Bakır zenginleştirme atığı jeopolimer betonu (Copper Tailings Geopolymer Concrete, CT-GPC), alkali ile aktive edilmiş alüminosilikat bağlayıcı sisteminin ve bakır madenciliği/zenginleştirme atıklarının beton içerisinde değerlendirildiği bir jeopolimer beton türüdür. Bu deneysel çalışma, üretilmiş kumun kütlece %0, %5, %10, %15 ve %20'sinin bakır zenginleştirme atığı kumu ile değiştirilmesinin CT-GPC'nin tek eksenli ve gerçek üç eksenli basınç altındaki dayanımını, deformasyonunu, kırılma biçimini ve mikroyapısını nasıl etkilediğini araştırmaktadır. Beş karışım 100 mm küp numuneler halinde hazırlanmış, 28 gün kürlenmiş ve \((\sigma_2,\sigma_3)\) = (4,2), (6,2), (8,2), (8,4), (8,6) ve (12,6) MPa olmak üzere altı eşit olmayan yanal gerilme kombinasyonunda denenmiştir.

Tek eksenli basınç dayanımı %0 CT kumu grubunda 39,81 MPa iken %5 ikamede 45,36 MPa'ya yükselmiş; %10, %15 ve %20 ikamelerde sırasıyla 42,46, 41,83 ve 39,44 MPa olarak ölçülmüştür. Böylece incelenen %0–20 aralığında en yüksek tek eksenli dayanım %5 ikamede elde edilmiştir. Gerçek üç eksenli basınç altında ise bütün karışımların tepe dayanımı kendi tek eksenli dayanımlarının üzerine çıkmış ve dayanım artış katsayısı \(K_t\) 1,237–2,094 arasında değişmiştir.

%5 grubu, incelenen altı gerçek üç eksenli gerilme koşulunun tamamında en yüksek mutlak tepe eksenel gerilmesini üretmiştir. Buna karşılık %20 grup, CT kumu içeren karışımlar arasında kendi tek eksenli dayanımına göre en belirgin göreli yanal sıkıştırma kazancını göstermiştir. Bu iki sonuç çelişkili değildir: mutlak dayanım ve normalleştirilmiş dayanım artış katsayısı aynı büyüklük değildir.

Yanal sıkıştırma arttıkça eksenel gerilme–şekil değiştirme eğrisinin tepe sonrası düşüşü daha yavaş hale gelmiş ve numuneler tek eksenli basınca göre daha yüksek bütünlük ve daha belirgin süneklik göstermiştir. Kırılma verileri sekizgen normal ve kayma gerilmeleri üzerinden modellenmiş; karşılaştırılan kırılma yaklaşımları içinde Bresler–Pister tipi ikinci dereceden ilişki kullanılmış ve beş ikame grubu için \(R^2=0,9954–0,9989\) uyumları elde edilmiştir. Tam eksenel gerilme–şekil değiştirme eğrileri ise Popovics tipi tepe öncesi dal ile Guo Zhenhai tipi tepe sonrası dalın birleştirildiği parça-parça bir modelle temsil edilmiş; 30 eğrinin uyumunda \(R^2=0,9789–0,9991\) aralığı raporlanmıştır.

SEM incelemelerinde seçilen görüntü alanlarında %5 grubunun katı faz yapısı görece daha sürekli görünürken %0 ve %20 gruplarda daha uzun açık çatlaklar gözlenmiştir. Araştırmacılar bu davranışı, uygun miktardaki ultra-ince CT kumunun üretilmiş kum gradasyonundaki boşlukları doldurabilmesi; daha yüksek ilavelerde ise dolgu yararının doygunluğa yaklaşması ve zayıf ara yüzler ile boşlukların artabilmesiyle ilişkilendirmektedir. Bununla birlikte çalışma laboratuvar ölçeğindedir; yapı ölçeğinde saha davranışı, uzun dönem dayanıklılık ve doğrudan yaşam döngüsü karbon azaltımı bu deneylerde test edilmemiştir.

Bakır zenginleştirme atığı jeopolimer betonu neden inceleniyor?

Çalışmanın arka planında iki ayrı kaynak kullanımı problemi birleşmektedir. Birincisi, sıradan Portland çimentosu üretiminin enerji ve karbon yoğunluğudur. İkincisi ise bakır cevheri zenginleştirme süreçlerinde oluşan büyük miktardaki atığın uzun süre depolanmasıdır. Kaynak çalışma, Çin'de 1950–2020 arasında birikmiş bakır zenginleştirme atığının literatürde 5,56 milyar tonun üzerine çıktığının bildirildiğini aktarmaktadır. CT-GPC yaklaşımı, bir taraftan Portland çimentosuna bağımlılığı azaltmayı hedefleyen alkali-aktive bağlayıcı sistemleri, diğer taraftan bakır atığının bağlayıcı ve ince agrega bileşenlerinde değerlendirilmesini bir araya getirir.

