Магний-калий-фосфат цементи (magnesium potassium phosphate cement, MKPC), MgO менен фосфат компоненттеринин ортосундагы кислота–негиз нейтралдашуу реакциясы аркылуу тез катаюучу, өтө жогорку эрте бекемдикти жана күчтүү жабышууну камсыз кыла ала турган органикалык эмес байланыштыргыч болуп саналат. Бул изилдөө MKPCни nano-Fe₂O₃ (NF) жана nano-SiO₂ (NS) менен модификациялоонун гидратация жүрүмүнө, фазалардын өнүгүшүнө, көзөнөк түзүлүшүнө, микротүзүлүшкө, жергиликтүү механикалык касиеттерге жана макроскопиялык бекемдикке тийгизген таасирин салыштырмалуу изилдеген. Жаңы эксперименттик негизги багыт NF-MKPC болуп саналат; NS-MKPC маалыматтары ошол эле эксперименттик кампанияда алынган, бирок мурда жарыяланган натыйжалардан салыштыруу максатында изилдөөгө киргизилген.

Изилдөөдө төрт факторлуу жана үч деңгээлдүү ортогоналдык аралашма долбоору; кысууга жана ийилүүгө бекемдик сыноолору; изотермиялык калориметрия; рентгендик дифракция (XRD); Фурье-өзгөртүүлүү инфракызыл спектроскопия (FTIR); термогравиметриялык анализ жана дифференциалдык сканерлөөчү калориметрия (TG/DTG–DSC); сканерлөөчү электрондук микроскопия, энергия-дисперсиялык рентген спектроскопиясы жана артка чачыраган электрондор менен сүрөттөө (SEM/EDS–BSE); сымаптык интрузиялык порозиметрия (MIP); Raman карталоо жана наноиндентация бирге колдонулган.

Изилденген шарттарда NF/M = %4 диапазон жана орточо маанини талдоого ылайык артыкчылыктуу NF дозасы катары тандалган. NF-MKPCнин кысууга бекемдиги 3 саатта 38,63 MPa, 28 күндө 81,26 MPaга жеткен; таза MKPCде ошол эле көрсөткүчтөр 27,5 жана 57,2 MPa болгон. NF-MKPCнин 28 күндүк ийилүүгө бекемдиги 11,22 MPa болсо, таза MKPC 8,32 MPa деңгээлинде калган.

Калориметрия NF-MKPC болжол менен 0,1 саатта 148 mW/g менен үч системанын ичинен эң эрте жана эң жогорку жылуулук агымынын чокусун бергенин көрсөткөн. XRD, FTIR жана Raman жыйынтыктары да NF кошуу тезирээк эрте гидратация жана жакшыраак өнүккөн кристаллдык гидратация продуктуларынын түзүлүшү менен байланыштуу экенин көрсөтөт. Ошол эле учурда изилдөөдө гетерогендүү нуклеация түздөн-түз өлчөнгөн эмес; ошондуктан нуклеация NFнин далилденген жалгыз механизми эмес, бириктирилген маалыматтарга шайкеш келүүчү мүмкүн болгон салымдардын бири.

MIP NF-MKPCде >100 nm макрокөзөнөктөр болжол менен %26дан 3 сааттан баштап 28 күндө %11ге чейин азайганын көрсөткөн. Наноиндентациянын жыйынтыктарында NF-MKPC 28 күндө болжол менен 4,94 GPa катуулук жана 88,8 GPa ийкемдүүлүк модулу менен изилденген системалардын ичинен эң жогорку жергиликтүү механикалык жоопторду көрсөткөн.

Изилдөөнүн негизги чечмелөөсү NFнин бекемдөөчү таасири бир эле кубулуштан келип чыкпайт дегенге негизделет. Тездетилген эрте гидратация, мүмкүн болгон гетерогендүү нуклеация, нанобөлүкчөлөрдүн физикалык толтуруу таасири, ири көзөнөктөрдүн азайышы, гидратация продуктуларынын үзгүлтүксүзүрөөк таралышы жана микромеханикалык бир тектүүлүктүн жогорулашы бирге роль ойнойт деп көрүнөт.

Натыйжалар лабораториялык масштабда алынган. Тоңуу–эрүү, сульфаттын таасири, суунун узак мөөнөттүү таасири, талаа масштабындагы колдонуу жана узак мөөнөттүү туруктуулук түздөн-түз сыналган эмес. Ошондуктан изилдөө NF-MKPC үчүн инженердик потенциалды көрсөтөт, бирок талаадагы иштөөсүн ырастабайт.

Эмне үчүн MKPC өзгөчө цемент системасы?

MKPC салттуу Portland цементинен айырмаланган гидратация химиясына ээ тез катаюучу фосфат цементи. Булак бул материал 1 сааттын ичинде 20 MPaдан жогору кысууга бекемдикти өнүктүрө аларын жана 28 күндө адатта 40–80 MPa аралыгына жете аларын билдирет.

