Magnezyum potasyum fosfat çimentosu (magnesium potassium phosphate cement, MKPC), MgO ile fosfat bileşenleri arasındaki asit–baz nötrleşme reaksiyonuyla hızla sertleşen, çok yüksek erken dayanım ve güçlü aderans sağlayabilen inorganik bir bağlayıcıdır. Bu çalışma, MKPC'nin nano-Fe₂O₃ (NF) ve nano-SiO₂ (NS) ile modifikasyonunun hidratasyon davranışı, faz gelişimi, gözenek yapısı, mikroyapı, yerel mekanik özellikler ve makroskopik dayanım üzerindeki etkilerini karşılaştırmalı olarak araştırmıştır. Yeni deneysel odak NF-MKPC'dir; NS-MKPC verileri aynı deney kampanyasında elde edilmiş ancak daha önce yayımlanmış sonuçlardan karşılaştırma amacıyla çalışmaya dahil edilmiştir.

Araştırmada dört faktörlü ve üç seviyeli ortogonal karışım tasarımı; basınç ve eğilme dayanım testleri; izotermal kalorimetri; X-ışını kırınımı (XRD); Fourier dönüşümlü kızılötesi spektroskopi (FTIR); termogravimetrik analiz ve diferansiyel taramalı kalorimetri (TG/DTG–DSC); taramalı elektron mikroskopisi, enerji dağılımlı X-ışını spektroskopisi ve geri saçılmış elektron görüntüleme (SEM/EDS–BSE); cıva intrüzyon porozimetrisi (MIP); Raman haritalama ve nanoindentasyon birlikte kullanılmıştır.

İncelenen koşullarda NF/M = %4, aralık ve ortalama analizine göre tercih edilen NF dozu olarak seçilmiştir. NF-MKPC'nin basınç dayanımı 3 saatte 38,63 MPa, 28 günde 81,26 MPa'a ulaşmıştır; saf MKPC'de aynı değerler 27,5 ve 57,2 MPa'dır. NF-MKPC'nin 28 günlük eğilme dayanımı 11,22 MPa olurken saf MKPC 8,32 MPa'da kalmıştır.

Kalorimetri, NF-MKPC'nin yaklaşık 0,1 saatte 148 mW/g ile üç sistem içindeki en erken ve en yüksek ısı akış tepesini verdiğini göstermiştir. XRD, FTIR ve Raman bulguları da NF ilavesinin daha hızlı erken hidratasyon ve daha gelişmiş kristal hidratasyon ürünü oluşumuyla ilişkili olduğunu göstermektedir. Bununla birlikte çalışmada heterojen çekirdeklenme doğrudan ölçülmemiştir; bu nedenle çekirdeklenme NF'nin kanıtlanmış tek mekanizması değil, birleşik verilerle uyumlu olası katkılardan biridir.

MIP, NF-MKPC'de >100 nm makrogözeneklerin yaklaşık %26'dan 3 saatte başlayarak %11'e 28 günde düştüğünü göstermiştir. Nanoindentasyon sonuçlarında NF-MKPC 28 günde yaklaşık 4,94 GPa sertlik ve 88,8 GPa elastik modül ile incelenen sistemler içindeki en yüksek yerel mekanik yanıtları göstermiştir.

Çalışmanın temel yorumu, NF'nin güçlendirme etkisinin tek bir olaydan kaynaklanmadığıdır. Hızlanmış erken hidratasyon, olası heterojen çekirdeklenme, nanoparçacıkların fiziksel dolgu etkisi, büyük gözeneklerin azalması, hidratasyon ürünlerinin daha sürekli dağılması ve mikromekanik homojenliğin artması birlikte rol oynuyor görünmektedir.

Sonuçlar laboratuvar ölçeğindedir. Donma–çözülme, sülfat maruziyeti, uzun süreli su etkisi, saha ölçeğinde uygulama ve uzun dönem dayanıklılık doğrudan test edilmemiştir. Bu nedenle çalışma NF-MKPC için mühendislik potansiyeli göstermekte, saha performansını doğrulamamaktadır.

MKPC neden özel bir çimento sistemidir?