Çalışmada iki farklı “CT” kullanımı birbirinden ayrılmalıdır. CT tozu, bağlayıcı fazdaki başlangıç malzemelerinden biridir ve reaktivitesini artırmak amacıyla 200 mesh elekten geçirildikten sonra 800 °C'de kalsine edilmiştir. CT kumu ise incelik modülü 0,17 olan ultra-ince bir agrega fraksiyonudur ve üretilmiş kumun %0–20'si yerine kullanılmıştır. Makaledeki “ikame oranı” sonuçları CT kumunun üretilmiş kum yerine kullanım oranını ifade eder.

Alkali aktivatör ve agregalar

Alkali aktivatör analitik saflıkta sodyum hidroksit peletleri ile sodyum silikat çözeltisinden hazırlanmıştır. Kaynakta verilen sodyum silikat çözeltisinin SiO₂ içeriği %27,30, Na₂O içeriği %8,54, Baumé derecesi 38,5 °Bé, modülü 3,30, katı içeriği %35,5 ve pH aralığı 10–13'tür.

İnce agregalar CT kumu ve üretilmiş kumdan oluşmaktadır. CT kumunun incelik modülü 0,17'dir ve kaynak tarafından “extra-fine tailings sand” olarak sınıflandırılmıştır. Üretilmiş kumun incelik modülü 2,7, görünür yoğunluğu 2620 kg/m³'tür. Kaba agrega 5–16 mm sürekli gradasyonlu kırmataştır ve görünür yoğunluğu 2680 kg/m³'tür. Polikarboksilat esaslı süperakışkanlaştırıcının su azaltma oranı %28, hava içeriği %5,0, yoğunluğu 1,06 g/cm³, pH değeri 6,1 ve katı içeriği %39,5 olarak verilmektedir. Geciktirici olarak saflığı %99,6'nın üzerinde sakkaroz kullanılmıştır.

Numuneler nasıl hazırlandı?

Üretilmiş kumun kütlece %0, %5, %10, %15 ve %20'si CT kumu ile değiştirilmiş, toplam ince agrega kütlesi sabit tutulmuştur. Bütün numuneler 100 × 100 × 100 mm küp biçimindedir. Önce NaOH ek su içerisinde çözülmüş; çözelti oda sıcaklığına soğuduktan sonra sodyum silikat eklenmiştir. Sakkaroz ve süperakışkanlaştırıcı için ayrı çözeltiler hazırlanmıştır. Kaba agrega, ince agrega, cüruf tozu, uçucu kül ve CT tozu mikserde 3 dakika kuru/katı bileşen karışımı olarak harmanlanmış; hazırlanmış üç sıvı çözelti daha sonra sırasıyla eklenmiş ve karıştırma 8 dakika daha sürdürülmüştür.

Taze beton ayırıcı uygulanmış 100 mm küp kalıplara dökülmüş, sıkıştırma için titreştirilmiş ve daha sonra 28 gün boyunca 20 ± 2 °C sıcaklıkta ve en az %95 bağıl nemde standart kür uygulanmıştır. Her karışım için ana deney programında 21 numune hazırlanmıştır: üçü tek eksenli basınç, 18'i ise altı TTC koşulunda koşul başına üç numune içindir. Hazırlama, kür ve deney sırasında kayıp ya da anormal sonuç olasılığına karşı her karışım için ayrıca 3–7 yedek numune hazırlanmıştır.

Gerçek Üç Eksenli Basınç Deneyi Neden Geleneksel Üç Eksenli Deneyden Daha Fazla Bilgi Verir?

Geleneksel üç eksenli deneyde iki yanal asal gerilme eşittir \((\sigma_2=\sigma_3)\); gerçek üç eksenli basınçta ise üç asal gerilme bağımsız kontrol edilebildiği için \(\sigma_2\) ile \(\sigma_3\)'ün dayanım, yanal genişleme ve kırılma üzerindeki farklı etkileri doğrudan ayrıştırılabilir.

Bu çalışmada gerilme sıralaması \(\sigma_1>\sigma_2>\sigma_3\) olarak tanımlanmıştır. \(\sigma_1\), z yönündeki büyük asal basınç gerilmesidir. \(\sigma_2\) ve \(\sigma_3\), sırasıyla daha güçlü ve daha zayıf iki yanal sıkıştırmayı temsil eder.

