Zege la geopolymer la mabaki ya uchenjuaji wa shaba (Copper Tailings Geopolymer Concrete, CT-GPC), ni aina ya zege la geopolymer ambamo mfumo wa kifungamanishi cha aluminosilikati kilichoamilishwa kwa alkali pamoja na mabaki ya uchimbaji/uchenjuaji wa shaba hutumiwa ndani ya zege. Utafiti huu wa majaribio unachunguza jinsi kubadilisha %0, %5, %10, %15 na %20 kwa uzito wa mchanga uliotengenezwa kwa mchanga wa mabaki ya uchenjuaji wa shaba kunavyoathiri nguvu, mgeuko, namna ya kuvunjika na muundo mdogo wa CT-GPC chini ya mgandamizo wa mhimili mmoja na mgandamizo halisi wa mihimili mitatu. Michanganyiko mitano iliandaliwa kama sampuli za mchemraba wa 100 mm, ikakomazwa kwa 28 siku na kujaribiwa chini ya michanganyiko sita isiyo sawa ya mikazo ya upande, yaani \((\sigma_2,\sigma_3)\) = (4,2), (6,2), (8,2), (8,4), (8,6) na (12,6) MPa.

Nguvu ya mgandamizo wa mhimili mmoja ilikuwa 39,81 MPa katika kundi la %0 mchanga wa CT na iliongezeka hadi 45,36 MPa katika ubadilishaji wa %5; katika ubadilishaji wa %10, %15 na %20 ilipimwa kuwa 42,46, 41,83 na 39,44 MPa mtawalia. Hivyo, ndani ya kiwango cha %0–20 kilichochunguzwa, nguvu ya juu zaidi ya mgandamizo wa mhimili mmoja ilipatikana katika ubadilishaji wa %5. Chini ya mgandamizo halisi wa mihimili mitatu, nguvu ya kilele ya michanganyiko yote ilizidi nguvu yake ya mhimili mmoja na mgawo wa ongezeko la nguvu \(K_t\) ulibadilika kati ya 1,237–2,094.

Kundi la %5 lilitoa, katika hali zote sita za mkazo halisi wa mihimili mitatu zilizochunguzwa, kiwango cha juu zaidi cha mkazo wa kilele wa mhimili kwa thamani kamili . Kwa upande mwingine, kundi la %20, kati ya michanganyiko iliyo na mchanga wa CT, lilionyesha kwa kulinganisha na nguvu yake ya mhimili mmoja kiwango kilicho dhahiri zaidi cha faida ya jamaa ya mgandamizo wa upande . Matokeo haya mawili hayapingani: nguvu kamili na mgawo uliosanifishwa wa ongezeko la nguvu si ukubwa uleule.

Kadiri mgandamizo wa upande ulivyoongezeka, kushuka baada ya kilele kwa mkondo wa mkazo–mgeuko wa mhimili kulikuwa polepole zaidi na sampuli zilionyesha uadilifu mkubwa zaidi na unyumbufu ulio dhahiri zaidi kuliko chini ya mgandamizo wa mhimili mmoja. Data za kuvunjika zilimodeliwa kupitia mikazo ya kawaida na ya kukata ya oktahedrali; kati ya mbinu za kuvunjika zilizolinganishwa, uhusiano wa daraja la pili wa aina ya Bresler–Pister ulitumika na ulinganifu wa \(R^2=0,9954–0,9989\) ukapatikana kwa makundi matano ya ubadilishaji. Mikondo kamili ya mkazo–mgeuko wa mhimili iliwakilishwa kwa modeli ya vipande inayounganisha tawi la kabla ya kilele la aina ya Popovics na tawi la baada ya kilele la aina ya Guo Zhenhai; kwa ulinganifu wa mikondo 30, kiwango cha \(R^2=0,9789–0,9991\) kiliripotiwa.