MKPC, geleneksel Portland çimentosundan farklı hidratasyon kimyasına sahip hızlı sertleşen bir fosfat çimentosudur. Kaynak, bu malzemenin 1 saat içinde 20 MPa'ın üzerinde basınç dayanımı geliştirebildiğini ve 28 günde genellikle 40–80 MPa aralığına ulaşabildiğini belirtmektedir.

MKPC'nin çelik veya taş gibi yüzeylere aderansı da kaynak literatürüne göre sıradan Portland çimentosundan birkaç kat yüksek olabilir. Bu özellikler hızlı yol onarımı, beton yüzey onarımı, koruyucu kaplama, bazı atık immobilizasyon uygulamaları ve özel mühendislik onarımları için önemlidir.

Bununla birlikte hızlı dayanım gelişimi mikroyapının kusursuz olduğu anlamına gelmez. Sertleşmiş MKPC'de birbirine bağlı gözenekler, tabakalı struvite-K kristalleri arasındaki boşluklar, amorf fosfat jel bölgeleri ve reaksiyona girmemiş MgO parçacıkları birlikte bulunabilir. Bu heterojen yapı, iyon geçişini ve uzun dönem dayanıklılık sorunlarını kolaylaştırabilir.

Nano-modifikasyonun amacı nedir?

Nanoölçekli katkıların temel düşüncesi, daha küçük parçacıkların büyük taneler arasındaki boşlukları doldurabilmesi, yeni hidratasyon ürünlerinin oluşabileceği geniş yüzey alanları sağlayabilmesi ve hidratasyon ürünlerinin mekânsal dağılımını değiştirebilmesidir.

Ancak bütün nanoparçacıklar aynı biçimde davranmaz. Nano-SiO₂ yüksek yüzey alanı ve kimyasal reaktivitesi nedeniyle çimento sistemlerinde yaygın biçimde araştırılmıştır; fakat asidik fosfat ortamında reaksiyonlara katılabilir ve dağılım/aglomere olma davranışı sonuçları etkileyebilir.

Nano-Fe₂O₃ ise kimyasal kararlılığı ve küçük parçacık boyutu nedeniyle farklı bir modifikasyon yolu sunabilir. Bu çalışmanın temel sorusu, NF'nin MKPC'de yalnız boşluk doldurucu mu davrandığı, hidratasyonu da hızlandırıp hızlandırmadığı ve bu değişikliklerin makro dayanımla nasıl ilişkilendiğidir.

Nano-Fe₂O₃ MKPC'yi Nasıl Güçlendiriyor?

Kaynak bulgularına göre nano-Fe₂O₃ ile güçlenme tek bir mekanizmaya bağlanamaz; NF ilavesi daha erken hidratasyon ısı tepesi, daha gelişmiş fosfat hidratasyon ürünü ağı, büyük gözeneklerin azalması, daha yoğun matris ve daha homojen yerel mekanik yanıtla birlikte görülmektedir, ancak heterojen çekirdeklenme ile fiziksel dolgunun ayrı katkıları doğrudan nicel olarak ölçülmemiştir.

Birinci katman: erken hidratasyonun hızlanması

İzotermal kalorimetride saf MKPC, NS-MKPC ve NF-MKPC ilk üç saat boyunca karşılaştırılmıştır. Bütün karışımlar ilk aşamada hızlı bir ısı akışı yükselişi, ardından düşüş göstermektedir.

NF-MKPC'nin tepe ısı akışı:

148 mW/g, yaklaşık 0,1 saat.

Karşılaştırma için:

• saf MKPC: yaklaşık 110 mW/g;
• NS-MKPC: yaklaşık 140 mW/g;
• NF-MKPC: yaklaşık 148 mW/g.

NF tepesinin hem yüksek hem erken olması, reaksiyonun ilk aşamalarının hızlandığını göstermektedir. Araştırmacılar bunun nanoparçacıkların yüksek özgül yüzey alanının hidratasyon ürünleri için ilave çekirdeklenme yüzeyleri sağlamasıyla ilişkili olabileceğini düşünmektedir.

Ancak bu yorumun sınırı önemlidir: çalışma çekirdeklerin oluştuğunu doğrudan görüntülememiş veya çekirdeklenme hızını ayrı bir deneyle ölçmemiştir. Bu nedenle “NF kesin olarak heterojen çekirdeklenme yoluyla çalışır” ifadesi kaynağın desteklediğinden daha güçlü olur.