Gerçek üç eksenli yükleme protokolü

Gerçek üç eksenli deney sistemi X ve Y yönlerinde 2000 kN, Z yönünde 3000 kN azami yük kapasitesine sahiptir. Numune ile yükleme plakaları arasındaki sürtünmeyi azaltmak için polietilen film ve yağlayıcı gres kullanılmıştır. Yanal sıkıştırma uygulanırken X ve Y yönlerindeki yükler 1 kN/s, Z yönündeki tutma yükü 2 kN/s hızla artırılmıştır. \(\sigma_2\) ve \(\sigma_3\) hedef değerlere ulaştığında gerilmeler 30 saniye sabit tutulmuş; ardından Z yönü 0,3 mm/dakika deplasman kontrollü yüklemeye geçirilmiştir. Üç doğrultudaki deplasmanlar LVDT'lerle eşzamanlı izlenmiştir.

Tek eksenli deney düzeni

Tek eksenli basınç testinde maksimum kapasitesi 2000 kN olan elektrikli servo-kontrollü basınç makinesi kullanılmıştır. Deplasman, 0,001 mm doğruluk ve 100 mm ölçüm aralığına sahip LVDT ile ölçülmüştür. Yükleme hızı GB/T 50081-2019 standardına uygun biçimde 5 kN/s olarak seçilmiştir.

Tek eksenli basınç dayanımında %5 ikame neden öne çıkıyor?

%5 ikame grubunda dayanımın %0 gruba göre kaynakta yaklaşık %13,94 arttığı belirtilmektedir. Daha yüksek ikame oranlarında dayanım yeniden düşmektedir. Çalışmanın mikroyapı yorumu, CT kumunun ultra-ince taneleriyle üretilmiş kumun gradasyonunu tamamlayıp boşlukları doldurabilmesinin uygun düşük ikame düzeyinde yararlı olabileceği yönündedir. CT miktarı daha da arttığında dolgu etkisinin doygunluğa yaklaşması, daha fazla boşluk ve zayıf ara yüz oluşumu, su gereksinimi ve kuruma büzülmesindeki artış gibi etkiler dayanım avantajını azaltabilir.

Neden %5 Grubu En Yüksek Dayanımı Verirken %20 Grubu Daha Yüksek Göreli Sıkıştırma Kazancı Gösterebilir?

Çünkü %5 grubunun başlangıç tek eksenli dayanımı zaten en yüksektir; \(K_t\) ise gerçek üç eksenli tepe gerilimini aynı grubun kendi \(f_c\) değerine bölen boyutsuz bir orandır, dolayısıyla başlangıç dayanımı daha düşük olan %20 grup yanal sıkıştırmadan oransal olarak daha fazla yararlanırken mutlak tepe gerilmesinde %5 grubunu geçmeyebilir.

Dayanım artış katsayısı

Denklem (1)'de \(\sigma_{1,p}\), gerçek üç eksenli basınç altında ölçülen eksenel tepe gerilmesidir; \(f_c\) aynı CT kumu ikame oranının tek eksenli basınç dayanımıdır. Her iki büyüklük MPa cinsindedir ve oranlandıkları için \(K_t\) boyutsuzdur. \(K_t=1\), üç eksenli tepe dayanımının tek eksenli dayanımla aynı olduğunu; \(K_t>1\) ise yanal sıkıştırma altında daha yüksek tepe dayanımı elde edildiğini gösterir.

Örneğin en yüksek sıkıştırma koşulu olan \((12,6)\) MPa'da %5 grubunun mutlak tepe gerilmesi 86,3212 MPa ile en yüksektir; ancak \(K_t=1,903\)'tür. %20 grubunun tepe gerilmesi daha düşük, 82,5728 MPa olmasına rağmen başlangıç tek eksenli dayanımı yalnız 39,44 MPa olduğundan \(K_t=2,094\)'e ulaşır. Böylece “en yüksek dayanım” ile “en büyük oransal sıkıştırma kazanımı” arasındaki fark doğrudan görülebilir.

Ara asal gerilme σ₂ ne yaptı?

\(\sigma_3=2\) MPa sabit tutulurken \(\sigma_2\) 4 MPa'dan 8 MPa'ya yükseltildiğinde bütün gruplarda \(K_t\) sürekli artmıştır. Toplam artış gruba göre 0,202–0,262 arasında değişmiştir. Kaynakta özellikle 6→8 MPa aralığındaki artışın 4→6 MPa aralığından daha büyük olduğu belirtilmektedir. Bu sonuç, incelenen gerilme aralığında ara asal gerilmenin dayanım üzerindeki güçlendirici etkisinin doğrusal ve sabit eğimli olmak zorunda olmadığını gösterir.

En küçük asal gerilme σ₃ ne yaptı?

