर्स (whiskers)। लक्ष्य केवल इन सामग्रियों का परीक्षण करना नहीं था, बल्कि उस सटीक रेसिपी को खोजना था जो इस कंक्रीट को संपीड़न (कंप्रेशन) में यथासंभव मजबूत, खींचने पर यथासंभत कठोर (टफ), और समुद्री नमक के क्षरण के प्रति यथासंभव प्रतिरोधी बना सके, और वह भी एक साथ। होहाई यूनिवर्सिटी और चीन के अन्य संस्थानों के वैज्ञानिकों के नेतृत्व वाली टीम ने महसूस किया कि पारंपरिक परीक्षण-और-त्रुटि (ट्रायल-एंड-एरर) विधियाँ बहुत धीमी थीं और केवल मानवीय अंतर्ज्ञान अकेले उन हजारों संभावित संयोजनों में से सर्वश्रेष्ठ मिश्रण की गणना नहीं कर सकता था। इसके बजाय, उन्होंने इस समस्या को एक जटिल नेविगेशन कार्य की तरह माना, जिसमें डेटा के माध्यम से सबसे सटीक पथ खोजने के लिए एक परिष्कृत कंप्यूटर एल्गोरिदम का उपयोग किया गया।

शोधकर्ताओं ने कंक्रीट के बैचों की एक श्रृंखला बनाना शुरू किया, जिनमें से प्रत्येक में तीन रेशों की थोड़ी अलग मात्रा थी। उन्होंने एक सांख्यिकीय डिजाइन पद्धति का उपयोग किया ताकि यह सुनिश्चित किया जा सके कि वे अनावश्यक परीक्षणों पर समय बर्बाद किए बिना संभावनाओं की पूरी सीमा को कवर करें। इन नमूनों को अट्ठाईस दिनों तक क्यूरिंग (सुखाने/पकाने) के बाद, उन्होंने उन्हें कठोर भौतिक परीक्षणों से गुजारा। उन्होंने कंक्रीट के क्यूब्स को तब तक दबाया जब तक वे टूट न गए ताकि संपीड़न शक्ति को मापा जा सके, सिलेंडरों को खींचकर तन्यता शक्ति (टेन्साइल स्ट्रेंथ) को मापा, और एक विद्युत धारा के माध्यम से यह देखा कि क्लोराइड आयन सामग्री में कितनी तेजी से प्रवेश कर सकते हैं, जो कठोर वातावरण में कंक्रीट के क्षरण के प्रति प्रतिरोध का एक प्रमुख संकेतक है। परिणामों ने दिखाया कि प्रत्येक फाइबर की मात्रा मायने रखती थी, लेकिन यह भी महत्वपूर्ण था कि रेशे एक-दूसरे के साथ कैसे परस्पर क्रिया करते हैं। उदाहरण के लिए, अधिक स्टील फाइबर जोड़ने से कंक्रीट मजबूत होता था, लेकिन केवल एक सीमा तक; यदि प्लास्टिक फाइबर की मात्रा बहुत अधिक होती, तो स्टील फाइबर आपस में उलझ जाते और अपनी प्रभावशीलता खो देते। इसी प्रकार, सूक्ष्म खनिज व्हिस्कर सामग्री के अंतराल को भरने में मदद करते थे, लेकिन बहुत अधिक जोड़ने से नए कमजोर बिंदु बन जाते थे।

इन प्रतिस्पर्धी परिणामों को समझने के लिए, टीम ने एक नया तरीका विकसित किया जिससे डेटा स्वयं बोल सके। कई इंजीनियरिंग निर्णयों में, विशेषज्ञ अपने स्वयं के निर्णय के आधार पर विभिन्न लक्ष्यों को महत्व देते हैं, जो पूर्वाग्रह पैदा कर सकता है। इस अध्ययन ने सूचना एंट्रॉपी (इंफॉर्मेशन एंट्रॉपी) नामक एक गणितीय अवधारणा का उपयोग करके मजबूती बनाम स्थायित्व के महत्व को वस्तुनिष्ठ रूप से तौलकर इस पूर्वाग्रह से बचने का निर्णय लिया। इसके बाद उन्होंने इन भारों (वेट्स) को एक उन्नत खोज एल्गोरिदम में डाला, जो पक्षियों के झुंड द्वारा भोजन खोजने के तरीके का एक डिजिटल विकास है, जहाँ आभासी "कणों" का एक समूह सर्वोत्तम उत्तर खोजने के लिए समाधान स्थान का अन्वेषण करता है। इस उन्नत एल्गोरिदम, जिसे शोधकर्ताओं ने EWMOPSO कहा है, को केवल एक विशिष्ट श्रेणी में सर्वश्रेष्ठ प्रदर्शन करने के बजाय एक ऐसे एकल मिश्रण को खोजने के लिए डिज़ाइन किया गया था जो समग्र रूप से सर्वोत्तम प्रदर्शन प्रदान करे।

इस खोज ने एक स्पष्ट विजेता दिया। एल्गोरिदम ने निर्धारित किया कि इस मल्टीस्केल कंक्रीट के लिए इष्टतम मिश्रण में आयतन के अनुसार 1.06 प्रतिशत स्टील फाइबर, 0.23 प्रतिशत प्लास्टिक फाइबर और 1.39 प्रतिशत खनिज व्हिस्कर्स शामिल हैं। इस सटीक संयोजन पर, कंक्रीट ने 44.28 मेगापास्कल की संपीड़न शक्ति, 5.38 मेगापास्कल की स्प्लिट टेन्साइल स्ट्रेंथ, और 6.52 × 10⁻¹² वर्ग मीटर प्रति सेकंड का क्लोराइड माइग्रेशन गुणांक प्राप्त किया। ये संख्याएँ एक श्रेष्ठ संतुलन का प्रतिनिधित्व करती हैं, जो प्रारंभिक भौतिक प्रयोगों में पाए गए सर्वोत्तम परिणामों से भी बेहतर है। अध्ययन ने प्रदर्शित किया कि इस वस्तुनिष्ठ, कंप्यूटर-संचालित दृष्टिकोण का उपयोग करके, इंजीनियर अनुमान लगाने से आगे बढ़कर ऐसे मिश्रण डिजाइनों की पहचान कर सकते हैं जो न केवल सैद्धांतिक रूप से सुदृढ़ हैं बल्कि वास्तविक निर्माण के लिए व्यावहारिक रूप से भी सक्षम हैं। निष्कर्ष बताते हैं कि सही संयोजन में पुनर्चक्रित सामग्री और मल्टीस्केल सुदृढीकरण के साथ, ऐसा कंक्रीट बनाना संभव है जो पर्यावरण के अनुकूल और संरचनात्मक रूप से श्रेष्ठ दोनों हो, जो टिकाऊ निर्माण प्रथाओं के लिए एक विश्वसनीय मार्ग प्रदान करता है।