Conception d'un modèle d'apprentissage automatique pour la fabrication précise de composites cimentaires verts modifiés avec des déchets de poudre de granit

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 13242 (2022) Citer cet article

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Dans cette étude, un modèle d'apprentissage automatique pour la fabrication précise de composites cimentaires verts modifiés avec de la poudre de granit provenant de déchets de carrière a été conçu. À cette fin, des modèles d'arbre de décision, de forêt aléatoire et d'ensemble AdaBoost ont été utilisés et comparés. Une base de données a été créée contenant 216 ensembles de données basées sur une étude expérimentale. La base de données comprend des paramètres tels que le pourcentage de ciment remplacé par de la poudre de granit, la durée des tests et les conditions de durcissement. Il a été démontré que cette méthode de conception de mélanges composites de ciment vert, en termes de prévision de la résistance à la compression à l'aide de modèles d'ensemble et de seulement trois paramètres d'entrée, peut être plus précise et beaucoup plus précise que l'approche conventionnelle. De plus, à la connaissance des auteurs, l’intelligence artificielle est l’une des méthodes les plus efficaces et les plus précises utilisées dans l’industrie de la conception et de la fabrication au cours des dernières décennies. La simplicité de cette méthode la rend plus adaptée à la pratique de la construction en raison de la facilité d'évaluation des variables d'entrée. À mesure que les efforts visant à réduire les émissions de carbone s’accentuent, une méthode plus précise que les tests traditionnels effectués en laboratoire pour concevoir des composites cimentaires verts sans produire de déchets est essentielle.

L'utilisation d'adjuvants dans la fabrication de ce que l'on appelle les « composites cimentaires verts » a récemment joué un rôle plus important dans le développement durable. Cela est principalement dû à la récente tendance mondiale visant à réduire la quantité de dioxyde de carbone (CO2) générée lors de la production de ciment Portland1,2. Ces composites sont « verts » en raison de l'incorporation d'adjuvants résiduels et en remplacement partiel du ciment. Ces adjuvants comprennent principalement les cendres volantes, le laitier granulé broyé de haut fourneau (GGBFS) et la poudre de granit3,4,5. Une raison supplémentaire en faveur de leur utilisation est le fait que ces matériaux sont des déchets issus de divers processus industriels6.

L’utilisation de poudre de granit comme adjuvant dans les mortiers présente principalement un intérêt car ce matériau est difficilement recyclable. Habituellement, ces déchets minéraux sont stockés mais ont un temps de décomposition supérieur à 1 000 000 d'années. Le granit est extrêmement dangereux sous forme de poudre car les particules de poudre sont souvent en suspension dans l'air et pénètrent dans le sol et l'eau. Ainsi, les poudres de déchets minéraux peuvent potentiellement provoquer une insuffisance respiratoire chez les humains et les animaux. De plus, son élimination entraîne une pollution de l’eau et une pollinisation des plantes (ce qui est préjudiciable à l’environnement). L'incorporation de déchets minéraux en poudre dans un matériau solide (tel que du mortier ou du béton) réduit ses effets dangereux, atténuant ainsi leur nocivité7. Récemment, un nombre croissant d’études se sont concentrées sur le comportement des composites cimentaires contenant de la poudre de granit. Cette recherche est particulièrement liée aux propriétés mécaniques des composites cimentaires durcis (par exemple, résistance à la compression8, résistance à la flexion9, résistance à la rupture en traction10).

La méthodologie conventionnelle pour identifier la résistance à la compression des composites cimentaires nécessite des tests destructifs en laboratoire. Malheureusement, ces tests sont très coûteux et prennent beaucoup de temps. Par exemple, dans l’Union européenne, il ne coûte pas moins de 100 euros pour tester une série de composites. Ces tests étant destructifs, ils sont effectués sur un nombre limité d’échantillons, ce qui peut conduire à des résultats imprécis. Cela rend la méthodologie conventionnelle inefficace et augmente l’empreinte carbone du processus d’obtention des propriétés mécaniques. De plus, comme les méthodes traditionnelles11 ne permettent pas d’évaluer la résistance à la compression d’un mortier contenant une grande quantité (supérieure à 15 % de la masse de ciment) de poudre de granit en remplacement du ciment, une méthode plus précise est nécessaire. À la connaissance des auteurs, l’intelligence artificielle est l’une des méthodes les plus efficaces et les plus précises utilisées dans l’industrie de la conception et de la fabrication au cours des dernières décennies.