شماره ركورد
34762
پديد آورنده
علي رضا آشناور
عنوان
بهينهسازي رژيم عملآوري مصالح پايه سيماني با استفاده از كربناسيون
مقطع تحصيلي
كارشناسي ارشد
رشته تحصيلي
مهندسي عمران
سال تحصيل
1402
تاريخ دفاع
1404/10/21
استاد راهنما
دكتر سيدسجاد ميرولد؛ دكتر اصغر حبيب نژاد كورايم
استاد مشاور
ندارم
دانشكده
مهندسي عمران
چكيده
عملآوري كربناسيون بتن، بهعنوان يكي از راهكارهاي نوين در حوزه جذب، استفاده و ذخيرهسازي كربن ظرفيت قابلتوجهي در كاهش ردپاي كربن دارد. بهرهبرداري مؤثر از آن، نيازمند درك كمّي و نظاممند از عملكرد آن است. مطالعات اخير اغلب بر رويكردهاي آزمايشگاهي تكيه دارند و چارچوبي يكپارچه و دادهمحور كه بتواند بر اساس شواهد گسترده آزمايشگاهي رفتار عملآوري كربناسيون را مدلسازي، تبيين و بهينهسازي كند، تاكنون ارائه نشده است. پژوهش حاضر بر اساس يك چارچوب دادهمحور انجام شد. نخست، از طريق جستوجوي نظاممند در پايگاه استنادي Scopus و مخازن ديجيتال پاياننامهها، دادههاي آزمايشگاهي 72 سند علمي استخراج و به يك مجموعهداده منسجم تبديل شد. اين مجموعهداده شامل 888 ركورد آزمايشگاهي يكتا و 24 متغير است. جذب كربندياكسيد بهعنوان متغير پيوسته هدف، دو ويژگي كيفي (نوع كامپوزيت و چسباننده) و 21 ويژگي عددي پيوسته شامل اكسيدهاي اصلي تشكيلدهنده ماده چسباننده، نسبت آب به مواد چسباننده، شرايط محيطي مرحله پيش از كربناسيون (مدتزمان، دما، رطوبت و آب خارج شده) و شرايط محيطي مرحله كربناسيون (زمان، فشار، غلظت، دما و رطوبت) تعريف شده است. از چهار خانواده اصلي الگوريتمهاي يادگيري ماشين، چهار مدل ElasticNet، SVR، MLP وCatBoost آموزش داده شد. ارزيابي عملكرد مدلها بر اساس شاخصهاي آماري RMSE، MAE، MAPE وR²، مقايسه مقادير واقعي و پيشبينيشده و اعتبارسنجي متقاطع پنجبخشي انجام گرفت. نتايج نشان ميدهد كهCatBoost بهترين عملكرد را از منظر دقت و تعميمپذيري ارائه كرده است. نتايج اعتبارسنجي متقاطع مدل پنجبخشي اين مدل با R² حدود 91/0 و MAE نزديك به 2/%1، نشان ميدهد كه CatBoost نسبت به نحوه تقسيم دادهها حساسيت محدودي دارد. نتايج تحليل حساسيت مبتني بر SHAP نيز بيان ميكند كه بخش زيادي از رفتار جذب تحتتأثير برهمكنشهاي غيرخطي ميان مدتزمان كربناسيون، تركيب شيميايي چسباننده (بهويژه مقادير CaO و SO₃)، غلظت و ميزان آب خارجشده است. در گام بهينهسازي، يك الگوريتم ژنتيك براي طراحي معكوس توسعه داده شد تا تحت قيود فني، مقادير متغيرهاي فرايندي را براي دستيابي به جذب هدف جستوجو كند. در اعتبارسنجي آزمايشگاهي، اين الگوريتم بهينهسازي، دو سناريوي هدف جذب 10% و 15% را تحت تركيب مختلف قيدها جستوجو كرده است. نتايج آزمايشگاهي نشان داد كه به ترتيب براي اهداف مشخصشده، جذب واقعي برابر با 93/10% و 11/14% است؛ بدين ترتيب انطباق مناسبي ميان پيشبينيها و رفتار واقعي مواد را تأييد ميكند. در گام پاياني، مدل توسعهيافته براي برآورد جذب در قطعات بتني حاوي سيمان پرتلند، سرباره كورهبلند آهنگدازي و سرباره كوره قوس الكتريكي فولاد صنايع ايران، تحت شرايط عملآوري كربناسيون نشان داد كه با انتخاب مناسب نوع و تركيب مواد چسباننده و تنظيم بهينه متغيرهاي عملآوري، امكان توليد قطعات بتني با ظرفيت جذب قابلتوجه و ردپاي كربن كاهشيافته فراهم ميشود.
