تقييم تجريبي وتعلُّم آلي لقوة الخرسانة المحتوية على مطاط الفُتات عند درجات حرارة مرتفعة

تحويل الإطارات القديمة إلى مبانٍ أكثر أمانًا

تتكدّس أكوام من إطارات السيارات المهترئة حول العالم، تشغل مساحة في مراكم النفايات وتشكّل مخاطر حريق. إحدى الأفكار الواعدة هي طحن هذه الإطارات إلى فتات صغير وخلطها في الخرسانة، لصنع مبانٍ وطرق تُعيد استخدام النفايات بدلًا من الرمل الطبيعي. تستكشف هذه الدراسة كيف تتصرّف خرسانة مطاط الفتات عندما تتعرّض لحرارة عالية، كما في الحرائق، وتُظهر كيف يمكن للأدوات الحاسوبية الحديثة أن تساعد المهندسين على التنبؤ بقوتها دون اختبار كل وصفة في المختبر.

من أكوام النفايات إلى خلطة الخرسانة

بدأ الباحثون بفحص سبب جاذبية مطاط الإطارات في الخرسانة وما يصاحبه من تحديات. يمكن أن تجعل حبيبات المطاط الخرسانة أخف وزنًا، أفضل في امتصاص الصدمات، وأكثر مقاومة للتكسّر المفاجئ. ومع ذلك، فإنها تُضعف المادة أيضًا لأن المطاط لا يرتبط جيدًا بمعجون الإسمنت المتصلب. هذا الرباط الضعيف، بالإضافة إلى الفراغات الهوائية الإضافية حول المطاط، يميل إلى تقليل قدرة الخرسانة على تحمل الأحمال ومتانتها في الشد. اختبرت دراسات سابقة العديد من الخلطات المطاطية، لكن لم تكن هناك طريقة واضحة وموثوقة للتنبؤ بأداء هذه الخلطات تحت درجات حرارة وشروط معالجة مختلفة.

تسخين خرسانة المطاط في المختبر

لمعالجة هذه المسألة، أعدّ الفريق عدة خلطات خرسانية استُبدِل فيها جزء من الرمل الناعم بفتات المطاط بمستويات 10 و20 و30 في المئة. صبُّوا عينات أسطوانية وتركُوها تتصلّب، ثم عرّضوها لدرجات حرارة مختلفة حتى 200 درجة مئوية قبل سحقها وشقّها لقياس المقاومة الانضغاطية والشدّية. كما هو متوقع، أدّى زيادة المطاط إلى خفض القوة عند درجة حرارة الغرفة، لأن الخرسانة أصبحت أقل كثافة وشكّلت حبيبات المطاط روابط أضعف في الهيكل الداخلي. جعل التسخين الوضع أسوأ في معظم الحالات: مع بدء تحلل المطاط وتوسعه، نشأت فراغات دقيقة وشقوق ميكروسكوبية إضافية، ما زاد تآكل القوة، لا سيما في الخلطات ذات المحتوى المطاطي الأعلى.

تعليم الحواسيب التنبؤ بالقوة

بدلًا من الاعتماد فقط على اختبارات جديدة، جمع الباحثون أيضًا قاعدة بيانات كبيرة تضم أكثر من ألف خلطة خرسانية مطاطية مذكورة في دراسات سابقة. سجّلوا لكل خلطة المكوّنات مثل الأسمنت، المساحيق التكميليّة، محتوى المطاط، مستوى الماء، درجة حرارة المعالجة، والعمر، إلى جانب القياسات الانضغاطية والشدّية. ثم درّبوا تسعة نماذج مختلفة للتعلّم الآلي ليتعلّم كل نموذج العلاقة بين الوصفة والقوة الناتجة. قدّمت أساليب متقدمة مثل XGBoost وLight Gradient Boosting ونوع من الشبكات العصبية يُدعى متعدد الطبقات (multilayer perceptron) أدق التنبؤات، مع نتائج مطابقة عن قرب لقيم الاختبار الحقيقية لكل من الانضغاط والشد.

رؤية المكوّنات الأكثر تأثيرًا

لفهم هذه التنبؤات الرقمية، استخدم الفريق طريقة تفسيرية تُنسب لكل مدخَل حصة من المسؤولية عن النتيجة النهائية. كشفت هذه الطريقة أن مقدار استبدال الإجمالي الناعم بالمطاط، كمية الماء نسبةً للأسمنت، وعمر الخرسانة هي العوامل الأقوى المؤثرة على المقاومة الانضغاطية والشدّية. برز استبدال الرمل الناعم بالمطاط بشكل خاص، مؤكّدًا أن تغيير الجسيمات الدقيقة داخل الخلطة له أثر كبير على سلوك المادة. كانت إضافات أخرى مثل دخان السليكا مفيدة لكنها أقل هيمنة، في حين لعبت درجة حرارة المعالجة ضمن النطاق المدروس دورًا أصغر مما كان متوقعًا عند النظر إلى قاعدة البيانات المجمعة.

ما يعنيه هذا للبناء الأكثر خضرة

للغير متخصصين، الرسالة الأساسية هي أن استخدام الإطارات الممزقة في الخرسانة يمكن أن يساعد في تقليل النفايات لكنه عادةً ما يخفض القوة، خصوصًا عندما تتعرّض المادة لحرارة مرتفعة. تُظهر الدراسة أن هذه الخسارة يمكن إدارتها إذا عرف المهندسون بالضبط مستوى القوة المتوقعة لخلطة ودرجة حرارة معينة. من خلال مزج اختبارات مخبرية دقيقة مع نماذج حاسوبية قوية، يقدّم المؤلفون أداة تقدر بسرعة أداء خرسانة مطاط الفتات، موجهةً لتصميمات أكثر أمانًا واستخدامًا أذكى للمواد المعاد تدويرها في المباني التي يجب أن تواجه الأحمال اليومية واحتمالات الحرائق.

الاستشهاد: Alameri, M., Alsulami, B.T. Experimental and machine learning evaluation of crumb rubber concrete strength at elevated temperatures. Sci Rep 16, 15616 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44147-7

الكلمات المفتاحية: خرسانة مطاط الفُتات, إعادة تدوير إطارات النفايات, درجات حرارة مرتفعة, نماذج التعلّم الآلي, قوة الخرسانة