İkinci katman: faz dönüşümünün ilerlemesi

XRD desenlerinde bütün sistemlerde MgO'nun yaklaşık 43° ve 62,3° civarındaki karakteristik pikleri kür yaşıyla azalmış; struvite-K hidratasyon ürününün yaklaşık 21°, 30° ve 32° civarındaki pikleri güçlenmiştir.

NF-MKPC, karşılaştırılabilir yaşlarda daha düşük MgO pikleri ve daha belirgin struvite-K pikleri göstermiştir. NF içeren numunelerde ayrıca yaklaşık 24° civarında Fe₂O₃ ile ilişkilendirilen zayıf bir sinyal görülmüştür.

Bu gözlem, başlangıçtaki MgO'nun daha ileri düzeyde hidratasyon ürünlerine dönüştüğü yorumuyla uyumludur; fakat XRD tek başına bütün reaksiyon yollarını tanımlamaz.

Üçüncü katman: FTIR ve termal analiz

FTIR spektrumlarında O–H titreşimleri yaklaşık 2931 ve 1675 cm⁻¹, fosfat grupları yaklaşık 1016 cm⁻¹, Mg–O titreşimleri yaklaşık 568 cm⁻¹ civarında görülmüştür.

NF-MKPC'de yaklaşık 428 cm⁻¹ civarında Fe–O ile ilişkilendirilen ek bant bulunmuştur. Kaynak bu bandı yeni hidratasyon ürününden çok ilave edilmiş nano-Fe₂O₃ fazının karakteristik izi olarak yorumlamaktadır.

TG/DTG analizinde temel kütle kaybı 200 °C'nin altında, daha yavaş ikinci kayıp 200–800 °C arasında gerçekleşmiştir. DSC'de 100–150 °C aralığında belirgin endotermik olay ve daha yüksek sıcaklıklarda ek termal olaylar görülmektedir.

Yazarlar termal sonuçların hidratasyon ürünlerinin miktar ve yapısal durumundaki değişimlerle uyumlu olduğunu, ancak TG/DSC'nin tek başına belirli bir reaksiyon yolunu kanıtlayamayacağını açıkça belirtmektedir.

Dördüncü katman: daha yoğun mikroyapı

SEM ve BSE görüntülerinde 3 saatte bütün sistemlerde artık MgO taneleri, boşluklar ve kesintili hidratasyon ürünleri görülmüştür.

7 günde yapıların tamamı sıkılaşmış, artık MgO miktarı azalmış ve hidratasyon ürünleri parçacıklar arasındaki bölgeleri daha sürekli biçimde doldurmaya başlamıştır.

28 günde numunelerde yoğun ve birbirine bağlı üç boyutlu hidratasyon ürünü ağları oluşmuş; Mg ve P dağılımlarının mekânsal korelasyonu artmıştır.

NF-MKPC özellikle daha yoğun matris ve daha homojen Fe dağılımıyla öne çıkmıştır. Ancak SEM/EDS görüntüleri fiziksel dolgu ile çekirdeklenmenin göreli katkısını ayrı ayrı ölçemez.

Beşinci katman: gözenek yapısının incelmesi

Çalışmada MIP için gözenekler şu sınıflarla ele alınmıştır:

Saf MKPC'de makrogözenek oranı 3 saatte yaklaşık %35 iken 28 günde %15'e düşmüştür.

NF-MKPC'de makrogözenekler daha erken aşamada daha düşük seviyededir:

28 günde NF-MKPC'nin 20–50 nm mezogözenek oranı yaklaşık %44'tür.

Nano-Fe₂O₃ ile Nano-SiO₂ MKPC'de Aynı Şekilde mi Çalışıyor?

Hayır. Çalışma iki nano-modifikatörün kısmen ortak sonuçlar üretmesine rağmen hidratasyon ve gözenek evrimlerinin farklı olduğunu göstermektedir: NF daha erken ve daha güçlü başlangıç ısı tepkisiyle, NS ise özellikle geç yaşta 20–50 nm gözenek sınıfının baskın hâle gelmesi ve makrogözeneklerin neredeyse ortadan kalkmasıyla öne çıkmaktadır.