تاريخ ورود اطلاعات
1405/02/17
عنوان به انگليسي
Optimization of cement-based composites curing regime by carbonation mechanism
تاريخ بهره برداري
1/11/2027 12:00:00 AM
دانشجوي وارد كننده اطلاعات
علي رضا آشناور
چكيده به لاتين
Carbonation curing of concrete, as an emerging approach within carbon capture, utilization, and storage (CCUS), offers significant potential for reducing the carbon footprint of construction materials. Effective utilization of this technique requires a quantitative and systematic understanding of its performance. Recent studies have largely relied on laboratory-scale investigations, and to date, no integrated, data-driven framework has been proposed to model, interpret, and optimize carbonation curing behavior based on broad experimental evidence. In this study, a data-driven framework was developed. First, through a systematic search of the Scopus citation database and digital thesis repositories, experimental data from 72 scientific documents were extracted and consolidated into a coherent dataset. This dataset comprises 888 unique experimental records and 24 variables. Carbon dioxide uptake was defined as the continuous target variable, alongside two categorical features (composite and binder type) and 21 continuous numerical features, including the major oxide compositions of the binder, water-to-binder ratio, pre-conditioning parameters (duration, temperature, humidity, and removed water), and carbonation curing conditions (time, pressure, concentration, temperature, and humidity). Four machine learning models representing four major algorithm families, ElasticNet, SVR, MLP, and CatBoost, were trained. Model performance was evaluated using RMSE, MAE, MAPE, and R² metrics, comparison of actual and predicted values, and 5-fold cross-validation. The results indicate that CatBoost provides the best performance in terms of accuracy and generalization capability. 5-fold cross-validation results, with an R² of approximately 0.91 and an MAE close to 1.2%, demonstrate limited sensitivity of the model to data partitioning. SHAP-based sensitivity analysis further reveals that a substantial portion of CO₂ uptake behavior is governed by nonlinear interactions among carbonation duration, binder oxide compositions (particularly CaO and SO₃ contents), concentration, and removed water. In the optimization stage, a genetic algorithm was configured for inverse design to search for process variable values that achieve a target uptake under technical and engineering constraints. Experimental validation of the optimization framework explored two target uptake scenarios of 10% and 15% under different constraint combinations. Laboratory results showed actual CO₂ uptakes of 10.93% and 14.11%, respectively, confirming good agreement between predictions and real material behavior. In the final stage, the developed model was applied to estimate CO₂ uptake in concrete elements containing Portland cement, blast furnace slag, and electric arc furnace steel slag from Iranian industries under carbonation curing conditions. The results demonstrate that, through appropriate selection and combination of binder materials and optimal adjustment of curing parameters, the production of concrete elements with substantial CO₂ uptake capacity and a reduced carbon footprint is achievable.
كليدواژه هاي فارسي
عملآوري كربناسيون , جذب كربندياكسيد , يادگيري ماشين , الگوريتم ژنتيك , بهينهسازي
كليدواژه هاي لاتين
carbonation curing , carbon dioxide uptake , machine learning , genetic algorithm , optimization
Author
Alireza Ashnavar
SuperVisor
Dr. Sajjad Mirvalad; Dr. Asghar Habibnejad Korayem