Saruji ya fosfati ya magnesiamu-potasiamu (magnesium potassium phosphate cement, MKPC) ni kifungamanishi kisicho cha kikaboni kinachoganda kwa haraka kupitia mmenyuko wa urekebishaji wa asidi–besi kati ya MgO na viambajengo vya fosfati, na kinaweza kutoa uimara wa mapema ulio juu sana pamoja na mshikamano mkubwa. Utafiti huu umechunguza kwa kulinganisha athari za kurekebisha MKPC kwa nano-Fe₂O₃ (NF) na nano-SiO₂ (NS) kwenye tabia ya hidratishaji, maendeleo ya awamu, muundo wa vinyweleo, muundo mdogo, sifa za kimekanika za eneo na uimara wa kimakroskopiki. Lengo jipya la majaribio ni NF-MKPC; data za NS-MKPC zilipatikana katika kampeni hiyo hiyo ya majaribio lakini zimejumuishwa katika utafiti kwa madhumuni ya kulinganisha kutokana na matokeo yaliyochapishwa hapo awali.

Katika utafiti huo zilitumiwa kwa pamoja usanifu wa mchanganyiko wa orthogonal wenye vipengele vinne na viwango vitatu; vipimo vya uimara wa mgandamizo na mpindo; kalorimetri isothemali; difraksheni ya eksirei (XRD); spektroskopi ya infrared ya Fourier-transform (FTIR); uchanganuzi wa thermogravimetric na kalorimetri ya skani tofauti (TG/DTG–DSC); microscopy ya elektroni skani, spektroskopi ya eksirei inayotawanya nishati na upigaji picha wa elektroni zilizotawanywa nyuma (SEM/EDS–BSE); porosimetria ya kupenyeza zebaki (MIP); uchoraji ramani wa Raman na nanoindentation.

Katika hali zilizochunguzwa, NF/M = %4 ilichaguliwa kuwa dozi ya NF inayopendelewa kulingana na uchanganuzi wa masafa na wastani. Uimara wa mgandamizo wa NF-MKPC ulifikia 38,63 MPa baada ya 3 saa na 81,26 MPa baada ya 28 siku; katika MKPC safi, thamani hizo hizo ni 27,5 na 57,2 MPa. Uimara wa mpindo wa NF-MKPC baada ya 28 siku ulikuwa 11,22 MPa, huku MKPC safi ikibaki 8,32 MPa.

Kalorimetri ilionyesha kwamba NF-MKPC ilitoa kilele cha mtiririko wa joto cha mapema zaidi na cha juu zaidi kati ya mifumo mitatu, cha 148 mW/g baada ya takriban 0,1 saa. Matokeo ya XRD, FTIR na Raman pia yanaonyesha kuwa kuongezwa kwa NF kunahusishwa na hidratishaji wa mapema ulio wa haraka zaidi na uundaji uliokua zaidi wa bidhaa za hidratishaji za fuwele. Hata hivyo, nucleation isiyo sawia haikupimwa moja kwa moja katika utafiti; kwa hiyo nucleation si utaratibu pekee uliothibitishwa wa NF, bali ni mojawapo ya michango inayowezekana inayolingana na data zilizojumuishwa.

MIP ilionyesha kwamba katika NF-MKPC, makropori za >100 nm zilipungua kutoka takriban %26, kuanzia 3 saa, hadi %11 baada ya 28 siku. Katika matokeo ya nanoindentation, NF-MKPC ilionyesha majibu ya juu zaidi ya kimekanika ya eneo kati ya mifumo iliyochunguzwa, ikiwa na ugumu wa takriban 4,94 GPa na moduli ya elastiki ya 88,8 GPa baada ya 28 siku.

Tafsiri kuu ya utafiti ni kwamba athari ya kuimarisha ya NF haitokani na tukio moja pekee. Hidratishaji wa mapema ulioharakishwa, nucleation isiyo sawia inayowezekana, athari ya ujazaji wa kimwili wa chembe nano, kupungua kwa vinyweleo vikubwa, usambazaji unaoendelea zaidi wa bidhaa za hidratishaji na kuongezeka kwa usawaziko wa mikromekanika vinaonekana kuchangia kwa pamoja.

Matokeo ni ya kiwango cha maabara. Kuganda–kuyeyuka, mfiduo wa sulfati, athari ya maji ya muda mrefu, matumizi katika kiwango cha uwanjani na udumifu wa muda mrefu havikujaribiwa moja kwa moja. Kwa hiyo utafiti unaonyesha uwezo wa kihandisi wa NF-MKPC, lakini hauthibitishi utendaji wa uwanjani.

Kwa nini MKPC ni mfumo maalumu wa saruji?