\(\sigma_2=8\) MPa sabitken \(\sigma_3\) 2→4→6 MPa yükseltildiğinde \(K_t\) yine artmıştır; ancak artış miktarı küçülmüştür. Beş grubun ortalamasında \(\sigma_3\)'ün 2 MPa'dan 4 MPa'a yükselmesi \(K_t\)'yi yaklaşık 0,189 artırırken, 4 MPa'dan 6 MPa'a aynı 2 MPa'lık artış yalnız yaklaşık 0,093'lük ortalama artış sağlamıştır. Bu durum, en küçük asal basınç gerilmesinin güçlendirici etkisinin incelenen aralıkta azalan marjinal kazanç gösterebildiğini ortaya koyar.

Kırılma biçimleri nasıl değişti?

Tek eksenli yüklemede bütün karışımlar tipik gevrek yarılma davranışı göstermiştir. Nihai yükün yaklaşık %70–80'ine gelindiğinde önce kenar ve köşelerde mikroçatlaklar gözlenmiş; yük arttıkça bu çatlaklar hızla ilerleyip birleşerek düşey ana çatlaklar ve yerel parça dökülmesi oluşturmuştur. Son aşamada numuneler birden fazla bloğa ayrılmış ve önemli plastik deformasyon gelişmemiştir.

Gerçek üç eksenli basınçta numuneler genel olarak tek eksenli numunelerden daha bütün kalmıştır. x yüzünde ince çatlama, yarılma ve daha ağır koşullarda yarılma–dökülme biçimleri gözlenmiştir. y yüzünde bir kenar boyunca veya iki yan kenar boyunca eksene yaklaşık paralel yarılma baskındır. z yüzünde ise iki yanal doğrultudaki sıkıştırma nedeniyle merkezi basınç bölgesi daha bütün kalmış; çatlaklar daha çok yükleme plakası temas alanının çevresinde gelişmiştir.

Gerilme–şekil değiştirme eğrisinin üç aşaması

Basınç işareti pozitif alınmıştır. \(\varepsilon_1\), \(\varepsilon_2\) ve \(\varepsilon_3\) sırasıyla z, y ve x yönlerindeki asal şekil değiştirmeleri ifade eder. \(\sigma_1-\varepsilon_1\) eğrileri genel olarak üç bölgeye ayrılmıştır: yaklaşık doğrusal yükselen başlangıç, doğrusal olmayan yükselen tepe öncesi bölge ve tepe sonrası yumuşama.

Yanal basınç arttıkça tepe sonrası düşüşün eğimi azalmıştır. Özellikle (8,6) ve (12,6) MPa koşullarında tepe çevresindeki eğrilik daha yumuşak hale gelmiş ve yüksek eksenel gerilme daha geniş bir şekil değiştirme aralığında korunmuştur. Bu sonuç, eşit olmayan üç eksenli basıncın tek eksenli yüklemedeki gevrek yumuşamayı önemli ölçüde değiştirip daha sünek bir tepe sonrası tepki oluşturduğunu gösterir.

Çoğu numunede \(\sigma_2>\sigma_3\) olduğundan daha zayıf sıkıştırılmış yöndeki yanal şekil değiştirme büyüklüğü daha büyük çıkmıştır: genel eğilim \(|\varepsilon_3|>|\varepsilon_2|\) biçimindedir. Tepe sonrasında \(|\varepsilon_3|\)'ün gelişme hızı da çoğu durumda \(|\varepsilon_2|\)'den daha büyüktür. Fiziksel açıklama, daha yüksek \(\sigma_2\)'nin kendi yönündeki yanal genişlemeyi daha güçlü bastırması; daha düşük \(\sigma_3\)'ün ise daha az kısıtlama sağlamasıdır.

Sekizgen gerilmeler neden hesaplandı?

Üç ayrı asal gerilmenin etkisini daha genel bir çok eksenli kırılma tanımına taşımak için deneysel tepe noktaları sekizgen normal gerilme \(\sigma_{oct}\), sekizgen kayma gerilmesi \(\tau_{oct}\) ve Lode açısı \(\theta\) biçiminde dönüştürülmüştür. Basınç pozitif alınmıştır.

\(\sigma_{oct}\), üç asal gerilmenin ortalamasıdır ve MPa cinsindendir. Çok eksenli durumdaki ortalama basınç seviyesini temsil eder.

\(\tau_{oct}\), asal gerilmeler arasındaki farklardan kaynaklanan deviatorik/kayma bileşeninin sekizgen düzlem üzerindeki büyüklüğünü ifade eder ve MPa cinsindendir. Üç asal gerilme birbirine yaklaştıkça fark terimleri küçülür; gerilme durumu daha hidrostatik hale yaklaştığında \(\tau_{oct}\) azalır.

