Valutazione sperimentale e mediante apprendimento automatico della resistenza del calcestruzzo con gomma macinata a temperature elevate

Trasformare i pneumatici usati in edifici più sicuri

Cataste di pneumatici usurati si accumulano in tutto il mondo, occupando spazio nelle discariche e rappresentando rischi di incendio. Un’idea promettente è triturare questi pneumatici in piccoli granuli e miscelarli nel calcestruzzo, creando edifici e strade che riutilizzano rifiuti invece di sabbia naturale. Questo studio esplora come si comporta il calcestruzzo con gomma macinata quando raggiunge temperature elevate, come durante un incendio, e mostra come strumenti informatici moderni possano aiutare gli ingegneri a prevederne la resistenza senza dover testare in laboratorio ogni miscela.

Dalle montagne di rifiuti alla miscela di calcestruzzo

I ricercatori iniziano esaminando perché la gomma di pneumatico nel calcestruzzo è allo stesso tempo interessante e problematica. Le particelle di gomma possono rendere il calcestruzzo più leggero, migliore nell’assorbire urti e più resistente alla rottura improvvisa. Tuttavia indeboliscono anche il materiale perché la gomma non aderisce bene alla pasta di cemento indurita. Questo legame debole, insieme a porosità aggiuntiva attorno alla gomma, tende a ridurre sia la capacità di carico del calcestruzzo sia la sua resistenza a trazione. Studi precedenti hanno testato molte miscele con gomma, ma non esisteva ancora un modo chiaro e affidabile per prevedere come tali miscele si comportassero a diverse temperature e condizioni di stagionatura.

Riscaldare il calcestruzzo con gomma in laboratorio

Per affrontare il problema, il team ha preparato diverse miscele di calcestruzzo in cui la sabbia fine è stata parzialmente sostituita da gomma macinata in percentuali del 10, 20 e 30 per cento. Hanno gettato provini cilindrici, li hanno lasciati indurire e poi li hanno esposti a differenti temperature fino a 200 gradi Celsius prima di schiacciarli e fendarli per misurare la resistenza a compressione e a trazione. Come previsto, l’aumento della quantità di gomma ha ridotto la resistenza a temperatura ambiente, perché il calcestruzzo diventava meno denso e le particelle di gomma creavano legami più deboli nello scheletro interno. Il riscaldamento ha peggiorato la situazione nella maggior parte dei casi: quando la gomma incominciava a decomporsi ed espandersi, si formavano più microvuoti e microfessure, erodendo ulteriormente la resistenza, soprattutto nelle miscele con il contenuto di gomma più elevato.

Insegnare ai computer a prevedere la resistenza

Invece di affidarsi esclusivamente a nuovi test, i ricercatori hanno anche assemblato un grande database con oltre mille miscele di calcestruzzo con gomma riportate in studi precedenti. Per ogni miscela hanno registrato ingredienti come cemento, polveri supplementari, contenuto di gomma, rapporto acqua, temperatura di stagionatura e età, insieme alle resistenze misurate a compressione e a trazione. Hanno quindi addestrato nove diversi modelli di apprendimento automatico per apprendere la relazione tra la ricetta e la resistenza risultante. Approcci sofisticati come XGBoost, Light Gradient Boosting e un tipo di rete neurale chiamata perceptrone multistrato hanno prodotto le previsioni più accurate, con risultati molto vicini ai valori sperimentali sia per la compressione sia per la trazione.

Capire quali ingredienti contano di più

Per interpretare queste previsioni digitali, il team ha utilizzato un metodo di interpretabilità che assegna a ciascun input una quota di responsabilità per la risposta finale. Questo ha rivelato che la sostituzione di aggregato fine con gomma, la quantità di acqua rispetto al cemento e l’età del calcestruzzo sono i fattori più influenti sulla resistenza a compressione e a trazione. In particolare la sostituzione con gomma fine è emersa come fattore chiave, confermando che modificare le particelle più piccole all’interno della miscela ha un grande effetto sul comportamento del materiale. Altri additivi come la microsilice si sono dimostrati utili ma meno determinanti, mentre la temperatura di stagionatura nel range studiato ha avuto un ruolo minore rispetto a quanto ci si aspettasse nell’intero database combinato.

Cosa significa per costruzioni più ecologiche

Per i non specialisti, il messaggio principale è che usare pneumatici triturati nel calcestruzzo può contribuire a ridurre i rifiuti ma generalmente ridurrà la resistenza, in particolare quando il materiale è esposto a calore elevato. Lo studio mostra che questa perdita può essere gestita se gli ingegneri conoscono esattamente quanta resistenza aspettarsi per una data miscela e temperatura. Combinando test di laboratorio mirati con potenti modelli computazionali, gli autori forniscono uno strumento che può stimare rapidamente come si comporterà il calcestruzzo con gomma macinata, guidando progettazioni più sicure e un uso più intelligente dei materiali riciclati in edifici che devono affrontare sia i carichi quotidiani sia eventuali incendi.

Citazione: 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

Parole chiave: calcestruzzo con gomma macinata, riciclo pneumatici esausti, temperature elevate, modelli di apprendimento automatico, resistenza del calcestruzzo