MKPC ni saruji ya fosfati inayoganda haraka yenye kemia ya hidratishaji tofauti na saruji ya kawaida ya Portland. Chanzo kinaeleza kuwa nyenzo hii inaweza kukuza uimara wa mgandamizo wa zaidi ya 20 MPa ndani ya 1 saa na kwa kawaida inaweza kufikia kiwango cha 40–80 MPa baada ya 28 siku.

Kulingana na fasihi ya chanzo, mshikamano wa MKPC kwenye nyuso kama chuma au jiwe unaweza pia kuwa mara kadhaa zaidi kuliko wa saruji ya kawaida ya Portland. Sifa hizi ni muhimu kwa ukarabati wa haraka wa barabara, ukarabati wa nyuso za zege, mipako ya kinga, baadhi ya matumizi ya kufungia taka zisisonge na ukarabati maalumu wa kihandisi.

Hata hivyo, ukuaji wa haraka wa uimara haumaanishi kwamba muundo mdogo hauna dosari. Katika MKPC iliyoganda kunaweza kuwapo pamoja vinyweleo vilivyoungana, nafasi kati ya fuwele za struvite-K zenye tabaka, maeneo ya jeli ya fosfati isiyo na fuwele na chembe za MgO ambazo hazijaitikia. Muundo huu usio sawia unaweza kurahisisha usafirishaji wa ioni na matatizo ya udumifu wa muda mrefu.

Lengo la urekebishaji wa nano ni nini?

Wazo kuu la viungio vya kiwango cha nano ni kwamba chembe ndogo zaidi zinaweza kujaza nafasi kati ya punje kubwa, kutoa eneo kubwa la uso ambako bidhaa mpya za hidratishaji zinaweza kutokea, na kubadilisha usambazaji wa bidhaa za hidratishaji katika nafasi.

Hata hivyo, si chembe nano zote hutenda kwa namna ileile. Nano-SiO₂ imechunguzwa sana katika mifumo ya saruji kutokana na eneo lake kubwa la uso na reactivity ya kikemia; lakini inaweza kushiriki katika miitikio katika mazingira ya fosfati yenye asidi na tabia yake ya kutawanyika/kusongamana inaweza kuathiri matokeo.

Nano-Fe₂O₃, kwa upande mwingine, inaweza kutoa njia tofauti ya urekebishaji kutokana na uthabiti wake wa kikemia na ukubwa mdogo wa chembe. Swali kuu la utafiti huu ni kama NF katika MKPC hufanya kazi tu kama kijaza nafasi, kama pia huharakisha hidratishaji, na jinsi mabadiliko hayo yanavyohusiana na uimara wa kiwango kikubwa.

Nano-Fe₂O₃ Huimarishaje MKPC?

Kulingana na matokeo ya chanzo, kuimarishwa kwa nano-Fe₂O₃ hakuwezi kuhusishwa na utaratibu mmoja pekee; kuongezwa kwa NF huonekana pamoja na kilele cha joto la hidratishaji cha mapema zaidi, mtandao uliokua zaidi wa bidhaa za hidratishaji za fosfati, kupungua kwa vinyweleo vikubwa, matriksi yenye msongamano zaidi na jibu la kimekanika la eneo lenye usawaziko zaidi, lakini michango tofauti ya nucleation isiyo sawia na ujazaji wa kimwili haikupimwa moja kwa moja kwa kiasi.

Safu ya kwanza: kuharakishwa kwa hidratishaji wa mapema

Katika kalorimetri isothemali, MKPC safi, NS-MKPC na NF-MKPC zililinganishwa katika muda wa saa tatu za kwanza. Michanganyiko yote inaonyesha kupanda kwa haraka kwa mtiririko wa joto katika hatua ya kwanza, kisha kushuka.

Mtiririko wa joto wa kilele wa NF-MKPC:

148 mW/g, takriban 0,1 saa.

Kwa kulinganisha:

• MKPC safi: takriban 110 mW/g;
• NS-MKPC: takriban 140 mW/g;
• NF-MKPC: takriban 148 mW/g.

Kuwa kwa kilele cha NF juu na pia mapema kunaonyesha kwamba hatua za awali za mmenyuko zimeharakishwa. Watafiti wanaona kuwa hili linaweza kuhusiana na eneo kubwa maalumu la uso wa chembe nano kutoa nyuso za ziada za nucleation kwa bidhaa za hidratishaji.

Hata hivyo, kikomo cha tafsiri hii ni muhimu: utafiti haukuonyesha moja kwa moja kutokea kwa viini wala kupima kasi ya nucleation kwa jaribio tofauti. Kwa hiyo kauli kwamba “NF hufanya kazi kwa hakika kupitia nucleation isiyo sawia” ingekuwa na nguvu zaidi kuliko inavyoungwa mkono na chanzo.