Katika uchunguzi wa SEM, kwenye maeneo ya picha yaliyochaguliwa, muundo wa awamu imara wa kundi la %5 ulionekana kuwa endelevu zaidi kwa kiasi, huku katika makundi ya %0 na %20 nyufa wazi ndefu zaidi zilionekana. Watafiti wanahusisha tabia hii na uwezekano kwamba kiasi kinachofaa cha mchanga wa CT ulio mwembamba sana kinaweza kujaza nafasi katika upangaji wa ukubwa wa chembe wa mchanga uliotengenezwa; katika nyongeza za juu zaidi, manufaa ya ujazaji yanaweza kukaribia ushibikaji na viunganishi dhaifu pamoja na nafasi tupu vinaweza kuongezeka. Hata hivyo, utafiti ni wa kiwango cha maabara; tabia ya uwanjani katika kiwango cha muundo, uimara wa muda mrefu na upunguzaji wa moja kwa moja wa kaboni katika mzunguko wa maisha havikujaribiwa katika majaribio haya.

Kwa nini zege la geopolymer la mabaki ya uchenjuaji wa shaba linachunguzwa?

Katika usuli wa utafiti, matatizo mawili tofauti ya matumizi ya rasilimali yanaungana. La kwanza ni matumizi makubwa ya nishati na kaboni katika uzalishaji wa saruji ya kawaida ya Portland. La pili ni uhifadhi wa muda mrefu wa kiasi kikubwa cha mabaki yanayotokana na michakato ya uchenjuaji wa madini ya shaba. Utafiti chanzo unaeleza kuwa maandiko yameripoti kwamba mabaki ya uchenjuaji wa shaba yaliyokusanywa nchini China kati ya 1950–2020 yalizidi tani bilioni 5,56. Mbinu ya CT-GPC inaunganisha, kwa upande mmoja, mifumo ya vifungamanishi vilivyoamilishwa kwa alkali inayolenga kupunguza utegemezi wa saruji ya Portland na, kwa upande mwingine, matumizi ya mabaki ya shaba katika vipengele vya kifungamanishi na agregati laini.

Matumizi mawili tofauti ya “CT” katika utafiti lazima yatofautishwe. Unga wa CT, ni mojawapo ya malighafi za awali katika awamu ya kifungamanishi na ulipitia kichujio cha 200 mesh kisha ukakalsinishwa katika 800 °C ili kuongeza utendaji wake wa kikemia. Mchanga wa CT ni sehemu ya agregati iliyo mwembamba sana yenye moduli ya ulaini 0,17 na ilitumika kuchukua nafasi ya %0–20 ya mchanga uliotengenezwa. Matokeo ya “kiwango cha ubadilishaji” katika makala yanaelezea kiwango cha matumizi ya mchanga wa CT badala ya mchanga uliotengenezwa.

Kiwezeshaji cha alkali na agregati

Kiwezeshaji cha alkali kiliandaliwa kutoka kwa vidonge vya hidroksidi ya sodiamu vya usafi wa uchanganuzi na mmumunyo wa silikati ya sodiamu. Kiwango cha SiO katika mmumunyo wa silikati ya sodiamu kilichotolewa katika chanzo ni₂ %27,30, Na₂na kiwango cha O ni %8,54, daraja la Baumé ni 38,5 °Bé, moduli 3,30, maudhui ya yabisi %35,5 na kiwango cha pH 10–13.

Agregati laini zinajumuisha mchanga wa CT na mchanga uliotengenezwa. Moduli ya ulaini ya mchanga wa CT ni 0,17 na chanzo kimeuainisha kama “extra-fine tailings sand”. Moduli ya ulaini ya mchanga uliotengenezwa ni 2,7 na msongamano wake unaoonekana ni 2620 kg/m³. Agregati kubwa ni jiwe lililopondwa lenye upangaji endelevu wa 5–16 mm na msongamano unaoonekana wa 2680 kg/m³. Kwa superplastisiza yenye msingi wa polycarboxylate, kiwango cha kupunguza maji ni %28, maudhui ya hewa %5,0, msongamano 1,06 g/cm³, pH 6,1 na maudhui ya yabisi %39,5. Sucrose yenye usafi zaidi ya %99,6 ilitumika kama kicheleweshaji.