Булак адабиятына ылайык, MKPCнин болот же таш сыяктуу беттерге жабышуусу да кадимки Portland цементине караганда бир нече эсе жогору болушу мүмкүн. Бул касиеттер жолду тез оңдоо, бетон беттерин оңдоо, коргоочу каптоо, айрым калдыктарды иммобилизациялоо колдонмолору жана атайын инженердик оңдоолор үчүн маанилүү.

Бирок бекемдиктин тез өсүшү микротүзүлүш кемчиликсиз дегенди билдирбейт. Каткан MKPCде бири-бири менен байланышкан көзөнөктөр, катмарлуу struvite-K кристаллдарынын ортосундагы боштуктар, аморфтук фосфат гели аймактары жана реакцияга кирбеген MgO бөлүкчөлөрү бирге болушу мүмкүн. Бул гетерогендүү түзүлүш иондордун өтүшүн жана узак мөөнөттүү туруктуулук көйгөйлөрүн жеңилдетиши мүмкүн.

Нано-модификациянын максаты эмне?

Наномасштабдагы кошулмалардын негизги идеясы — майдараак бөлүкчөлөр ири дандар арасындагы боштуктарды толтура алышы, жаңы гидратация продуктулары түзүлө турган чоң бет аянтын камсыз кыла алышы жана гидратация продуктуларынын мейкиндиктик таралышын өзгөртө алышы.

Бирок бардык нанобөлүкчөлөр бирдей жүрүм-турум көрсөтпөйт. Nano-SiO₂ жогорку бет аянты жана химиялык реактивдүүлүгү себептүү цемент системаларында кеңири изилденген; бирок кычкыл фосфат чөйрөсүндө реакцияларга катышышы мүмкүн жана дисперсия/агломерация жүрүмү натыйжаларга таасир этиши мүмкүн.

Nano-Fe₂O₃ болсо химиялык туруктуулугу жана бөлүкчөлөрүнүн майда өлчөмү аркылуу башкача модификация жолун сунуштай алат. Бул изилдөөнүн негизги суроосу — NF MKPCде болгону боштук толтуруучу катары эле иштейби, гидратацияны да тездетеби жана бул өзгөрүүлөр макробекемдик менен кандай байланышта.

Nano-Fe₂O₃ MKPCни Кантип Бекемдейт?

Булактагы жыйынтыктарга ылайык, nano-Fe₂O₃ менен бекемдөөнү бир гана механизмге байланыштырууга болбойт; NF кошуу эртерээк гидратациялык жылуулук чокусу, жакшыраак өнүккөн фосфаттык гидратация продуктуларынын тармагы, ири көзөнөктөрдүн азайышы, тыгызыраак матрица жана бир тектүүрөөк жергиликтүү механикалык жооп менен коштолуп байкалат, бирок гетерогендүү нуклеация менен физикалык толтуруунун өз-өзүнчө салымдары түздөн-түз сандык түрдө өлчөнгөн эмес.

Биринчи катмар: эрте гидратациянын тездеши

Изотермиялык калориметрияда таза MKPC, NS-MKPC жана NF-MKPC алгачкы үч саат бою салыштырылган. Бардык аралашмалар биринчи этапта жылуулук агымынын тез жогорулашын, андан кийин төмөндөшүн көрсөтөт.

NF-MKPCнин жылуулук агымынын чокусу:

148 mW/g, болжол менен 0,1 саат.

Салыштыруу үчүн:

• таза MKPC: болжол менен 110 mW/g;
• NS-MKPC: болжол менен 140 mW/g;
• NF-MKPC: болжол менен 148 mW/g.

NF чокусунун бир эле учурда жогору да, эрте да болушу реакциянын алгачкы этаптары тездегенин көрсөтөт. Изилдөөчүлөр муну нанобөлүкчөлөрдүн жогорку менчик бет аянты гидратация продуктулары үчүн кошумча нуклеация беттерин камсыз кылышы менен байланыштуу болушу мүмкүн деп эсептешет.

Бирок бул чечмелөөнүн чеги маанилүү: изилдөө ядролор түзүлгөнүн түздөн-түз сүрөткө түшүргөн эмес же нуклеация ылдамдыгын өзүнчө эксперимент менен өлчөгөн эмес. Ошондуктан “NF так гетерогендүү нуклеация аркылуу иштейт” деген билдирүү булак колдогондон күчтүүрөөк болуп калат.

Экинчи катмар: фазалык өзгөрүүнүн илгерилеши

XRD дифрактограммаларында бардык системаларда MgOнун болжол менен 43° жана 62,3° тегерегиндеги мүнөздүү чокулары катуу мезгилинин өсүшү менен азайган; struvite-K гидратация продуктусунун болжол менен 21°, 30° жана 32° тегерегиндеги чокулары күчөгөн.

