dissertação

Enhancing prediction accuracy of portland cement compressive strength at low cost using machine learning and chemometric techniques

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Dados abertos

Resumo

O cimento Portland é essencial na construção civil, servindo como base para a produção de con- creto em infraestruturas modernas. A resistência à compressão aos 28 dias é um fator crítico para garantir a durabilidade das estruturas, sendo influenciada por aspectos como a composição, proporções, processo de cura e condições ambientais. A previsão precisa dessa resistência é fun- damental para otimizar a produção e assegurar a qualidade do concreto. Métodos tradicionais de predição, como a Regressão Linear Múltipla (MLR) e a Regressão por Quadrados Mínimos Parciais (PLS), apresentam limitações quando aplicados a sistemas complexos com múltiplas variáveis. Nesse contexto, técnicas de inteligência artificial (IA), como as redes neurais artifi- ciais (RNAs), surgem como alternativas promissoras, capazes de modelar relações não lineares entre os componentes do cimento e sua resistência. Este estudo desenvolveu um modelo de RNA utilizando um Perceptron de Múltiplas Camadas (MLP) para prever a resistência à com- pressão aos 28 dias do cimento Portland. A pesquisa teve como objetivo estabelecer um método de predição eficiente em termos de tempo e custo, capaz de capturar as interações complexas entre os constituintes do cimento e as condições de cura. O processo envolveu a coleta e o pré-processamento dos dados, a seleção da arquitetura da rede, definição de hiperparâmetros, treinamento do modelo e validação. Os resultados demonstraram que o modelo MLP alcançou um coeficiente de determinação (R2) de 0,9851, erro quadrático médio (MSE) de 0,8744, raiz do erro quadrático médio (RMSE) de 0,9351, erro médio absoluto (MAE) de 0,7360 e erro percentual absoluto médio (MAPE) de 0,7360%, superando os métodos tradicionais. Isso ev- idencia o potencial das RNAs como uma ferramenta robusta para a previsão da resistência do cimento, contribuindo para a otimização dos processos produtivos e para o controle de qual- idade. A validação foi realizada com dados independentes, confirmando a superioridade do modelo desenvolvido.

Abstract

Portland cement is essential in civil construction, serving as the basis for concrete in modern infrastructures. The 28-day compressive strength is a critical factor in ensuring the durability of structures and is influenced by factors such as composition, proportions, curing process, and environmental conditions. Accurately predicting this strength is essential to optimize produc- tion and ensure concrete quality. Traditional prediction methods, such as MLR and PLS, are limited to complex systems with many variables. In this context, artificial intelligence (AI) techniques, such as artificial neural networks (ANNs), emerge as promising alternatives, capa- ble of modeling non-linear relationships between cement components and their strength. This study developed an ANN model, using a Multilayer Perceptron (MLP), to predict the 28-day compressive strength of Portland cement. The research sought a time- and cost-efficient pre- diction method to capture the complex interactions between cement components and curing conditions. The process included data collection and preprocessing, network architecture selec- tion, hyperparameter selection, model training, and validation. The results showed that the MLP achieved coefficient of determination (R2) of 0.9851, mean square error (MSE) of 0.8744, root- mean-square error (RMSE) of 0.9351, mean absolute error (MAE) of 0.7360 and mean absolute percentage error (MAPE) of 0.7360%, outperforming traditional methods. This demonstrates the potential of ANNs as a robust tool for predicting cement strength, optimizing production processes, and quality control. Validation was performed with independent data, confirming the superiority of the model.

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SANTOS, Stephano Daniel. Enhancing prediction accuracy of portland cement compressive strength at low cost using machine learning and chemometric techniques. 2025. 122 p. Dissertação (Mestrado em Agroquímica) - Universidade Federal de Lavras, Lavras, 2025.

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