توصيفگر ها :
بتن قليافعال سربارهاي , پساب , تاگوچي , بتن سبز , يادگيري ماشين
چكيده فارسي :
بتن يكي از حياتيترين و پركاربردترين مصالح در صنعت ساختمانسازي و پروژههاي عمراني به شمار ميآيد. در توليد بتن معمولي، سيمان پرتلند نقش اصلي را ايفا ميكند؛ اما متأسفانه فرآيند توليد اين نوع سيمان با مصرف بالاي انرژي و انتشار حجم قابل توجهي از گاز دياكسيد كربن همراه است كه تأثيرات زيانباري بر محيط زيست دارد. از سوي ديگر، توليد بتن به حجم زيادي از آب نياز دارد، در حالي كه منابع آب شيرين به شدت محدود و در معرض تهديد هستند. با توجه به مصرف بالاي انرژي و انتشار گاز دياكسيدكربن در توليد سيمان پرتلند و همچنين نياز بالاي بتن به آب، اين پژوهش با هدف كاهش اثرات زيستمحيطي و مصرف منابع طبيعي، به بررسي امكان استفاده از انواع پساب بهجاي آب شرب در توليد بتن قليافعال سربارهاي پرداخته است. استفاده از چسبانندههاي قليافعال در كنار پساب، راهكاري براي دستيابي به بتنهاي با دوام و مقاومت مطلوب، در عين كاهش مصرف آب، انرژي و گازهاي گلخانهاي فراهم ميكند و گامي مؤثر در توسعه مصالح سبز و پايدار محسوب ميشود.
پژوهش حاضر شامل آزمايش بر روي نمونههاي بتني قليافعال است كه در تهيه آنها از سرباره به عنوان ماده شبه سيماني و متاسيليكات سديم به عنوان فعالكننده قليايي استفاده شده است. همچنين، براي ساخت بتنها از پساب و آب شرب بهره گرفته شده است. به منظور دست يابي به طرحي بهينه با خصوصيات مناسب مكانيكي و دوام مناسب براي بتن قليافعال سرباره اي حاوي انواع پساب، چهار نوع پساب مختلف شامل پساب شهري، پساب كارخانه سنگبري، قند و نساجي مورد استفاده قرار گرفت. درصدهاي جايگزيني پساب به جاي آب شرب در اين پژوهش 25، 50، 75 و 100 درصد انتخاب شده است. علاوه بر اين، بتن در چهار حالت مختلف بدون افزودني، با فوق روانكننده، با پودر سنگ و فوق روانكننده، با ميكروسيليس و فوق روانكننده مورد آزمايش قرار گرفتند. نسبت وزني آب به چسباننده در تمامي نمونهها ثابت و برابر 5/0 در نظر گرفته شده است. همچنين نسبت متاسيليكات سديم به سرباره مقادير 18/0، 20/0، 22/0 و 24/0 و عيار چسبانندههاي مختلف 300، 350، 400 و 450 كيلوگرم بر متر مكعب انتخاب شده است كه در مجموع منجر به 1024 طرح مخلوط متفاوت شده است. براي كمينه كردن تعداد آزمايشها و دستيابي به طرح مخلوط بهينه با بالاترين مقاومت و دوام، 16 طرح مخلوط طبق روش طرح آزمايش تاگوچي ساخته و مورد ارزيابي قرار گرفتند. آزمايشهاي مختلف خواص مكانيكي و دوام بر روي اين طرحها انجام شده است. نتايج اين پژوهش نشان داد كه نه تنها توليد بتن با خصوصيات مناسب با انواع پساب امري ممكن است، بلكه راهكاري مؤثر، اقتصادي و پايدار در راستاي كاهش مصرف منابع آب شيرين و مديريت بهينه پسماندهاي صنعتي و شهري ارائه ميدهد. در عين حال، بهرهگيري از چسبانندههاي قليافعال به جاي سيمان پرتلند و استفاده از پساب، سبب كاهش اثرات زيستمحيطي، كاهش هزينههاي توليد و ارتقاي عملكرد كلي بتن ميگردد. در مجموع، اين رويكرد را ميتوان گامي مؤثر در مسير توسعهي بتن سبز و تحقق ساختوساز پايدار دانست.
در اين پژوهش همچنين از روشهاي يادگيري ماشين براي پيشبيني و بهينهسازي خواص مكانيكي و دوام بتن قليافعال سربارهاي استفاده شد. الگوريتمهايي مانند نزديكترين همسايه، درخت تصميم، جنگل تصادفي، رگرسيون خطي و AdaBoost مورد بررسي قرار گرفتند. در بين آنها، الگوريتم AdaBoost با ضريب تعيين بالاتر از 9/0 بهترين عملكرد را در پيشبيني مقاومتهاي فشاري، كششي، خمشي و شاخصهاي دوام بتن نشان داد. جنگل تصادفي نيز با R² بالاي 85/0 عملكرد قابل قبولي داشت. در مقابل، الگوريتمهاي سادهتر دقت پايينتري در پيشبيني خواص بتن داشتند. در مجموع، مدلهاي تقويتي مانند AdaBoost به دليل دقت بالا و توانايي شناسايي الگوهاي پيچيده، ابزارهايي مؤثر براي كاهش هزينه و زمان آزمايشهاي تجربي محسوب ميشوند.
چكيده انگليسي :
Concrete is one of the most essential and widely used materials in construction and civil engineering. Conventional concrete relies on Portland cement, whose production consumes large amounts of energy, emits significant CO₂, and requires high volumes of water—threatening limited freshwater resources.
This study aims to reduce environmental impacts and resource use by replacing potable water with various wastewaters in the production of alkali-activated slag concrete. Slag served as the cementitious material, activated with sodium metasilicate. Four wastewater types—municipal, stone-cutting, sugar-processing, and textile—were used at replacement levels of 25%, 50%, 75%, and 100%. Mixes were tested in four conditions: without additives, with superplasticizer, with stone powder + superplasticizer, and with microsilica + superplasticizer. The water-to-binder ratio was fixed at 0.5, with varied sodium metasilicate-to-slag ratios (0.18–0.24) and binder contents (300–450 kg/m³), resulting in 1,024 possible designs. Using the Taguchi method, 16 designs were selected for mechanical and durability testing.
Results showed that wastewater replacement maintained or improved strength and durability, while reducing freshwater demand and managing waste. Replacing Portland cement with alkali-activated slag also cut CO₂ emissions and costs.
Machine learning models were applied to predict and optimize performance. AdaBoost achieved the highest accuracy (R² > 0.90), followed by Random Forest (R² > 0.85). These ensemble methods proved effective for modeling complex behaviors, reducing experimental time and cost.