NF-MKPC салыштырылуучу курактарда төмөнүрөөк MgO чокуларын жана айкыныраак struvite-K чокуларын көрсөткөн. NF камтыган үлгүлөрдө мындан тышкары болжол менен 24° тегерегинде Fe₂O₃ менен байланышкан алсыз сигнал байкалган.

Бул байкоо баштапкы MgOнун гидратация продуктуларына көбүрөөк даражада айланган деген чечмелөөгө шайкеш келет; бирок XRD өзү гана бардык реакция жолдорун аныктабайт.

Үчүнчү катмар: FTIR жана термиялык анализ

FTIR спектрлеринде O–H термелүүлөрү болжол менен 2931 жана 1675 cm⁻¹, фосфат топтору болжол менен 1016 cm⁻¹, Mg–O термелүүлөрү болжол менен 568 cm⁻¹ тегерегинде байкалган.

NF-MKPCде болжол менен 428 cm⁻¹ тегерегинде Fe–O менен байланышкан кошумча тилке табылган. Булак бул тилкени жаңы гидратация продуктусунан көрө кошулган nano-Fe₂O₃ фазасынын мүнөздүү изи катары чечмелейт.

TG/DTG анализинде негизги масса жоготуусу 200 °Cден төмөндө, жайыраак экинчи жоготуу 200–800 °C аралыгында болгон. DSCде 100–150 °C аралыгында айкын эндотермиялык кубулуш жана жогорку температураларда кошумча термиялык кубулуштар байкалат.

Авторлор термиялык натыйжалар гидратация продуктуларынын өлчөмү жана түзүлүштүк абалындагы өзгөрүүлөргө шайкеш келерин, бирок TG/DSC өзү гана белгилүү бир реакция жолун далилдей албасын ачык белгилешет.

Төртүнчү катмар: тыгызыраак микротүзүлүш

SEM жана BSE сүрөттөрүндө 3 саатта бардык системаларда калдык MgO дандары, боштуктар жана үзүлмө гидратация продуктулары байкалган.

7 күндө бардык түзүлүштөр тыгыздалган, калдык MgO көлөмү азайган жана гидратация продуктулары бөлүкчөлөрдүн ортосундагы аймактарды үзгүлтүксүзүрөөк толтура баштаган.

28 күндө үлгүлөрдө тыгыз жана өз ара байланышкан үч өлчөмдүү гидратация продуктуларынын тармактары түзүлгөн; Mg жана P таралышынын мейкиндиктик корреляциясы жогорулаган.

NF-MKPC өзгөчө тыгызыраак матрица жана бир тектүүрөөк Fe таралышы менен айырмаланган. Бирок SEM/EDS сүрөттөрү физикалык толтуруу менен нуклеациянын салыштырмалуу салымын өз-өзүнчө өлчөй албайт.

Бешинчи катмар: көзөнөк түзүлүшүнүн майдаланышы

Изилдөөдө MIP үчүн көзөнөктөр төмөнкү класстарда каралган:

Таза MKPCде макрокөзөнөктөрдүн үлүшү 3 саатта болжол менен %35 болсо, 28 күндө %15ке чейин азайган.

NF-MKPCде макрокөзөнөктөр эрте этапта эле төмөн деңгээлде:

28 күндө NF-MKPCнин 20–50 nm мезокөзөнөк үлүшү болжол менен %44.

Nano-Fe₂O₃ менен Nano-SiO₂ MKPCде Бирдей Иштейби?

Жок. Изилдөө эки нано-модификатор жарым-жартылай окшош натыйжаларды бергенине карабастан, алардын гидратация жана көзөнөк эволюциясы ар башка экенин көрсөтөт: NF эртерээк жана күчтүүрөөк баштапкы жылуулук жообу менен, NS болсо айрыкча кеч куракта 20–50 nm көзөнөк классынын үстөм болуп калышы жана макрокөзөнөктөрдүн дээрлик жоголушу менен айырмаланат.

Эрте гидратациядагы айырма

NF-MKPC 148 mW/g менен эң жогорку жана эң эрте чокуну берген, ал эми NS-MKPC болжол менен 140 mW/g болгон чокуну кийинчерээк көрсөткөн.

NS-MKPCде негизги чокудан кийин узагыраак созулган жылуулук бөлүнүп чыгышы бар. Булак бул айырманы nano-SiO₂ жана nano-Fe₂O₃нүн фосфат чөйрөсү менен ар башкача аракеттенүүсү менен байланыштырат.