Safu ya pili: kuendelea kwa mabadiliko ya awamu

Katika mifumo yote ya XRD, vilele bainifu vya MgO karibu na 43° na 62,3° vilipungua kadiri umri wa kuponya ulivyoongezeka; vilele vya bidhaa ya hidratishaji ya struvite-K karibu na 21°, 30° na 32° viliimarika.

NF-MKPC ilionyesha vilele vya chini zaidi vya MgO na vilele vinavyoonekana wazi zaidi vya struvite-K katika umri unaolinganishwa. Katika sampuli zenye NF, ishara dhaifu inayohusishwa na Fe₂O₃ pia ilionekana karibu na 24°.

Uchunguzi huu unalingana na tafsiri kwamba MgO ya awali imebadilishwa kwa kiwango kikubwa zaidi kuwa bidhaa za hidratishaji; hata hivyo, XRD pekee haitambui njia zote za mmenyuko.

Safu ya tatu: FTIR na uchanganuzi wa joto

Katika spektra za FTIR, mitetemo ya O–H ilionekana karibu na 2931 na 1675 cm⁻¹, vikundi vya fosfati karibu na 1016 cm⁻¹, na mitetemo ya Mg–O karibu na 568 cm⁻¹.

Katika NF-MKPC kulikuwa na bendi ya ziada karibu na 428 cm⁻¹ inayohusishwa na Fe–O. Chanzo kinaitafsiri bendi hii kama alama bainifu ya awamu ya nano-Fe₂O₃ iliyoongezwa badala ya kuwa bidhaa mpya ya hidratishaji.

Katika uchanganuzi wa TG/DTG, upotevu mkuu wa uzito ulitokea chini ya 200 °C, huku upotevu wa pili wa polepole zaidi ukitokea kati ya 200–800 °C. Katika DSC, tukio dhahiri la endothermic linaonekana katika kiwango cha 100–150 °C pamoja na matukio mengine ya joto katika halijoto za juu zaidi.

Waandishi wanaeleza wazi kwamba matokeo ya joto yanalingana na mabadiliko katika kiasi na hali ya kimuundo ya bidhaa za hidratishaji, lakini TG/DSC pekee haiwezi kuthibitisha njia maalumu ya mmenyuko.

Safu ya nne: muundo mdogo wenye msongamano zaidi

Katika picha za SEM na BSE baada ya 3 saa, punje za MgO zilizobaki, nafasi tupu na bidhaa za hidratishaji zisizoendelea zilionekana katika mifumo yote.

Baada ya 7 siku, miundo yote ilikuwa imekuwa mizito zaidi, kiasi cha MgO iliyobaki kilikuwa kimepungua na bidhaa za hidratishaji zilianza kujaza maeneo kati ya chembe kwa mwendelezo zaidi.

Baada ya 28 siku, mitandao yenye msongamano na iliyoungana ya pande tatu ya bidhaa za hidratishaji iliundwa katika sampuli; uwiano wa kieneo wa usambazaji wa Mg na P uliongezeka.

NF-MKPC ilijitokeza hasa kwa matriksi yenye msongamano zaidi na usambazaji wa Fe wenye usawaziko zaidi. Hata hivyo, picha za SEM/EDS haziwezi kupima kando mchango wa jamaa wa ujazaji wa kimwili na nucleation.

Safu ya tano: kuboreshwa kwa muundo wa vinyweleo

Katika utafiti, vinyweleo vya MIP viligawanywa katika madaraja yafuatayo:

Katika MKPC safi, uwiano wa makropori ulikuwa takriban %35 baada ya 3 saa na ulipungua hadi %15 baada ya 28 siku.

Katika NF-MKPC, makropori tayari yako katika kiwango cha chini zaidi katika hatua ya mapema:

Baada ya 28 siku, uwiano wa mesopori za 20–50 nm katika NF-MKPC ni takriban %44.

Je, Nano-Fe₂O₃ na Nano-SiO₂ Hufanya Kazi kwa Namna Ileile Katika MKPC?

Hapana. Utafiti unaonyesha kwamba ingawa virekebishaji viwili vya nano vinatoa kwa kiasi fulani matokeo yanayofanana, maendeleo yao ya hidratishaji na vinyweleo ni tofauti: NF inajitokeza kwa jibu la awali la joto lililo la mapema na lenye nguvu zaidi, huku NS ikijitokeza hasa katika umri wa baadaye kwa kutawala kwa daraja la vinyweleo vya 20–50 nm na karibu kutoweka kabisa kwa makropori.

Tofauti ya hidratishaji wa mapema

NF-MKPC ilitoa kilele cha juu zaidi na cha mapema zaidi cha 148 mW/g, wakati NS-MKPC ilionyesha baadaye kilele cha takriban 140 mW/g.

NS-MKPC ina utoaji wa joto unaodumu kwa muda mrefu zaidi baada ya kilele kikuu. Chanzo kinahusisha tofauti hii na mwingiliano tofauti wa nano-SiO₂ na nano-Fe₂O₃ na mazingira ya fosfati.

