Published December 1, 2023 | Version v1
Publication

Enhancing compressive strength prediction in self-compacting concrete using machine learning and deep learning techniques with incorporation of rice husk ash and marble powder

  • 1. University of Engineering and Technology Taxila
  • 2. King Khalid University
  • 3. Gheorghe Asachi Technical University of Iași

Description

Focusing on sustainable development, the demand for alternative materials in concrete, especially for Self-Compacting Concrete (SCC), has risen due to excessive cement usage and resulting CO2 emissions. As Compressive Strength (CS) is dominant among concrete properties, this research concentrates on developing SCC by incorporating Rice Husk Ash (RHA) and Marble Powder (MP) as cement and filler replacements, respectively, while applying Machine Learning (ML) and Deep Learning (DL) techniques to forecast the CS of RHA/MP-based SCC. The research further evaluates material characteristics, with a strong emphasis on ML and DL for CS prediction. Concrete samples with various mixed ratios were cast and examined after 91 days to collect data for model application. In the experimental technique, 133 samples were gathered, and CS was predicted using seven input factors (cement, RHA, MP, superplasticizer, coarse aggregate, fine aggregate, and water) in an 80:20 ratio. Various ML algorithms, including linear regression, ridge regression, lasso regression, K-nearest neighbors (KNN), support vector machine (SVM), decision tree (DT), random forest (RF), and boosting methods such as gradient boost (GB), XG boost (XGB), and adaptive boosting (ADB) are employed, along with the DL technique of backpropagation neural network (BPNN) with different optimizer algorithms (Adam, SGD, RMSprop) to predict CS in RHA/MP-based SCC. The predicted data is further validated using evaluation parameters such as R-squared (R2), mean squared error (MSE), normalized root mean squared error (NRMSE), mean absolute error (MAE), and mean absolute percentage error (MAPE). Comparatively, ML ensemble algorithms and BPNN using Adam and RMSprop optimizers demonstrate high accuracy in predicting CS outcomes, indicated by their high coefficient correlation R2 values and low error values.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

مع التركيز على التنمية المستدامة، ارتفع الطلب على المواد البديلة في الخرسانة، وخاصة للخرسانة ذاتية الضغط (SCC)، بسبب الاستخدام المفرط للأسمنت وانبعاثات ثاني أكسيد الكربون الناتجة. نظرًا لأن قوة الانضغاط (CS) هي السائدة بين الخصائص الخرسانية، يركز هذا البحث على تطوير SCC من خلال دمج رماد قشر الأرز (RHA) ومسحوق الرخام (MP) كبدائل للأسمنت والحشو، على التوالي، أثناء تطبيق تقنيات التعلم الآلي (ML) والتعلم العميق (DL) للتنبؤ بـ CS لـ SCC القائم على RHA/MP. يقيّم البحث كذلك الخصائص المادية، مع التركيز القوي على تعلم الآلة والتعلم الرقمي للتنبؤ بعلوم الكمبيوتر. تم صب عينات خرسانية بنسب مختلطة مختلفة وفحصها بعد 91 يومًا لجمع البيانات لتطبيق النموذج. في التقنية التجريبية، تم جمع 133 عينة، وتم التنبؤ بـ CS باستخدام سبعة عوامل إدخال (الأسمنت، RHA، MP، الملدن الفائق، الركام الخشن، الركام الناعم، والماء) بنسبة 80:20. يتم استخدام خوارزميات ML مختلفة، بما في ذلك الانحدار الخطي، وانحدار الحافة، وانحدار اللاسو، وأقرب جيران KNN، وآلة ناقلات الدعم (SVM)، وشجرة القرار (DT)، والغابة العشوائية (RF)، وطرق التعزيز مثل تعزيز التدرج (GB)، وتعزيز XG (XGB)، والتعزيز التكيفي (ADB)، إلى جانب تقنية DL للشبكة العصبية للانتشار الخلفي (BPNN) مع خوارزميات محسن مختلفة (ADAM، SGD، RMSprop) للتنبؤ بـ CS في SCC القائم على RHA/MP. يتم التحقق من صحة البيانات المتوقعة باستخدام معلمات التقييم مثل R - squared (R2)، متوسط الخطأ التربيعي (MSE)، متوسط الخطأ التربيعي للجذر التربيعي (NRMSE)، متوسط الخطأ المطلق (MAE)، ومتوسط الخطأ المطلق بالنسبة المئوية (MAPE). بالمقارنة، تُظهر خوارزميات مجموعة ML و BPNN باستخدام محسنات ADAM و RMS دقة عالية في التنبؤ بنتائج CS، والتي تشير إليها قيم R2 لارتباط المعاملات العالية وقيم الخطأ المنخفضة.