Көзөнөк эволюциясындагы айырма

NS-MKPC 7 күндө >100 nm макрокөзөнөктөрдүн үлүшүн болжол менен %5ке түшүрүп, 20–50 nm классын болжол менен %60ка көтөргөн. 28 күндө макрокөзөнөктөр дээрлик толугу менен жоголгон, 20–50 nm көзөнөктөр болжол менен %55 жана <20 nm көзөнөктөр болжол менен %38 үлүшүндө болгон.

NF-MKPC болсо эрте куракта таза MKPCге караганда төмөнүрөөк макрокөзөнөк үлүшү менен башталып, 28 күндө болжол менен %11ге чейин азайган.

Ошондуктан булак эч бир нано-модификатор көзөнөктөрдү майдалоонун бардык өлчөмдөрүндө “универсалдуу түрдө артык” деп эсептелбеши керектигин ачык белгилейт.

Бекемдик салыштыруусун этият окуу

Таза MKPCге салыштырганда NF-MKPCнин бекемдик өсүшү айкын. Ошол эле учурда булак Figure 5те мурда жарыяланган NS-MKPC натыйжаларын да көрсөтөт.

Ошондуктан NF-MKPC булактагы Figure 5ке ылайык абсолюттук кысууга бекемдик боюнча NS-MKPCден ашпайт.

Ийилүүгө бекемдикте болсо NS-MKPC 3 саатта жогору болсо, NF-MKPC 1, 7 жана 28 күндө жогорураак маанилерди көрсөткөн.

Ошондуктан булактын жыйынтык бөлүмүндөгү “NF-MKPC exhibited the highest strength growth” деген сөз айкашы абсолюттук кысууга бекемдик бардык системалардан жогору деген мааниде чечмеленбеши керек. Verianla Figure 5теги өлчөнгөн маанилерди артыкчылыктуу source-of-truth катары сактайт.

Raman карталоо эмнени кошту?

Raman карталоодо MgO менен байланышкан аймактар, кристаллдык гидратация продуктулары жана аморфтук фосфатка бай матрица өзүнчө спектрдик аймактар аркылуу көзөмөлдөнгөн.

3 саатта таза MKPCде аморфтук фазалар жана кең MgO аймактары үстөм болсо, NS жана NF модификациясында кристаллдык гидратация продуктуларынын аймактары айкыныраак болгон.

7 жана 28 күндө NS-MKPC жана NF-MKPC өз ара көбүрөөк байланышкан кристаллдык аймактарды жана бир тектүүрөөк аморфтук матрицаны көрсөткөн. Таза MKPCде 28 күндө да айкын MgO топтомдору калган.

Наноиндентация микротүзүлүштү механикалык касиет менен кантип байланыштырды?

Наноиндентация — материалдын микрометр масштабындагы белгилүү аймактарында жергиликтүү катуулукту жана ийкемдүүлүк модулун өлчөөчү механикалык мүнөздөмө ыкмасы. Бул изилдөөдө беттин бүдүрлүүлүгү 50 nmден төмөн түшүрүлгөн үлгүлөрдө 6 × 6 тартибинде жалпы 36 өлчөө чекити колдонулган.

Индентация тереңдиги 2 µm, чекиттердин аралыгы 80 µm.

3 саатта таза MKPCде механикалык жообу төмөн аймактардын үлүшү жогору болгон, ал эми нано-модификацияланган системаларда жогорку жооптуу аймактар көбөйгөн.

NF-MKPC үчүн:

Бөлүштүрүүлөрдүн тарылышы жана көрсөткүчү төмөн аймактардын азайышы матрицанын ичиндеги механикалык гетерогендүүлүк азайганын көрсөтөт.

Изилдөөнүн Ыкмасы жана Жыйынтыктары

Чийки заттар

Таза MKPC байланыштыргычы үчүн негизги компоненттер жогорку температурада күйгүзүлгөн магний оксиди (dead-burnt magnesium oxide, DBM), аналитикалык тазалыктагы KH₂PO₄, деиондоштурулган суу жана бура (Na₂B₄O₇·10H₂O) болгон.

DBMнин тыгыздыгы 3,46 g/cm³ жана химиялык курамы булактагы Table 1ге ылайык:

Nano-Fe₂O₃нүн орточо бөлүкчө өлчөмү 20 nm, үймө тыгыздыгы 0,85–1,05 g/cm³ жана тазалыгы %99,9.

Таза MKPC эталондук аралашмасы

Үлгүлөрдү даярдоо

Таза MKPC даярдалганда KH₂PO₄ жана бура алгач 150 r/min ылдамдыкта 30 секунд аралаштырылган, DBM кошулуп ошол эле ылдамдыкта дагы 30 секунд аралаштырылган. Деиондоштурулган суу кошулгандан кийин 150 r/min ылдамдыкта 30 секунд улантылган; идиштин дубалдары кырылып түшүрүлгөндөн кийин аралашма 290 r/min ылдамдыкта 60 секунд гомогендештирилген.

