Экспериментальная и машинно-обучающая оценка прочности бетона с резиновой крошкой при повышенных температурах

Превращение старых покрышек в более безопасные здания

Горы изношенных автомобильных шин накапливаются по всему миру, занимая место на свалках и создавая риск пожаров. Одно перспективное решение — измельчать эти шины в мелкую крошку и добавлять её в бетон, создавая конструкции и дороги, которые повторно используют отходы вместо природного песка. В этом исследовании изучают, как такой бетон с резиновой крошкой ведёт себя при сильном нагреве, например при пожаре, и показывают, как современные компьютерные инструменты могут помочь инженерам предсказать его прочность без испытаний каждой смеси в лаборатории.

От свалок к бетонной смеси

Исследователи начинают с объяснения, почему резина из шин в бетоне привлекательна и одновременно проблемна. Резиновые частицы могут сделать бетон легче, лучше поглощать удары и более устойчивым к внезапным разрушениям. Однако они также ослабляют материал, поскольку резина плохо сцепляется с отвердевающей цементной пастой. Это слабое сцепление, а также дополнительные воздушные пустоты вокруг резиновых включений обычно снижают как несущую способность бетона, так и его прочность при растяжении. Ранние исследования проверяли множество резиновых смесей, но до сих пор не было чёткого и надёжного способа предсказать поведение таких смесей при разных температурах и условиях твердения.

Нагрев резинового бетона в лаборатории

Чтобы решить эту проблему, команда приготовила несколько бетонных смесей, в которых мелкий песок частично заменяли резиновой крошкой в объёмах 10, 20 и 30 процентов. Они отлили цилиндрические образцы, дали им затвердеть, затем подвергли различным температурам до 200 градусов Цельсия и после этого дробили и раскалывали образцы, чтобы измерить прочность на сжатие и растяжение. Как и ожидалось, добавление большего количества резины уменьшало прочность при комнатной температуре, потому что бетон становился менее плотным, а резиновые частицы формировали более слабые связи в внутреннем каркасе. Нагрев в большинстве случаев ухудшал ситуацию: по мере разложения и расширения резины появлялись дополнительные мелкие полости и микротрещины, что ещё больше снижало прочность, особенно в смесях с наибольшим содержанием крошки.

Обучение компьютеров предсказывать прочность

Вместо того чтобы полагаться только на новые испытания, исследователи также собрали большую базу данных более тысячи смесей резинового бетона, описанных в предыдущих работах. Для каждой смеси они зафиксировали ингредиенты: цемент, добавочные порошки, содержание резины, уровень воды, температуру твердения и возраст, а также измеренную прочность на сжатие и растяжение. Затем они обучили девять различных моделей машинного обучения устанавливать связь между рецептурой и получаемой прочностью. Сложные подходы, такие как XGBoost, Light Gradient Boosting и тип нейронной сети, называемый многослойным перцептроном, дали наиболее точные прогнозы, с результатами, близкими к реальным лабораторным значениям как для сжатия, так и для растяжения.

Какие ингредиенты важнее всего

Чтобы понять эти цифровые прогнозы, команда применила метод интерпретируемости, который распределяет ответственность за итоговый ответ между входными переменными. Это показало, что степень замещения мелкого заполнителя резиновой крошкой, соотношение воды и цемента и возраст бетона являются основными факторами, определяющими прочность на сжатие и растяжение. Замещение мелкого заполнителя особенно выделялось, подтверждая, что изменение мелких частиц внутри смеси сильно влияет на поведение материала. Другие добавки, такие как дымка кремнезёма (silica fume), были полезны, но менее доминирующими, тогда как температура твердения в изученном диапазоне сыграла меньшую роль, чем ожидалось, в объединённой базе данных.

Что это значит для более экологичного строительства

Для неспециалистов главное послание состоит в том, что использование измельчённых покрышек в бетоне помогает сократить отходы, но обычно снижает прочность, особенно при воздействии высоких температур. Исследование показывает, что эту потерю можно контролировать, если инженеры точно знают, какую прочность ожидать для данной смеси и температуры. Сочетая тщательные лабораторные испытания с мощными компьютерными моделями, авторы предоставляют инструмент, который быстро оценивает поведение бетона с резиновой крошкой, помогая проектировать безопаснее и разумнее использовать переработанные материалы в сооружениях, которым предстоит выдерживать как повседневные нагрузки, так и возможные пожары.

Цитирование: 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

Ключевые слова: бетон с резиновой крошкой, переработка отходов шин, повышенная температура, модели машинного обучения, прочность бетона