Tofauti ya maendeleo ya vinyweleo

Baada ya 7 siku, NS-MKPC ilipunguza uwiano wa makropori >100 nm hadi takriban %5 na kuongeza daraja la 20–50 nm hadi takriban %60. Baada ya 28 siku, makropori yalikuwa karibu yametoweka kabisa, huku vinyweleo vya 20–50 nm vikiwa takriban %55 na vinyweleo vya <20 nm takriban %38.

NF-MKPC, kwa upande mwingine, ilianza katika umri wa mapema ikiwa na uwiano mdogo wa makropori kuliko MKPC safi na ilipungua hadi takriban %11 baada ya 28 siku.

Kwa hiyo chanzo kinasema wazi kwamba hakuna kirekebishaji cha nano kinachoweza kuhesabiwa kuwa “bora kwa kila hali” katika vipimo vyote vya uboreshaji wa vinyweleo.

Kusoma kwa makini ulinganisho wa uimara

Ongezeko la uimara wa NF-MKPC ikilinganishwa na MKPC safi ni wazi. Hata hivyo, chanzo pia kinaonyesha katika Figure 5 matokeo ya NS-MKPC yaliyochapishwa hapo awali.

Kwa hiyo, kulingana na Figure 5 ya chanzo, NF-MKPC haizidi NS-MKPC katika uimara kamili wa mgandamizo.

Kwa uimara wa mpindo, NS-MKPC ni ya juu zaidi baada ya 3 saa, huku NF-MKPC ikionyesha thamani za juu zaidi baada ya 1, 7 na 28 siku.

Kwa hiyo kauli “NF-MKPC exhibited the highest strength growth” katika sehemu ya hitimisho ya chanzo haipaswi kufasiriwa kuwa uimara kamili wa mgandamizo ni wa juu kuliko mifumo yote. Verianla inadumisha thamani zilizopimwa katika Figure 5 kama source-of-truth yenye kipaumbele.

Uchoraji ramani wa Raman uliongeza nini?

Katika uchoraji ramani wa Raman, maeneo yanayohusishwa na MgO, bidhaa za hidratishaji za fuwele na matriksi ya fosfati isiyo na fuwele yenye utajiri wa fosfati yalifuatiliwa kama maeneo tofauti ya spektra.

Baada ya 3 saa, awamu zisizo na fuwele na maeneo makubwa ya MgO yalitawala katika MKPC safi, wakati katika urekebishaji wa NS na NF maeneo ya bidhaa za hidratishaji za fuwele yalikuwa dhahiri zaidi.

Baada ya 7 na 28 siku, NS-MKPC na NF-MKPC zilionyesha maeneo ya fuwele yaliyoungana zaidi na matriksi isiyo na fuwele yenye usawaziko zaidi. Hata baada ya 28 siku, makundi ya MgO yaliyo dhahiri zaidi yalibaki katika MKPC safi.

Nanoindentation iliunganishaje muundo mdogo na sifa ya kimekanika?

Nanoindentation ni mbinu ya ubainishaji wa kimekanika inayopima ugumu wa eneo na moduli ya elastiki katika maeneo maalumu ya nyenzo katika kiwango cha mikromita. Katika utafiti huu, jumla ya nukta 36 za kipimo katika mpangilio wa 6 × 6 zilitumiwa kwenye sampuli ambazo ukwaruzo wa uso ulipunguzwa hadi chini ya 50 nm.

Kina cha indentation ni 2 µm, na umbali kati ya nukta ni 80 µm.

Baada ya 3 saa, uwiano wa maeneo yenye jibu la chini la kimekanika ulikuwa mkubwa zaidi katika MKPC safi, huku maeneo yenye jibu la juu yakiongezeka katika mifumo iliyorekebishwa kwa nano.

Kwa NF-MKPC:

Kufinyika kwa usambazaji na kupungua kwa maeneo yenye utendaji wa chini kunaonyesha kwamba kutokuwa sawa kwa kimekanika ndani ya matriksi kumepungua.

Mbinu na Matokeo ya Utafiti

Malighafi

Kwa kifungamanishi cha MKPC safi, viambajengo vikuu vilikuwa oksidi ya magnesiamu iliyochomwa kwa joto la juu (dead-burnt magnesium oxide, DBM), KH₂PO₄ ya usafi wa uchanganuzi, maji yaliyotolewa ioni na boraksi (Na₂B₄O₇·10H₂O).

Msongamano wa DBM ni 3,46 g/cm³ na muundo wake wa kikemia kulingana na Table 1 ya chanzo ni:

Ukubwa wa wastani wa chembe za nano-Fe₂O₃ ni 20 nm, msongamano wa rundo ni 0,85–1,05 g/cm³ na usafi ni %99,9.

