Förutsägelse av tryckhållfasthet hos murbruk innehållande återvunnet CRT-glas med hjälp av GMDH- och GEP-metoder

Att förvandla gamla TV-apparater till säkrare, starkare byggstenar

Miljontals kasserade katodstrålerörs (CRT) tv-apparater och bildskärmar samlas på soptippar världen över. Deras tunga glas innehåller mycket bly, vilket kan läcka ut i jord och vatten. Denna studie utforskar ett sätt att låsa in det farliga glaset säkert i byggnadsmassor samtidigt som materialet håller tillräcklig hållfasthet för verklig användning. Genom att kombinera återvinning med moderna datadrivna modeller visar forskarna hur vi kan omvandla en giftig avfallsström till en användbar ingrediens för grönare byggnader och till och med strålskyddsväggar.

Varför gammalt skärmglas är ett problem och en möjlighet

CRT-glas är ovanligt tätt och innehåller cirka 20–25 % blyoxid. Om det krossas och deponeras kan detta bly långsamt lakas ut och förorena miljön. Tidigare experiment visade att när CRT-glas blandas in i cementbaserade murbruk hjälper den starkt alkaliska cementporvätskan till att fånga tunga metaller och kraftigt minska lakning. Samtidigt kan glasets höga densitet förbättra röntgen- och strålskydd. Nackdelen är att ersättning av naturligt sand med återvunnet CRT-glas (RCRT) ofta försvagar murbruket eftersom de släta glaspartiklarna binder dåligt till omkringliggande pasta. Ingenjörer står alltså inför en avvägning mellan miljöfördelar, skyddsprestanda och mekanisk styrka.

Från kostsamma labbtester till smart förutsägelse

Att utforma murbruksmixar som uppnår rätt balans har vanligtvis krävt många försök-i-praktiken labbtester, som är långsamma och kostsamma. Tidigare forskning rapporterade mest individuella testresultat och använde ibland traditionella statistiska formler för att förutsäga hållfasthet, men dessa metoder hade svårt med de komplexa, icke-linjära samspelet mellan mixens ingredienser. Specifikt hade ingen tidigare studie byggt förutsägelsemodeller anpassade särskilt till murbruk med RCRT-glas, och de flesta moderna maskininlärningsstudier fokuserade på andra återvunna material eller använde ”black-box”-algoritmer som ger liten insikt i hur varje ingrediens påverkar hållfastheten. Denna studie syftade till att fylla den luckan med transparenta, ekvationsbaserade modeller.

Hur forskarna lärde modellerna

Teamet sammanställde en databas med 139 murbruksprover tillverkade med olika andelar vatten, cement, flygaska, naturlig sand, RCRT-glas och olika härdningstider. De rengjorde först data genom att ta bort avvikare och standardisera variablernas skalor. Två så kallade ”white-box”-softcomputingmetoder tränades sedan för att förutsäga tryckhållfasthet: Group Method of Data Handling (GMDH), som bygger ett flerskiktsnätverk av enkla polynomekvationer, och Gene Expression Programming (GEP), som utvecklar matematiska formler på ett sätt inspirerat av genetik. Båda metoderna ger explicita ekvationer som ingenjörer kan använda i kalkylatorer eller kalkylblad istället för ogenomskinlig kod. Data delades i tränings- och testset, och modellerna kontrollerades också med femfaldig korsvalidering för att bedöma deras stabilitet.

Vilken metod vann och vad som betyder mest

GMDH-modellen presterade klart bättre än både GEP-modellen och klassiska regressionsmetoder. På ospelat testdata nådde GMDH ett förklaringsvärde (R²) på 0,942 med låga prediktionsfel, vilket innebär att dess beräknade hållfastheter nära överensstämde med laboratoriemätningarna. GEP fungerade hyfsat men visade större spridning och högre fel, medan enkla linjära och icke-linjära regressioner missade mycket av den underliggande komplexiteten. För att förstå vilka ingredienser som påverkade hållfastheten mest använde forskarna ett modernt förklaringsverktyg kallat SHAP. Det visade att vattenhalten var den dominerande faktorn: för mycket vatten tenderar att skapa extra porer och minska styrkan. Härdningstid kom näst—längre härdning möjliggjorde fler hydratiseringsreaktioner och starkare murbruk. Cementinnehållet hade en måttlig effekt, medan mängderna RCRT-glas och sand spelade mindre, sekundära roller inom det studerade mixutrymmet.

Vad detta betyder för grönare byggande

För en allmän läsare är huvudbudskapet att det verkar både säkert och praktiskt att återvinna måttliga mängder CRT-glas i cementmurbruk utan att allvarligt försämra hållfastheten, förutsatt att mixen utformas omsorgsfullt. GMDH-ekvationerna ger ingenjörer ett pålitligt, lättanvänt verktyg för att förutsäga hur starkt ett visst RCRT-rikt murbruk kommer vara innan man blandar en enda sats. Eftersom metoden är transparent kan konstruktörer också se hur ändringar i vatten, cement eller härdningstid påverkar prestanda och kompensera för den lilla hållfasthetsförlust som glaset orsakar. Kort sagt visar studien att kombinationen av industriell avfallsåtervinning och tolkbara maskininlärningsmodeller kan hjälpa till att omvandla farligt e-avfall till en förutsägbar, strukturellt säker ingrediens för hållbara och till och med strålskyddande byggnadsmaterial.

Citering: Ghorbani, V., Seyedkazemi, A. & Kutanaei, S.S. Predicting compressive strength of mortars containing recycled CRT glass using GMDH and GEP methods. Sci Rep 16, 6655 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36553-8

Nyckelord: återvunnet CRT-glas, cementmurbrukets hållfasthet, hållbart byggande, maskininlärningsmodeller, strålskyddsmaterial