NF-MKPC үчүн жалпы суунун жарымында NF 400 W ультраүн иштетүүсүнүн астында 10 мүнөт дисперсияланган. NF суспензиясы кургак аралашмага кошулуп, калган суу андан кийин киргизилген.

Ийилүү сыноолору үчүн 160 × 40 × 40 mm призмалык, кысуу сыноолору үчүн 40 × 40 × 40 mm куб үлгүлөр даярдалган.

Үлгүлөр куюлгандан дароо вибрацияга дуушар кылынган, 30 мүнөттөн кийин калыптан чыгарылып, 20 ± 5 °C жана %60 ± 5 салыштырмалуу нымдуулук шартында катуулатылган.

Ортогоналдык эксперименттик долбоор

Булакта M/P фактору жыйынтыктар бөлүмүнүн бир жеринде “dibasic magnesium phosphate” деген сөз айкашы менен түшүндүрүлгөн; бирок чийки заттын сүрөттөлүшү, Table 1 жана эксперименттик түзүлүш DBM dead-burnt magnesium oxide экенин көрсөтөт. Бул терминологиялык айырма булактын ичиндеги мүмкүн болгон жазуу катасы катары бааланышы керек.

Эмне Үчүн %4 Nano-Fe₂O₃ Дозасы Тандалды?

NF/M = %4 изилденген %2–%6 аралыгында механикалык жооптордун жалпы диапазону жана орточо мааниси боюнча эң ылайыктуу тең салмакты бергендиктен тандалган; %6 NF кошуу бекемдикти туруктуу түрдө жогорулаткан эмес жана айрым эрте кысууга бекемдик натыйжаларында төмөндөөгө алып келген, бирок бул тандоо бардык факторлор үчүн %5 маанилүүлүк деңгээлинде ырасталган универсалдуу оптимум эмес.

Ортогоналдык эксперименттеги факторлордун таасири

3 сааттык кысууга бекемдик үчүн эң чоң диапазон B/M факторунда болжол менен 8,863 MPa болгон.

1 күндүк кысууга бекемдикте W/C фактору эң чоң диапазонго ээ.

3 сааттык жана 1 күндүк ийилүүгө бекемдикте M/P фактору таасирдин эң жогорку даражасын көрсөткөн.

Бириктирилген ката ANOVA анализинде M/Pнин 3 сааттык ийилүүгө бекемдикке таасири гана статистикалык жактан маанилүү:

\[ p=0.018 \]

Башка үстөм факторлор өздөрүнүн механикалык жоопторунда эң төмөн p маанилерин бергенине карабастан, \(p<0.05\) шартын аткарган эмес.

Кысууга бекемдик теңдемеси

Булак Теңдеме (1):

\[ R_c=\frac{F_s}{A} \tag{1} \]

Бул жерде \(R_c\) кысууга бекемдик жана MPa бирдигинде. \(F_s\) сынуу учурундагы чоку кысуу жүгү жана N бирдигинде. \(A\) жүктөлгөн кесилиш аянты жана mm² бирдигинде.

N/mm² түздөн-түз MPaга барабар болгондуктан, теңдеме өлчөмдүк жактан шайкеш.

Ийилүүгө бекемдик теңдемеси

Булак Теңдеме (2):

\[ R_f=\frac{1.5F_fL}{b^3} \tag{2} \]

Бул жерде \(R_f\) ийилүүгө бекемдик (MPa); \(F_f\) сынуу жүгү (N); \(L\) таянычтар арасындагы аралык (mm); \(b\) болсо квадрат кесилиштин каптал узундугу жана бул экспериментте 40 mm.

Теңдемеде жүктүн жана аралыктын көбөйүшү эсептелген ийилүү чыңалуусун көбөйтөт, ал эми квадрат кесилиштин өлчөмүнүн үчүнчү даражасы бөлүүчүдө тургандыктан үлгүнүн өлчөмү натыйжага күчтүү таасир этери көрүнөт.

Механикалык сыноо шарттары

Ар бир аралашма үчүн үч үлгү сыналган. GB/T 17671-2021 стандарты колдонулган; кысуу сыноосунда жүктөө ылдамдыгы 2400 N/s, ийилүү сыноосунда 50 N/s болгон.

Бекемдиктин өнүгүшү

NF-MKPCнин таза MKPCге салыштырмалуу 3 сааттык кысууга бекемдигинин өсүшү %40,5, 28 күндүк кысууга бекемдигинин өсүшү %42,1 жана 28 күндүк ийилүүгө бекемдигинин өсүшү %34,8.

XRD шарттары

XRD үзгүлтүксүз сканерлөө режиминде 2θ = 5–80° аралыгында жана 10°/мүнөт сканерлөө ылдамдыгы менен жүргүзүлгөн.