Lode açısı \(\theta\), deviatorik gerilme durumundaki asal gerilmelerin göreli konumunu tanımlar. Kaynak Tablo 9'da açı derece cinsinden raporlanmıştır. Böylece yalnız ortalama basınç ve kayma seviyesi değil, \(\sigma_2\) ile \(\sigma_3\)'ün birbirinden ne kadar farklı olduğu da kırılma tanımına yansıtılabilir.

Boyutsuz kırılma koordinatları

\(X\) ve \(Y\), sekizgen gerilmelerin aynı karışımın tek eksenli basınç dayanımı \(f_c\) ile normalleştirilmiş biçimleridir. Pay ve payda MPa olduğundan iki büyüklük de boyutsuzdur. Bu normalizasyon, beş karışımın başlangıç dayanımları birbirinden farklı olsa bile çok eksenli kırılma davranışlarını ortak bir koordinat sisteminde karşılaştırmayı sağlar.

Karşılaştırılan kırılma ölçütleri

Kaynak önce basınca duyarlı doğrusal Drucker–Prager biçimini dikkate almıştır:

Daha sonra hasar Poisson oranına dayalı çok eksenli beton dayanım yaklaşımı değerlendirilmiştir:

Burada \(a_1,a_2,a_3,a_4\) basınç bölgesi için uyum parametreleridir. Bu yaklaşım hidrostatik basınç ve Lode açısı etkilerini hasar oranı üzerinden temsil etmeye çalışır. Çalışmanın nihai seçimi ise bu model değildir.

Bresler–Pister Kırılma Ölçütü Bu Çalışmada Neden Seçildi?

Deneysel kırılma noktalarının karşılaştırmalı uyumunda ikinci dereceden Bresler–Pister biçimi çalışma verisine en uygun eğriyi verdiği için araştırmacılar beş CT kumu ikame oranının kırılma zarflarını bu modelle ayrı ayrı regresyona tabi tutmuştur.

İkinci dereceden \(CX^2\) terimi, doğrusal Drucker–Prager biçimine göre ortalama gerilme–kayma ilişkisine eğrilik kazandırır. \(A\), \(B\) ve \(C\) deneysel regresyon parametreleridir.

Denklem (12), çalışmada kullanılan nihai boyutsuz kırılma zarfıdır. Her ikame oranı için altı deneysel kırılma noktası ayrı ayrı regresyona sokulmuştur. Bu nedenle bir grubun \(A\), \(B\) ve \(C\) katsayıları başka bir grubun katsayılarıyla değiştirilmemelidir.

\(R^2\) değerlerinin 0,9954–0,9989 aralığında bulunması, modelin bu deneylerdeki altı kırılma noktasını çok yakından temsil ettiğini gösterir. Bununla birlikte yüksek \(R^2\), modelin deney dışında kalan gerilme seviyelerinde veya başka CT-GPC karışımlarında otomatik olarak geçerli olduğunu kanıtlamaz. Kaynak sonuç bölümü de kırılma ilişkilerinin çalışmada test edilen gerilme aralığına karşılık geldiğini açıkça sınırlar.

Tam gerilme–şekil değiştirme eğrisi nasıl normalleştirildi?

\(\varepsilon_{1p}\), tepe gerilmesine karşılık gelen eksenel şekil değiştirme; \(\sigma_p\) ise aynı deneyin ölçülen tepe gerilmesidir. Böylece tepe noktası yaklaşık olarak \(x=1,\;y=1\) konumuna taşınır. \(x\) ve \(y\) boyutsuzdur ve farklı gerilme koşullarındaki eğri biçimlerinin ortak ölçekte karşılaştırılmasını sağlar.

Neden tek bir klasik beton modeli doğrudan kullanılmadı?

Kaynak Hognestad, Kent–Park, Popovics ve Guo Zhenhai tipi ifadeleri değerlendirmiştir. Hognestad yaklaşımının tepe öncesinde sabit bir başlangıç rijitliği oranı varsayması ve tepe sonrasını doğrusal tanımlaması; Kent–Park yaklaşımının pasif etriye kısıtlaması için geliştirilmiş ampirik parametrelere ve doğrusal tepe sonrası dala dayanması, eşit olmayan aktif yanal basınç altında CT-GPC'nin eğri biçimini doğrudan temsil etmek için sınırlayıcı bulunmuştur.

Popovics fonksiyonunun tepe öncesi dalı kaynakta şu biçimde kullanılmıştır:

\(n\), tepe öncesi eğriliği denetleyen şekil parametresidir. Kaynak, Popovics'in normal beton için geliştirilmiş özgün ampirik \(n\) ilişkisini doğrudan taşımamış; yalnız fonksiyonel biçimi kullanarak \(n\)'yi CT-GPC'nin TTC verisine yeniden uyarlamıştır.

