Experimental and Machine Learning-Based Performance Evaluation of Ambient-Cured Geopolymer Mortar Using Microstructural Characterisation and ABAQUS Numerical Analysis

हरित कंक्रीट क्रांति: राख, कीमिया और एआई की एक कहानी

कल्पना कीजिए कि निर्माण उद्योग एक विशाल, भूखे राक्षस की तरह है जो ग्रह के संसाधनों को खा जाता है। एक सदी से अधिक समय से, यह राक्षस पोर्टलैंड सीमेंट पर टूट पड़ा है, जो एक ऐसी सामग्री है जो अविश्वसनीय रूप से मजबूत तो है लेकिन साथ ही एक बहुत बड़ा प्रदूषक भी है, क्योंकि इसे बनाने के दौरान हर बार कार्बन डाइऑक्साइड के विशाल बादल निकलते हैं। वैज्ञानिक वर्षों से एक "हरित" विकल्प की तलाश कर रहे हैं, और उन्हें एक दिलचस्प उम्मीदवार मिला है: जियोपॉलिमर मोर्टार (geopolymer mortar)। इसे एक नए आविष्कार के रूप में नहीं, बल्कि एक जादुई परिवर्तन के रूप में सोचें। मिट्टी को पकाकर सीमेंट बनाने के बजाय, यह नई सामग्री औद्योगिक कचरे—जैसे कोयला जलाने से बची हुई राख या स्टील बनाने से निकलने वाला स्लैग—का उपयोग करती है और इसे एक विशेष रासायनिक सूप जिसे 'अल्कलाइन एक्टिवेटर' कहा जाता है, का उपयोग करके "जागृत" करती है। यह किसी कारखाने के दिन के बचे हुए टुकड़ों को बिना भारी कार्बन फुटप्रिंट के एक सुपर-मजबूत, टिकाऊ ईंट में बदलने जैसा है।

लेकिन यहाँ पेच यह है: इस "जादुई धूल" को पूरी तरह से काम करने के योग्य बनाना वैसा ही है जैसे बिना रेसिपी के एक आदर्श केक बनाने की कोशिश करना। आपको अलग-अलग प्रकार के कचरे ( "आटा") को मिलाना होगा, सही रासायनिक सूप ("यीस्ट") चुनना होगा, और यह तय करना होगा कि इसे कितनी देर तक छोड़ना है ("बेकिंग का समय")। यदि आप मिश्रण गलत करते हैं, तो परिणाम कमजोर और भुरभुरा होगा। यदि आप इसे सही करते हैं, तो आपको एक ऐसी सामग्री प्राप्त होती है जो पारंपरिक कंक्रीट से अधिक मजबूत है और ग्रह के लिए अधिक दयालु है। यह वह पहेली है जिसे शोधकर्ता हल करने की कोशिश कर रहे हैं: हम इन औद्योगिक अवशेषों को कैसे मिलाएं जिससे सबसे मजबूत, सबसे विश्वसनीय निर्माण सामग्री बनाई जा सके, और वह भी बिना किसी अत्यधिक गर्म भट्टी के, सामान्य कमरे के तापमान पर इसे सुखाते हुए?

प्रयोग: एक आदर्श "हरित" रेसिपी बनाना

इस अध्ययन में, शोधकर्ताओं ऋषिकेश खर्तौडे और सुभाष पटनायक ने मास्टर अल्केमिस्ट (कीमियागर) की भूमिका निभाने का निर्णय लिया। उनका लक्ष्य जियोपॉलिमर मोर्टार के लिए एक सर्वोत्कृष्ट रेसिपी खोजना था जिसे बिना महंगे ताप की आवश्यकता के, एक सामान्य कार्यशाला में ही बनाया और सुखाया जा सके। उन्होंने चार अलग-अलग प्रकार के "आटे" (पूर्ववर्ती सामग्री) को इकट्ठा किया: फ्लाई ऐश (कोयला संयंत्रों से), ग्राउंड ग्रेनुलेटेड ब्लास्ट फर्नेस स्लैग (GGBFS, स्टील मिलों से), मेटाकाओलिन (एक मिट्टी का व्युत्पन्न), और स्टील स्लैग। उन्होंने विभिन्न "यीस्ट" (अल्कलाइन एक्टिवेटर्स) का भी परीक्षण किया, जो मुख्य रूप से सोडियम-आधारित और पोटेशियम-आधारित रासायनिक समाधानों पर केंद्रित थे।

