Проектирование составов, моделирование структуры и свойств высокопрочных легких бетонов с применением методов машинного обучения

Легкий и прочный бетон является универсальным энергоэффективным материалом, придающим конструкционным элементам здания одновременно высокую прочность и низкую теплопроводность. Эффективность его применения при этом оценивается снижением теплопотерь и материалоемкости конструкций, уменьшением затрат на строительно-монтажные и теплоизоляционные работы, а также на эксплуатацию здания. Однако, в настоящее время легкие бетоны, как правило, применяются в малоэтажном строительстве, что обусловлено их невысокими эксплуатационными свойствами и связано с низкой эффективностью применяемых рецептурно-технологических решений. Таким образом, снижение средней плотности, повышение прочности и других физико-технических характеристик легких бетонов является актуальными задачами современного строительного материаловедения. Для их решения необходимо рассмотреть новые подходы к разработке составов легких бетонов с применением эффективных пористых заполнителей, вяжущих веществ, химических модификаторов, активных минеральных добавок, наполнителей различной природы и фракционного состава. В связи с вышеизложенным разработка физико-химических основ получения высокопрочных легких бетонов конструкционного и конструкционно-теплоизоляционного назначения с применением пористых заполнителей отечественного производства и минеральных добавок на основе распространенных осадочных пород является перспективным направлением исследований. В настоящее время, несмотря на неослабевающий интерес к модифицированным цементным бетонам, до сих пор не найдено относительно простых и универсальных методов проектирования составов и прогнозирования их свойств. На данный момент одним из наиболее востребованных методов, используемых при оптимизации рецептурно-технологических параметров получения многокомпонентных строительных материалов, является экспериментально-статистическое моделирование. Однако данный метод не только требует корректной формулировки относительно сложной многокритериальной задачи, но зачастую характеризуется относительно невысокой точностью ЭС-моделей, получаемых в результате обработки небольших объемов данных при наличии в их отношении многочисленных допущений. В настоящем проекте предлагается использовать иной подход к решению указанной комплексной задачи, а именно задействовать возможности современных методов машинного обучения, позволяющих эффективно осуществлять поиск корреляций между входными параметрами и предсказывать значения выходных параметров в результате анализа больших массивов данных. Работа в рамках проекта будет проходить в два этапа. На первом будут проведены исследования влияния комплексных добавок на основе осадочных горных пород и суперпластификаторов на закономерности формирования структуры цементного камня и свойства высокопрочных легких бетонов с заполнителями из смеси природного кварцевого песка и полых микросфер отечественного производства. Второй этап будет посвящен оптимизации составов, моделированию процессов структурообразования и прогнозированию свойств высокопрочных модифицированных легких бетонов с применением алгоритмов машинного обучения. Научная новизна исследований заключается в: – выявлении особенностей структурообразования пластифицированных и непластифицированных цементных систем в присутствии активных минеральных добавок пуццоланового действия на основе осадочных горных пород разного химико-минералогического состава – кремневых (опока, трепел и диатомит), глинистых (полиминеральные глины) и карбонатных (известняк и доломит); – оптимизации состава, технологии получения и раскрытии механизма действия в легких бетонах расширяющей добавки, синтезированной в системе «СаСО3 – Al2O3 – CaSO4» при совместной термоактивации смеси карбонатной породы, полиминеральной глины и гипса; – теоретическом обосновании и экспериментальном подтверждении возможности получения легких бетонов конструкционного и конструкционно-теплоизоляционного назначения с высокими эксплуатационными свойствами (сниженной усадкой, высокой прочностью, морозостойкостью, водонепроницаемостью и коррозионной стойкостью), в том числе из высокоподвижных и самоуплотняющихся смесей, за счет применения в качестве заполнителя смеси природного кварцевого песка и полых микросфер, а в качестве модификаторов – оптимальных комплексов суперпластификаторов и минеральных добавок пуццоланового и расширяющего действия на основе осадочных горных пород разного химико-минералогического состава; – раскрытии механизмов деформирования и разрушения высокопрочных легких бетонов под действием изгибающих и сжимающих нагрузок с учетом их состава и параметров структуры; – разработке иерархических экспериментально-теоретических структурных моделей цементного камня с разными комплексами модифицирующих добавок и высокопрочных легких бетонов различной плотности, включающих в себя четыре уровня дисперсности (нано-, микро-, субмикро- и макро-) и позволяющих одновременно учесть основные составляющие структуры цементных систем – как поровое пространство, так и твердую фазу; – создании программных алгоритмов c применением методов машинного обучения, способных быстро и эффективно устанавливать количественные зависимости технологических свойств бетонных смесей, параметров структуры (фазовый состав цементного камня, пористость), физико-технических и теплофизических свойств высокопрочных модифицированных легких бетонов от основных рецептурных факторов с выявлением оптимальных диапазонов их варьирования для достижения требуемых эксплуатационных характеристик.