Elucidating the constitutive relationship of calcium–silicate–hydrate gel using high throughput reactive molecular simulations and machine learning
- 1. University of Rhode Island
- 2. Indian Institute of Technology Delhi
Description
Abstract Prediction of material behavior using machine learning (ML) requires consistent, accurate, and, representative large data for training. However, such consistent and reliable experimental datasets are not always available for materials. To address this challenge, we synergistically integrate ML with high-throughput reactive molecular dynamics (MD) simulations to elucidate the constitutive relationship of calcium–silicate–hydrate (C–S–H) gel—the primary binding phase in concrete formed via the hydration of ordinary portland cement. Specifically, a highly consistent dataset on the nine elastic constants of more than 300 compositions of C–S–H gel is developed using high-throughput reactive simulations. From a comparative analysis of various ML algorithms including neural networks (NN) and Gaussian process (GP), we observe that NN provides excellent predictions. To interpret the predicted results from NN, we employ SHapley Additive exPlanations (SHAP), which reveals that the influence of silicate network on all the elastic constants of C–S–H is significantly higher than that of water and CaO content. Additionally, the water content is found to have a more prominent influence on the shear components than the normal components along the direction of the interlayer spaces within C–S–H. This result suggests that the in-plane elastic response is controlled by water molecules whereas the transverse response is mainly governed by the silicate network. Overall, by seamlessly integrating MD simulations with ML, this paper can be used as a starting point toward accelerated optimization of C–S–H nanostructures to design efficient cementitious binders with targeted properties.
Translated Descriptions
Translated Description (Arabic)
يتطلب التنبؤ التجريدي بالسلوك المادي باستخدام التعلم الآلي بيانات كبيرة متسقة ودقيقة وتمثيلية للتدريب. ومع ذلك، فإن مجموعات البيانات التجريبية المتسقة والموثوقة هذه ليست متاحة دائمًا للمواد. لمواجهة هذا التحدي، نقوم بدمج التعلم الآلي بشكل تآزري مع محاكاة الديناميكيات الجزيئية التفاعلية عالية الإنتاجية (MD) لتوضيح العلاقة التأسيسية لجل الكالسيوم- سيليكات- هيدرات (C - S - H) - مرحلة الربط الأولية في الخرسانة التي تشكلت من خلال ترطيب الأسمنت البورتلاندي العادي. على وجه التحديد، تم تطوير مجموعة بيانات متسقة للغاية على الثوابت المرنة التسعة لأكثر من 300 تركيبة من جل C - S - H باستخدام محاكاة تفاعلية عالية الإنتاجية. من خلال تحليل مقارن لمختلف خوارزميات التعلم الآلي بما في ذلك الشبكات العصبية (NN) وعملية غاوس (GP)، نلاحظ أن NN توفر تنبؤات ممتازة. لتفسير النتائج المتوقعة من NN، نستخدم SHapley Additive exPlanations (SHAP)، والتي تكشف أن تأثير شبكة السيليكات على جميع الثوابت المرنة لـ C - S - H أعلى بكثير من تأثير الماء ومحتوى CaO. بالإضافة إلى ذلك، وجد أن محتوى الماء له تأثير أكثر بروزًا على مكونات القص من المكونات العادية على طول اتجاه المساحات البينية داخل C - S - H. تشير هذه النتيجة إلى أن الاستجابة المرنة داخل الطائرة تتحكم فيها جزيئات الماء في حين أن الاستجابة المستعرضة تحكمها بشكل أساسي شبكة السيليكات. بشكل عام، من خلال دمج محاكاة MD بسلاسة مع ML، يمكن استخدام هذه الورقة كنقطة انطلاق نحو التحسين المتسارع للهياكل النانوية C - S - H لتصميم مواد رابطة أسمنتية فعالة مع خصائص مستهدفة.Translated Description (French)
Résumé La prédiction du comportement matériel à l'aide de l'apprentissage automatique (ML) nécessite des données cohérentes, précises et représentatives pour la formation. Cependant, ces ensembles de données expérimentales cohérentes et fiables ne sont pas toujours disponibles pour les matériaux. Pour relever ce défi, nous intégrons en synergie la ML avec des simulations de dynamique moléculaire réactive (MD) à haut débit pour élucider la relation constitutive du gel calcium–silicate–hydrate (C–S–H) - la phase de liaison primaire dans le béton formé via l'hydratation du ciment portland ordinaire. Plus précisément, un ensemble de données très cohérent sur les neuf constantes élastiques de plus de 300 compositions de gel C–S–H est développé à l'aide de simulations réactives à haut débit. À partir d'une analyse comparative de divers algorithmes de ML, y compris les réseaux neuronaux (NN) et le processus gaussien (GP), nous observons que NN fournit d'excellentes prédictions. Pour interpréter les résultats prédits à partir de NN, nous utilisons SHapley Additive exPlanations (SHAP), qui révèle que l'influence du réseau de silicate sur toutes les constantes élastiques du C–S–H est significativement plus élevée que celle de l'eau et de la teneur en CaO. De plus, la teneur en eau s'avère avoir une influence plus importante sur les composants de cisaillement que les composants normaux le long de la direction des espaces intercalaires dans C–S–H. Ce résultat suggère que la réponse élastique dans le plan est contrôlée par des molécules d'eau alors que la réponse transversale est principalement régie par le réseau de silicate. Dans l'ensemble, en intégrant de manière transparente les simulations MD avec ML, ce document peut être utilisé comme point de départ vers une optimisation accélérée des nanostructures C–S–H pour concevoir des liants cimentaires efficaces avec des propriétés ciblées.Translated Description (Spanish)
