Механическая и долговечностная оценка бетона с мраморной пылью и волокнами, поддержанная ML‑прогнозом

Превращение строительного отхода в полезный ресурс

Бетон — основа современных городов, но производство его ключевого компонента, цемента, сопровождается большими выбросами углекислого газа. В то же время промышленность формирует огромные накопления мраморной пыли и пластиковых отходов, которые сложно утилизировать безопасно. В этом исследовании изучают, могут ли эти две проблемы помочь друг другу: можно ли использовать мраморную пыль и вторично переработанные пластиковые волокна в составе бетона, чтобы сделать его не только экологичнее, но и прочнее и долговечнее, при поддержке современных инструментов машинного обучения?

Добавление каменной пыли и пластиковых нитей в бетон

Исследователи сосредоточились на двух видах отходов. Мраморная пыль — тонкий порошок, богатый карбонатом кальция, образуется при резке и полировке камня. Полипропиленовые волокна — короткие нити, вырезанные из утилизированных пластиковых изделий. В исследовании цемент в стандартном конструкционном бетоне частично заменяли мраморной пылью в диапазоне от 0 до 20 процентов, а волокна добавляли малыми объемными долями от 0 до 1 процента. Так было получено 25 различных смесей, все приготовлены с одинаковыми заполнителями и водоцементным соотношением, чтобы любые изменения в поведении можно было отнести к пыли и волокнам.

Испытания прочности, растрескивания и водостойкости

Каждую смесь подвергали полному комплексу испытаний, имитирующих реальные нагрузки на здание. Команда измеряла удобообрабатываемость свежего бетона при заполнении форм, затем проверяла его вес и плотность. После выдержки испытывали, какое давление бетон выдерживает до разрушения, насколько он сопротивляется растяжению и изгибу, а также как быстро вода впитывается или проходит через него. Образцы также подвергали воздействию кислотных растворов, чтобы оценить скорость их деградации. Такой широкий набор методов позволил авторам выявить не только наиболее прочные смеси, но и те, которые сочетают прочность с долговечностью и пригодной для работы консистенцией.

Поиск оптимума для характеристик

Результаты показали, что мраморная пыль и пластиковые волокна могут действовать взаимодополняюще — но в разумных пределах. Умеренное содержание пыли, около 10 процентов от массы цемента, помогало мелким частицам заполнять микропустоты в бетоне, уплотняя структуру и повышая прочность. В то же время волокна в объёмной доле порядка 0,6–0,8 процента работали как микрошвы, удерживающие микротрещины под нагрузкой, увеличивая как прочность при расщеплении, так и при изгибе примерно на четверть — треть по сравнению с обычным бетоном. Такие сочетания также поглощали меньше воды и замедляли её прохождение — признаки более плотной и долговечной внутренней структуры. Однако при чрезмерном добавлении любого из ингредиентов смесь становилась менее удобной в обращении, захватывала больше воздуха и постепенно теряла прочность.

Позволив алгоритмам направлять разработку более экологичных составов

Вместо того чтобы полагаться только на метод проб и ошибок, команда обучила несколько моделей машинного обучения на своих экспериментальных данных. Эти алгоритмы выясняли, как изменения в содержании мраморной пыли, волокон и других параметров смеси влияют на ключевые свойства, такие как прочность, водопоглощение и проницаемость. Лучшие модели, основанные на искусственных нейронных сетях и случайных лесах, очень точно воспроизводили результаты испытаний. Их затем использовали в оптимизационной процедуре для поиска наилучшего баланса рецептуры. Предложенный моделью оптимум — около 10 процентов мраморной пыли и 0,6 процента волокон — соответствовал экспериментально найденной «золотой середине», подтверждая, что инструменты, основанные на данных, способны надежно направлять разработку экологичных бетонов без исчерпывающих лабораторных кампаний.

Что это значит для будущих зданий

Для неспециалистов вывод ясен: бетон не обязательно должен быть простым сочетанием камня, песка и цемента. Умелое включение промышленных остатков, таких как мраморная пыль и переработанные пластиковые волокна, позволяет инженерам сократить использование цемента, эффективнее утилизировать отходы и одновременно получать бетон с меньшей склонностью к растрескиванию и лучшей водозащитой. Это исследование показывает, что лучшие результаты достигаются при тщательно сбалансированных пропорциях, а искусственный интеллект может помочь их выявить. При широком распространении такие оптимизированные смеси могут постепенно снижать экологический след строительства и повышать устойчивость конструкций, на которых мы полагаемся каждый день.

Цитирование: Sai, A.N., Sakthivel, M., Arunvivek, G.K. et al. Mechanical and durability assessment of marble dust–fiber concrete supported by ML prediction. Sci Rep 16, 10106 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40874-z

Ключевые слова: устойчивый бетон, мраморная пыль, вторично использованные пластиковые волокна, долговечность, машинное обучение