Mchanganyiko rejea wa MKPC safi

Maandalizi ya sampuli

Wakati wa kuandaa MKPC safi, KH₂PO₄ na boraksi zilichanganywa kwanza kwa kasi ya 150 r/min kwa 30 sekunde, DBM ikaongezwa na kuchanganywa kwa kasi hiyo hiyo kwa 30 sekunde nyingine. Baada ya kuongeza maji yaliyotolewa ioni, uchanganyaji uliendelea kwa 150 r/min kwa 30 sekunde; baada ya kukwangua kuta za chombo, mchanganyiko ulifanywa kuwa sawia kwa 290 r/min kwa 60 sekunde.

Kwa NF-MKPC, NF ilitawanywa katika nusu ya maji yote chini ya matibabu ya ultrasoniki ya 400 W kwa 10 dakika. Suspenzi ya NF iliongezwa kwenye mchanganyiko mkavu na maji yaliyobaki yakaongezwa baadaye.

Kwa majaribio ya mpindo zilitayarishwa sampuli za prismu za 160 × 40 × 40 mm, na kwa majaribio ya mgandamizo sampuli za mchemraba za 40 × 40 × 40 mm.

Sampuli ziliwekewa mtetemo mara tu baada ya kumwagwa, zikatolewa kwenye moldi baada ya 30 dakika na kuponywa katika 20 ± 5 °C na unyevunyevu wa jamaa wa %60 ± 5.

Usanifu wa jaribio la orthogonal

Katika chanzo, kipengele cha M/P kimeelezwa katika sehemu moja ya matokeo kwa maneno “dibasic magnesium phosphate”; hata hivyo, maelezo ya malighafi, Table 1 na mpangilio wa jaribio yanaonyesha kwamba DBM ni dead-burnt magnesium oxide. Tofauti hii ya istilahi inapaswa kutathminiwa kama kosa linalowezekana la uandishi ndani ya chanzo.

Kwa Nini Dozi ya %4 Nano-Fe₂O₃ Ilipendelewa?

NF/M = %4 ilipendelewa kwa sababu, ndani ya kiwango cha %2–%6 kilichochunguzwa, ilitoa uwiano unaofaa zaidi kulingana na uchanganuzi wa jumla wa masafa na wastani wa majibu ya kimekanika; kuongezwa kwa %6 NF hakukuongeza uimara kwa uthabiti na kulisababisha kupungua katika baadhi ya matokeo ya mapema ya uimara wa mgandamizo, lakini chaguo hili si optimum ya jumla iliyothibitishwa katika kiwango cha umuhimu cha %5 kwa vipengele vyote.

Athari za vipengele katika jaribio la orthogonal

Kwa uimara wa mgandamizo wa 3 saa, masafa makubwa zaidi yalipatikana katika kipengele cha B/M, takriban 8,863 MPa.

Katika uimara wa mgandamizo wa 1 siku, kipengele cha W/C kina masafa makubwa zaidi.

Katika uimara wa mpindo wa 3 saa na 1 siku, kipengele cha M/P kilionyesha nafasi ya juu zaidi ya athari.

Katika uchanganuzi wa ANOVA wa pooled-error, athari ya M/P pekee kwa uimara wa mpindo wa 3 saa ndiyo yenye umuhimu wa kitakwimu:

\[ p=0.018 \]

Ingawa vipengele vingine vilivyotawala vilitoa thamani za chini zaidi za p katika majibu yao ya kimekanika, havikutimiza sharti la \(p<0.05\).

Mlinganyo wa uimara wa mgandamizo

Mlinganyo wa Chanzo (1):

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

Hapa \(R_c\) ni uimara wa mgandamizo katika MPa. \(F_s\) ni mzigo wa juu wa mgandamizo wakati wa kuvunjika katika N. \(A\) ni eneo la sehemu iliyobebeshwa mzigo katika mm².

Kwa kuwa N/mm² ni sawa moja kwa moja na MPa, mlinganyo una ulinganifu wa vipimo.

Mlinganyo wa uimara wa mpindo

Mlinganyo wa Chanzo (2):

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

Hapa \(R_f\) ni uimara wa mpindo (MPa); \(F_f\) ni mzigo wa kuvunjika (N); \(L\) ni nafasi kati ya vihimili (mm); na \(b\) ni urefu wa upande wa sehemu ya mraba, ambao katika jaribio hili ni 40 mm.

Katika mlinganyo, kuongezeka kwa mzigo na nafasi huongeza mkazo wa mpindo uliokokotolewa, huku ukubwa wa sehemu ya mraba ukiwa kwenye daraja la tatu katika denominator, hivyo ukubwa wa sampuli unaonekana kuathiri matokeo kwa nguvu.

