Experimentelle und maschinelle Lernbewertung der Festigkeit von Gummikrümelbeton bei erhöhten Temperaturen

Aus alten Reifen sichere Gebäude schaffen

Weltweit türmen sich Berge verschlissener Autoreifen an, nehmen Deponieraum ein und bergen Brandrisiken. Eine vielversprechende Idee ist, diese Reifen zu kleinen Krümeln zu zerkleinern und dem Beton zuzusetzen, sodass Gebäude und Straßen Abfall statt natürliche Sandressourcen wiederverwenden. Diese Studie untersucht, wie sich solcher Gummikrümelbeton verhält, wenn er sehr heiß wird, etwa während eines Brandes, und zeigt, wie moderne Rechnerwerkzeuge Ingenieuren helfen können, seine Festigkeit vorherzusagen, ohne jede Rezeptur im Labor prüfen zu müssen.

Von Abfallbergen zur Betonmischung

Die Forscher beginnen damit zu beleuchten, warum Gummipartikel im Beton gleichzeitig attraktiv und problematisch sind. Gummipartikel können Beton leichter machen, die Schlagzähigkeit erhöhen und ihn widerstandsfähiger gegen plötzliche Brüche machen. Gleichzeitig schwächen sie das Material, weil Gummi nur schlecht an der ausgehärteten Zementmatrix haftet. Diese schwache Bindung und zusätzliche Lufteinschlüsse um das Gummi führen dazu, dass sowohl die Tragfähigkeit als auch die Zugzusammenhalt verringert werden. Frühere Studien prüften viele Gummimischungen, doch es gab weiterhin keine klare, verlässliche Methode, um vorherzusagen, wie diese Mischungen unter verschiedenen Temperaturen und Hydratationsbedingungen reagieren würden.

Erhitzen von Gummibeton im Labor

Um dieses Problem anzugehen, stellten die Forschenden mehrere Betonmischungen her, bei denen feiner Sand zu 10, 20 und 30 Prozent durch Gummikrümel ersetzt wurde. Sie gossen zylindrische Proben, ließen sie aushärten und setzten sie dann vor dem Zerdrücken und Spalten zur Messung der Druck- und Zugfestigkeit verschiedenen Temperaturen bis zu 200 Grad Celsius aus. Wie zu erwarten reduzierte mehr Gummi die Festigkeit bei Raumtemperatur, weil der Beton weniger dicht wurde und die Gummipartikel schwächere Verbindungen im inneren Gefüge bildeten. Erwärmung verschlechterte in den meisten Fällen die Eigenschaften weiter: Sobald das Gummi zu zersetzen und sich auszudehnen begann, entstanden mehr winzige Hohlräume und Mikrorisse, die die Festigkeit weiter schwächten, besonders in Mischungen mit dem höchsten Gummianteil.

Rechner beibringen, Festigkeit vorherzusagen

Anstatt sich nur auf neue Tests zu verlassen, stellten die Forschenden außerdem eine große Datenbank mit mehr als tausend in früheren Studien berichteten Gummibetonmischungen zusammen. Für jede Mischung protokollierten sie Zutaten wie Zement, Zusatzstoffe, Gummigehalt, Wasseranteil, Aushärtungstemperatur und Alter sowie die gemessene Druck- und Zugfestigkeit. Anschließend trainierten sie neun verschiedene Modelle des maschinellen Lernens, um den Zusammenhang zwischen Rezeptur und resultierender Festigkeit zu erlernen. Anspruchsvolle Verfahren wie XGBoost, Light Gradient Boosting und ein neuronales Netz vom Typ Multilayer Perceptron lieferten die genauesten Vorhersagen und stimmten sowohl für Druck- als auch für Zugfestigkeit eng mit den realen Prüfwerten überein.

Erkennen, welche Zutaten am wichtigsten sind

Um diese digitalen Vorhersagen zu interpretieren, nutzte das Team eine Methode zur Erklärbarkeit, die jedem Eingangswert einen Anteil an der Verantwortung für das Endergebnis zuweist. Das zeigte, dass der Anteil des feinen Zuschlags, der durch Gummi ersetzt wurde, das Wasser‑zu‑Zement‑Verhältnis und das Alter des Betons die stärksten Einflussfaktoren auf Druck‑ und Zugfestigkeit sind. Besonders der Ersatz feiner Zuschlagstoffe durch Gummi stach hervor und bestätigte, dass die Veränderung der feinen Partikel im Gemisch großen Einfluss auf das Materialverhalten hat. Andere Zusätze wie Silikastaub waren hilfreich, aber weniger dominant, während die Aushärtungstemperatur innerhalb des untersuchten Bereichs in der kombinierten Datenbank eine geringere Rolle spielte als erwartet.

Was das für nachhaltigeres Bauen bedeutet

Für Nichtfachleute ist die Kernbotschaft: Die Verwendung von zerkleinerten Reifen im Beton kann helfen, Abfall zu reduzieren, verringert jedoch in der Regel die Festigkeit, insbesondere wenn das Material hohen Temperaturen ausgesetzt ist. Die Studie zeigt, dass dieser Festigkeitsverlust beherrschbar ist, wenn Ingenieure genau wissen, mit welcher Festigkeit bei einer gegebenen Mischung und Temperatur zu rechnen ist. Durch die Kombination sorgfältiger Labortests mit leistungsfähigen Computermodellen liefern die Autorinnen und Autoren ein Werkzeug, das schnell abschätzen kann, wie Gummikrümelbeton sich verhält, und so sicherere Entwürfe und eine klügere Nutzung recycelter Materialien in Bauwerken unterstützen kann, die sowohl alltägliche Lasten als auch mögliche Brände aushalten müssen.

Zitation: 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

Schlüsselwörter: Gummikrümelbeton, Recycling von Altreifen, erhöhte Temperatur, Modelle des maschinellen Lernens, Betonfestigkeit