التنبؤ بمقاومة الانضغاط لملاط يحتوي على زجاج CRT معاد التدوير باستخدام طريقتي GMDH وGEP

تحويل شاشات التلفاز القديمة إلى لبنات بناء أكثر أمانًا وقوة

ملايين أجهزة التلفاز والشاشات ذات أنابيب أشعة الكاثود (CRT) الملقاة تتكدس في مكبات النفايات حول العالم. يحتوي زجاجها الكثيف على الكثير من الرصاص، الذي يمكن أن يتسلل إلى التربة والمياه. تستكشف هذه الدراسة طريقة لحبس هذا الزجاج الخطر بأمان داخل ملاط البناء مع الحفاظ على متانة المادة بما يكفي للاستخدام العملي. من خلال الجمع بين إعادة التدوير والنمذجة الحديثة المعتمدة على البيانات، يوضح الباحثون كيف يمكن تحويل تيار النفايات السام إلى مكوّن مفيد لمباني أكثر خضرة وحتى لجدران حاجزة للإشعاع.

لماذا يمثل زجاج الشاشات القديمة مشكلة وفرصة في آن واحد

يتميز زجاج CRT بكثافة غير عادية ويحتوي على نحو 20–25% أكسيد الرصاص. إذا سُحق وأُلقي، يمكن أن يتسرّب هذا الرصاص تدريجيًا ويلوث البيئة. أظهرت تجارب سابقة أنه عند مزج زجاج CRT في ملاطات أساسها الأسمنت، يساعد السائل المسامي القلوي العالي للأسمنت على حجز المعادن الثقيلة، مما يقلل بشكل حاد من تسرّبها. في الوقت نفسه، يمكن أن تحسّن كثافة الزجاج العالية من الحماية ضد الأشعة السينية والإشعاع. العيب هو أن استبدال الرمل الطبيعي بزجاج CRT معاد التدوير (RCRT) غالبًا ما يضعف الملاط لأن جزيئات الزجاج الملساء ترتبط بشكل ضعيف بالملاط المحيط. لذلك يواجه المهندسون مقايضة بين الفوائد البيئية، وأداء الحجب الإشعاعي، والمتانة الميكانيكية.

من اختبارات المعمل المكلفة إلى التنبؤ الذكي

عادةً ما كان تصميم خلطات الملاط التي تحقق التوازن الصحيح يتطلب العديد من التجارب المعملية التجريبية، وهي بطيئة ومكلفة. أبلغت الأبحاث السابقة أساسًا عن نتائج اختبار فردية واستخدمت أحيانًا صيغًا إحصائية تقليدية للتنبؤ بالقوة، لكن هذه المناهج واجهت صعوبة في التعامل مع التفاعلات المعقدة وغير الخطية بين مكونات الخلطة. على وجه الخصوص، لم تبنَ دراسات سابقة نماذج توقعية مخصصة تحديدًا للملاطات المحتوية على زجاج RCRT، وركزت معظم دراسات التعلم الآلي الحديثة على مواد معاد تدويرها أخرى أو استخدمت خوارزميات "صندوق أسود" لا تقدم رؤى حول تأثير كل مكوّن على القوة. هدفت هذه الدراسة إلى سد هذه الفجوة باستخدام نماذج شفافة قائمة على معادلات.

كيف درّب الباحثون النماذج

جمع الفريق قاعدة بيانات مكوّنة من 139 عينة ملاط مصنوعة بنسب مختلفة من الماء، والأسمنت، ورماد الفحم، والرمل الطبيعي، وزجاج RCRT، وفترات تعتيق مختلفة. قاموا أولًا بتنقية البيانات بإزالة القيم الشاذة وتوحيد مقاييس جميع المتغيرات. ثم تم تدريب طريقتين تُسمى كلتيهما "صندوق أبيض" من الحوسبة الناعمة للتنبؤ بمقاومة الانضغاط: طريقة معالجة البيانات الجماعية (GMDH)، التي تبني شبكة متعددة الطبقات من المعادلات متعددة الحدود البسيطة، وبرمجة تعبيرات الجينات (GEP)، التي تطور صيغًا رياضية بطريقة مستوحاة من علم الوراثة. تنتج كلتا الطريقتين معادلات صريحة يمكن للمهندسين إدخالها في الآلات الحاسبة أو جداول البيانات بدلاً من كود غامض. قُسّمت البيانات إلى مجموعات تدريب واختبار، وتم التحقق من النماذج أيضًا باستخدام التحقق المتقاطع بخمس طيات لتقييم استقرارها.

أي طريقة فازت وما هي العوامل الأهم

تفوقت نموذج GMDH بوضوح على نموذج GEP والأساليب الانحدارية التقليدية. على بيانات الاختبار غير المرئية، حقق GMDH معامل تحديد (R²) بقيمة 0.942، مع أخطاء تنبؤ منخفضة، مما يعني أن قيم القوة المحسوبة طابقت عمليات القياس المعملية عن كثب. أدت GEP أداءً معقولًا لكنها أظهرت تشتتًا أكبر وأخطاء أعلى، بينما أخفقت الانحدارات الخطية وغير الخطية البسيطة في التقاط الكثير من التعقيد الأساسي. لفهم المكونات الأكثر تأثيرًا على القوة، استخدم الباحثون أداة تفسير حديثة تُسمى SHAP. كشفت الأداة أن محتوى الماء كان العامل الحاسم: فالماء الزائد يميل إلى خلق مسامات إضافية ويقلل القوة. جاء وقت التعتيق في المرتبة التالية — ففترات التعتيق الأطول سمحت بمزيد من تفاعلات الإماهة وأنتجت ملاطات أقوى. كان لمحتوى الأسمنت تأثير متوسط، بينما لعبت كميات زجاج RCRT والرمل دورًا ثانويًا أصغر ضمن نطاق الخلطات المدروسة.

ماذا يعني هذا للبناء الأكثر خضرة

بالنسبة للقارئ العام، الخلاصة الأساسية هي أنه يبدو من الممكن عمليًا وآمنًا إعادة تدوير كميات معتدلة من زجاج CRT في ملاط الأسمنت من دون التضحية بشكل جوهري بالقوة، شريطة تصميم الخلطة بعناية. توفر معادلات GMDH أداة موثوقة وسهلة الاستخدام للمهندسين للتنبؤ بمدى قوة ملاط غني بزجاج RCRT قبل خلط دفعة واحدة. وبما أن الطريقة شفافة، يمكن للمصممين أيضًا رؤية كيف سيؤثر تغيير الماء أو الأسمنت أو زمن التعتيق على الأداء وتعويض الخسارة الطفيفة في القوة الناجمة عن الزجاج. باختصار، تُظهر الدراسة أن الجمع بين إعادة تدوير النفايات الصناعية ونماذج التعلم الآلي القابلة للتفسير يمكن أن يساعد في تحويل النفايات الإلكترونية الخطرة إلى مكون متوقع وسليم هيكليًا لمواد بناء مستدامة وقابلة أيضًا للحجب الإشعاعي.

الاستشهاد: Ghorbani, V., Seyedkazemi, A. & Kutanaei, S.S. Predicting compressive strength of mortars containing recycled CRT glass using GMDH and GEP methods. Sci Rep 16, 6655 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36553-8

الكلمات المفتاحية: زجاج CRT معاد التدوير, قوة ملاط الأسمنت, البناء المستدام, نماذج التعلم الآلي, مواد حاجزة للإشعاع