Erken hidratasyon farkı

NF-MKPC 148 mW/g ile en yüksek ve en erken tepeyi verirken NS-MKPC yaklaşık 140 mW/g'lık tepeyi daha sonra göstermiştir.

NS-MKPC'nin ana tepe sonrasında daha uzun süreli bir ısı yayımı vardır. Kaynak bu farkı nano-SiO₂ ve nano-Fe₂O₃'ün fosfat ortamıyla farklı etkileşmesiyle ilişkilendirmektedir.

Gözenek evrimi farkı

NS-MKPC 7 günde >100 nm makrogözenek oranını yaklaşık %5'e indirmiş ve 20–50 nm sınıfını yaklaşık %60'a çıkarmıştır. 28 günde makrogözenekler neredeyse tamamen ortadan kalkmış, 20–50 nm gözenekler yaklaşık %55 ve <20 nm gözenekler yaklaşık %38 oranında bulunmuştur.

NF-MKPC ise erken yaşta saf MKPC'ye göre daha düşük makrogözenek oranıyla başlamış ve 28 günde yaklaşık %11'e kadar düşmüştür.

Bu nedenle kaynak açık biçimde hiçbir nano-modifikatörün gözenek inceltmenin her boyutunda “evrensel olarak üstün” sayılamayacağını belirtmektedir.

Dayanım karşılaştırmasının dikkatli okunması

Saf MKPC'ye göre NF-MKPC'nin dayanım artışı nettir. Bununla birlikte kaynak Figure 5'te daha önce yayımlanmış NS-MKPC sonuçlarını da göstermektedir.

Bu nedenle NF-MKPC kaynak Figure 5'e göre mutlak basınç dayanımında NS-MKPC'yi aşmamaktadır.

Eğilme dayanımında ise NS-MKPC 3 saatte daha yüksekken NF-MKPC 1, 7 ve 28 günde daha yüksek değerler göstermektedir.

Kaynağın sonuç bölümündeki “NF-MKPC exhibited the highest strength growth” ifadesi bu nedenle mutlak basınç dayanımının tüm sistemlerden yüksek olduğu şeklinde yorumlanmamalıdır. Verianla, Figure 5'teki ölçülmüş değerleri öncelikli kaynak-of-truth olarak korumaktadır.

Raman haritalama ne ekledi?

Raman haritalamada MgO ile ilişkili bölgeler, kristal hidratasyon ürünleri ve amorf fosfat-zengin matris ayrı spektral bölgelerle izlenmiştir.

3 saatte saf MKPC'de amorf fazlar ve geniş MgO bölgeleri baskınken, NS ve NF modifikasyonunda kristal hidratasyon ürünü bölgeleri daha belirgin hâle gelmiştir.

7 ve 28 günde NS-MKPC ve NF-MKPC daha bağlantılı kristal alanlar ve daha homojen amorf matris göstermiştir. Saf MKPC'de 28 günde bile daha belirgin MgO kümeleri kalmıştır.

Nanoindentasyon mikroyapıyı nasıl mekanik özelliğe bağladı?

Nanoindentasyon, bir malzemenin mikrometre ölçeğindeki belirli bölgelerinde yerel sertlik ve elastik modülü ölçen bir mekanik karakterizasyon yöntemidir. Bu çalışma için yüzey pürüzlülüğü 50 nm'nin altına indirilen numunelerde 6 × 6 düzeninde toplam 36 ölçüm noktası kullanılmıştır.

İndentasyon derinliği 2 µm, noktalar arası uzaklık 80 µm'dir.

3 saatte saf MKPC'de düşük mekanik yanıtlı bölgeler daha yüksek orandayken nano-modifiye sistemlerde yüksek yanıtlı bölgeler artmıştır.

NF-MKPC için:

Dağılımların daralması ve düşük performanslı bölgelerin azalması, matris içindeki mekanik heterojenliğin azaldığını göstermektedir.

Çalışmanın Yöntemi ve Bulguları

Hammaddeler

Saf MKPC bağlayıcısı için temel bileşenler yüksek sıcaklıkta pişirilmiş magnezyum oksit (dead-burnt magnesium oxide, DBM), analitik saflıkta KH₂PO₄, deiyonize su ve boraks (Na₂B₄O₇·10H₂O) olmuştur.