उन्होंने केवल अनुमान नहीं लगाया; उन्होंने प्रयोगों की एक विशाल श्रृंखला चलाई। उन्होंने सामग्रियों के अनुपात को बदलते हुए दर्जनों अलग-अलग मिश्रण बनाए। कुछ मिश्रण 100% फ्लाई ऐश थे, कुछ 100% GGBFS थे, और कई हाइब्रिड थे, जैसे 50-50 का विभाजन। उन्होंने इन मिश्रणों को सांचों में डाला और उन्हें कमरे के तापमान पर छोड़ दिया, और 7, 14 और 28 दिनों के बाद उनकी मजबूती की जांच की। उन्होंने यह भी मापा कि गीला मोर्टार कितना "बहने वाला" (flowy) था, क्योंकि यदि यह बहुत गाढ़ा है, तो मरम्मत के लिए दरारों में डालना कठिन होता है।

बड़ी खोज:
परिणाम स्पष्ट थे। 100% GGBFS से बना मिश्रण निर्विवाद विजेता था। 28 दिनों के बाद, इसने 68.51 MPa की क्रशिंग स्ट्रेंथ हासिल की, जो कमरे के तापमान पर सुखाए गए पदार्थ के लिए अविश्वसनीय रूप से उच्च है। दूसरा स्थान एक हाइब्रिड मिश्रण ने प्राप्त किया जो 50% फ्लाई ऐश और 50% GGBFS का मिश्रण था, जिसने 61.44 MPa की ताकत हासिल की। यह हाइब्रिड एक बेहतरीन संतुलन था, जो मजबूती और कार्यक्षमता (workability) का एक अच्छा मेल प्रदान करता था।

दूसरी ओर, मेटाकाओलिन या स्टील स्लैग पर बहुत अधिक निर्भर रहने वाले मिश्रणों ने इन विशिष्ट कमरे के तापमान की स्थितियों में उतना अच्छा प्रदर्शन नहीं किया। वे कमजोर थे, जिससे पता चलता है कि पर्याप्त कैल्शियम (जो GGBFS में प्रचुर मात्रा में है) और सही रासायनिक "जागृति" के बिना, ये सामग्रियां उतनी प्रभावी ढंग से नहीं जम पातीं। शोधकर्ताओं ने यह भी पाया कि एक सोडियम-आधारित रासायनिक सूप (NaOH + Na2SiO3) इस विशिष्ट कार्य के लिए पोटेशियम या कैल्शियम-आधारित घोलों की तुलना में बहुत बेहतर काम करता है।

क्रिस्टल बॉल: भविष्य की भविष्यवाणी करने के लिए AI का उपयोग करना

कंक्रीट बनाना महंगा और समय लेने वाला है। आपको मिश्रण बनाना पड़ता है, डालना पड़ता है, हफ्तों इंतजार करना पड़ता है, और फिर यह देखने के लिए उसे तोड़ना पड़ता है कि वह काम कर रहा है या नहीं। इसे तेज करने के लिए, शोधकर्ताओं ने एक डिजिटल क्रिस्टल बॉल की ओर रुख किया: मशीन लर्निंग। उन्होंने अपने प्रयोगात्मक डेटा को चार अलग-अलग कंप्यूटर मस्तिष्क मॉडलों में डाला: आर्टिफिशियल न्यूरल नेटवर्क (ANN), गॉसियन प्रोसेस रिग्रेशन (GPR), रैंडम फॉरेस्ट (RF), और सपोर्ट वेक्टर मशीन (SVM)।

इन मॉडलों को चार अलग-अलग छात्रों के रूप में सोचें जो होमवर्क के आधार पर अंतिम परीक्षा के स्कोर का अनुमान लगाने की कोशिश कर रहे हैं। आर्टिफिशियल न्यूरल नेटवर्क (ANN) स्टार स्टूडेंट था। इसने अन्य मॉडलों की तुलना में रसायन विज्ञान के जटिल, गैर-रेखीय नियमों को बेहतर ढंग से सीखा। इसने मोर्टार की मजबूती की अद्भुत सटीकता के साथ भविष्यवाणी की, जो वास्तविक दुनिया के परिणामों से लगभग पूरी तरह मेल खाती थी। अन्य मॉडल अच्छे थे, लेकिन ANN सबसे विश्वसनीय था।

यह सुनिश्चित करने के लिए कि कंप्यूटर केवल अनुमान नहीं लगा रहा है, शोधकर्ताओं ने SHAP विश्लेषण नामक उपकरण का उपयोग किया। यह कंप्यूटर से पूछने जैसा है, "आपको क्यों लगा कि यह मिश्रण मजबूत होगा?" कंप्यूटर ने सबसे महत्वपूर्ण सामग्रियों की ओर इशारा किया: GGBFS की मात्रा, सोडियम हाइड्रॉक्साइड की सांद्रता, और सोडियम सिलिकेट की खुराक। इसने पुष्टि की कि प्रयोगों ने क्या दिखाया था: ये ही सफलता की कुंजियाँ हैं।

माइक्रोस्कोप और हीट टेस्ट: ईंट के भीतर झाँकना

यह समझने के लिए कि GGBFS मिश्रण इतना मजबूत क्यों था, शोधकर्ताओं ने सूक्ष्मदर्शी (microscope) के नीचे इसका अध्ययन किया और इसे गर्मी के अधीन किया।

