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

O concreto é o material de construção mais amplamente utilizado na Terra, uma mistura de cimento, água, areia e pedra que forma o esqueleto do nosso mundo moderno. No entanto, a indústria enfrenta um dilema crescente: como tornar este material mais forte e durável sem consumir mais dos recursos finitos do planeta. Uma solução envolve a reciclagem de concreto antigo, triturando-o para criar novo agregado, mas este material reciclado é frequentemente mais fraco e poroso do que a pedra fresca, levando a estruturas que podem rachar ou degradar-se mais rapidamente. Para corrigir isso, engenheiros recorrem há muito tempo à adição de fibras — minúscos fios de aço ou plástico — para unir as rachaduras e manter o material unido. Contudo, simplesmente adicionar mais fibra não é uma solução simples; diferentes tipos de fibras atuam em diferentes escalas, desde o nível microscópico da pasta de cimento até o nível macroscópico de toda a estrutura, e encontrar o equilíbrio perfeito exige navegar por uma complexa teia de interações onde o excesso de um elemento pode enfraquecer o todo.

Num estudo recente, investigadores procuraram resolver este jogo de equilíbrio para um tipo específico de concreto avançado conhecido como concreto de agregado reciclado reforçado com fibras multiescala. Este material combina pedra reciclada com três tipos distintos de fibras: fios de aço rígidos, fibras plásticas flexíveis e minúsculos bigodes minerais em forma de agulha. O objetivo não era apenas testar estes ingredientes, mas encontrar a receita exata que tornaria o concreto o mais forte possível em compressão, o mais tenaz possível quando puxado e o mais resistente possível à corrosão por água salgada, tudo ao mesmo tempo. A equipa, liderada por cientistas da Universidade de Hohai e outras instituições da China, percebeu que os métodos tradicionais de tentativa e erro eram demasiado lentos e que a intuição humana sozinha não conseguiria calcular a melhor mistura entre os milhares de combinações possíveis. Em vez disso, trataram o problema como uma complexa tarefa de navegação, utilizando um algoritmo de computador sofisticado para procurar o caminho perfeito através dos dados.

Os investigadores começaram por criar uma série de lotes de concreto, cada um com uma quantidade ligeiramente diferente das três fibras. Utilizaram um método de design estatístico para garantir que cobriam toda a gama de possibilidades sem desperdiçar tempo em testes desnecessários. Após curarem estas amostras durante vinte e oito dias, submeteram-nas a testes físicos rigorosos. Esmagaram cubos de concreto até que se esmagassem para medir a resistência à compressão, puxaram cilindros para medir a resistência à tração e submeteram-nos a uma corrente elétrica para observar a rapidez com que os iões de cloreto poderiam penetrar no material, um indicador fundamental de quão bem o concreto resistiria à corrosão em ambientes agressivos. Os resultados mostraram que a quantidade de cada fibra importava, mas também a forma como as fibras interagiam entre si. Por exemplo, adicionar mais fibras de aço geralmente tornava o concreto mais forte, mas apenas até certo ponto; se a quantidade de fibras plásticas fosse demasiado elevada, as fibras de aço emaranhavam-se e perdiam a sua eficácia. Da mesma forma, os minúsculos bigodes minerais ajudavam a preencher as lacunas no material, mas adicionar demasiados criava novos pontos fracos.

Para dar sentido a estes resultados concorrentes, a equipa desenvolveu uma nova forma de deixar os dados falarem por si próprios. Em muitas decisões de engenharia, os especialistas atribuem importância a diferentes objetivos com base no seu próprio julgamento, o que pode introduzir viés. Este estudo evitou isso ao utilizar um conceito matemático chamado entropia de informação para ponderar objetivamente a importância da resistência versus a durabilidade. Em seguida, introduziram estes pesos num algoritmo de busca avançado, uma evolução digital da forma como um bando de pássaros encontra comida, onde um grupo de "partículas" virtuais explora o espaço de soluções para encontrar a melhor resposta. Este algoritmo melhorado, que os investigadores chamam de EWMOPSO, foi concebido para encontrar uma única mistura que oferecesse o melhor desempenho global, em vez de apenas o melhor desempenho numa categoria específica.

A busca resultou num vencedor claro. O algoritmo determinou que a mistura ideal para este concreto multiescala continha 1,06 por cento de fibras de aço, 0,23 por cento de fibras plásticas e 1,39 por cento de bigodes minerais por volume. Nesta combinação precisa, o concreto alcançou uma resistência à compressão de 44,28 megapascais, uma resistência à tração por divisão de 5,38 megapascais e um coeficiente de migração de cloretos de 6,52 vezes 10 elevado à potência negativa doze metros quadrados por segundo. Estes números representam um equilíbrio superior, superando os melhores resultados encontrados no conjunto inicial de experiências físicas. O estudo demonstrou que, ao utilizar esta abordagem objetiva e impulsionada pelo computador, os engenheiros podem ir além do palpite para identificar designs de mistura que são não apenas teoricamente sólidos, mas também praticamente viáveis para a construção real. As descobertas sugerem que, com a combinação certa de materiais reciclados e reforço multiescala, é possível criar um concreto que seja simultaneamente ecológico e estruturalmente superior, oferecendo um caminho fiável para práticas de construção sustentáveis.