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

Beton is het meest gebruikte bouwmateriaal op aarde, een mengsel van cement, water, zand en steen dat het skelet van onze moderne wereld vormt. Toch staat de sector voor een groeiend dilemma: hoe maken we dit materiaal sterker en duurzamer zonder meer van de eindige hulpbronnen van de planeet te verbruiken. Een oplossing bestaat uit het recyclen van oud beton, waarbij het wordt vermalen om nieuw aggregaat te creëren, maar dit gerecyclede materiaal is vaak zwakker en poreuzer dan verse steen, wat leidt tot constructies die sneller kunnen scheuren of degraderen. Om dit op te lossen, hebben ingenieurs lang de neiging gehad om vezels toe te voegen—kleine draden van staal of plastic—om scheuren te overbruggen en het materiaal bij elkaar te houden. Het simpelweg toevoegen van meer vezels is echter geen eenvoudige oplossing; verschillende soorten vezels werken op verschillende schalen, van het microscopische niveau van het cementpasta tot het macroscopische niveau van de hele structuur, en het vinden van de perfecte balans vereist het navigeren door een complex web van interacties waarbij te veel van het een het geheel kan verzwakken.

In een recente studie probeerden onderzoekers deze evenwichtsoefening op te lossen voor een specifiek type geavanceerd beton dat bekend staat als multiscale vezelversterkt gerecycled aggregaatbeton. Dit materiaal combineert gerecyclede steen met drie verschillende soorten vezels: stijve stalen draden, flexibele kunststofvezels en minuscule, naaldvormige minerale whiskers. Het doel was niet alleen om deze ingrediënten te testen, maar om het exacte recept te vinden dat het beton zo sterk mogelijk maakt in compressie, zo taai mogelijk wanneer het uit elkaar wordt getrokken, en zo bestand mogelijk tegen zoutwatercorrosie, en dat allemaal tegelijkertijd. Het team, geleid door wetenschappers van de Hohai Universiteit en andere instellingen in China, realiseerde zich dat traditionele trial-and-error-methoden te traag waren en dat menselijke intuïtie alleen niet de beste mix kon berekenen tussen de duizenden mogelijke combinaties. In plaats daarvan behandelden zij het probleem als een complexe navigatietaak, waarbij ze een geavanceerd computeralgoritme gebruikten om de perfecte route door de data te zoeken.

De onderzoekers begonnen met het maken van een reeks betonbatches, elk met een iets andere hoeveelheid van de drie vezels. Ze gebruikten een statistische ontwerpmethode om ervoor te zorgen dat ze het volledige bereik aan mogelijkheden besloegen zonder tijd te verspillen aan onnodige tests. Nadat ze deze monsters achtentwintig dagen hadden laten uitharden, onderwierpen ze deze aan rigoureuze fysieke tests. Ze persten kubussen van het beton totdat ze verbrijzelden om de druksterkte te meten, trokken cilinders uit elkaar om de treksterkte te meten, en onderwierpen ze aan een elektrische stroom om te zien hoe snel chloride-ionen door het materiaal konden penetreren, een belangrijke indicator van hoe goed het beton bestand zou zijn tegen corrosie in barre omgevingen. De resultaten toonden aan dat de hoeveelheid van elke vezel ertoe deed, maar dat ook de interactie tussen de vezels belangrijk was. Zo maakte het toevoegen van meer staalvezels het beton over het algengemeen sterker, maar slechts tot op een bepaef punt; als de hoeveelheid kunststofvezels te hoog was, zouden de staalvezels in de knoop raken en hun effectiviteit verliezen. Evenzo hielpen de minuscule minerale whiskers om gaten in het materiaal op te vullen, maar het toevoegen van te veel van hen creëerde nieuwe zwakke plekken.

Om deze concurrerende resultaten te begrijpen, ontwikkelde het team een nieuwe manier om de data voor zichzelf te laten spreken. In veel technische beslissingen kennen experts belang toe aan verschillende doelen op basis van hun eigen oordeel, wat vooroordelen kan introduceren. Deze studie vermeed dit door een wiskundig concept genaamd informatiëntropie te gebruiken om het belang van sterkte versus duurzaamheid objectief te wegen. Vervolgens voedden ze deze gewichten in een geavanceerd zoekalgoritme, een digitale evolutie van de manier waarop een zwerm vogels voedsel vindt, waarbij een groep virtuele "deeltjes" de oplossingsruimte verkent om het beste antwoord te vinden. Dit verbeterde algoritme, dat de onderzoekers EWMOPSO noemen, was ontworpen om een enkele mix te vinden die de beste algehele prestaties bood, in plaats van alleen de beste prestaties in één specifieke categorie.

De zoektocht leverde een duidelijke winnaar op. Het algoritme bepaalde dat de optimale mix voor dit multiscale beton 1,06 procent staalvezels, 0,23 procent kunststofvezels en 1,39 procent minerale whiskers bevatte per volume. Bij deze precieze combinatie bereikte het beton een druksterkte van 44,28 megapascal, een splits treksterkte van 5,38 megapascal en een chloride-migratiecoëfficiënt van 6,52 maal 10 tot de macht -12 vierkante meter per seconde. Deze cijfers vertegenwoordigen een superieur evenwicht en presteren beter dan de beste resultaten die in de initiële fysieke experimenten werden gevonden. De studie toonde aan dat ingenieurs door middel van deze objectieve, door de computer gestuurde aanpak voorbij kunnen gaan aan gokwerk om mengontwerpen te identificeren die niet alleen theoretisch solide, maar ook praktisch levensvatbaar zijn voor de echte bouwsector. De bevindingen suggereren dat met de juiste combinatie van gerecyclede materialen en multiscale versterking, het mogelijk is om beton te creëren dat zowel milieuvriendelijk als structureel superieur is, wat een betrouwbaar pad biedt voor duurzame bouwpraktijken.