مدل‌های شبکه عصبی پیش بینی انرژی و چقرمگی شکست مخلوط‌های آسفالتی مبتنی بر نتایج آزمایش خمش نیم‌دایره‌ای (SCB)

نوع مقاله : یادداشت فنی

نویسندگان

دانشکده مهندسی عمران، دانشکدگان فنی، دانشگاه تهران، تهران، ایران

10.24200/j30.2025.64904.3353

چکیده

اندازه‌گیری خصوصیات شکست در آزمایش خمش نیم ‌دایره‌ای (SCB) مخلوط‌های آسفالتی در دهه گذشته گسترش وسیعی یافته و نتایج مطالعات آزمایشگاهی در این زمینه در مقالات متعددی انتشاریافته است. هدف این مقاله ایجاد و توسعه مدل‌های شبکه عصبی به‌ منظور پیش‌بینی انرژی شکست و چقرمگی شکست مخلوط‌های آسفالتی بر مبنای اصول داده‌کاوی است. بدین منظور، تعداد 3290 داده حاصل از نتایج آزمایش شکست SCB نمونه‌های آسفالتی از 102 مقاله معتبر جمع‌آوری شد که 1627 داده برای پیش‌بینی انرژی شکست و 1663 داده برای محاسبه چقرمگی شکست مورد استفاده قرار گرفت. لایه ورودی‌ شبکه‌های عصبی شامل داده‌های جمع‌آوری شده از مُد شکست، سرعت بارگذاری، دمای آزمایش، ضخامت نمونه، عمق شیار، وجود اصلاح‌کننده، بزرگ‌ترین اندازه اسمی سنگدانه، درصدهوا، درصد قیر، پیرشدگی، و نوع قیر مخلوط‌ آسفالتی در نظر گرفته شده، و در لایه خروجی انرژی و چقرمگی شکست برای هر ورودی‌ مفروض تولید می‌شوند. نتایج نشان میدهند مدلهای شبکه عصبی ساخته شده می‌توانند انرژی شکست را با دقت 75٪ و چقرمگی شکست را با دقت 70٪ پیش‌بینی ‌کنند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Neural Network Models for Predicting Fracture Energy and Toughness of Asphalt Mixtures Based on Semi-circular Bending (SCB) Test Results

نویسندگان [English]

  • Mohammad Samanipour
  • Mohammad Zia Alavi
  • Abbas Babazadeh
School of Civil Engineering, College of Engineering, University of Tehran, Tehran, Iran
چکیده [English]

The measurement of failure characteristics in the semi-circular bending (SCB) test of asphalt mixtures has significantly expanded over the last decade, with laboratory study results being published in numerous studies. The purpose of this article is to develop neural network models to predict the fracture energy and fracture toughness of asphalt mixtures based on data mining principles. For this purpose, 3290 data points from SCB fracture test results of asphalt samples were collected from 102 credible articles. Out of these, 1627 data points are used to predict fracture energy and 1663 data points are used to predict fracture toughness.

The input layer of the neural networks includes data collected on fracture mode, loading rate, test temperature, sample thickness, notch dimension, presence of modifier, maximum nominal aggregate size, air percentage, binder percentage, aging, and binder type of asphalt mixtures. The output layer generates the energy and fracture toughness for each assumed input. The results show that the constructed neural network models can predict fracture energy with 75% accuracy and fracture toughness with 70% accuracy.

The sensitivity analysis reveals that the loading rate, test temperature, airvoid percentage, and binder percentage are the most influential characteristics on the prediction models' results. The integration of data mining principles and neural network algorithms enhances the prediction accuracy of asphalt mixture properties, which can aid in designing more durable pavement materials.

The accuracy of the models was validated using metrics such as Root Mean Squared Error (RMSE) and Mean Squared Error (MSE), with RMSE values of 0.727 for fracture energy and 0.170 for fracture toughness. The regression analysis between actual and predicted values showed R² values of 0.75 for fracture energy and 0.70 for fracture toughness, indicating robust model performance.

In conclusion, the neural network models based on collected SCB test data exhibit acceptable performance in predicting the fracture energy and toughness of asphalt mixtures. The study's findings highlight the importance of considering key input variables such as airvoid percentage, binder percentage, test temperature, and loading rate in developing reliable predictive models for asphalt mixture behavior.

کلیدواژه‌ها [English]

  • asphalt mixtures
  • semi-circular bending test
  • fracture energy
  • fracture toughness
  • neural network