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

Il calcestruzzo è il materiale edilizio più utilizzato sulla Terra, una miscela di cemento, acqua, sabbia e pietra che forma lo scheletro del nostro mondo moderno. Eppure, l'industria affronta un dilemma crescente: come rendere questo materiale più resistente e durevole senza consumare una parte maggiore delle risorse finite del pianeta. Una soluzione prevede il riciclo del vecchio calcestruzzo, frantumandolo per creare nuovo aggregato, ma questo materiale riciclato è spesso più debole e poroso rispetto alla pietra fresca, portando a strutture che possono creparsi o degradarsi più velocemente. Per risolvere questo problema, gli ingegneri si sono rivolti da tempo all'aggiunta di fibre — sottili filamenti di acciaio o plastica — per colmare le crepe e tenere insieme il materiale. Tuttavia, aggiungere semplicemente più fibra non è una soluzione semplice; diversi tipi di fibre lavorano a scale differenti, dal livello microscopico della pasta cementizia al livello macroscopico dell'intera struttura, e trovare l'equilibrio perfetto richiede di navigare in una complessa rete di interazioni dove troppa quantità di un elemento può indebolire l'insieme.

In uno studio recente, i ricercatori si sono posti l'obiettivo di risolvere questo gioco di equilibrio per un tipo specifico di calcestruzzo avanzato noto come calcestruzzo con aggregati riciclati e rinforzato con fibre multiscala. Questo materiale combina pietra riciclata con tre tipi distinti di fibre: filamenti d'acciaio rigidi, fibre plastiche flessibili e minuscoli baffi minerali simili ad aghi. L'obiettivo non era solo testare questi ingredienti, ma trovare la ricetta esatta che rendesse il calcestruzzo il più forte possibile in compressione, il più tenace possibile alla trazione e il più resistente alla corrosione salina, tutto contemporaneamente. Il team, guidato da scienziati della Hohai University e altre istituzioni cinesi, ha compreso che i metodi tradizionali basati per tentativi ed errori erano troppo lenti e che l'intuizione umana da sola non poteva calcolare la miscela ottimale tra le miglia di combinazioni possibili. Invece, hanno trattato il problema come un complesso compito di navigazione, utilizzando un sofisticato algoritmo informatico per cercare il percorso perfetto attraverso i dati.

I ricercatori hanno iniziato creando una serie di lotti di calcestruzzo, ciascuno con una quantità leggermente diversa dei tre tipi di fibre. Hanno utilizzato un metodo di progettazione statistica per garantire di coprire l'intero intervallo di possibilità senza sprecare tempo in test inutili. Dopo aver fatto stagionare questi campioni per ventotto giorni, li hanno sottoposti a rigorosi test fisici. Hanno schiacciato cubi di calcestruzzo finché non si sono frantumati per misurare la resistenza alla compressione, hanno tirato cilindri per misurare la resistenza alla trazione e li hanno sottoposti a una corrente elettrica per vedere quanto velocemente gli ioni cloruro potessero penetrare nel materiale, un indicatore chiave di quanto bene il calcestruzzo possa resistere alla corrosione in ambienti ostili. I risultati hanno mostrato che la quantità di ogni fibra contava, ma contava anche il modo in cui le fibre interagivano tra loro. Ad esempio, aggiungere più fibre d'acciaio rendeva generalmente il calcestruzzo più resistente, ma solo fino a un certo punto; se la quantità di fibre plastiche era troppo elevata, le fibre d'acciaio si aggrovigliavano perdendo la loro efficacia. Allo stesso modo, i minuscoli baffi minerali aiutavano a colmare i vuoti nel materiale, ma aggiungerne troppi creava nuovi punti deboli.

Per dare un senso a questi risultati contrastanti, il team ha sviluppato un nuovo modo per lasciare che i dati parlino da soli. In molte decisioni ingegneristiche, gli esperti assegnano importanza a diversi obiettivi in base al proprio giudizio, il che può introdurre pregiudizi. Questo studio ha evitato ciò utilizzando un concetto matematico chiamato entropia dell'informazione per pesare l'importanza della resistenza rispetto alla durabilità in modo oggettivo. Hanno poi inserito questi pesi in un algoritmo di ricerca avanzato, un'evoluzione digitale del modo in cui uno stormo di uccelli trova il cibo, dove un gruppo di "particelle" virtuali esplora lo spazio delle soluzioni per trovare la risposta migliore. Questo algoritmo migliorato, che i ricercatori chiamano EWMOPSO, è stato progettato per trovare una singola miscela che offrisse la migliore prestazione complessiva piuttosto che la migliore prestazione in una specifica categoria.

La ricerca ha prodotto un vincitore chiaro. L'algoritmo ha determinato che la miscela ottimale per questo calcestruzzo multiscala conteneva l'1,06 percento di fibre d'acciaio, lo 0,23 percento di fibre plastiche e l'1,39 percento di baffi minerali in volume. A questa precisa combinazione, il calcestruzzo ha raggiunto una resistenza alla compressione di 44,28 megapascal, una resistenza alla trazione per divisione di 5,38 megapascal e un coefficiente di migrazione degli ioni cloruro di 6,52 volte 10 alla potenza negativa dodici metri quadrati al secondo. Questi numeri rappresentano un equilibrio superiore, superando i migliori risultati trovati nei test fisici iniziali. Lo studio ha dimostrato che, utilizzando questo approccio obiettivo guidato dal computer, gli ingegneri possono andare oltre le congetture per identificare progettazioni di miscele che non siano solo teoricamente solide, ma anche praticamente sostenibili per l'edilizia reale. Le scoperte suggeriscono che, con la giusta combinazione di materiali riciclati e rinforzo multiscala, è possibile creare un calcestruzzo che sia sia ecologicamente sostenibile che strutturalmente superiore, offrendo una via affidabile verso pratiche edilizie sostenibili.