Masharti ya majaribio ya kimekanika

Sampuli tatu zilijaribiwa kwa kila mchanganyiko. Kiwango cha GB/T 17671-2021 kilifuatwa; kasi ya upakiaji katika jaribio la mgandamizo ilikuwa 2400 N/s na katika jaribio la mpindo 50 N/s.

Ukuaji wa uimara

Ikilinganishwa na MKPC safi, ongezeko la uimara wa mgandamizo wa NF-MKPC baada ya 3 saa ni %40,5, ongezeko la uimara wa mgandamizo baada ya 28 siku ni %42,1 na ongezeko la uimara wa mpindo baada ya 28 siku ni %34,8.

Masharti ya XRD

XRD ilifanywa katika hali ya skani endelevu kwenye kiwango cha 2θ = 5–80° na kasi ya skani ya 10°/dakika.

TG/DTG na DSC

Takriban 25 mg ya sampuli ilipashwa joto kutoka 50 °C hadi 1000 °C katika anga ya nitrojeni na kwa kasi ya 10 °C/dakika.

FTIR

Spektra za FTIR zilikusanywa katika kiwango cha 4000–400 cm⁻¹.

Uchoraji ramani wa Raman

Spektra za Raman zilipimwa katika kiwango cha 1800–400 cm⁻¹, kwa nguvu ya leza ya %10, muda wa mfiduo wa 10 sekunde na mkusanyo mmoja.

Eneo la ramani lilikuwa 40 × 40 µm², hatua ya nafasi 2 µm. Kwa kila sampuli, jumla ya nukta 441 za kipimo zilichukuliwa katika mpangilio wa 21 × 21.

SEM/EDS na BSE

Kabla ya uchunguzi, sampuli zilikaushwa kwenye vacuum kwa 50 °C kwa 24 saa, zikang’arishwa, zikasafishwa kwa ultrasoniki na kufunikwa kwa filamu ya kaboni.

Vipimo vya SEM/EDS vilifanywa katika volteji ya kuharakisha ya 5–15 kV; picha za BSE zilifanywa katika 15 kV.

MIP

Kwa MIP, vipande vya takriban 1,5–2 g vilichukuliwa kutoka sampuli zilizoponywa kwa 3 saa, 7 siku na 28 siku, vikakaushwa kwenye vacuum na kuondolewa gesi.

Kwa kutumia kupenya kwa zebaki ndani ya mfumo wa vinyweleo chini ya shinikizo linalodhibitiwa, jumla ya porosity, usambazaji wa ukubwa wa vinyweleo na ujazo limbikizi wa vinyweleo uliamuliwa.

Milinganyo ya nanoindentation

Mlinganyo wa Chanzo (3) hukokotoa moduli ya indentation kutokana na ugumu wa kuondoa mzigo na eneo la mgusano lililoproyektiwa:

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

Hapa \(E\) ni moduli ya indentation (GPa), \(S=dP/dh\) ni ugumu wa kuondoa mzigo, \(A\) ni eneo la mgusano na \(\beta=1.034\) ni mgawo wa marekebisho unaohusiana na jiometri ya indenter.

Mlinganyo wa Chanzo (4):

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

\(\nu_1\) na \(\nu_2\) zinawakilisha uwiano wa Poisson wa indenter ya Berkovich na sampuli; \(E_1\) na \(E_2\) zinawakilisha moduli zao za elastiki.

Mlinganyo wa Chanzo (5) hukokotoa ugumu:

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

Hapa \(H\) ni ugumu (GPa), \(P_0\) ni mzigo wa juu wa indentation na \(A\) ni eneo la mgusano lililoproyektiwa.

Jukumu la kisayansi la takwimu za chanzo

Je, Utafiti Huu Unathibitisha Kwamba NF-MKPC Hudumu Muda Mrefu Uwanjani?

Hapana. Utafiti unatoa matokeo ya hidratishaji, uimara wa kimekanika, muundo wa vinyweleo na muundo mdogo katika kiwango cha maabara; kwa kuwa kuganda–kuyeyuka, athari ya sulfati, mfiduo wa maji wa muda mrefu, uthabiti wa vipimo na utendaji wa muda mrefu katika hali halisi za uwanjani havikujaribiwa moja kwa moja, matumizi ya kihandisi yanapaswa kutathminiwa kama maeneo yanayowezekana ya matumizi.

Matokeo yanayoungwa mkono na utafiti

Kuongezwa kwa NF kuliongeza uimara wa mgandamizo na mpindo wa MKPC safi katika hali za mchanganyiko zilizochunguzwa.

NF-MKPC ilionyesha kilele cha mapema na cha juu zaidi cha mtiririko wa joto la hidratishaji.

Matokeo ya XRD, FTIR na Raman yanalingana na maendeleo ya bidhaa za hidratishaji kuwa ya juu zaidi katika NF-MKPC kuliko katika MKPC safi.