Translated Description (French)

En se concentrant sur le développement durable, la demande de matériaux alternatifs dans le béton, en particulier pour le béton autocompactant (SCC), a augmenté en raison de l'utilisation excessive de ciment et des émissions de CO2 qui en résultent. Comme la résistance à la compression (CS) est dominante parmi les propriétés du béton, cette recherche se concentre sur le développement du CSC en incorporant Rice Husk Ash (RHA) et Marble Powder (MP) comme remplacements de ciment et de charge, respectivement, tout en appliquant les techniques d'apprentissage automatique (ML) et d'apprentissage profond (DL) pour prévoir le CS du CSC basé sur RHA/MP. La recherche évalue en outre les caractéristiques des matériaux, en mettant fortement l'accent sur la ML et la DL pour la prédiction de la CS. Des échantillons de béton avec divers rapports mixtes ont été coulés et examinés après 91 jours pour recueillir des données pour l'application du modèle. Dans la technique expérimentale, 133 échantillons ont été recueillis et la CS a été prédite à l'aide de sept facteurs d'entrée (ciment, RHA, MP, superplastifiant, agrégat grossier, agrégat fin et eau) dans un rapport de 80:20. Divers algorithmes de ML, y compris la régression linéaire, la régression de crête, la régression lasso, les plus proches voisins K (KNN), la machine à vecteur de support (SVM), l'arbre de décision (DT), la forêt aléatoire (RF) et les méthodes d'amplification telles que l'amplification de gradient (GB), l'amplification XG (XGB) et l'amplification adaptative (ADB) sont utilisés, ainsi que la technique DL du réseau neuronal de rétropropagation (BPNN) avec différents algorithmes d'optimisation (Adam, SGD, RMSprop) pour prédire CS dans le SCC basé sur RHA/MP. Les données prédites sont ensuite validées à l'aide de paramètres d'évaluation tels que R-carré (R2), erreur quadratique moyenne (MSE), erreur quadratique moyenne normalisée (NRMSE), erreur absolue moyenne (MAE) et erreur en pourcentage absolue moyenne (MAPE). Comparativement, les algorithmes d'ensemble ML et BPNN utilisant des optimiseurs Adam et RMSprop démontrent une grande précision dans la prédiction des résultats CS, indiquée par leurs valeurs R2 de corrélation à coefficient élevé et leurs faibles valeurs d'erreur.

Translated Description (Spanish)

Centrándose en el desarrollo sostenible, la demanda de materiales alternativos en el hormigón, especialmente para el hormigón autocompactante (SCC), ha aumentado debido al uso excesivo de cemento y las emisiones de CO2 resultantes. Como la Resistencia a la Compresión (CS) es dominante entre las propiedades del concreto, esta investigación se concentra en el desarrollo de SCC mediante la incorporación de Ceniza de Cáscara de Arroz (RHA) y Polvo de Mármol (MP) como reemplazos de cemento y relleno, respectivamente, al tiempo que aplica técnicas de Aprendizaje Automático (ML) y Aprendizaje Profundo (DL) para pronosticar el CS de SCC basado en RHA/MP. La investigación evalúa además las características del material, con un fuerte énfasis en ML y DL para la predicción de CS. Se fundieron muestras de concreto con varias proporciones mixtas y se examinaron después de 91 días para recopilar datos para la aplicación del modelo. En la técnica experimental, se recolectaron 133 muestras y se predijo el CS utilizando siete factores de entrada (cemento, RHA, MP, superplastificante, agregado grueso, agregado fino y agua) en una proporción de 80:20. Se emplean varios algoritmos de ML, que incluyen regresión lineal, regresión de cresta, regresión de lazo, vecinos K-más cercanos (KNN), máquina de vectores de soporte (SVM), árbol de decisión (DT), bosque aleatorio (RF) y métodos de refuerzo como refuerzo de gradiente (GB), XG Boost (XGB) y refuerzo adaptativo (ADB), junto con la técnica DL de red neuronal de retropropagación (BPNN) con diferentes algoritmos optimizadores (Adam, SGD, RMSprop) para predecir CS en SCC basado en RHA/MP. Los datos predichos se validan adicionalmente utilizando parámetros de evaluación como R-cuadrado (R2), error cuadrático medio (MSE), error cuadrático medio normalizado (NRMSE), error absoluto medio (MAE) y error porcentual absoluto medio (MAPE). Comparativamente, los algoritmos de conjunto ML y BPNN que utilizan optimizadores Adam y RMSprop demuestran una alta precisión en la predicción de los resultados de CS, lo que se indica por sus altos valores R2 de correlación de coeficientes y bajos valores de error.