Sampuli ziliandaliwaje?

%0, %5, %10, %15 na %20 kwa uzito wa mchanga uliotengenezwa zilibadilishwa kwa mchanga wa CT, huku uzito wa jumla wa agregati laini ukihifadhiwa thabiti. Sampuli zote ni za umbo la mchemraba wa 100 × 100 × 100 mm. Kwanza NaOH iliyeyushwa katika maji ya ziada; baada ya mmumunyo kupoa hadi joto la chumba, silikati ya sodiamu iliongezwa. Mimumunyo tofauti iliandaliwa kwa sucrose na superplastisiza. Agregati kubwa, agregati laini, unga wa slagi, majivu ya kuruka na unga wa CT vilichanganywa kwenye mchanganyaji kwa 3 dakika kama mchanganyiko wa vipengele vikavu/imara; mimumunyo mitatu ya kioevu iliyoandaliwa ikaongezwa kwa mpangilio na kuchanganya kukaendelea kwa 8 dakika nyingine.

Zege mbichi lilimwagwa katika kalibu za mchemraba wa 100 mm zilizopakwa kiwakala cha kuachia, likatetemeshwa kwa ajili ya kukandamizwa na kisha likakomazwa kwa kiwango cha kawaida kwa 28 siku katika joto la 20 ± 2 °C na unyevu jamaa wa angalau %95. Kwa kila mchanganyiko, sampuli 21 ziliandaliwa katika programu kuu ya majaribio: tatu kwa mgandamizo wa mhimili mmoja na 18 kwa hali sita za TTC, sampuli tatu kwa kila hali. Kwa uwezekano wa upotevu au matokeo yasiyo ya kawaida wakati wa maandalizi, ukomazaji na majaribio, sampuli za akiba 3–7 pia ziliandaliwa kwa kila mchanganyiko.

Kwa Nini Jaribio la Mgandamizo Halisi wa Mihimili Mitatu Linatoa Taarifa Zaidi Kuliko Jaribio la Kawaida la Mihimili Mitatu?

Katika jaribio la kawaida la mihimili mitatu, mikazo miwili mikuu ya upande ni sawa \((\sigma_2=\sigma_3)\); katika mgandamizo halisi wa mihimili mitatu, kwa kuwa mikazo mitatu mikuu inaweza kudhibitiwa kwa kujitegemea, athari tofauti za \(\sigma_2\) na \(\sigma_3\) kwenye nguvu, upanuzi wa upande na kuvunjika zinaweza kutenganishwa moja kwa moja.

Katika utafiti huu, mpangilio wa mikazo umefafanuliwa kama \(\sigma_1>\sigma_2>\sigma_3\). \(\sigma_1\) ni mkazo mkuu mkubwa wa mgandamizo katika mwelekeo wa z. \(\sigma_2\) na \(\sigma_3\) zinawakilisha, mtawalia, migandamizo miwili ya upande, mmoja mkali zaidi na mwingine dhaifu zaidi.

Itifaki ya upakiaji wa mgandamizo halisi wa mihimili mitatu

Mfumo wa jaribio halisi la mihimili mitatu una uwezo wa juu wa mzigo wa 2000 kN katika mielekeo X na Y na 3000 kN katika mwelekeo Z. Filamu ya polyethilini na grisi ya kulainisha zilitumika kupunguza msuguano kati ya sampuli na sahani za kupakia. Wakati wa kuweka mgandamizo wa upande, mizigo katika mielekeo X na Y iliongezwa kwa 1 kN/s na mzigo wa kushikilia katika mwelekeo Z kwa 2 kN/s. \(\sigma_2\) na \(\sigma_3\) zilipofikia thamani lengwa, mikazo ilishikiliwa thabiti kwa 30 sekunde; kisha mwelekeo Z ukabadilishwa kwenda upakiaji unaodhibitiwa kwa uhamisho wa 0,3 mm/dakika. Uhamisho katika mielekeo yote mitatu ulifuatiliwa kwa wakati mmoja kwa LVDT.

