Prédiction de la résistance à la compression des mortiers contenant du verre de CRT recyclé à l'aide des méthodes GMDH et GEP

Transformer les vieux téléviseurs en éléments de construction plus sûrs et plus résistants

Des millions de téléviseurs et d'écrans à tube cathodique (CRT) jetés s'accumulent dans les décharges du monde entier. Leur verre dense contient une quantité importante de plomb, susceptible de s'infiltrer dans les sols et les eaux. Cette étude explore une méthode pour encapsuler de manière sûre ce verre dangereux dans des mortiers de construction tout en conservant une résistance suffisante pour un usage réel. En combinant recyclage et modélisation moderne pilotée par les données, les chercheurs montrent comment transformer un flux de déchets toxiques en un ingrédient utile pour des bâtiments plus verts et même pour des murs de blindage contre les radiations.

Pourquoi le verre d'écrans anciens est à la fois un problème et une opportunité

Le verre de CRT est anormalement dense et contient environ 20–25 % d'oxyde de plomb. S'il est broyé et enfoui, ce plomb peut lentement se lessiver et contaminer l'environnement. Des expériences antérieures ont montré que lorsqu'on incorpore du verre de CRT dans des mortiers à base de ciment, le liquide de pore très alcalin du ciment aide à piéger les métaux lourds, réduisant fortement leur lessivage. Parallèlement, la forte densité du verre peut améliorer le blindage contre les rayons X et autres radiations. L'inconvénient est que remplacer le sable naturel par du verre de CRT recyclé (RCRT) affaiblit souvent le mortier, car les particules de verre, lisses, adhèrent mal à la matrice. Les ingénieurs doivent donc composer avec un compromis entre avantages environnementaux, performance de blindage et résistance mécanique.

Des essais de laboratoire coûteux à la prédiction intelligente

Concevoir des dosages de mortier qui équilibrent ces objectifs a généralement exigé de nombreux essais en laboratoire, longs et coûteux. Les recherches précédentes ont surtout rapporté des résultats expérimentaux individuels et parfois utilisé des formules statistiques traditionnelles pour prédire la résistance, mais ces approches peinaient à capturer les interactions complexes et non linéaires entre les constituants. En particulier, aucun travail antérieur n'avait développé de modèles prédictifs spécifiquement adaptés aux mortiers contenant du verre RCRT, et la plupart des études modernes en apprentissage automatique se concentraient sur d'autres matériaux recyclés ou employaient des algorithmes « boîte noire » qui offrent peu d'aperçu sur l'influence de chaque ingrédient. Cette étude vise à combler cette lacune en utilisant des modèles transparents, basés sur des équations.

Comment les chercheurs ont entraîné les modèles

L'équipe a compilé une base de données de 139 échantillons de mortier fabriqués avec différentes proportions d'eau, de ciment, de cendre volante, de sable naturel, de verre RCRT et divers temps de cure. Ils ont d'abord nettoyé les données en supprimant les valeurs aberrantes et en standardisant l'échelle de toutes les variables. Deux méthodes dites de soft-computing « boîte blanche » ont ensuite été entraînées pour prédire la résistance à la compression : la Group Method of Data Handling (GMDH), qui construit un réseau à plusieurs couches d'équations polynomiales simples, et la Gene Expression Programming (GEP), qui fait évoluer des formules mathématiques selon un procédé inspiré de la génétique. Les deux méthodes produisent des équations explicites que les ingénieurs peuvent utiliser dans des calculatrices ou des tableurs plutôt que du code opaque. Les données ont été divisées en ensembles d'entraînement et de test, et les modèles ont aussi été évalués par validation croisée à cinq plis pour estimer leur stabilité.

Quelle méthode l'a emporté et quels paramètres comptent le plus

Le modèle GMDH a clairement surpassé à la fois le modèle GEP et les méthodes de régression classiques. Sur des données de test non vues, le GMDH a atteint un coefficient de détermination (R²) de 0,942, avec de faibles erreurs de prédiction, indiquant que ses résistances calculées correspondaient de près aux mesures en laboratoire. Le GEP a donné des résultats raisonnables mais présentait plus de dispersion et des erreurs plus élevées, tandis que les régressions linéaires et non linéaires simples manquaient une grande partie de la complexité sous-jacente. Pour déterminer quels ingrédients influençaient le plus la résistance, les chercheurs ont utilisé un outil d'explicabilité moderne appelé SHAP. Il a révélé que le contenu en eau était le facteur dominant : un excès d'eau tend à créer des pores supplémentaires et à réduire la résistance. Le temps de cure arrive ensuite — une cure plus longue permet plus de réactions d'hydratation et des mortiers plus résistants. La teneur en ciment a un effet modéré, tandis que les quantités de verre RCRT et de sable jouent des rôles plus faibles et secondaires dans la plage des dosages étudiés.

Ce que cela signifie pour une construction plus écologique

Pour le lecteur non spécialiste, la conclusion principale est qu'il semble à la fois sûr et pratique de recycler des quantités modérées de verre de CRT dans des mortiers de ciment sans sacrifier fortement la résistance, à condition de concevoir soigneusement le dosage. Les équations GMDH fournissent aux ingénieurs un outil fiable et facile à utiliser pour prédire la résistance d'un mortier riche en RCRT avant de préparer la moindre gâchée. Parce que la méthode est transparente, les concepteurs peuvent aussi voir comment modifier l'eau, le ciment ou le temps de cure pour compenser la légère perte de résistance due au verre. En bref, l'étude montre que l'association du recyclage des déchets industriels et de modèles d'apprentissage interprétables peut aider à transformer des déchets électroniques dangereux en un ingrédient prévisible et structurellement viable pour des matériaux de construction durables et même blindés contre les radiations.

Citation: 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

Mots-clés: verre de CRT recyclé, résistance des mortiers au ciment, construction durable, modèles d'apprentissage automatique, matériaux de protection contre les radiations