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

混凝土是地球上应用最广泛的建筑材料，是由水泥、水、砂和石组成的混合物，构成了我们现代世界的骨架。然而，该行业正面临着一个日益增长的困境：如何在不消耗更多地球有限资源的情况下，使这种材料变得更强、更耐用。一种解决方案是回收旧混凝土，将其粉碎以制造新的骨料，但这种回收材料通常比新鲜石材更弱且更具多孔性，导致结构可能更快出现裂缝或退化。为了解决这个问题，工程师长期以来一直转向添加纤维——微小的钢丝或塑料丝——来跨越裂缝并将材料连接在一起。然而，仅仅增加纤维的数量并不是一个简单的解决方法；不同类型的纤维在不同的尺度上发挥作用，从水泥浆的微观层面到整个结构的宏观层面，寻找完美的平衡需要应对一个复杂的相互作用网络，因为其中一种成分过多可能会削弱整体。

在最近的一项研究中，研究人员致力于为一种被称为多尺度纤维增强再生骨料混凝土的特定先进混凝土解决这种平衡难题。这种材料结合了再生石材与三种不同类型的纤维：刚性的钢丝、柔性的塑料纤维以及微小的针状矿物晶须。目标不仅是测试这些成分，而是要找到精确的配方，使混凝土在抗压强度、抗拉韧性和抗盐水腐蚀性方面同时达到最优。由来自中国河海大学及其他机构的科学家领导的团队意识到，传统的试错法速度太慢，仅凭人类直觉无法计算出数千种可能组合中的最佳混合比例。相反，他们将这个问题视为一项复杂的导航任务，使用一种精密的计算机算法在数据中搜索完美的路径。

研究人员首先制作了一系列混凝土批次，每一批次的这三种纤维含量略有不同。他们使用统计设计方法，以确保在覆盖所有可能范围的同时，不会在不必要的测试上浪费时间。在这些样本养护二十八天后，他们对其进行了严格的物理测试。他们挤压混凝土立方体直至其破碎，以测量抗压强度；拉开圆柱体，以测量抗拉强度；并使其承受电流，以观察氯离子渗透进材料的速度，这是衡量混凝土在恶劣环境下抗腐蚀能力的关键指标。结果表明，每种纤维的含量都很重要，但纤维之间的相互作用也同样重要。例如，增加钢纤维通常会使混凝土更强，但也有一个限度；如果塑料纤维过多，钢纤维就会缠结并失去效力。同样，微小的矿物晶须有助于填补材料中的间隙，但添加过多则会产生新的薄弱点。

为了理清这些相互竞争的结果，团队开发了一种让数据“说话”的新方法。在许多工程决策中，专家会根据自己的判断为不同的目标分配重要性，这可能会引入偏见。本研究通过使用一种称为信息熵的数学概念，客观地权衡了强度与耐久性之间的重要性，从而避免了这一问题。随后，他们将这些权重输入到一个先进的搜索算法中，该算法是模拟鸟群寻找食物方式的数字进化版，即一组虚拟“粒子”通过探索解空间来寻找最佳答案。这种被称为 EWMOPSO 的改进算法旨在找到一种能提供最佳综合性能的单一混合比例，而不仅仅是某种特定类别下的最佳性能。

搜索得出了明确的获胜者。算法确定，这种多尺度混凝土的最佳混合比例为：钢纤维体积占比 1.06%，塑料纤维体积占比 0.23%，以及矿物晶须体积占比 1.39%。在此精确组合下，混凝土的抗压强度达到了 44.28 兆帕，劈裂抗拉强度为 5.38 兆帕，氯离子迁移系数为 $6.52 \times 10^{-12}$ 平方米/秒。这些数字代表了一种卓越的平衡，其表现优于最初物理实验中所发现的最佳结果。该研究证明，通过使用这种客观的、计算机驱动的方法，工程师可以超越猜测，从而确定不仅在理论上成立而且在实际工程中可行的配合设计。研究结果表明，通过合理的再生材料与多尺度增强组合，可以创造出既环保又结构优越的混凝土，为可持续建筑实践提供了一条可靠的途径。