Mpangilio wa jaribio la mhimili mmoja

Katika jaribio la mgandamizo wa mhimili mmoja, mashine ya mgandamizo inayodhibitiwa kwa servo ya umeme yenye uwezo wa juu wa 2000 kN ilitumika. Uhamisho ulipimwa kwa LVDT yenye usahihi wa 0,001 mm na kiwango cha upimaji cha 100 mm. Kasi ya upakiaji ilichaguliwa kuwa 5 kN/s kwa mujibu wa kiwango GB/T 50081-2019.

Kwa nini ubadilishaji wa %5 unajitokeza katika nguvu ya mgandamizo wa mhimili mmoja?

Chanzo kinaeleza kuwa nguvu katika kundi la ubadilishaji wa %5 iliongezeka kwa takriban %13,94 ikilinganishwa na kundi la %0. Katika viwango vya juu zaidi vya ubadilishaji, nguvu hupungua tena. Tafsiri ya mikrostruktura ya utafiti ni kwamba chembe ultra-nyembamba za mchanga wa CT zinaweza kukamilisha upangaji wa ukubwa wa mchanga uliotengenezwa na kujaza nafasi, jambo linaloweza kuwa na manufaa katika kiwango kinachofaa cha chini cha ubadilishaji. Kiasi cha CT kinapoongezeka zaidi, athari ya ujazaji inaweza kukaribia ushibikaji, nafasi na viunganishi dhaifu vinaweza kuongezeka, pamoja na mahitaji ya maji na kusinyaa wakati wa kukauka, hivyo kupunguza faida ya nguvu.

Kwa Nini Kundi la %5 Linatoa Nguvu ya Juu Zaidi Huku Kundi la %20 Likionyesha Faida Kubwa Zaidi ya Jamaa ya Mgandamizo?

Kwa sababu nguvu ya awali ya mgandamizo wa mhimili mmoja ya kundi la %5 tayari ndiyo ya juu zaidi; \(K_t\) ni uwiano usio na kipimo unaogawanya mkazo wa kilele wa mgandamizo halisi wa mihimili mitatu kwa thamani ya \(f_c\) ya kundi hilo hilo. Kwa hiyo, kundi la %20 lenye nguvu ya awali iliyo chini linaweza kunufaika kwa uwiano mkubwa zaidi kutokana na mgandamizo wa upande bila kuipita kundi la %5 katika mkazo kamili wa kilele.

Mgawo wa ongezeko la nguvu

Katika Mlinganyo (1), \(\sigma_{1,p}\) ni mkazo wa kilele wa mhimili uliopimwa chini ya mgandamizo halisi wa mihimili mitatu; \(f_c\) ni nguvu ya mgandamizo wa mhimili mmoja ya kiwango hicho hicho cha ubadilishaji wa mchanga wa CT. Kiasi vyote viwili ni katika MPa na kwa kuwa vinagawanywa, \(K_t\) haina kipimo. \(K_t=1\) inaonyesha kwamba nguvu ya kilele ya mihimili mitatu ni sawa na nguvu ya mhimili mmoja; \(K_t>1\) inaonyesha kwamba nguvu ya juu zaidi ya kilele imepatikana chini ya mgandamizo wa upande.

Kwa mfano, katika hali ya juu zaidi ya mgandamizo \((12,6)\) MPa, mkazo kamili wa kilele wa kundi la %5 ndio wa juu zaidi kwa 86,3212 MPa; lakini \(K_t=1,903\). Ingawa mkazo wa kilele wa kundi la %20 ni wa chini, 82,5728 MPa, nguvu yake ya awali ya mhimili mmoja ni 39,44 MPa tu, hivyo \(K_t=2,094\). Hivyo tofauti kati ya “nguvu ya juu zaidi” na “faida kubwa zaidi ya jamaa ya mgandamizo” inaweza kuonekana moja kwa moja.

Mkazo mkuu wa kati σ₂ ulifanya nini?