Guo Zhenhai'nin parça-parça biçimi kaynakta şu şekilde verilmiştir:

\(\alpha_a\) yükselen dalı, \(\alpha_d\) ise tepe sonrası düşüşün biçimini kontrol eder. Araştırmacılar deneysel eğriler üzerinde en küçük kareler karşılaştırmasında tepe öncesinde Popovics tipi fonksiyonun, tepe sonrasında ise Guo tipi fonksiyonun birlikte kullanılmasının daha düşük uyum hatası verdiğini belirtmektedir.

Çalışmanın önerdiği nihai parça-parça konstitutif model

Denklem (17)'de tepe öncesi eğriliği \(n\), tepe sonrası yumuşamayı \(\alpha_d\) kontrol eder. Parametreler her CT kumu ikame oranı ve her yanal gerilme kombinasyonu için ayrı ayrı doğrusal olmayan en küçük kareler yöntemiyle Origin yazılımında uyarlanmıştır. Dolayısıyla bu çalışma tek bir evrensel \(n\) veya \(\alpha_d\) sabiti önermemektedir.

Bütün 30 eğrinin \(R^2\) değerleri 0,9789–0,9991 arasında kalmıştır. Bu yüksek uyum, parça-parça fonksiyonun deneysel eğri biçimlerini test aralığında iyi temsil ettiğini gösterir. Bununla birlikte parametrelerin gerilme kombinasyonuna göre belirgin biçimde değişmesi, tek bir sabit parametre çiftiyle bütün CT-GPC davranışının temsil edilmemesi gerektiğini de gösterir.

SEM ve EDS mikroyapı incelemesi

Her CT kumu ikame oranından üç farklı beton küpünün iç kısmından birer numune alınmış; böylece toplam 15 SEM numunesi hazırlanmıştır. Her parça 1 cm'den küçük boyutlarda tutulmuş, kuru laboratuvar ortamında bir gün bekletilmiş ve SEM görüntülemesi öncesinde altınla kaplanmıştır. Görüntüleme ZEISS Sigma 360 taramalı elektron mikroskobunda yapılmıştır.

500× büyütmedeki parçacık–matris ara yüz görüntülerinde %0 ve %20 grupların seçilen alanlarında parçacık sınırı boyunca görece sürekli açık çatlaklar görülmüştür. %5 grubunda parçacık kenarlarında yerel boşluklar ve matris çatlakları bulunmakla birlikte bu sınır açıklıkları %0 ve %20 gruplarda seçilen uzun açıklıklardan daha küçüktür. %10 grubunun seçilen görüntüsünde ara yüzün büyük bölümünün görece sürekli olduğu, %15 grubunda ise bazı çatlakların parçacık sınırından matrise bağlandığı görülmüştür. Kaynak özellikle bu mikroyapı özelliklerinin ikame oranıyla basit ve monoton bir şekilde değişmediğini belirtmektedir.

%5 grubunun jel matrisi görüntüsünde çok sayıda ince granüler ve ağsı/flokülent jel ürünü, gözenek duvarları boyunca süreklilik ve parçacıklar arasında bağlantı gözlenmiştir. İncelenen yerel EDS noktasında O, Al ve Si toplam %92,01; Ca %4,65; Na %1,82 olarak raporlanmış, az miktarda Mg ve Fe de tespit edilmiştir. Yazarlar bu bileşimin kalsiyum ve sodyum içeren alüminosilikat jel ürünleriyle uyumlu olduğunu değerlendirmektedir. Bu EDS sonucu tek bir yerel analiz noktasına aittir; bütün malzemenin faz oranı veya ortalama kimyasal bileşimi olarak yorumlanmamalıdır.

2000× görüntülerde %0 grubun jel matrisi içinde mikrometre-altı ile birkaç mikrometre arasında çok sayıda gözenek ve yer yer 10 μm'yi aşan daha büyük boşluklar gözlenmiştir. Başka bölgelerde kısmen boşluk dolduran yaklaşık 1–2 μm küresel kümeler ve tabakalı mineral parçacıkları görülmüştür. CT içindeki klorit, illit ve mika grubu minerallerle ilişkilendirilen tabakalı parçacıkların arasında açık boşluk ve yerel zayıf düzlem oluşturabilecek alanlar bulunmuştur.

Mikroyapı ile makroskopik dayanım nasıl ilişkilendirildi?

Yazarların yorumu, %5 CT kumu ilavesinin ultra-ince tane dolgu etkisiyle üretilmiş kumun gradasyonunu tamamlayıp bazı boşlukları azaltabildiği yönündedir. Seçilen SEM alanında %5 grubunun daha sürekli katı yapısı ve uzun açık çatlakların görülmemesi, makroskopik olarak en yüksek basınç dayanımıyla uyumlu bulunmuştur. Buna karşılık %20 grubun seçilen görüntüsünde parçacık sınırındaki açıklığın komşu çatlaklarla birleşmesi, yüksek ikame düzeyinde zayıf ara yüzlerin artabileceği yorumunu desteklemektedir.