DBM'nin yoğunluğu 3,46 g/cm³ ve kimyasal bileşimi kaynak Table 1'e göre:

Nano-Fe₂O₃'ün ortalama parçacık boyutu 20 nm, yığın yoğunluğu 0,85–1,05 g/cm³ ve saflığı %99,9'dur.

Saf MKPC referans karışımı

Numune hazırlama

Saf MKPC hazırlanırken KH₂PO₄ ve boraks önce 150 r/min hızla 30 saniye karıştırılmış, DBM eklenerek aynı hızda 30 saniye daha karıştırılmıştır. Deiyonize su ilavesinden sonra 150 r/min'de 30 saniye devam edilmiş; kap duvarları sıyrıldıktan sonra karışım 290 r/min'de 60 saniye homojenleştirilmiştir.

NF-MKPC için toplam suyun yarısında NF, 400 W ultrasonik işlem altında 10 dakika dağıtılmıştır. NF süspansiyonu kuru karışıma eklenmiş ve kalan su daha sonra ilave edilmiştir.

Eğilme deneyleri için 160 × 40 × 40 mm prizmatik, basınç deneyleri için 40 × 40 × 40 mm kübik numuneler hazırlanmıştır.

Numuneler dökümün hemen ardından vibrasyona tabi tutulmuş, 30 dakika sonra kalıptan çıkarılmış ve 20 ± 5 °C ile %60 ± 5 bağıl nem koşullarında kürlenmiştir.

Ortogonal deney tasarımı

Kaynakta M/P faktörü sonuç bölümünde bir noktada “dibasic magnesium phosphate” ifadesiyle açıklanmıştır; ancak hammadde tanımı, Table 1 ve deney düzeni DBM'nin dead-burnt magnesium oxide olduğunu göstermektedir. Bu terminoloji farkı kaynak içi olası bir yazım sorunu olarak değerlendirilmelidir.

Neden %4 Nano-Fe₂O₃ Dozu Tercih Edildi?

NF/M = %4, incelenen %2–%6 aralığında mekanik yanıtların genel aralık ve ortalama analizine göre en uygun dengeyi verdiği için tercih edilmiştir; %6 NF ilavesi dayanımı tutarlı biçimde artırmamış ve bazı erken basınç dayanımı sonuçlarında düşüş oluşturmuştur, ancak bu seçim bütün faktörler için %5 anlamlılık düzeyinde doğrulanmış evrensel bir optimum değildir.

Ortogonal deneyde faktörlerin etkileri

3 saatlik basınç dayanımı için en büyük aralık B/M faktöründe yaklaşık 8,863 MPa bulunmuştur.

1 günlük basınç dayanımında W/C faktörü en büyük aralığa sahiptir.

3 saat ve 1 günlük eğilme dayanımında M/P faktörü en yüksek etki sıralamasını göstermiştir.

Pooled-error ANOVA analizinde yalnız M/P'nin 3 saatlik eğilme dayanımındaki etkisi istatistiksel olarak anlamlıdır:

\[ p=0.018 \]

Diğer baskın faktörler kendi mekanik yanıtlarında en düşük p değerlerini üretmiş olmakla birlikte \(p<0.05\) koşulunu sağlamamıştır.

Basınç dayanımı denklemi

Kaynak Denklem (1):

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

Burada \(R_c\) basınç dayanımıdır ve MPa birimindedir. \(F_s\), kırılma anındaki tepe basınç yüküdür ve N birimindedir. \(A\), yüklenen kesit alanıdır ve mm² birimindedir.

N/mm² doğrudan MPa'ya eşit olduğundan denklem boyutsal olarak tutarlıdır.

Eğilme dayanımı denklemi

Kaynak Denklem (2):

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

Burada \(R_f\) eğilme dayanımıdır (MPa); \(F_f\) kırılma yüküdür (N); \(L\) mesnetler arası açıklıktır (mm); \(b\) ise kare kesitin kenar uzunluğudur ve bu deneyde 40 mm'dir.

Denklemde yükün ve açıklığın artması hesaplanan eğilme gerilimini artırırken, kare kesit boyutunun üçüncü kuvveti paydada bulunduğundan numune boyutunun sonucu güçlü biçimde etkilediği görülür.