Wakati \(\sigma_3=2\) MPa ilishikiliwa thabiti na \(\sigma_2\) ikaongezwa kutoka 4 MPa hadi 8 MPa, \(K_t\) iliongezeka mfululizo katika makundi yote. Ongezeko la jumla lilibadilika kati ya 0,202–0,262 kulingana na kundi. Chanzo kinaeleza hasa kwamba ongezeko katika 6→8 MPa lilikuwa kubwa kuliko katika 4→6 MPa. Hii inaonyesha kwamba ndani ya kiwango cha mikazo kilichochunguzwa, athari ya kuimarisha ya mkazo mkuu wa kati kwenye nguvu si lazima iwe ya mstari na yenye mteremko usiobadilika.

Mkazo mkuu mdogo zaidi σ₃ ulifanya nini?

Wakati \(\sigma_2=8\) MPa ilikuwa thabiti na \(\sigma_3\) ikaongezeka 2→4→6 MPa, \(K_t\) iliongezeka tena; hata hivyo kiasi cha ongezeko kilipungua. Kwa wastani wa makundi matano, kuongeza \(\sigma_3\) kutoka 2 MPa hadi 4 MPa kuliongeza \(K_t\) kwa takriban 0,189, ilhali ongezeko lilelile la 2 MPa kutoka 4 MPa hadi 6 MPa lilitoa ongezeko la wastani la takriban 0,093 tu. Hii inaonyesha kwamba athari ya kuimarisha ya mkazo mkuu mdogo zaidi wa mgandamizo inaweza kuonyesha faida ya pembezoni inayopungua ndani ya kiwango kilichochunguzwa.

Namna za kuvunjika zilibadilikaje?

Katika upakiaji wa mhimili mmoja, michanganyiko yote ilionyesha tabia ya kawaida ya kupasuka kwa udhaifu. Mzigo ulipofikia takriban %70–80 ya mzigo wa mwisho, mikronyufa zilionekana kwanza kwenye kingo na pembe; mzigo ulipoendelea kuongezeka, nyufa hizi zilisonga na kuungana haraka na kuunda nyufa kuu za wima pamoja na kungʻoka kwa sehemu katika maeneo fulani. Katika hatua ya mwisho sampuli ziligawanyika katika vizuizi kadhaa na hakuna mgeuko mkubwa wa plastiki uliotokea.

Katika mgandamizo halisi wa mihimili mitatu, sampuli kwa ujumla zilibaki na uadilifu zaidi kuliko sampuli za mhimili mmoja. Kwenye uso wa x, nyufa ndogo, kupasuka na katika hali kali zaidi kupasuka–kungʻoka vilionekana. Kwenye uso wa y, kupasuka sambamba takriban na mhimili kando ya kingo moja au mbili za upande kulitawala. Kwenye uso wa z, kwa sababu ya mgandamizo katika mielekeo miwili ya upande, eneo la kati la mgandamizo lilibaki na uadilifu zaidi; nyufa zilikua zaidi karibu na eneo la mgusano wa sahani ya kupakia.

Hatua tatu za mkondo wa mkazo–mgeuko

Ishara ya mgandamizo ilichukuliwa kuwa chanya. \(\varepsilon_1\), \(\varepsilon_2\) na \(\varepsilon_3\) zinawakilisha mtawalia mageuko makuu katika mielekeo z, y na x. Mikondo ya \(\sigma_1-\varepsilon_1\) kwa ujumla iligawanywa katika maeneo matatu: mwanzo unaopanda takriban kwa mstari, eneo la kabla ya kilele linalopanda bila mstari, na kulegea baada ya kilele.

Kadiri shinikizo la upande lilivyoongezeka, mteremko wa kushuka baada ya kilele ulipungua. Hasa katika hali za (8,6) na (12,6) MPa, ukingo wa mkondo karibu na kilele ulikuwa laini zaidi na mkazo mkubwa wa mhimili ulihifadhiwa katika kiwango kipana zaidi cha mgeuko. Matokeo haya yanaonyesha kuwa mgandamizo usio sawa wa mihimili mitatu hubadilisha kwa kiasi kikubwa kulegea kwa udhaifu katika upakiaji wa mhimili mmoja na kutoa mwitikio wa baada ya kilele wenye unyumbufu zaidi.