Bu mikroyapısal açıklama nedensellik açısından dikkatli okunmalıdır. SEM görüntüleri belirli ve sınırlı görüntü alanlarından gelir; çalışmada bütün hacmi temsil eden üç boyutlu gözenek tomografisi veya geniş ölçekli nicel çatlak istatistiği sunulmamaktadır. Bu nedenle görüntüler makroskopik davranışla tutarlı bir mekanizma desteği sağlar, fakat bütün dayanım farkını tek başına kesin olarak kanıtlamaz.

Çalışmanın Yöntemi ve Bulguları

Deney tasarımının teknik özeti

Ana deneysel bulgular

• %0–20 CT kumu ikame aralığında tek eksenli basınç dayanımı %5'te maksimuma çıkmış ve daha yüksek ikamelerde yeniden azalmıştır.
• %5 grup altı gerçek üç eksenli gerilme kombinasyonunun tamamında en yüksek mutlak eksenel tepe gerilmesini üretmiştir.
• Bütün gruplarda TTC tepe gerilmesi kendi tek eksenli dayanımından yüksek çıkmış; \(K_t\) 1,237–2,094 arasında değişmiştir.
• CT kumu içeren dört grup arasında %20 grup en yüksek göreli sıkıştırma artış katsayısını göstermiştir; bu sıralama mutlak dayanım sıralamasından farklıdır.
• \(\sigma_3=2\) MPa sabitken \(\sigma_2\)'nin artması bütün gruplarda \(K_t\)'yi artırmıştır.
• \(\sigma_2=8\) MPa sabitken \(\sigma_3\)'ün artması da \(K_t\)'yi artırmış, ancak ikinci 2 MPa'lık artışın ortalama katkısı ilk artıştan daha küçük olmuştur.
• Gerçek üç eksenli numuneler tek eksenli numunelere göre kırılma sonrasında daha iyi bütünlük göstermiştir.
• Yanal sıkıştırma arttıkça tepe sonrası eksenel gerilme kaybı daha kademeli hale gelmiştir.
• Çoğu koşulda daha zayıf yanal sıkıştırma yönündeki şekil değiştirme büyüklüğü daha yüksek olmuş ve \(|\varepsilon_3|>|\varepsilon_2|\) eğilimi görülmüştür.
• Bresler–Pister tipi ikinci dereceden kırılma zarfı için \(R^2\) 0,9954–0,9989 aralığındadır.
• Popovics–Guo birleşik konstitutif modelinde 30 normalleştirilmiş eğri için \(R^2\) 0,9789–0,9991 aralığındadır.
• Seçilen SEM alanları %5 grupta daha sürekli katı yapı; %0 ve %20 gruplarda ise daha belirgin açık çatlak bölgeleri göstermiştir.

Çalışmanın desteklediği sonuçlar

Çalışma, incelenen malzeme bileşimi, 100 mm küp numuneler, 28 günlük kür ve tanımlanan 2–12 MPa yanal gerilme aralığı içerisinde CT kumu oranının hem başlangıç tek eksenli dayanımı hem de çok eksenli sıkıştırmaya verilen tepki üzerinde etkili olduğunu desteklemektedir. Ayrıca iki yanal asal gerilmenin eşit olmadığı koşullarda \(\sigma_2\) ve \(\sigma_3\)'ün ayrı etkilerini ölçmenin önemli olduğunu, yanal sıkıştırmanın kırılma biçimini ve tepe sonrası deformasyonu değiştirdiğini deneysel olarak göstermektedir.

Çalışmanın desteklemediği genellemeler

Sonuçlar “%5 CT kumu bütün jeopolimer betonlarda evrensel optimumdur”, “%20 her durumda daha iyi çok eksenli betondur”, “bu malzeme gerçek yapılarda kesin olarak daha güvenlidir” veya “CT-GPC'nin karbon ayak izi geleneksel betondan şu kadar düşüktür” biçimindeki genellemeleri desteklemez. Çalışma tek bir malzeme sistemi, sınırlı ikame oranları, altı yanal basınç durumu, 100 mm laboratuvar küpleri ve 28 günlük kür üzerinde yapılmıştır.

Yöntemsel ve yorumlama sınırları

Kaynak dayanım değerlerini üç numunenin ortalaması olarak vermektedir; ancak ana dayanım tablolarında standart sapma, güven aralığı veya inferansiyel anlamlılık testi raporlanmamıştır. Bu nedenle örneğin %5 ile %10 grup arasındaki sayısal farkın istatistiksel anlamlılığı bu kaynaktan çıkarılamaz.

