Karbon kaynaklı malzeme katkılı beton harcının fiziksel ve kimyasal özelliklerinin araştırılması: bir deneysel tasarım tabanlı çok yanıtlı optimizasyon uygulaması

Abstract

Çok yanıtlı optimizasyon yöntemi olan TOPSIS (İdeal çözümlere yakınlık yoluyla tercihlerin sıralanması tekniği) Tabanlı Taguchi metodunun kullanılarak ürün kalitesinin iyileştirilmesinin amaçlandığı bu çalışmada, birinci bölümünde, grafitten Hummers metodu ile Grafen Oksit (GO) sentezi ve GO'nun NaBH4 kullanarak kimyasal indirgenmesi (rGO) sürecinin çok yanıtlı optimizasyonu gerçekleştirilmiştir. İkinci bölümüde ise, sentezlenen yüksek miktarlardaki GO ve rGO ile Grafen Oksit katkılı çimento harcı (GO-BETON) ve Karbon Kaynaklı çimento (KK-BETON) harcı üretilmiştir. GO ve rGO'in çok yanıtlı optimizasyonu için belirlenen kalite kriterleri sırası ile D piki yoğunluğunun G piki yoğunluğuna oranı (D/G), 2D pik şiddeti (I2D), D+D' pik yoğunlukları, kristal boyutu (KB), yüzey pürüzlülüğü (Sr) ve karbonun oksijene atomik oranı (C/O) seçilmiştir. Seçilen kalite kriterlerinden D/G, C/O, KB ve Sr'den sırasıyla GO sentezi için %19,36, %15,19, %58,92, %40,10 ve rGO sentezi için %1,51, %101,82, %48,05, %57,49 iyileşme oranları elde edilmiştir. Böylelikle ilk aşama tamamlanmış ve büyük ölçekte GO ve rGO üretimi için optimum karışım oranları belirlenmiştir. İkinci bölümde üretilen çimento harcları için (GO-BETON ve KK-BETON) çok yanıtlı optimizasyonu için kalite kriterleri, termal iletkenlik ve ısı kapasitesi değerleri, su emme yüzdesi (SE), ultrasonik ses hızı (USH), basınç dayanımı (BD) ve sülfürik asit direnci (AKK) olarak belirlenmiştir. Çimento harcı deneyleri için seçilen 56 günlük termal iletkenlik, 56 günlük ısı kapasitesi değerleri, 28 günlük SE, USH, BD ve AKK kalite kriterleri için iyileşme oranları sırasıyla GO-BETON için %10,9, -%6,5, %10,83, %-1,99, %67,23 ve 59,62, KK-BETON için sırasıyla %18,95, -%1,72, -%9,47, -%0,4, %33,91 ve % 44,55 olarak elde edilmiştir. Çalışma sonuçları çimento harcı tasarımlarında kullanılan grafen oksit ve karbon fiberin, üstün kimyasal direnç ve basınç dayanım özelliği sebebi ile kanalizasyon hatları, baraj ve liman betonları gibi korozyona dayanıklı beton uygulamalarında kullanımının uygun olduğunu göstermiştir.

In this study aims to improve the product quality with the use of TOPSIS (Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution) based Taguchi-based metot, the multi-response optimization process of graphene oxide synthesis(GO) from the graphite by Hummers metot and reduction of the GO using NaBH4 was performed in the first stage. In the second stage, cement mortar contains high amounts of synthesized GO (GO-BETON) and cement mortar contains carbon based materials (KK-BETON) was produced. The determined quality criteria for multi-response optimization of GO and rGO are the ratio of D density to G peak density (D/G), 2D peak intensity (I2D), D + D 'peak densities, crystal size (KB), surface roughness (Sr) and the carbon to oxygen atomic ratio (C / O), respectively. The improvement rates of 19.36%, 15.19%, 58.92%, 40.10% for GO synthesis and 1.51.% , 101.82%, 48.05%, 57.49% for rGO synthesis was obtained for selected criteria such as D/G, C / O, KB and Sr, respectively. Thus, the first stage was completed and the optimum mixing ratios for GO and rGO production were determined on a large scale. Quality criteria for multi-response optimization (GO-BETON and KK-BETON) for cement mortars produced in the second stage was determined as thermal conductivity, heat capacity, water absorption percentage (SE), ultrasonic sound velocity (USH), compressive strength (BD) and sulfuric acid resistance (AKK). 56-days thermal conductivity, 56-days heat capacity, 28 days SE, USH, BD and AKK quality criteria for cement mortar was obtained as 10.9%, -6.5%, 10.83%, -1.99%, and 59.62% for GO-BETON; 18.95%, -1.72%, -9.47%, -0.4%, 33.91% and 44.55% for KK-BETON, respectively. The results showed that the graphene oxide and carbon fiber used in the cement mortar designs are suitable for corrosion resistant usage for concrete applications such as sewer lines, dam and port concretes due to their superior chemical resistance and compressive strength.