Katika sampuli nyingi, kwa kuwa \(\sigma_2>\sigma_3\), ukubwa wa mgeuko wa upande katika mwelekeo uliobanwa kwa kiwango kidogo ulikuwa mkubwa zaidi: mwelekeo wa jumla ni \(|\varepsilon_3|>|\varepsilon_2|\). Baada ya kilele, kasi ya maendeleo ya \(|\varepsilon_3|\) pia kwa kawaida ni kubwa kuliko ya \(|\varepsilon_2|\). Ufafanuzi wa kifizikia ni kwamba \(\sigma_2\) ya juu zaidi hukandamiza kwa nguvu zaidi upanuzi wa upande katika mwelekeo wake, wakati \(\sigma_3\) ya chini hutoa kizuizi kidogo zaidi.

Kwa nini mikazo ya oktahedrali ilihesabiwa?

Ili kuhamisha athari za mikazo mitatu mikuu tofauti kwenda katika ufafanuzi wa jumla zaidi wa kuvunjika kwa mihimili mingi, pointi za kilele za majaribio zilibadilishwa kuwa mkazo wa kawaida wa oktahedrali \(\sigma_{oct}\), mkazo wa kukata wa oktahedrali \(\tau_{oct}\) na pembe ya Lode \(\theta\). Mgandamizo ulichukuliwa kuwa chanya.

\(\sigma_{oct}\) ni wastani wa mikazo mitatu mikuu na huonyeshwa kwa MPa. Inawakilisha kiwango cha wastani cha mgandamizo katika hali ya mihimili mingi.

\(\tau_{oct}\) inaonyesha ukubwa wa sehemu ya deviatoriki/kukata kwenye ndege ya oktahedrali inayotokana na tofauti kati ya mikazo mikuu na huonyeshwa kwa MPa. Mikazo mitatu mikuu inapokaribiana, vipengele vya tofauti hupungua; hali ya mkazo inapokaribia hali ya hidrostatiki, \(\tau_{oct}\) hupungua.

Pembe ya Lode \(\theta\) hufafanua nafasi ya jamaa ya mikazo mikuu katika hali ya mkazo wa deviatoriki. Katika Jedwali la Chanzo 9, pembe imeripotiwa kwa digrii. Hivyo, si kiwango cha wastani cha mgandamizo na kukata pekee, bali pia kiasi ambacho \(\sigma_2\) na \(\sigma_3\) zinatofautiana kinaweza kujumuishwa katika ufafanuzi wa kuvunjika.

Koordinati zisizo na kipimo za kuvunjika

\(X\) na \(Y\) ni aina zilizosanifishwa za mikazo ya oktahedrali kwa kutumia nguvu ya mgandamizo wa mhimili mmoja \(f_c\) ya mchanganyiko huo huo. Kwa kuwa namba ya juu na ya chini ni MPa, kiasi vyote viwili havina kipimo. Usanifishaji huu huwezesha tabia za kuvunjika kwa mihimili mingi za michanganyiko mitano kulinganishwa katika mfumo mmoja wa koordinati hata kama nguvu zao za awali ni tofauti.

Vigezo vya kuvunjika vilivyolinganishwa

Chanzo kilizingatia kwanza aina ya mstari ya Drucker–Prager inayohisi shinikizo:

Kisha mbinu ya nguvu ya zege chini ya mihimili mingi inayotegemea uwiano wa Poisson wa uharibifu ilitathminiwa:

Hapa \(a_1,a_2,a_3,a_4\) ni vigezo vya ulinganifu kwa eneo la mgandamizo. Mbinu hii hujaribu kuwakilisha athari za shinikizo la hidrostatiki na pembe ya Lode kupitia uwiano wa uharibifu. Hata hivyo, hii si modeli ya mwisho iliyochaguliwa katika utafiti.

Kwa Nini Kigezo cha Kuvunjika cha Bresler–Pister Kilichaguliwa Katika Utafiti Huu?