Kırılma zarfı ve konstitutif model yüksek \(R^2\) değerleri göstermesine rağmen katsayılar deneysel veri üzerinde uyarlanmıştır. Modelin farklı numune boyutlarında, farklı CT mineralojilerinde, farklı aktivatör oranlarında, başka kür koşullarında veya daha yüksek/düşük gerilme bölgelerinde bağımsız dış doğrulaması yapılmamıştır.

SEM/EDS analizi belirli yerel görüntü alanlarını ve noktasal kimyasal ölçümleri temsil eder. Çalışma nicel üç boyutlu gözenek ağı, bütün numune hacmini kapsayan çatlak dağılımı veya faz miktarlarının kapsamlı nicel tayinini sunmamaktadır.

Araştırma kısa dönem mekanik davranışa odaklanmaktadır. Donma-çözülme, klorür geçişi, sülfat saldırısı, karbonatlaşma, sünme, uzun dönem büzülme, yorulma, yangın davranışı ve saha servis ömrü bu deney programının konusu değildir. Benzer şekilde “düşük karbon” motivasyonu tartışılsa da yaşam döngüsü değerlendirmesi veya doğrudan CO₂ eşdeğeri hesabı yapılmamıştır.

Kaynak ve Yöntem Notu

Özgün çalışma: Mechanical behaviour, failure criterion and stress–strain modelling of copper tailings geopolymer concrete under true triaxial compression.

Yazarlar: Jiajun Xie; Jianwei Chen; Hongwei Ren; Zhongyi Zhou; Xiangbo Ning.

Eşit katkı: Kaynak PDF'de eşit katkı/eş-birinci yazar beyanı bulunmamaktadır.

Sorumlu yazar: Jianwei Chen; College of Civil and Architectural Engineering, North China University of Science and Technology, Tangshan, China.

Afiliasyonlar: College of Civil and Architectural Engineering, North China University of Science and Technology, Tangshan, PR China; Key Laboratory of Earthquake Engineering and Engineering Vibration, Institute of Engineering Mechanics, China Earthquake Administration, Harbin, China; China 22MCC Group Corporation Ltd., Tangshan, Hebei, China.

Kaynak türü: Deneysel araştırma makalesi preprinti.

Hakemlik durumu: Kaynak PDF açık biçimde “This preprint research paper has not been peer reviewed” ifadesini taşımaktadır; bu sürüm hakem değerlendirmesinden geçmemiştir.

Platform: SSRN.

SSRN numarası: 7624559.

DOI: 10.2139/ssrn.7624559.

SSRN yayın/posted tarihi: 17 Ekim 2026.

Dergi / cilt / sayı: Bu kaynak sürümü bir derginin yayımlanmış version of record kaydı değildir; ayrı bir dergi, cilt veya sayı bilgisi kaynak preprint için verilmemektedir.

Resmî kayıt: https://ssrn.com/abstract=7624559

Lisans: İncelenen PDF ve resmî SSRN kayıt bilgisinde yeniden kullanımı açıkça yetkilendiren bir Creative Commons lisansı doğrulanmamıştır. Bu nedenle özgün fotoğraflar, SEM görüntüleri ve kaynak şekil tasarımları Verianla HTML'ine kopyalanmamıştır; yalnız bilimsel veriler ve ilişkiler bağımsız tablo/SVG düzenleriyle yeniden ifade edilmiştir.

CRediT katkıları: Jiajun Xie — Writing – original draft, Writing – review & editing, Supervision, Investigation. Jianwei Chen — Supervision, Validation, Writing – review & editing. Hongwei Ren — Writing – review & editing. Zhongyi Zhou — Formal analysis, Data curation. Xiangbo Ning — Writing – review & editing.

Çıkar çatışması: Yazarlar, çalışmayı etkileyebilecek bilinen rakip finansal çıkar veya kişisel ilişki bulunmadığını beyan etmektedir.

Finansman: National Natural Science Foundation of China, Project 51678236; ayrıca Shijiazhuang Municipal Industry-University-Research Cooperation Project for Universities Stationed in Hebei – Key R&D Special Program for Universities Stationed in Hebei, Grant No. 2512300503A.

Veri erişilebilirliği: Kaynak PDF'de ayrı bir “Data Availability” beyanı tespit edilmemiştir.

Temel yöntemsel sınır: Sonuçlar laboratuvar ölçeğinde 100 mm küp CT-GPC numuneleri, %0–20 CT kumu ikame aralığı ve altı tanımlı gerçek üç eksenli sıkıştırma durumu için elde edilmiştir. Kırılma ölçütü ve konstitutif model katsayıları bu deneysel aralık içinde uyarlanmıştır; saha ölçeğinde yapısal doğrulama yapılmamıştır.