TG/DTG жана DSC

Болжол менен 25 mg үлгү 50 °Cден 1000 °Cге чейин азот атмосферасында жана 10 °C/мүнөт ылдамдыкта ысытылган.

FTIR

FTIR спектрлери 4000–400 cm⁻¹ аралыгында чогултулган.

Raman карталоо

Raman спектрлери 1800–400 cm⁻¹ аралыгында, %10 лазер кубаттуулугу, 10 секунд экспозиция жана бир топтоо шартында өлчөнгөн.

Карталоо аянты 40 × 40 µm², мейкиндиктик кадам 2 µm. Ар бир үлгү үчүн 21 × 21 тартибинде жалпы 441 өлчөө чекити алынган.

SEM/EDS жана BSE

Үлгүлөр байкоого чейин 50 °Cде 24 саат вакуумда кургатылган, жылмаланган, ультраүн менен тазаланган жана көмүртек пленкасы менен капталган.

SEM/EDS өлчөөлөрү 5–15 kV ылдамдатуучу чыңалууда; BSE сүрөттөө 15 kVде жүргүзүлгөн.

MIP

MIP үчүн 3 саат, 7 күн жана 28 күн катуулатылган үлгүлөрдөн болжол менен 1,5–2 g бөлүктөр алынган, вакуумда кургатылган жана дегазацияланган.

Сымаптын көзөмөлдөнгөн басым астында көзөнөк системасына киришин колдонуу аркылуу жалпы көзөнөктүүлүк, көзөнөк өлчөмүнүн бөлүштүрүлүшү жана кумулятивдик көзөнөк көлөмү аныкталган.

Наноиндентация теңдемелери

Булак Теңдеме (3), түшүрүү катуулугунан жана проекциялык контакт аянтынан индентация модулун эсептейт:

\[ E=\beta\frac{S}{2\sqrt{A}}\sqrt{\pi} =\beta\frac{dP/dh}{2\sqrt{A}}\sqrt{\pi} \tag{3} \]

Бул жерде \(E\) индентация модулу (GPa), \(S=dP/dh\) түшүрүү катуулугу, \(A\) контакт аянты жана \(\beta=1.034\) индентер геометриясы менен байланышкан түзөтүү коэффициенти.

Булак Теңдеме (4):

\[ \frac{1}{E} = \frac{1-\nu_1^2}{E_1} + \frac{1-\nu_2^2}{E_2} \tag{4} \]

\(\nu_1\) жана \(\nu_2\), Berkovich индентери менен үлгүнүн Пуассон коэффициенттерин; \(E_1\) жана \(E_2\) алардын ийкемдүүлүк модулдарын билдирет.

Булак Теңдеме (5) катуулукту эсептейт:

\[ H=\frac{P_0}{A} \tag{5} \]

Бул жерде \(H\) катуулук (GPa), \(P_0\) максималдуу индентация жүгү жана \(A\) проекциялык контакт аянты.

Булак сүрөттөрүнүн илимий ролу

Бул Изилдөө NF-MKPCнин Талаада Узак Өмүрлүү Экенин Далилдейби?

Жок. Изилдөө лабораториялык масштабда гидратация, механикалык бекемдик, көзөнөк түзүлүшү жана микротүзүлүш боюнча натыйжаларды берет; тоңуу–эрүү, сульфаттын таасири, сууга узак мөөнөт таасир этүү, өлчөмдүк туруктуулук жана чыныгы талаа шарттарындагы узак мөөнөттүү иштөө түздөн-түз сыналбагандыктан, инженердик колдонмолор мүмкүн болгон колдонуу багыттары катары бааланышы керек.

Изилдөө колдогон жыйынтыктар

NF кошуу изилденген аралашма шарттарында таза MKPCнин кысууга да, ийилүүгө да бекемдигин жогорулаткан.

NF-MKPC эртерээк жана жогорураак гидратациялык жылуулук агымынын чокусун көрсөткөн.

XRD, FTIR жана Raman натыйжалары NF-MKPCде гидратация продуктусунун өнүгүшү таза MKPCге караганда көбүрөөк илгерилегенине шайкеш келет.

NF-MKPCнин ири көзөнөктөрүнүн үлүшү катуу убактысы менен азайган.

NF-MKPCнин жергиликтүү катуулук жана ийкемдүүлүк модулу маанилери кеч катуу курактарында жогорулап, механикалык жооптун бөлүштүрүлүшү бир тектүүрөөк болгон.

NF жана NS MKPC микротүзүлүшүн бирдей өзгөртпөй турганы көрсөтүлгөн.

Изилдөө колдобогон жыйынтыктар

NFнин бекемдөө таасири гетерогендүү нуклеациядан гана келип чыгары далилденген эмес.

NF жана NS фосфат иондорунун сарпталышын кантип өзгөртөрү түздөн-түз эритүү/ион бөлүнүп чыгышын өлчөө менен аныкталган эмес.