Mekanik deney koşulları

Her karışım için üç numune test edilmiştir. GB/T 17671-2021 standardı izlenmiş; basınç testinde yükleme hızı 2400 N/s, eğilme testinde 50 N/s olmuştur.

Dayanım gelişimi

NF-MKPC'nin saf MKPC'ye göre 3 saatlik basınç dayanımı artışı %40,5, 28 günlük basınç dayanımı artışı %42,1 ve 28 günlük eğilme dayanımı artışı %34,8'dir.

XRD koşulları

XRD sürekli tarama modunda 2θ = 5–80° aralığında ve 10°/dakika tarama hızıyla gerçekleştirilmiştir.

TG/DTG ve DSC

Yaklaşık 25 mg numune 50 °C'den 1000 °C'ye, azot atmosferinde ve 10 °C/dakika hızla ısıtılmıştır.

FTIR

FTIR spektrumları 4000–400 cm⁻¹ aralığında toplanmıştır.

Raman haritalama

Raman spektrumları 1800–400 cm⁻¹ aralığında, %10 lazer gücü, 10 saniye pozlama ve tek birikim koşulunda ölçülmüştür.

Haritalama alanı 40 × 40 µm², mekânsal adım 2 µm'dir. Her numune için 21 × 21 düzeninde toplam 441 ölçüm noktası alınmıştır.

SEM/EDS ve BSE

Numuneler gözlem öncesi 50 °C'de 24 saat vakumla kurutulmuş, parlatılmış, ultrasonik temizlenmiş ve karbon film ile kaplanmıştır.

SEM/EDS ölçümleri 5–15 kV hızlandırma geriliminde; BSE görüntüleme 15 kV'de yapılmıştır.

MIP

MIP için 3 saat, 7 gün ve 28 gün kürlenmiş numunelerden yaklaşık 1,5–2 g parçalar alınmış, vakumla kurutulmuş ve degaze edilmiştir.

Cıvanın kontrollü basınç altında gözenek sistemine girişi kullanılarak toplam gözeneklilik, gözenek boyutu dağılımı ve kümülatif gözenek hacmi belirlenmiştir.

Nanoindentasyon denklemleri

Kaynak Denklem (3), boşaltma rijitliği ile projeksiyon temas alanından indentasyon modülünü hesaplamaktadır:

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

Burada \(E\) indentasyon modülü (GPa), \(S=dP/dh\) boşaltma rijitliği, \(A\) temas alanı ve \(\beta=1.034\) indenter geometrisiyle ilişkili düzeltme katsayısıdır.

Kaynak Denklem (4):

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

\(\nu_1\) ve \(\nu_2\), Berkovich indenter ile numunenin Poisson oranlarını; \(E_1\) ve \(E_2\) bunların elastik modüllerini temsil eder.

Kaynak Denklem (5) sertliği hesaplar:

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

Burada \(H\) sertlik (GPa), \(P_0\) maksimum indentasyon yükü ve \(A\) projeksiyon temas alanıdır.

Kaynak şekillerinin bilimsel rolü

Bu Çalışma NF-MKPC'nin Sahada Uzun Ömürlü Olduğunu Kanıtlıyor mu?

Hayır. Çalışma laboratuvar ölçeğinde hidratasyon, mekanik dayanım, gözenek yapısı ve mikroyapı sonuçları sunmaktadır; donma–çözülme, sülfat etkisi, uzun süreli suya maruziyet, boyutsal kararlılık ve gerçek saha koşullarındaki uzun dönem performans doğrudan test edilmediği için mühendislik uygulamaları potansiyel kullanım alanı olarak değerlendirilmelidir.

Çalışmanın desteklediği sonuçlar

NF ilavesi incelenen karışım koşullarında saf MKPC'nin hem basınç hem eğilme dayanımını artırmıştır.

NF-MKPC daha erken ve daha yüksek hidratasyon ısı akışı tepesi göstermiştir.

XRD, FTIR ve Raman sonuçları NF-MKPC'de hidratasyon ürünü gelişiminin saf MKPC'den daha ilerlemiş olduğuyla uyumludur.

NF-MKPC'nin büyük gözenek oranı kür süresiyle azalmıştır.

NF-MKPC'nin yerel sertlik ve elastik modül değerleri geç kür yaşlarında yükselmiş, mekanik yanıt dağılımları daha homojen hâle gelmiştir.