Uwiano wa vinyweleo vikubwa katika NF-MKPC ulipungua kadiri muda wa kuponya ulivyoongezeka.

Thamani za ugumu wa eneo na moduli ya elastiki za NF-MKPC ziliongezeka katika umri wa baadaye wa kuponya, na usambazaji wa jibu la kimekanika ukawa na usawaziko zaidi.

Imeonyeshwa kuwa NF na NS hazibadilishi muundo mdogo wa MKPC kwa namna ileile.

Matokeo yasiyoungwa mkono na utafiti

Haijathibitishwa kwamba kuimarisha kwa NF kunatokana tu na nucleation isiyo sawia.

Jinsi NF na NS zinavyobadilisha matumizi ya ioni za fosfati haikuamuliwa kwa kipimo cha moja kwa moja cha kuyeyuka/kutolewa kwa ioni.

Kiwango ambacho NF husongamana katika dozi za juu hakikupimwa kwa kiasi.

%4 NF/M si optimum ya jumla kwa michanganyiko yote ya MKPC.

Figure 5 haiungi mkono kwamba NF-MKPC ni bora kuliko NS-MKPC katika sifa zote za kimekanika.

Mifano ya barabara na mipako katika Figure 1 si uthibitishaji halisi wa uwanjani wa muundo huu wa NF-MKPC.

Kuganda–kuyeyuka, upinzani wa sulfati, ustahimilivu wa maji na utendaji wa huduma wa muda mrefu havijathibitishwa.

Mapungufu makuu ya utafiti

Kuyeyuka na kutolewa kwa ioni: Kwa kuwa viwango vya Mg, P, Si na Fe katika awamu ya myeyusho havikupimwa moja kwa moja, mchango wa NF na NS katika kemia ya mmenyuko haukuweza kutenganishwa kwa uhakika.

Usambazaji wa chembe nano: Ingawa utawanyaji wa ultrasoniki ulitumiwa, kiwango cha usongamanaji wa NF hakikupimwa kwa ubainishaji wa kiasi wa pande tatu.

Utenganishaji wa taratibu: Michango tofauti ya nucleation isiyo sawia, ujazaji wa kimwili, ukuaji wa bidhaa za hidratishaji na athari za utawanyaji haikuamuliwa kwa kiasi.

Udumifu wa muda mrefu: Kuganda–kuyeyuka, mfiduo wa sulfati, kuzamishwa katika maji na hali nyingine kali za mazingira hazikujaribiwa.

Kiwango cha uwanjani: Hakukufanywa upanuzi wa kipimo kutoka sampuli za maabara kwenda kwenye mfumo wa ukarabati wa uwanjani.

Kikomo cha uboreshaji wa kitakwimu: Katika vipengele vingi vya usanifu wa orthogonal, thamani ya p haikushuka chini ya 0,05; kwa hiyo mpangilio wa vipengele haupaswi kuchanganywa na uhakika wa kitakwimu.

Utafiti wa baadaye

Chanzo kinapendekeza kupima viwango vya Mg, P, Si na Fe vilivyoyeyushwa pamoja na kalorimetri; kubainisha usambazaji wa chembe nano kwa uchanganuzi wa picha wa kiasi au ubainishaji wa pande tatu; kufanya uchanganuzi mahsusi wa awamu na kiolesura; na kutumia uboreshaji mpana zaidi wa mchanganyiko.

Kabla ya matumizi ya vitendo, vipimo vya udumifu kama athari ya maji ya muda mrefu, kuganda–kuyeyuka, shambulio la sulfati na uthabiti wa vipimo vinapaswa kufanywa.

Maelezo ya Chanzo na Mbinu

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

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

Mwandishi wa mawasiliano: Fei Liu.

Taasisi: 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.

Jarida: Buildings.

Mchapishaji/jukwaa: MDPI.

Rekodi ya bibliografia: Buildings, 2026, 16(17), Article 3540.

DOI: 10.3390/buildings16173540.

Mchakato wa uchapishaji: Ilipokelewa 31 Julai 2026; marekebisho 1 Septemba 2026; ilikubaliwa 3 Septemba 2026; ilichapishwa 5 Septemba 2026.

Aina ya chanzo: Utafiti wa majaribio wa vifaa vya ujenzi wa kiwango cha maabara, uliopitiwa na wataalamu wenza na kuchapishwa.

Leseni: Creative Commons Attribution (CC BY).

Nyenzo kuu: Saruji ya fosfati ya magnesiamu-potasiamu (MKPC).

Virekebishaji vya nano: Nano-Fe₂O₃ (NF) na nano-SiO₂ (NS).

Sifa za NF: Ukubwa wa wastani wa chembe 20 nm; usafi %99,9; msongamano wa rundo 0,85–1,05 g/cm³.