NF жогорку дозаларда канчалык деңгээлде агломерацияланары сандык түрдө өлчөнгөн эмес.

%4 NF/M бардык MKPC курамдары үчүн универсалдуу оптимум эмес.

NF-MKPC бардык механикалык касиеттер боюнча NS-MKPCден артык экени Figure 5 тарабынан колдоого алынбайт.

Figure 1деги жол жана каптоо мисалдары бул NF-MKPC курамынын чыныгы талаа валидациясы эмес.

Тоңуу–эрүү, сульфатка туруктуулук, сууга туруктуулук жана узак мөөнөттүү кызматтык иштөө далилденген эмес.

Изилдөөнүн негизги чектөөлөрү

Эрүү жана иондордун бөлүнүп чыгышы: Mg, P, Si жана Feнин эритме фазасындагы концентрациялары түздөн-түз өлчөнбөгөндүктөн, NF жана NSнин реакция химиясына кошкон салымы так ажыратылган эмес.

Нанобөлүкчөлөрдүн таралышы: Ультраүндүк дисперсия колдонулганына карабастан, NFнин агломерация деңгээли сандык үч өлчөмдүү мүнөздөмө менен өлчөнгөн эмес.

Механизмдерди ажыратуу: Гетерогендүү нуклеация, физикалык толтуруу, гидратация продуктусунун өсүшү жана дисперсия таасирлеринин өз-өзүнчө салымдары сандык түрдө аныкталган эмес.

Узак мөөнөттүү туруктуулук: Тоңуу–эрүү, сульфат таасири, сууга чөктүрүү жана башка агрессивдүү чөйрө шарттары сыналган эмес.

Талаа масштабы: Лабораториялык үлгүлөрдөн талаалык оңдоо системасына масштаб чоңойтулган эмес.

Статистикалык оптималдаштыруу чеги: Ортогоналдык долбоордун факторлорунун көбүндө p мааниси 0,05тен төмөн түшкөн эмес; ошондуктан факторлордун ирети менен статистикалык аныктуулук аралаштырылбашы керек.

Келечектеги изилдөөлөр

Булак калориметрия менен бирге эриген Mg, P, Si жана Fe концентрацияларын өлчөөнү; нанобөлүкчөлөрдүн таралышын сандык сүрөт анализи же үч өлчөмдүү мүнөздөмө аркылуу аныктоону; фазага жана интерфейске мүнөздүү анализдерди жүргүзүүнү жана кеңири аралашма оптималдаштыруусун колдонууну сунуштайт.

Практикалык колдонуудан мурун суунун узак мөөнөттүү таасири, тоңуу–эрүү, сульфат чабуулу жана өлчөмдүк туруктуулук сыяктуу туруктуулук сыноолорун жүргүзүү зарыл.

Булак жана Ыкма Жөнүндө Эскертүү

Түп нуска изилдөө: Strengthening Mechanisms and Microstructure Evolution of Magnesium Potassium Phosphate Cement Modified by Nano-Fe2O3 and Nano-SiO2

Авторлор: Yinuo Qiu; Fei Liu; Yunxi Xu; Shiyu Li; Changjun Zhou; Baofeng Pan; Baomin Wang.

Жооптуу автор: Fei Liu.

Мекемелер: School of Infrastructure Engineering, Dalian University of Technology, Dalian, China; Yunnan Provincial Comprehensive Transportation Development Center, Kunming, China; Liaoning Provincial Transportation Development Center, Shenyang, China.

Журнал: Buildings.

Басмакана/платформа: MDPI.

Библиографиялык жазуу: Buildings, 2026, 16(17), Article 3540.

DOI: 10.3390/buildings16173540.

Жарыялоо процесси: Кабыл алынган 31 июль 2026; кайра каралган 1 сентябрь 2026; кабыл алынган 3 сентябрь 2026; жарыяланган 5 сентябрь 2026.

Булактын түрү: Рецензияланган, жарыяланган лабораториялык масштабдагы эксперименттик курулуш материалдары боюнча изилдөө.

Лицензия: Creative Commons Attribution (CC BY).

Негизги материал: Магний-калий-фосфат цементи (MKPC).

Нано-модификаторлор: Nano-Fe₂O₃ (NF) жана nano-SiO₂ (NS).

NF касиеттери: Орточо бөлүкчө өлчөмү 20 nm; тазалыгы %99,9; үймө тыгыздыгы 0,85–1,05 g/cm³.

Аралашма өзгөрмөлөрү: M/P, W/C, B/M жана NF/M.

NF/M деңгээлдери: %2, %4 жана %6.

Артыкчылыктуу NF/M катышы: Изилденген эксперименттик мейкиндикте %4; диапазон жана орточо маанини талдоого негизделген.

