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RMR重磅学者|美国摩根州立大学Derrick Mirindi博士:机器学习赋能废旧轮胎混凝土设计,精准预测抗拉与抗折性能

今日新材料 • 3 月前 • 125 次点击  
导语

随着全球城市化进程不断加快,混凝土需求持续增长,天然骨料资源消耗和废旧轮胎堆存带来的环境压力日益突出。将废旧轮胎橡胶作为混凝土骨料替代材料,不仅能够实现固体废弃物资源化利用,还能够改善混凝土的韧性、减振及抗冲击性能,因此成为绿色建筑材料领域的重要研究方向。然而,橡胶掺量变化会显著影响混凝土的抗压、劈裂抗拉及抗折等关键力学性能,如何快速、准确预测材料性能并优化配合比设计,仍是制约工程应用的重要科学问题。

针对这一挑战,美国摩根州立大学Derrick Mirindi博士基于17项已发表研究的数据,系统构建了废旧轮胎混凝土机械性能数据库,利用Decision Tree(DT)、Gaussian Process(GP)和XGBoost三种机器学习算法,对混凝土劈裂抗拉强度(ft)和抗折强度(fb)进行了对比预测,并结合Pearson相关分析、k折交叉验证及不确定性分析,对模型的预测能力和泛化性能进行了全面评估。

研究结果表明,XGBoost在两类力学性能预测中均取得最佳表现,同时揭示了橡胶掺量、抗压强度与抗拉、抗折性能之间的内在关联,为废旧轮胎混凝土智能配合比优化、性能预测及可持续建筑材料设计提供了新的数据驱动研究范式,也为人工智能在绿色建材领域的应用提供了重要参考。


文章信息

DOI: 

https://doi.org/10.1016/j.revmat.2026.100194

文章亮点速览

亮点一|构建废旧轮胎混凝土数据库

工作内容:

作者系统整理了17项公开发表的废旧轮胎混凝土研究成果,建立涵盖橡胶掺量、抗压强度(fc)、劈裂抗拉强度(ft)及抗折强度(fb)等关键指标的数据集,并以二次数据为基础开展机器学习建模,为不同算法提供统一的数据支撑。

研究价值:

相较于单一实验研究,本工作通过整合已有研究成果,实现了不同试验数据的系统分析与综合利用,为废旧轮胎混凝土性能预测提供了更加全面的数据基础,也为数据驱动材料设计提供了新的研究范式。

亮点二|揭示性能耦合规律

工作内容:

研究采用Pearson相关性分析,系统揭示橡胶掺量与混凝土各项力学性能之间的关联关系。结果表明,橡胶掺量与抗拉、抗折性能均呈显著负相关,而抗压强度与抗拉、抗折性能之间保持较强正相关,明确了影响废旧轮胎混凝土性能的关键因素及其相互作用规律。

研究价值:

该分析不仅验证了橡胶替代天然骨料对混凝土力学性能的影响机制,也为后续机器学习模型特征选择及配合比优化提供了理论依据,为绿色混凝土设计提供了重要参考。

亮点三|多模型预测性能对比

工作内容:

作者分别构建了决策树(DT)、高斯过程(GP )及XGBoost三种机器学习模型,对废旧轮胎混凝土劈裂抗拉强度和抗折强度进行了预测,并对不同算法的预测能力、非线性拟合能力及不确定性分析能力进行了系统比较。其中,DT能够识别关键强度阈值,GP能够给出预测置信区间,而XGBoost则表现出更高的预测精度。

研究价值:

通过多种算法的横向比较,研究全面评估了不同机器学习方法在废旧轮胎混凝土性能预测中的适用性,为工程领域机器学习模型选择提供了参考依据,也丰富了人工智能在建筑材料中的应用实践。

亮点四|XGBoost实现精准预测

工作内容:

研究结果显示,XGBoost模型在两类目标性能预测中均取得最佳结果。其中,劈裂抗拉强度预测R²达到0.9048,抗折强度预测R²达到0.9503,预测精度明显优于决策树及高斯过程模型。同时,研究还利用特征重要性分析进一步揭示了抗压强度与橡胶掺量对模型预测结果的贡献程度。

研究价值:

高精度预测模型能够减少传统混凝土大量试配与力学测试工作,为废旧轮胎混凝土快速设计、性能优化及工程应用提供高效的数据支撑,也进一步体现了机器学习在绿色建材研发中的应用潜力。

亮点五|评估模型泛化能力

工作内容:

除模型训练精度外,作者进一步采用k折交叉验证、Bootstrap不确定性分析及特征重要性分析,对模型泛化能力进行了全面评价。研究发现,虽然XGBoost训练精度较高,但由于数据规模有限,交叉验证性能明显下降,模型仍存在一定程度的过拟合现象。

研究价值:

该研究不仅关注模型"预测得准",更重视模型"推广得好",为机器学习在建筑材料领域的规范应用提供了更加客观的评价体系。同时也指出,未来应进一步扩充数据规模、增加影响因素,以提升模型的稳定性、可靠性及工程应用价值。


文章核心图表

结语
随着人工智能技术不断融入材料研发,机器学习正逐渐成为绿色建筑材料设计的重要工具。美国摩根州立大学Derrick Mirindi博士团队以废旧轮胎混凝土为研究对象,通过构建机器学习预测模型,系统揭示了橡胶掺量、抗压强度与抗拉、抗折性能之间的关联规律,并验证了XGBoost在力学性能预测中的优异表现,为废旧轮胎资源化利用提供了高效的数据驱动解决方案。

该研究不仅为废旧轮胎混凝土配合比优化和工程性能预测提供了新的技术路径,也为人工智能在可持续建筑材料领域的应用提供了重要实践案例。未来,随着数据规模不断扩展及更多材料参数的引入,机器学习有望进一步推动绿色混凝土的智能设计,加速低碳建材从实验研究迈向工程应用。


作者介绍
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Derrick Mirindi





摩根州立大学




Derrick Mirindi,美国摩根州立大学(Morgan State University)建筑、城市主义与建成环境(Architecture, Urbanism, and Built Environments)专业博士研究生,研究助理,土木工程师。拥有荷兰IHE Delft水教育学院水科学与工程(Hydroinformatics)硕士、泛非基础科学与技术大学土木工程(结构工程方向)硕士及布隆迪大学土木工程学士学位。

其研究聚焦于人工智能(AI)、机器学习(ML)、遥感技术、建筑信息模型(BIM)与可持续基础设施的交叉领域,重点开展城市系统关联(Urban Nexus)分析、数据驱动建模、智慧建造以及绿色建筑材料研究。近年来持续关注人工智能赋能建筑与基础设施管理、水资源信息化及城市可持续发展等前沿方向,并在建筑材料资源化利用、人工智能应用和建筑信息技术等领域发表多篇学术论文。

Derrick Mirindi现为美国建筑学生协会(AIAS)、美国土木工程师学会(ASCE) 和美国建筑管理协会(CMAA)会员,致力于推动人工智能与数字技术在建筑、城市和基础设施领域的创新应用,为可持续城市发展与智慧基础设施建设提供科学支撑。

阅读原文

点击链接,获取文章全文:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S3050913026000616

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出品|中国材料研究学会

来源|中国材料研究学会期刊中心

作者|马艳

排版|马艳


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