Vigezo vya mchanganyiko: M/P, W/C, B/M na NF/M.

Viwango vya NF/M: %2, %4 na %6.

Uwiano wa NF/M uliopendelewa: %4 ndani ya nafasi ya majaribio iliyochunguzwa; unatokana na uchanganuzi wa masafa na wastani.

Data ya kulinganisha: Sampuli za NS-MKPC zilitayarishwa na kujaribiwa katika kampeni hiyo hiyo ya majaribio na chini ya masharti yale yale kama NF-MKPC, lakini matokeo ya NS yalikuwa yamechapishwa hapo awali.

Kiwango cha kipimo cha kimekanika: GB/T 17671-2021.

Kasi ya upakiaji wa mgandamizo: 2400 N/s.

Kasi ya upakiaji wa mpindo: 50 N/s.

Masharti ya kuponya: 20 ± 5 °C; %60 ± 5 unyevunyevu wa jamaa.

Mbinu za ubainishaji: Kalorimetri isothemali, XRD, FTIR, TG/DTG, DSC, SEM/EDS, BSE, MIP, uchoraji ramani wa Raman na nanoindentation.

Uchoraji ramani wa Raman: 40 × 40 µm²; nafasi 2 µm; 21 × 21 = 441 nukta za kipimo.

Nanoindentation: Nukta 36, gridi ya 6 × 6; kina 2 µm; nafasi ya nukta 80 µm.

Matokeo makuu ya kimekanika ya NF-MKPC: Uimara wa mgandamizo wa 38,63 MPa baada ya 3 saa na 81,26 MPa baada ya 28 siku; uimara unaolingana wa mpindo wa 6,61 na 11,22 MPa.

Matokeo makuu ya hidratishaji: Mtiririko wa joto wa kilele wa NF-MKPC ni takriban 148 mW/g na muda wa kilele ni takriban 0,1 saa.

Matokeo makuu ya mikromekanika: NF-MKPC ilifikia ugumu wa takriban 4,94 GPa na moduli ya elastiki ya 88,8 GPa baada ya 28 siku.

Dokezo la istilahi ndani ya chanzo: DBM imefafanuliwa katika sehemu ya malighafi kama dead-burnt magnesium oxide, lakini katika sehemu moja ya uchanganuzi wa orthogonal imepanuliwa kama “dibasic magnesium phosphate”. Muundo wa nyenzo unaonyesha kwamba DBM ni MgO.

Dokezo la ulinganisho wa kimekanika ndani ya chanzo: Sehemu ya matokeo hutumia kauli “highest strength growth” kwa NF-MKPC; hata hivyo, katika Figure 5 uimara kamili wa mgandamizo wa NS-MKPC ni wa juu kuliko wa NF-MKPC katika umri wote wanne wa kuponya. Kwa hiyo haipaswi kuhitimishwa kwamba NF ni bora kuliko NS katika vipimo vyote vya kimekanika.

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

Upatikanaji wa data: Data zilizowasilishwa katika utafiti zinapatikana kutoka kwa mwandishi wa mawasiliano kwa ombi lenye msingi.

Mgongano wa maslahi: Waandishi hawakuripoti mgongano wa maslahi.

Michango ya waandishi: Yinuo Qiu: uundaji wa dhana, rasimu ya kwanza, programu, uratibu wa data. Fei Liu: uundaji wa dhana, mbinu, mapitio, usimamizi, utafiti na upatikanaji wa ufadhili. Yunxi Xu: uchanganuzi rasmi na programu. Shiyu Li: uchanganuzi rasmi na mapitio ya maandishi. Changjun Zhou: usimamizi na mapitio ya maandishi. Baofeng Pan: usimamizi na uonyeshaji. Baomin Wang: utafiti.

Kikomo kikuu cha tafsiri: Nucleation isiyo sawia na ujazaji wa kimwili ni taratibu zinazowezekana za kuimarisha kwa pamoja; michango yao tofauti haikuamuliwa moja kwa moja kwa kiasi. Matokeo yako katika kiwango cha nyenzo na maabara; utendaji wa muda mrefu uwanjani haujathibitishwa.

Dokezo la hakimiliki na matumizi tena: Makala ina leseni ya CC BY. Maandishi ya Verianla si tafsiri ya moja kwa moja ya Kituruki ya utafiti wa chanzo; yameundwa upya katika muundo huru wa kufundishia huku thamani za vipimo, masharti ya majaribio, maana ya kisayansi ya takwimu, matokeo na mapungufu vikihifadhiwa. Mikrografu halisi za majaribio kama SEM/BSE/EDS hazipaswi kuigwa kwa akili bandia zalishi; grafu za kiasi na michoro ya utaratibu zinaweza kuchorwa upya kwa namna asilia kutoka data za chanzo.