NF ve NS'nin MKPC mikroyapısını aynı biçimde değiştirmediği gösterilmiştir.

Çalışmanın desteklemediği sonuçlar

NF'nin güçlendirmesinin yalnız heterojen çekirdeklenmeden kaynaklandığı kanıtlanmamıştır.

NF ve NS'nin fosfat iyonu tüketimini nasıl değiştirdiği doğrudan çözünme/iyon salımı ölçümüyle belirlenmemiştir.

NF'nin yüksek dozlarda ne ölçüde aglomere olduğu nicel olarak ölçülmemiştir.

%4 NF/M bütün MKPC bileşimleri için evrensel optimum değildir.

NF-MKPC'nin bütün mekanik özelliklerde NS-MKPC'den üstün olduğu Figure 5 tarafından desteklenmemektedir.

Figure 1'deki yol ve kaplama örnekleri bu NF-MKPC bileşiminin gerçek saha validasyonu değildir.

Donma–çözülme, sülfat direnci, su dayanımı ve uzun dönem servis performansı kanıtlanmamıştır.

Çalışmanın temel sınırlılıkları

Çözünme ve iyon salımı: Mg, P, Si ve Fe'nin çözelti fazındaki konsantrasyonları doğrudan ölçülmediği için NF ve NS'nin reaksiyon kimyasına katkısı kesin olarak ayrıştırılamamıştır.

Nanoparçacık dağılımı: Ultrasonik dağıtma kullanılmasına rağmen NF'nin aglomerasyon düzeyi nicel üç boyutlu karakterizasyonla ölçülmemiştir.

Mekanizma ayrıştırması: Heterojen çekirdeklenme, fiziksel dolgu, hidratasyon ürünü büyümesi ve dispersiyon etkilerinin ayrı katkıları nicel olarak belirlenmemiştir.

Uzun dönem dayanıklılık: Donma–çözülme, sülfat maruziyeti, suya daldırma ve diğer agresif çevre koşulları test edilmemiştir.

Saha ölçeği: Laboratuvar numunelerinden saha onarım sistemine ölçek büyütme yapılmamıştır.

İstatistiksel optimizasyon sınırı: Ortogonal tasarım faktörlerinin çoğunda p değeri 0,05'in altına inmemiştir; bu nedenle faktör sıralaması ile istatistiksel kesinlik birbirine karıştırılmamalıdır.

Gelecek araştırmalar

Kaynak, kalorimetriyle birlikte çözünmüş Mg, P, Si ve Fe konsantrasyonlarının ölçülmesini; nanoparçacık dağılımının nicel görüntü analizi veya üç boyutlu karakterizasyonla belirlenmesini; faz ve arayüz özgül analizlerin yapılmasını ve daha geniş karışım optimizasyonu uygulanmasını önermektedir.

Pratik uygulamadan önce uzun süreli su etkisi, donma–çözülme, sülfat saldırısı ve boyutsal kararlılık gibi dayanıklılık testlerinin yapılması gerekmektedir.

Kaynak ve Yöntem Notu

Özgün çalışma: Strengthening Mechanisms and Microstructure Evolution of Magnesium Potassium Phosphate Cement Modified by Nano-Fe2O3 and Nano-SiO2

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

Sorumlu yazar: Fei Liu.

Kurumlar: 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.

Dergi: Buildings.

Yayınevi/platform: MDPI.

Bibliyografik kayıt: Buildings, 2026, 16(17), Article 3540.

DOI: 10.3390/buildings16173540.

Yayın süreci: Alınış 31 Temmuz 2026; revizyon 1 Eylül 2026; kabul 3 Eylül 2026; yayın 5 Eylül 2026.

Kaynak türü: Hakemli, yayımlanmış laboratuvar ölçekli deneysel yapı malzemeleri araştırması.

Lisans: Creative Commons Attribution (CC BY).

Ana malzeme: Magnezyum potasyum fosfat çimentosu (MKPC).

Nano-modifikatörler: Nano-Fe₂O₃ (NF) ve nano-SiO₂ (NS).

NF özellikleri: Ortalama parçacık boyutu 20 nm; saflık %99,9; yığın yoğunluğu 0,85–1,05 g/cm³.

