מודלל של תכונות מכאניות של בטון ממוחזר עם גומי באמצעות תכנות ביטוי גנטי (GEP) ויער אקראי: מחקר השוואתי

הפיכת צמיגים ישנים למבנים חזקים וירוקים יותר

כל שנה מיליארדי צמיגים מגיעים לסוף חייהם ולעתים מסתיימים במזבלות או בהשלכות בלתי חוקיות, שם הם יוצרים סיכוני שריפה וזיהום. במקביל, תעשיית הבנייה צורכת כמויות עצומות של חול, חלוקי נחל ואנרגיה, ותורמת משמעותית לשינוי האקלים. מחקר זה בוחן דרך להתמודדות עם שתי הבעיות בבת אחת: לטחון צמיגים ישנים ולהשתמש בגומי בבטון, ואז להשתמש בכלים ממוחשבים מתקדמים כדי לחזות עד כמה חזק יהיה הבטון "הממוחזר" הזה מבלי לערוך בדיקות מעבדה אינסופיות.

למה לערב גומי בבטון?

הבטון הוא עמוד השדרה של התשתיות המודרניות, אבל ייצור רכיביו, ובפרט המלט והסלעים הטבעיים, אנרגטי ומדלדל משאבים טבעיים. על ידי החלפת חלק מהחול והחלוקות בחלקיקי גומי מצמיגים משומשים, מהנדסים יכולים להפחית את הצורך בחומרי גלם חדשים ולמנוע הגעה של צמיגים משומשים למזבלה. חלקיקי גומי יכולים גם להעניק לבטון תכונות מועילות: הם סופגים זעזועים, מפחיתים רעש ומשפרים עמידות בפני שחיקה ושינויים בטמפרטורה. עם זאת, הוספת גומי בדרך כלל מחלישה את יכולת הבטון לעמוד בסדיקה ולשרוד מתיחה. מדידת כמות החוזק שנאבדת או הנרכשת עבור כל שינוי במתכון דורשת בדרך כלל ניסויים רבים שגוזלים זמן וכסף.

להניח למחשבים ללמוד מניסויים קודמים

כדי להימנע מבדיקה ידנית של כל תמהיל אפשרי, החוקרים פנו ללמידת מכונה — שיטות ממוחשבות שמאתרות דפוסים בנתונים. הם אספו 112 מערכי תוצאות ניסיוניות מתוך מחקרים בעולם, כולם כללו בטון ממוחזר עם גומי. כל נקודת נתונים תיארה מתכון ייחודי, כולל כמויות של עבי וסלעים דקים, גומי חרוץ וגרגרי גומי, תוספים כימיים שנקראים סופרפלסטיזרים, יחס מים-מלט וגיל הבטון. לכל מתכון נרשמו שתי תכונות עיקריות: חוזק כפיפה (כמה טוב קורה עומד בפני כיפוף) וחוזק מתיחה מפוצל (כמה טוב הוא עמיד בפני מתיחה). עם מאגר נתונים משולב זה, הצוות אימן שני מודלים שונים של למידת מכונה לצידו של צדו כדי לראות מי יכול לחזות טוב יותר את החוזק.

שתי דרכים שונות שבהן מחשב "חושב"

השיטה הראשונה, תכנות ביטוי גנטי, פועלת קצת כמו אבולוציה בטבע. היא מתחילה מרבים נוסחאות מתמטיות אקראיות ומשפרת אותן בהדרגה על ידי חיקוי של מוטציה ושילוב, ובסופו של דבר מייצרת משוואות קריאות לבני אדם שמקשרות בין מרכיבי התמהיל לחוזק. השיטה השנייה, יער אקראי, בונה אוסף גדול של עצי החלטה — מודלים פשוטים מבוססי-כללים — ומאפשרת להם "להצביע" על החיזוי. בעוד שיער אקראי מתנהג לעתים כקופסה שחורה, הוא לעתים קרובות מאוד מדויק. שני המודלים כוונו והוערכו בקפידה באמצעות סטטיסטיקות סטנדרטיות שמשוות את החוזקים החזויים לערכים שנמדדו במעבדה עבור תערובות שהמודלים לא נחשפו להן קודם.

מה המודלים למדו על בטון עם גומי

שתי הגישות תפסו את ההתנהגות הכללית של בטון ממוחזר עם גומי, אך היער האקראי היה מדויק יותר. עבור נתוני מבחן שלא נראו קודם, הוא שיחזר את חוזקי הכפיפה והמתיחה עם ערכי מתאמים קרובים להסכמה מושלמת, טובים באופן ניכר מתכנות הביטוי הגנטי. ניתוחי שגיאה הראו שרוב החיזויים היו בתוך מרווח צנוע מהערכים האמיתיים, עם רק מספר מצומצם של חריגים. כדי לפתוח את הקופסה השחורה, הצוות השתמש בכלי שנקרא SHAP, שמקצה לכל מרכיב חלק יחסי של אחריות עבור כל חיזוי. זה חשף כי הסלעים המסורתיים ויחס מים-מלט משפיעים בחוזקה על חוזק הכיפוף, בעוד שכמות וסוג הגומי, יחד עם הסופרפלסטיזר ותכולת המים, משחקים תפקיד מרכזי ביכולת הבטון לעמוד במתיחה. באופן כללי, יותר גומי ויותר מים נטו להקטין את החוזק, בעוד שתמהילים מאוזנים היטב ותוספים יכלו להשיב חלק מהביצועים.

מה משמעות הדבר לעתיד הבנייה

עבור הלא-מומחים, המסקנה העיקרית היא שניתן בעשייה ממשית לתכנן בטונים ירוקים יותר שממחזרים צמיגים ישנים מבלי לפעול בעיוורון. המחקר מראה שמודלים ממוחשבים חכמים, ובמיוחד יערות אקראיים, יכולים לחזות בצורה מהימנה כיצד שינויים במתכון של בטון ממוחזר ישפיעו על התנהגותו בפני סדיקה וכיפוף, תוך שימוש רק בכמה קלטים שקל למדוד. משמעות הדבר היא שהמהנדסים יכולים להפחית ניסויים יקרים של ניסיון וטעייה, להאיץ את אימוץ חומרים מבוססי-פסולת, ולציין תערובות בביטחון רב יותר שמאזנות בין יתרונות סביבתיים לבין בטיחות ועמידות. בטווח הארוך, כלים כאלה עשויים לסייע להפוך ערמות צמיגים נטושים לגשרים, למדרכות ולמבנים בטוחים, ולהקטין הן את ערימות הפסולת והן את טביעת הפחמן של ענף הבנייה.

ציטוט: Sheraz, M., Talha, M., Alam, M. et al. Modeling mechanical properties of rubberized concrete using gene expression programming (GEP) and random forest: a comparative study. Sci Rep 16, 8714 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40897-6

מילות מפתח: בטון ממוחזר עם גומי, מיחזור צמיגים בפסולת, למידת מכונה בבנייה, מודלינג יער אקראי, חומרים ברי-קיימא