持続可能なセメントモルタルのための廃ガラス粉末と骨材充填構造の相乗的制御:微細構造メカニズムとXGBoost-PSOインテリジェント混合設計最適化
Synergistic Regulation of Waste Glass Powder and Aggregate Packing Structure for Sustainable Cement Mortar: Microstructural Mechanisms and XGBoost-PSO Intelligent Mix Design Optimization
本研究は、廃ガラス粉末(WGP)の置換率と細骨材の粒度分布がセメントモルタルの機械的性能と微細構造進化に及ぼす複合効果を調査した。5種類の骨材粒度分布と4段階のWGP置換率(0%、8%、10%、12%)で、180個の角柱供試体を用いて圧縮強度と曲げ強度試験を実施した。SEMとMIPにより微細構造メカニズムを特定した。圧縮強度予測モデルとして、線形回帰(LR)、サポートベクター回帰(SVR)、ランダムフォレスト(RF)、極端勾配ブースティング(XGBoost)を比較し、XGBoostが最も高い精度(R2 = 0.9346)を示した。XGBoostは粒子群最適化(PSO)と組み合わされ、制約付き混合設計に適用された。適切な骨材充填は、微細充填、二次ポゾラン反応、細孔精製、界面遷移帯の緻密化を組み合わせることで、WGPの利用を大幅に向上させた。最良の実験的組み合わせ(GCS10-M3)は、基準モルタルと比較して28日強度を圧縮で14.0%、曲げで42.9%増加させた。XGBoost-PSOフレームワークは、試験範囲を超える14.86%のWGPを含む理論的最適解を特定し、予測される28日圧縮強度と曲げ強度はそれぞれ41.10 MPaと8.23 MPaであった。本研究結果は、建築工学用途向けの資源効率の高いモルタル設計のための、メカニズムに基づいたデータ駆動型アプローチを確立するものである。
- 廃ガラス粉末(WGP)置換率と細骨材粒度分布の複合効果を、180個の角柱供試体で圧縮・曲げ強度試験により検証した研究。
- 圧縮強度予測ではXGBoostが最高精度(R2=0.9346)を示し、線形回帰・サポートベクター回帰・ランダムフォレストを上回った。
- XGBoostを粒子群最適化(PSO)と組み合わせた枠組みが、試験範囲外のWGP 14.86%を含む理論的最適配合を特定(28日圧縮41.10 MPa、曲げ8.23 MPa)。
- 最良実験組み合わせ(GCS10-M3)は基準モルタル比で28日圧縮強度14.0%増、曲げ強度42.9%増を達成した。
- SEMとMIPにより、微細充填・二次ポゾラン反応・細孔精製・界面遷移帯の緻密化がWGP利用を高めるメカニズムを特定した。
廃ガラス粉末(WGP)と骨材粒度分布の組み合わせをXGBoost-PSOで最適化し、28日圧縮強度14.0%・曲げ強度42.9%向上を実験で示した研究。建設資材は炭素集約度が高く、廃材活用とデータ駆動型配合設計はセメント系素材メーカーの原価・環境規制対応コストを左右する。ただし現段階は学術研究の段階で、事業化・規制・サプライチェーンへの具体的影響は示されておらず、投資判断には実証試験や産業スケールでの再現性確認が待たれる。