КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер проекта 21-73-00228
НазваниеПроектирование составов, моделирование структуры и свойств высокопрочных легких бетонов с применением методов машинного обучения
Руководитель Балыков Артемий Сергеевич, Кандидат технических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарёва" , Республика Мордовия
Конкурс №60 - Конкурс 2021 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными
Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-603 - Фундаментальные основы создания новых металлических, керамических и композиционных материалов
Ключевые слова высокопрочный легкий бетон, цементная система, модификатор, осадочная горная порода, полая микросфера, компьютерное материаловедение, состав, структура, свойство, оптимизация, моделирование, алгоритм, машинное обучение, энергоэффективность
Код ГРНТИ67.09.33
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
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.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