Салыштыруу маалыматы: NS-MKPC үлгүлөрү NF-MKPC менен ошол эле эксперименттик кампанияда жана ошол эле шарттарда даярдалып, сыналган, бирок NS натыйжалары мурда жарыяланган.

Механикалык сыноо стандарты: GB/T 17671-2021.

Кысуу жүктөө ылдамдыгы: 2400 N/s.

Ийилүү жүктөө ылдамдыгы: 50 N/s.

Катуу шарттары: 20 ± 5 °C; %60 ± 5 салыштырмалуу нымдуулук.

Мүнөздөө ыкмалары: Изотермиялык калориметрия, XRD, FTIR, TG/DTG, DSC, SEM/EDS, BSE, MIP, Raman карталоо жана наноиндентация.

Raman карталоо: 40 × 40 µm²; 2 µm аралык; 21 × 21 = 441 өлчөө чекити.

Наноиндентация: 36 чекит, 6 × 6 grid; 2 µm тереңдик; 80 µm чекит аралыгы.

Негизги NF-MKPC механикалык натыйжасы: 38,63 MPa 3 саат жана 81,26 MPa 28 күн кысууга бекемдик; тиешелүү ийилүүгө бекемдиктер 6,61 жана 11,22 MPa.

Негизги гидратация натыйжасы: NF-MKPCнин жылуулук агымынын чокусу болжол менен 148 mW/g жана чоку убактысы болжол менен 0,1 саат.

Негизги микромеханикалык натыйжа: NF-MKPC 28 күндө болжол менен 4,94 GPa катуулукка жана 88,8 GPa ийкемдүүлүк модулуна жеткен.

Булак ичиндеги терминология эскертүүсү: DBM чийки зат бөлүмүндө dead-burnt magnesium oxide катары аныкталса, ортогоналдык анализ бөлүмүнүн бир жеринде “dibasic magnesium phosphate” деп чечмеленген. Материалдык курам DBM MgO экенин көрсөтөт.

Булак ичиндеги механикалык салыштыруу эскертүүсү: Жыйынтыктар бөлүмүндө NF-MKPC үчүн “highest strength growth” деген сөз айкашы колдонулган; бирок Figure 5те NS-MKPCнин абсолюттук кысууга бекемдиктери төрт катуу курагынын баарында NF-MKPCден жогору. Ошондуктан NF бардык механикалык көрсөткүчтөр боюнча NSден артык деген жыйынтык чыгарылбашы керек.

Каржылоо: Youth Fund Project of National Natural Science Foundation of China, Grant 52408238; China Postdoctoral Science Foundation, Grants 2024M760330 жана 2025T180889; Postdoctoral Fellowship Program of CPSF, Grant GZB20250751; Natural Science Foundation of Liaoning Province, Grant 2025-BS-0031.

Маалыматтардын жеткиликтүүлүгү: Изилдөөдө берилген маалыматтар негиздүү суроо-талап боюнча жооптуу автордон алынышы мүмкүн.

Кызыкчылыктардын кагылышы: Авторлор кызыкчылыктардын кагылышы тууралуу билдиришкен эмес.

Авторлордун салымы: Yinuo Qiu: концептуалдаштыруу, биринчи долбоор, программалык камсыздоо, маалыматтарды курациялоо. Fei Liu: концептуалдаштыруу, ыкма, кайра кароо, көзөмөл, изилдөө жана каржылоону тартуу. Yunxi Xu: формалдуу анализ жана программалык камсыздоо. Shiyu Li: формалдуу анализ жана жазманы кароо. Changjun Zhou: көзөмөл жана жазманы кароо. Baofeng Pan: көзөмөл жана визуалдаштыруу. Baomin Wang: изилдөө.

Негизги чечмелөө чеги: Гетерогендүү нуклеация жана физикалык толтуруу мүмкүн болгон бириккен бекемдөө механизмдери; алардын өз-өзүнчө салымдары түздөн-түз сандык түрдө аныкталган эмес. Натыйжалар материалдык жана лабораториялык масштабда; узак мөөнөттүү талаа көрсөткүчтөрү ырасталган эмес.

Автордук укук жана кайра колдонуу эскертүүсү: Макала CC BY лицензиясында. Verianla тексти булак изилдөөнүн механикалык түркчө котормосу эмес; өлчөө маанилери, эксперименттик шарттар, сүрөттөрдүн илимий мааниси, натыйжалар жана чектөөлөр сакталуу менен өз алдынча окутуу түзүлүшүндө кайра түзүлгөн. SEM/BSE/EDS сыяктуу чыныгы эксперименттик микрографияларды генеративдик жасалма интеллект менен туурабоо керек; сандык графиктер жана механизм схемалары болсо булак маалыматтарынан оригиналдуу түрдө кайра чийилиши мүмкүн.