Resumen La predicción del comportamiento del material mediante el aprendizaje automático (ML) requiere grandes datos consistentes, precisos y representativos para la capacitación. Sin embargo, estos conjuntos de datos experimentales consistentes y confiables no siempre están disponibles para los materiales. Para abordar este desafío, integramos sinérgicamente ML con simulaciones de dinámica molecular reactiva (MD) de alto rendimiento para dilucidar la relación constitutiva del gel de silicato de calcio-hidrato (C–S–H), la fase de unión primaria en el concreto formado a través de la hidratación del cemento portland ordinario. Específicamente, se desarrolla un conjunto de datos altamente consistente sobre las nueve constantes elásticas de más de 300 composiciones de gel C–S–H utilizando simulaciones reactivas de alto rendimiento. A partir de un análisis comparativo de varios algoritmos de ML, incluidas las redes neuronales (NN) y el proceso gaussiano (GP), observamos que NN proporciona excelentes predicciones. Para interpretar los resultados predichos de NN, empleamos SHapley Additive exPlanations (SHAP), que revela que la influencia de la red de silicatos en todas las constantes elásticas de C–S–H es significativamente mayor que la del contenido de agua y CaO. Además, se encuentra que el contenido de agua tiene una influencia más prominente en los componentes de cizallamiento que los componentes normales a lo largo de la dirección de los espacios entre capas dentro de C–S–H. Este resultado sugiere que la respuesta elástica en el plano está controlada por moléculas de agua, mientras que la respuesta transversal está gobernada principalmente por la red de silicatos. En general, al integrar sin problemas las simulaciones MD con ML, este documento se puede utilizar como punto de partida hacia la optimización acelerada de las nanoestructuras C–S–H para diseñar aglutinantes cementosos eficientes con propiedades específicas.Files
s41598-020-78368-1.pdf.pdf
Files
(3.2 MB)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:9c5fd4003cd25698bd145d037663f4e1
|
3.2 MB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- توضيح العلاقة التأسيسية بين هلام الكالسيوم وسيليكات الهيدرات باستخدام المحاكاة الجزيئية التفاعلية عالية الإنتاجية والتعلم الآلي
- Translated title (French)
- Élucider la relation constitutive du gel de calcium–silicate–hydrate à l'aide de simulations moléculaires réactives à haut débit et d'apprentissage automatique
- Translated title (Spanish)
- Elucidar la relación constitutiva del gel de silicato de calcio-hidrato utilizando simulaciones moleculares reactivas de alto rendimiento y aprendizaje automático
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W3112399955
- DOI
- 10.1038/s41598-020-78368-1
References
- https://openalex.org/W1589491906
- https://openalex.org/W16796217
- https://openalex.org/W1988250469
- https://openalex.org/W1992985800
- https://openalex.org/W2005343406
- https://openalex.org/W2006576711
- https://openalex.org/W2015995378
- https://openalex.org/W2019465613
- https://openalex.org/W2022551584
- https://openalex.org/W2027879406
- https://openalex.org/W2036887984
- https://openalex.org/W2040870580
- https://openalex.org/W2045735984
- https://openalex.org/W2047157588
- https://openalex.org/W2051808767
- https://openalex.org/W2059107675
- https://openalex.org/W2061222223
- https://openalex.org/W2066013784
- https://openalex.org/W2074130417
- https://openalex.org/W2087429753
- https://openalex.org/W2087746185
- https://openalex.org/W2088053778
- https://openalex.org/W2098878672
- https://openalex.org/W2121723464
- https://openalex.org/W2134329894
- https://openalex.org/W2147793947
- https://openalex.org/W2151800733
- https://openalex.org/W2158263181
- https://openalex.org/W2160815766
- https://openalex.org/W2180517407
- https://openalex.org/W2256796438
- https://openalex.org/W2486570794
- https://openalex.org/W2560015729
- https://openalex.org/W2607650933
- https://openalex.org/W2612690371
- https://openalex.org/W2750653012
- https://openalex.org/W2750782099
- https://openalex.org/W2758887415
- https://openalex.org/W2763205895
- https://openalex.org/W2776584838
- https://openalex.org/W2886883896
- https://openalex.org/W2893769615
- https://openalex.org/W2949355451
- https://openalex.org/W2963784900
- https://openalex.org/W2967816396
- https://openalex.org/W2972103119
- https://openalex.org/W3015646671
- https://openalex.org/W3023506293
- https://openalex.org/W3034690344
- https://openalex.org/W3099654956
- https://openalex.org/W4211049957
- https://openalex.org/W4239377123