Betonda Yeni Bileşenlerin Araştırılması

Çimento alternatiflerine olan talep artarken, bir MIT (Massachusetts Institute of Technology) ekibi bilimsel literatürde yeni malzemeler bulmak için makine öğrenimini kullanıyor.

İnşaat ve çevre mühendisliği alanında doktora sonrası araştırmacı olan Soroush Mahjoubi liderliğindeki bir ekip, fiziksel ve kimyasal özelliklerine göre daha çevre dostu beton için aday malzemeleri değerlendiren ve sıralayan bir makine öğrenimi çerçevesi oluşturdu.

Laboratuvardaki beyaz tahta haftalarca karalamalar, diyagramlar ve kimyasal formüllerle doluydu. Olivetti Group ve MIT Beton Sürdürülebilirlik Merkezi (CSHub) bünyesindeki bir araştırma ekibi, önemli bir sorun üzerinde yoğun bir şekilde çalışıyordu: Maliyet ve emisyonlardan tasarruf etmek için betondaki çimento miktarını nasıl azaltabiliriz?

Bu soru kesinlikle yeni değildi, kömür üretiminin bir yan ürünü olan uçucu kül ve çelik üretiminin bir yan ürünü olan cüruf gibi malzemeler, uzun süredir beton karışımlarındaki çimentonun bir kısmının yerine kullanılıyor, ancak endüstrinin kullanımını genişleterek iklim etkilerini azaltmaya çalışmasıyla birlikte, bu ürünlere olan talep arzı aşıyor ve bu da alternatif arayışını acil hâle getiriyor. Ekibin keşfettiği zorluk, aday eksikliği değildi; sorun, eleme aşamasında çok fazla aday olmasıydı.

Doktora sonrası araştırmacı Soroush Mahjoubi liderliğindeki ekip, Nature’s Communications Materials dergisinde çözümlerini açıklayan açık erişimli bir makale yayımladı. Mahjoubi, “Yapay zekânın ilerlemenin anahtarı olduğunu fark ettik. Potansiyel malzemeler hakkında binlerce sayfa bilimsel literatür var. Bunları ayıklamak, ömür boyu sürecek bir çalışma gerektirirdi ve bu zamana kadar daha fazla malzeme keşfedilmiş olurdu.” diyor.

Çoğumuzun günlük olarak kullandığı sohbet robotları (chatbots) gibi büyük dil modelleriyle ekip, aday malzemeleri fiziksel ve kimyasal özelliklerine göre değerlendiren ve sıralayan bir makine öğrenimi çerçevesi oluşturdu.

Mahjoubi, “İlk olarak, hidrolik reaksiyon söz konusu. Betonun güçlü olmasının nedeni, onu bir arada tutan ‘tutkal’ olan çimentonun suya maruz kaldığında sertleşmesidir. Bu nedenle, bu tutkalı değiştirirsek, yerine geçecek malzemenin de benzer şekilde tepki verdiğinden emin olmalıyız. İkinci olarak, puzolanik aktivite var. Bu, bir malzemenin çimentonun suyla buluşması sonucu oluşan bir yan ürün olan kalsiyum hidroksitle reaksiyona girerek betonu zamanla daha sert ve daha güçlü hâle getirmesidir. Betonun en iyi performansı göstermesi için karışımdaki hidrolik ve puzolanik malzemeleri dengelememiz gerekiyor.” diyor.

Ekip, bilimsel literatürü ve 1 milyondan fazla kaya örneğini analiz ederek, aday malzemeleri biyokütleden maden yan ürünlerine ve yıkılmış inşaat malzemelerine kadar 19 türe ayırmak için bu çerçeveyi kullandı. Mahjoubi ve ekibi, uygun malzemelerin dünya çapında mevcut olduğunu ve daha da etkileyici olanı, çoğunun sadece öğütülerek beton karışımlarına dâhil edilebileceğini keşfetti. Bu, çok fazla ek işlem yapmadan emisyon ve maliyet tasarrufu elde etmenin mümkün olduğu anlamına geliyor.

Mahjoubi, “Çimentonun bir kısmının yerini alabilecek en ilginç malzemelerden biri seramiktir. Eski fayanslar, tuğlalar, çanak çömlekler gibi tüm bu malzemeler yüksek reaktiviteye sahip olabilir. Bunu, yapıların su geçirmez hâle getirilmesine yardımcı olmak için seramiklerin eklendiği antik Roma betonunda gözlemledik. MIT’de antik beton çalışmalarının çoğunu yöneten Profesör Admir Masic ile bu konuda birçok ilginç sohbet gerçekleştirdim.” diyor.

Seramik gibi günlük malzemelerin ve maden atıkları gibi endüstriyel malzemelerin potansiyeli, beton gibi malzemelerin döngüsel ekonomiyi nasıl mümkün kılabileceğinin bir örneğidir. Araştırmacılar ve endüstri, atık olarak çöplüklere gidecek malzemeleri belirleyip yeniden kullanarak, bu malzemelere binalarımızın ve altyapımızın bir parçası olarak ikinci bir hayat kazandırmaya yardımcı olabilir.

Araştırma ekibi, ileriye dönük olarak, en iyi adaylardan bazılarını deneysel olarak doğrularken, daha da fazla malzemeyi değerlendirebilecek şekilde çerçeveyi geliştirmeyi planlıyor. Çalışmanın kıdemli yazarı ve MIT Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bölümü üyesi Profesör Elsa Olivetti, “Yapay zekâ araçları bu araştırmayı kısa sürede önemli ölçüde ilerletti ve büyük dil modellerindeki en son gelişmelerin bir sonraki adımları nasıl mümkün kılacağını görmek için heyecanlıyız.” diyor. Olivetti, MIT İklim Projesi görev direktörü, CSHub baş araştırmacısı ve Olivetti Grubu lideri olarak görev yapıyor.

Ortak yazar ve CSHub direktörü Randolph Kirchain, “Beton, inşa edilmiş çevrenin omurgasıdır. Veri bilimi ve yapay zekâ araçlarını malzeme tasarımına uygulayarak, endüstrinin çabalarını desteklemeyi umuyoruz. Amaç, güç, güvenlik veya dayanıklılıktan ödün vermeden daha sürdürülebilir bir şekilde inşa etmektir.” diyor.

Mahjoubi, Olivetti ve Kirchain’in yanı sıra, çalışmanın ortak yazarları arasında MIT doktora sonrası araştırmacısı Vineeth Venugopal, Ipek Bensu Manav SM ’21, PhD ’24 ve CSHub Müdür Yardımcısı Hessam AzariJafari bulunmaktadır.

Bu araştırma, Beton Geliştirme Vakfı tarafından desteklenen MIT Beton Sürdürülebilirlik Merkezi aracılığıyla yürütülmüştür. Bu çalışma ayrıca MIT-IBM Watson Yapay Zekâ Laboratuvarı’ndan da fon almıştır.

Kaynak: news.mit.edu/2025/ai-stirs-recipe-for-concrete-0602