Karışım değişkenleri: M/P, W/C, B/M ve NF/M.

NF/M düzeyleri: %2, %4 ve %6.

Tercih edilen NF/M oranı: İncelenen deney uzayında %4; aralık ve ortalama analizine dayanmaktadır.

Karşılaştırma verisi: NS-MKPC numuneleri NF-MKPC ile aynı deney kampanyasında ve aynı koşullarda hazırlanıp test edilmiş, ancak NS sonuçları daha önce yayımlanmıştır.

Mekanik test standardı: GB/T 17671-2021.

Basınç yükleme hızı: 2400 N/s.

Eğilme yükleme hızı: 50 N/s.

Kür koşulları: 20 ± 5 °C; %60 ± 5 bağıl nem.

Karakterizasyon yöntemleri: İzotermal kalorimetri, XRD, FTIR, TG/DTG, DSC, SEM/EDS, BSE, MIP, Raman haritalama ve nanoindentasyon.

Raman haritalama: 40 × 40 µm²; 2 µm aralık; 21 × 21 = 441 ölçüm noktası.

Nanoindentasyon: 36 nokta, 6 × 6 grid; 2 µm derinlik; 80 µm nokta aralığı.

Ana NF-MKPC mekanik sonucu: 38,63 MPa 3 saat ve 81,26 MPa 28 gün basınç dayanımı; 6,61 ve 11,22 MPa karşılık gelen eğilme dayanımları.

Ana hidratasyon sonucu: NF-MKPC'nin tepe ısı akışı yaklaşık 148 mW/g ve tepe zamanı yaklaşık 0,1 saattir.

Ana mikromekanik sonuç: NF-MKPC yaklaşık 4,94 GPa sertlik ve 88,8 GPa elastik modüle 28 günde ulaşmıştır.

Kaynak içi terminoloji notu: DBM, hammadde bölümünde dead-burnt magnesium oxide olarak tanımlanırken ortogonal analiz bölümünde bir yerde “dibasic magnesium phosphate” biçiminde açılmıştır. Malzeme bileşimi DBM'nin MgO olduğunu göstermektedir.

Kaynak içi mekanik karşılaştırma notu: Sonuç bölümünde NF-MKPC için “highest strength growth” ifadesi kullanılmıştır; ancak Figure 5'te NS-MKPC'nin mutlak basınç dayanımları bütün dört kür yaşında NF-MKPC'den yüksektir. Bu nedenle NF'nin bütün mekanik ölçütlerde NS'den üstün olduğu sonucu çıkarılmamalıdır.

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

Veri erişilebilirliği: Çalışmada sunulan veriler makul talep üzerine sorumlu yazardan temin edilebilir.

Çıkar çatışması: Yazarlar çıkar çatışması bildirmemiştir.

Yazar katkıları: Yinuo Qiu: kavramsallaştırma, ilk taslak, yazılım, veri kürasyonu. Fei Liu: kavramsallaştırma, yöntem, gözden geçirme, gözetim, araştırma ve finansman edinimi. Yunxi Xu: formal analiz ve yazılım. Shiyu Li: formal analiz ve yazım incelemesi. Changjun Zhou: gözetim ve yazım incelemesi. Baofeng Pan: gözetim ve görselleştirme. Baomin Wang: araştırma.

Temel yorum sınırı: Heterojen çekirdeklenme ve fiziksel dolgu olası birleşik güçlendirme mekanizmalarıdır; ayrı katkıları doğrudan nicel olarak belirlenmemiştir. Sonuçlar malzeme ve laboratuvar ölçeğindedir; uzun dönem saha performansı doğrulanmamıştır.

Telif ve yeniden kullanım notu: Makale CC BY lisanslıdır. Verianla metni kaynak çalışmanın mekanik Türkçe çevirisi değildir; ölçüm değerleri, deney koşulları, şekillerin bilimsel anlamı, sonuçlar ve sınırlılıklar korunarak bağımsız öğretim yapısında yeniden oluşturulmuştur. SEM/BSE/EDS gibi gerçek deneysel mikrograflar üretken yapay zekâ ile taklit edilmemeli; nicel grafik ve mekanizma şemaları ise kaynak verilerinden özgün biçimde yeniden çizilebilir.