《Results in Engineering》：Experimental-ML Frameworks for Thermo-Mechanical Characterization of Rubberized Cement Mortar After Elevated Temperature Exposure
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本研究针对废弃轮胎堆积造成的环境压力及传统水泥基材料高温性能不足的问题，系统探究了不同掺量（0%-20%）的胶粉（CR）替代天然细骨料（NFA）对水泥砂浆在室温、100°C和200°C高温暴露后（包括即时热冲击和缓慢冷却两种条件）力学性能的影响。研究发现，5% CR掺量可在保持相近强度的同时显著提升砂浆的延性和高温后残余强度；结合DIC和SEM揭示了微观损伤机制，并首次构建了机器学习模型（XGBoost等）精准预测了弯曲强度，证实CR掺量是比温度更关键的影响因素。该集成实验-表征-ML框架为橡胶在热暴露结构中的应用优化提供了重要依据。
在全球范围内，每年有数十亿条废旧轮胎产生，其不当处置不仅占用大量土地，还造成严重的“黑色污染”。与此同时，建筑行业对天然砂石骨料的巨大需求加剧了资源消耗。将废旧轮胎加工成的胶粉（Crumb Rubber, CR）用于水泥基材料，被视作一种有前景的废物资源化利用途径。然而，橡胶化水泥砂浆或混凝土面临一个核心矛盾：CR的加入显著提高了材料的韧性和抗冲击性能，但却不可避免地导致其抗压和抗弯等力学强度的下降。更关键的是，当这类材料应用于建筑结构时，不可避免地会遭遇火灾等高温环境，其在高温度暴露后的性能演变规律及微观损伤机制尚不清晰，这严重制约了其在实际工程，特别是可能面临热负荷的结构中的应用。
为了解决上述问题，发表在《Results in Engineering》上的研究，开展了一项集实验、微观表征与机器学习于一体的深入研究，系统评估了橡胶化水泥砂浆在高温暴露后的热机械性能。研究人员制备了五种不同CR掺量（0%, 5%, 10%, 15%, 20%）的水泥砂浆，并系统考察了它们在室温（25°C）、100°C和200°C高温处理后的性能。为了模拟真实火灾后的不同场景，研究还特别设置了两种冷却制度：高温后立即测试以模拟“热冲击”，以及高温后在炉内缓慢冷却24小时后再测试以模拟“缓慢降温”。通过抗压和抗弯强度测试、数字图像相关（Digital Image Correlation, DIC）技术全场应变测量、扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscopy, SEM）微观结构观察，并结合机器学习（Machine Learning, ML）模型预测，该研究揭示了CR-水泥砂浆复合体系在热-力耦合作用下的性能演化规律。
为开展本研究，研究人员主要采用了以下关键技术方法：首先，按照标准流程制备了不同CR替代率（0%-20%）的水泥砂浆立方体和梁试件，并进行28天标准养护。其次，利用高温炉对试件进行不同温度（100°C, 200°C）暴露处理，并设置即时测试和缓慢冷却后测试两种工况。力学性能测试包括立方体试件的抗压强度测试和梁试件的三点弯曲试验。此外，采用DIC系统非接触式地测量了梁试件在弯曲荷载下的全场应变和裂纹演化过程。通过SEM观察了水泥砂浆基体与胶粉颗粒间的界面过渡区（Interfacial Transition Zone, ITZ）的微观结构变化。最后，基于实验数据，利用自助抽样法（Bootstrapping）扩充数据集，并应用极端梯度提升（XGBoost）、随机森林（Random Forest）和支持向量回归（Support Vector Regression）三种机器学习算法构建了弯曲强度的预测模型。
3.1. 抗压强度
3.1.1. CR对抗压强度的影响
研究结果表明，CR的掺入会显著降低砂浆的抗压强度。对照组（0% CR）试件的抗压强度最高，为64.19 MPa。随着CR掺量从0%增加至20%，抗压强度呈现明显下降趋势，20% CR试件的强度损失高达128.9%。这种强度下降主要归因于CR弹性模量低、与水泥基体粘结较弱，以及其疏水性导致界面过渡区（ITZ）存在较多缺陷。
3.1.2. 高温对橡胶化砂浆抗压强度的影响
高温暴露进一步加剧了强度损失。在100°C和200°C下，所有试件的抗压强度均低于室温试件。值得注意的是，缓慢冷却试件的强度损失普遍小于即时热冲击试件。例如，在200°C下，20% CR的即时热冲击试件强度损失达44.79%，而缓慢冷却试件的损失降至22.74%。这表明缓慢冷却过程允许材料内部应力重分布和部分微裂纹愈合，从而保留了更多的残余强度。研究还发现，高CR掺量试件在高温缓慢冷却后表现出更好的强度恢复能力，可能是因为橡胶分解后留下的空穴起到了应力缓冲作用。
