Eksperymentalna i uczenie maszynowe ocena wytrzymałości betonu z granulatu gumowego w podwyższonych temperaturach

Przekształcanie zużytych opon w bezpieczniejsze budynki

Góry zużytych opon samochodowych gromadzą się na całym świecie, zajmując miejsce na wysypiskach i stwarzając ryzyko pożarowe. Jednym z obiecujących pomysłów jest rozdrabnianie tych opon na drobne granulki i mieszanie ich z betonem, tworząc budynki i drogi, które wykorzystują odpady zamiast naturalnego piasku. Niniejsze badanie bada, jak taki beton z granulatu gumowego zachowuje się przy bardzo wysokiej temperaturze, na przykład w trakcie pożaru, oraz pokazuje, jak współczesne narzędzia komputerowe mogą pomóc inżynierom przewidywać jego wytrzymałość bez testowania każdej mieszanki w laboratorium.

Od hałd odpadów do mieszanki betonowej

Naukowcy zaczynają od omówienia, dlaczego dodatek gumy z opon do betonu jest atrakcyjny i jednocześnie problematyczny. Cząstki gumy mogą uczynić beton lżejszym, lepiej absorbującym uderzenia i bardziej odpornym na nagłe pęknięcia. Jednak osłabiają one materiał, ponieważ guma słabo wiąże się z związanym zaczynem cementowym. Ten słaby związek, wraz z dodatkowymi kieszeniami powietrza wokół gumy, zwykle obniża zarówno nośność betonu, jak i jego wytrzymałość na rozciąganie. Wcześniejsze badania testowały wiele mieszanek z gumą, lecz nadal brakowało jasnej i niezawodnej metody przewidywania, jak te mieszanki zachowają się w różnych temperaturach i warunkach dojrzewania.

Podgrzewanie betonu z gumą w laboratorium

Aby rozwiązać ten problem, zespół przygotował kilka mieszanek betonowych, w których drobny piasek został częściowo zastąpiony granulatem gumowym na poziomach 10, 20 i 30 procent. Odlewali cylindryczne próbki, pozwalali im stwardnieć, a następnie wystawiali na różne temperatury do 200 stopni Celsjusza przed rozłupywaniem i rozciąganiem w celu zmierzenia wytrzymałości na ściskanie i rozciąganie. Jak można było przewidzieć, zwiększenie ilości gumy obniżało wytrzymałość w temperaturze pokojowej, ponieważ beton stawał się mniej gęsty, a cząstki gumy tworzyły słabsze ogniwa w wewnętrznym szkielecie. Podgrzewanie pogarszało sytuację w większości przypadków: gdy guma zaczynała się rozkładać i rozszerzać, powstawało więcej drobnych pustek i mikropęknięć, co dodatkowo zmniejszało wytrzymałość, zwłaszcza w mieszankach o najwyższej zawartości gumy.

Nauczanie komputerów przewidywania wytrzymałości

Zamiast polegać wyłącznie na nowych testach, badacze zgromadzili także dużą bazę danych zawierającą ponad tysiąc mieszanek betonu z gumą opisanych we wcześniejszych pracach. Dla każdej mieszanki zapisali składniki takie jak cement, dodatki proszkowe, zawartość gumy, ilość wody, temperatura dojrzewania i wiek, wraz z zmierzonymi wytrzymałościami na ściskanie i rozciąganie. Następnie wytrenowali dziewięć różnych modeli uczenia maszynowego, aby nauczyć je zależności między recepturą a otrzymaną wytrzymałością. Zaawansowane podejścia, takie jak XGBoost, Light Gradient Boosting oraz rodzaj sieci neuronowej zwany wielowarstwowym perceptronem, dały najdokładniejsze przewidywania, z wynikami ściśle odpowiadającymi rzeczywistym wartościom testowym zarówno dla ściskania, jak i rozciągania.

Widząc, które składniki są najważniejsze

Aby zrozumieć te cyfrowe przewidywania, zespół zastosował metodę interpretowalności, która przypisuje każdemu wejściu udział w odpowiedzi końcowej. To ujawniło, że to, ile drobnych kruszyw zastąpiono gumą, stosunek wody do cementu oraz wiek betonu są najsilniejszymi czynnikami wpływającymi na wytrzymałość na ściskanie i rozciąganie. Szczególnie wyróżniało się zastąpienie drobnego kruszywa gumą, co potwierdza, że zmiana drobnych cząstek w mieszance ma duży wpływ na zachowanie materiału. Inne dodatki, takie jak pył krzemionkowy, pomagały, ale miały mniejsze znaczenie, podczas gdy temperatura dojrzewania w badanym zakresie odegrała mniejszą rolę niż oczekiwano w skonsolidowanej bazie danych.

Co to oznacza dla bardziej ekologicznego budownictwa

Dla osób niezwiązanych z dziedziną kluczowym wnioskiem jest to, że używanie pociętych opon w betonie może pomóc zmniejszyć odpady, ale zwykle obniży wytrzymałość, zwłaszcza gdy materiał jest narażony na wysokie temperatury. Badanie pokazuje, że tę utratę można kontrolować, jeśli inżynierowie dokładnie wiedzą, jaką wytrzymałość można oczekiwać dla danej mieszanki i temperatury. Łącząc staranne testy laboratoryjne z potężnymi modelami komputerowymi, autorzy dostarczają narzędzie, które szybko oszacuje, jak beton z granulatu gumowego będzie się zachowywał, wspierając bezpieczniejsze projekty i mądrzejsze wykorzystanie materiałów z recyklingu w budynkach, które muszą sprostać zarówno codziennym obciążeniom, jak i potencjalnym pożarom.

Cytowanie: 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

Słowa kluczowe: beton z granulatu gumowego, recykling zużytych opon, podwyższona temperatura, modele uczenia maszynowego, wytrzymałość betonu