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
تعزيز التنبؤ بقوة الانضغاط في الخرسانة ذاتية الضغط باستخدام التعلم الآلي وتقنيات التعلم العميق مع دمج رماد قشر الأرز ومسحوق الرخام
Translated title (French)
Amélioration de la prédiction de la résistance à la compression dans le béton auto-compactant à l'aide de techniques d'apprentissage automatique et d'apprentissage en profondeur avec incorporation de cendres de balle de riz et de poudre de marbre
Translated title (Spanish)
Mejora de la predicción de la resistencia a la compresión en hormigón autocompactante utilizando técnicas de aprendizaje automático y aprendizaje profundo con la incorporación de ceniza de cáscara de arroz y polvo de mármol

Identifiers

Other
https://openalex.org/W4387425877
DOI
10.1016/j.cscm.2023.e02557

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Pakistan

References

  • https://openalex.org/W1435587914
  • https://openalex.org/W2008266565
  • https://openalex.org/W2022866598
  • https://openalex.org/W2042744485
  • https://openalex.org/W2057586839
  • https://openalex.org/W2062400755
  • https://openalex.org/W2523984406
  • https://openalex.org/W2556448491
  • https://openalex.org/W2604778313
  • https://openalex.org/W2605705707
  • https://openalex.org/W2758887415
  • https://openalex.org/W2768462867
  • https://openalex.org/W2790811612
  • https://openalex.org/W2801109231
  • https://openalex.org/W2802261995
  • https://openalex.org/W2805102297
  • https://openalex.org/W2808347778
  • https://openalex.org/W2810365903
  • https://openalex.org/W2893482420
  • https://openalex.org/W2909925690
  • https://openalex.org/W2922332907
  • https://openalex.org/W2925700532
  • https://openalex.org/W2945567411
  • https://openalex.org/W2947117170
  • https://openalex.org/W2954302072
  • https://openalex.org/W2969332153
  • https://openalex.org/W2970393605
  • https://openalex.org/W2976353133
  • https://openalex.org/W3009671589
  • https://openalex.org/W3014739067
  • https://openalex.org/W3023627034
  • https://openalex.org/W3035850954
  • https://openalex.org/W3119645134
  • https://openalex.org/W3158698769
  • https://openalex.org/W3216960559
  • https://openalex.org/W4205531097
  • https://openalex.org/W4205709586
  • https://openalex.org/W4220967528
  • https://openalex.org/W4282829366
  • https://openalex.org/W4285679272
  • https://openalex.org/W4288718275
  • https://openalex.org/W4296444895
  • https://openalex.org/W4296855094
  • https://openalex.org/W4297321899
  • https://openalex.org/W4308347678
  • https://openalex.org/W4308498506
  • https://openalex.org/W4308769935
  • https://openalex.org/W4309081327
  • https://openalex.org/W4319160660
  • https://openalex.org/W4319997073
  • https://openalex.org/W4321769165
  • https://openalex.org/W4327750088
  • https://openalex.org/W4361271849
  • https://openalex.org/W4366498258
  • https://openalex.org/W4366713856
  • https://openalex.org/W4375853279
  • https://openalex.org/W4375949062
  • https://openalex.org/W4380373694
  • https://openalex.org/W4380758868
  • https://openalex.org/W4380880364
  • https://openalex.org/W4381186221
  • https://openalex.org/W4381548029
  • https://openalex.org/W4384563103
  • https://openalex.org/W4384937686
  • https://openalex.org/W4385236870
  • https://openalex.org/W4385397974