3.2. 抗弯强度测试结果
3.2.1. 抗弯强度荷载-滑移关系
荷载-位移曲线显示，橡胶化砂浆的破坏模式从对照组（0% CR）的脆性断裂转变为高CR掺量试件的延性破坏。尽管强度降低，但CR的加入显著增加了试件破坏前的变形能力（位移）。例如，20% CR试件在室温下的峰值位移（1.29 mm）是对照组（0.86 mm）的1.5倍。
3.2.2. CR对抗弯强度的影响
与抗压强度类似，抗弯强度也随CR掺量增加而降低。5% CR试件的抗弯强度为7.13 MPa，比对照组（7.51 MPa）仅下降5.06%；而20% CR试件的强度降至4.42 MPa，降幅达41.2%。然而，CR的引入显著改善了材料的延性。
3.2.3. 高温对橡胶化砂浆抗弯强度的影响
高温暴露导致抗弯强度进一步下降。但同样地，缓慢冷却条件优于即时热冲击。对于20% CR试件，在200°C暴露后，缓慢冷却试件的抗弯强度（3.62 MPa）比即时热冲击试件（2.73 MPa）高出约32.6%。这表明适当的冷却策略有助于缓解高温损伤。
3.2.4. 高温暴露后的峰后残余强度
一个重要的发现是，对照组试件在达到峰值荷载后几乎没有任何残余强度，表现为完全脆性断裂。而所有掺有CR的试件均表现出不同程度的峰后残余强度。这表明CR颗粒在基体中起到了桥接裂纹、吸收能量的作用，提高了材料在破坏后仍能承受一定荷载的能力。
3.2.5. 初裂弯矩
实验测得的初裂弯矩随着CR掺量增加和温度升高而降低。将实验结果与ACI、CSA、AS、EN等国际设计规范的计算值进行比较发现，所有设计规范的预测值普遍低于实验值，即规范预测偏于保守。其中，ACI规范的预测与实验值最为接近。
3.2.6. 破坏模式
破坏形态观察证实，CR的加入使破坏从控制组的单一、清晰的裂缝转变为多条细密裂缝，表现出更好的能量吸收和变形能力。
3.3. 数字图像相关（DIC）分析
DIC技术清晰地捕捉了梁试件在弯曲荷载下表面的应变场演化。对于5% CR试件，在室温下最大拉应变为0.0318。在100°C缓慢冷却后，最大拉应变增加至0.0892；在200°C缓慢冷却后，进一步增至0.15。这表明高温导致材料软化，变形能力增加，但应变也更集中于裂缝发展区域。DIC结果直观地揭示了橡胶化砂浆在高温后变形性能的变化。
3.4. 扫描电子显微镜（SEM）界面过渡区（ITZ）分析
SEM微观观察揭示了CR与水泥基体之间ITZ的形貌受温度和冷却方式显著影响。200°C即时热冲击后，ITZ出现明显裂缝和孔洞，橡胶颗粒与基体脱粘。而在200°C缓慢冷却后，橡胶颗粒部分熔化并与周围水泥基体融合，形成了更为致密的ITZ。这解释了为何缓慢冷却试件往往表现出更好的延性和残余强度。
3.5. 与文献中橡胶化砂浆降解机制的对比
本研究观察到的现象与已有文献报道一致。高温下，水泥基体脱水，CR软化、分解，导致ITZ弱化，是性能劣化的主因。而缓慢冷却的有益效应则为本研究着重揭示的内容。
3.6. 机器学习（ML）预测
3.6.1. 机器学习模型开发
由于实验数据量有限，研究采用自助抽样法将数据集从75个扩充至300个数据点。随后应用XGBoost、随机森林和支持向量回归三种算法建立模型，以CR%、温度、测试条件、抗压强度等作为输入特征，预测抗弯强度。
3.6.2. 统计结果分析和ML模型性能评估
性能评估表明，XGBoost模型在预测精度上表现最佳，其测试集的确定系数（R2）达到0.97，均方根误差（RMSE）和平均绝对误差（MAE）分别为0.22和0.17，优于随机森林和支持向量回归模型。
3.6.3. 特征重要性
通过分析XGBoost模型的特征重要性发现，对抗弯强度预测最重要的三个输入特征分别是天然细骨料（NFA）含量（28.62%）、CR掺量（27.09%）和抗压强度（25.61%）。而温度（6.32%）和测试条件（即时或缓慢冷却，1.42%）的影响相对较小。这一结果证实，材料组成（骨料和CR）是决定弯曲性能的最关键因素，其影响甚至超过了高温暴露本身。
综上所述，本研究通过多尺度实验与数据驱动建模相结合的方法，深入揭示了橡胶化水泥砂浆在高温作用下的性能演变规律与机理。核心结论表明，尽管CR的加入降低了砂浆的绝对强度，但显著提升了其延性、韧性和高温后的损伤容限。特别是5%的CR掺量，在强度损失可控的前提下，带来了最佳的延性改善和热稳定性。缓慢冷却工艺被证明能有效缓解高温损伤，提升残余性能。机器学习模型成功实现了对弯曲强度的准确预测，并指出材料组成是性能的主导因素。该研究为废弃轮胎橡胶在水泥基材料中的安全、高效利用，尤其是在考虑防火性能的应用场景提供了重要的实验依据和理论支撑。集成的实验-DIC-SEM-ML研究框架，显著推进了对橡胶化水泥基复合材料热-力行为了解的水平，为后续材料设计与工程应用优化奠定了坚实基础。
