Sequential experimentation and multi-criteria analysis for structural concrete mixtures using fly ash, silica nanoparticles, and plastic aggregates

Abstract

This study explored the use of plastic aggregate and supplementary cementitious materials (SCMs) as an alternative to natural aggregates and Portland cement (PC) in concrete production with structural properties (compressive strength ≥ 17 MPa). The goal was to reduce the environmental impact of concrete production while maintaining its mechanical properties at a minimum cost. To optimize these alternative concrete mixtures, the study conducted a series of experimental mixture designs incorporating silica nanoparticles (nS), fly ash (FA), and plastic. A screening experiment was conducted to replace coarse aggregate with plastic wholly and partially, considering all concrete mixture components, two process variables, and various constraints. Sequential experiments investigated the use of SCMs and plastic aggregates to replace both fine and coarse aggregates. Then, prediction models were fitted using Ordinary Least Squares with Stepwise (OLS-SW) and Gaussian processes (GP) followed by an iterative model-based validation process to extract feasible solutions. Finally, characterization tests were performed to understand how the incorporation of SCMs and plastic aggregates affects the mechanical properties of concrete. Results indicated that replacing coarse aggregate with plastic was more viable than replacing fine aggregate. The best prediction model was obtained using GP, having a Mean Absolute Error (MAE) of 2.8 MPa, while the MAE of OLS-SW was 3.4 MPa. The last iteration of the methodology reduced the necessary nS percentage in the optimal mixture, reducing the mixture costs compared with the first iteration from $296.00 to $258.00 for a cubic meter of concrete mixture. An optimal concrete mixture containing 1% nS and 17.7% FA by cementitious material weight and 34.7% plastic by coarse aggregate volume achieved structural strength (19 MPa) at 7 days. Permeability test results indicated that concrete samples containing plastic and SCMs were less permeable (i.e., more durable) than those without these materials. The modulus of elasticity is approximately 44% less than that of mixtures made without plastic and SCMs, making them more ductile. Splitting test results determined a tensile strength of 5.8 MPa (25% of 7-day compressive strength). Lastly, 56-day compressive strength tests carried out on concrete samples subjected to high temperatures (300 °C) determined that this temperature minimally decreased the concrete compressive strength, maintaining its structural strength.

Esta investigación exploró el uso de agregados plásticos y materiales cementicios suplementarios como una alternativa a los agregados naturales y al cemento Portland en la producción de concreto con propiedades estructurales (resistencia a la compresión ≥ 17 MPa). El objetivo era reducir el impacto medioambiental de la producción de hormigón manteniendo sus propiedades mecánicas a un costo mínimo. Para optimizar estas mezclas de hormigón alternativas, el estudio llevó a cabo una serie de diseños de mezclas experimentales que incorporaban nanopartículas de sílice, cenizas volantes y plástico. Se llevó a cabo un experimento de selección para reemplazar total y parcialmente el agregado grueso con plástico, considerando todos los componentes de la mezcla de concreto, dos variables del proceso y varias restricciones. Experimentos secuenciales estudiaron el uso de materiales cementicios suplementarios y agregados plásticos para reemplazar agregados finos y gruesos. Luego, los modelos de predicción se ajustaron utilizando “Ordinary Least Squares - stepwise” y “Gaussian process”, seguidos de un proceso de validación iterativo basado en modelos para obtener soluciones factibles. Finalmente, se realizaron ensayos de caracterización para entender cómo afecta la incorporación de materiales cementicios suplementarios y agregados plásticos a las propiedades mecánicas del hormigón. Los resultados indicaron que reemplazar agregado grueso con plástico era más viable que reemplazar agregado fino. El mejor modelo de predicción se obtuvo utilizando “Gaussian Process”, teniendo un Error Absoluto Medio de 2.8 MPa, mientras que el Error Absoluto Medio del “Ordinary Least Squares – stepwise” fue de 3.4 MPa. La última iteración de la metodología redujo el porcentaje de nS necesario en las mezclas óptimas, reduciendo los costos en comparación con la primera iteración de $296,00 a $258,00 por un metro cúbico de mezcla de hormigón. Una mezcla óptima de hormigón que contenía 1% de nanosílice y 17.7% de ceniza volante por peso de material cementicio y 34.7% del plástico por volumen de agregado grueso alcanzó una resistencia estructural (19 MPa) a los 7 días. Los resultados de las pruebas de permeabilidad indicaron que las muestras de concreto que contenían plástico y materiales cementicios eran menos permeables (es decir, más duraderas) que aquellas sin estos materiales. El módulo de elasticidad es aproximadamente un 44% menor que el de las mezclas hechas sin plástico ni materiales cementicios suplementarios, lo que las hace más dúctiles. Los resultados de la prueba de tensión determinaron una resistencia a la tensión de 5.8 MPa (25% de la resistencia a la compresión en 7 días). Finalmente, los ensayos de resistencia a la compresión de 56 días realizados sobre muestras de concreto sometidas a altas temperaturas (300 °C) determinaron que esta temperatura disminuyó mínimamente la resistencia a la compresión del concreto, manteniendo su resistencia estructural.