• माइक्रोस्कोप (SEM और XRD): जब उन्होंने 100% GGBFS मिश्रण को देखा, तो उन्हें जेल का एक घना, कसकर पैक किया गया शहर दिखाई दिया। यह C-(A)-S-H जेल नामक एक विशेष गोंद से भरा था, जो उच्च कैल्शियम के कारण तेजी से बनता है। इसमें बहुत कम छेद (pores) थे और कण आपस में मजबूती से जुड़े हुए थे। इसके विपरीत, कमजोर मिश्रणों में अधिक अंतराल और कम गोंद था।
• हीट टेस्ट (TGA-DTG): उन्होंने नमूनों को 1000°C तक गर्म किया ताकि देख सकें कि वे कैसे टिकते हैं। GGBस (GGBFS) मिश्रण एक बहुत ही सख्त और मजबूत पदार्थ साबित हुआ। गर्म होने पर इसका वजन बहुत कम हुआ, जो साबित करता है कि इसकी आंतरिक संरचना स्थिर है और आसानी से टूटती नहीं है। यह सुझाव देता है कि ये ईंटें न केवल मजबूत होंगी, बल्कि अग्नि-प्रतिरोधी और टिकाऊ भी होंगी।

स्ट्रक्चरल टेस्ट: एक ढहते हुए बीम को बचाना

अंत में, शोधकर्ताओं ने पूछा: "क्या यह चीज़ वास्तव में एक इमारत को बचा सकती है?" उन्होंने एक टूटे हुए और कमजोर कंक्रीट बीम का मॉडल तैयार करने के लिए ABAQUS नामक एक शक्तिशाली कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग किया। फिर उन्होंने इस बीम को उनके नए जियोपॉलिमर मोर्टार से बने "जैकेट" में लपेटा और इसे हेक्सागोनल वायर मेश (जैसे चिकन वायर) की परतों के साथ सुदृढ़ किया।

उन्होंने मेश की 1, 2, और 3 परतों वाले जैकेट का परीक्षण किया।

• मूल, कमजोर बीम विफल होने से पहले केवल 48 kN का बल झेल सका।
• 3-परत वाले जियोपॉलिमर जैकेट वाला बीम 74 kN का भार सह सका।
• यह मजबूती में 54.2% की वृद्धि है!

सिमुलेशन ने दिखाया कि जियोपॉलिमर जैकेट एक सुपरहीरो की ढाल की तरह काम करता है। इसने दरारों को फैलने से रोका, बीम को थामे रखा और इसे बहुत अधिक कठोर बना दिया। उन्होंने जितने अधिक परतें जोड़ीं, बीम ने उतना ही बेहतर प्रदर्शन किया, जिसमें 3-परत वाला संस्करण सबसे कम क्षति और सबसे कम झुकाव प्रदर्शित करता था।

निष्कर्ष

यह शोध निर्माण के भविष्य के लिए एक बहुत ही आशाजनक तस्वीर पेश करता है। यह सिद्ध करता है कि हम औद्योगिक कचरे का उपयोग कर सकते हैं और एक उच्च-प्रदर्शन वाली निर्माण सामग्री बना सकते है जो कई पारंपरिक सीमेंटों से अधिक मजबूत है, और वह भी बिना किसी भट्टी की आवश्यकता के। 100% GGBFS मिश्रण सबसे मजबूत है, लेकिन 50-50 फ्लाई ऐश/GGBFS मिश्रण एक शानदार, संतुलित विकल्प है।

अध्ययन ने यह भी दिखाया कि हमें अब रेसिपी का अनुमान लगाने की आवश्यकता नहीं है; स्मार्ट कंप्यूटर मॉडल (विशेष रूप से ANN) उच्च सटीकता के साथ परिणामों की भविष्यवाणी कर सकते हैं, जिससे समय और धन की बचत होती है। और सबसे महत्वपूर्ण बात यह है कि यह नई सामग्री केवल प्रयोगशाला तक सीमित नहीं है; यह पुरानी, क्षतिग्रस्त इमारतों की मरम्मत करने और उन्हें मजबूत करने के लिए एक शक्तिशाली उपकरण के रूप में काम करती है, जिससे हमारा बुनियादी ढांचा सुरक्षित और अधिक टिकाऊ बनता है। हालांकि शोधकर्ता नोट करते हैं कि यह देखने के लिए कि ये सामग्रियां कई वर्षों तक अत्यधिक मौसम का सामना कैसे करती हैं, और अधिक परीक्षण की आवश्यकता है, अब तक के प्रमाण बताते हैं कि जियोपॉलिमर मोर्टार हरित निर्माण की दिशा में एक बड़ी छलांग है।