Kwa kuwa aina ya daraja la pili ya Bresler–Pister ilitoa mkondo unaolingana zaidi na data za utafiti katika ulinganifu wa pointi za kuvunjika za majaribio, watafiti walifanya regresi tofauti za bahasha za kuvunjika kwa viwango vitano vya ubadilishaji wa mchanga wa CT kwa kutumia modeli hii.

Kipengele cha daraja la pili \(CX^2\) huongeza ukingo kwenye uhusiano wa mkazo wa wastani–mkazo wa kukata ikilinganishwa na aina ya mstari ya Drucker–Prager. \(A\), \(B\) na \(C\) ni vigezo vya regresi vya majaribio.

Mlinganyo (12) ni bahasha ya mwisho isiyo na kipimo ya kuvunjika iliyotumiwa katika utafiti. Kwa kila kiwango cha ubadilishaji, pointi sita za kuvunjika za majaribio ziliingizwa katika regresi tofauti. Kwa hiyo, vigawo vya \(A\), \(B\) na \(C\) vya kundi moja havipaswi kubadilishwa na vigawo vya kundi jingine.

Kuwa kwa thamani za \(R^2\) katika kiwango cha 0,9954–0,9989 kunaonyesha kuwa modeli inawakilisha kwa karibu sana pointi sita za kuvunjika katika majaribio haya. Hata hivyo, \(R^2\) ya juu haithibitishi kuwa modeli ni halali moja kwa moja katika viwango vya mkazo nje ya majaribio au katika michanganyiko mingine ya CT-GPC. Sehemu ya matokeo ya chanzo pia inaweka wazi kuwa mahusiano ya kuvunjika yanalingana na kiwango cha mikazo kilichojaribiwa katika utafiti.

Mkondo kamili wa mkazo–mgeuko ulisanifishwaje?

\(\varepsilon_{1p}\) ni mgeuko wa mhimili unaolingana na mkazo wa kilele; \(\sigma_p\) ni mkazo wa kilele uliopimwa katika jaribio hilo hilo. Kwa hiyo, pointi ya kilele huhamishwa takriban hadi \(x=1,\;y=1\). \(x\) na \(y\) havina kipimo na huruhusu maumbo ya mikondo chini ya hali tofauti za mkazo kulinganishwa katika kipimo kimoja.

Kwa nini modeli moja ya kawaida ya zege haikutumiwa moja kwa moja?

Chanzo kilitathmini milinganyo ya aina ya Hognestad, Kent–Park, Popovics na Guo Zhenhai. Dhana ya Hognestad ya uwiano thabiti wa ugumu wa awali kabla ya kilele na maelezo ya mstari baada ya kilele, pamoja na kutegemea kwa Kent–Park vigezo vya majaribio vilivyotengenezwa kwa kizuizi passivu cha nondo za pete na tawi la mstari baada ya kilele, vilionekana kuwa vikwazo kwa kuwakilisha moja kwa moja umbo la mkondo wa CT-GPC chini ya shinikizo hai la upande lisilo sawa.

Tawi la kabla ya kilele la kazi ya Popovics lilitumika katika chanzo kwa namna ifuatayo:

\(n\) ni kigezo cha umbo kinachodhibiti ukingo wa kabla ya kilele. Chanzo hakikuhamisha moja kwa moja uhusiano asili wa majaribio wa \(n\) uliotengenezwa na Popovics kwa zege ya kawaida; kilitumia tu umbo la kazi na kurekebisha upya \(n\) kwa data za TTC za CT-GPC.

Umbo la vipande la Guo Zhenhai limetolewa katika chanzo kama ifuatavyo:

\(\alpha_a\) hudhibiti tawi linalopanda na \(\alpha_d\) hudhibiti umbo la kushuka baada ya kilele. Watafiti wanaeleza kuwa katika ulinganisho wa least squares kwenye mikondo ya majaribio, kutumia pamoja kazi ya aina ya Popovics kabla ya kilele na kazi ya aina ya Guo baada ya kilele kulitoa hitilafu ndogo zaidi ya ulinganifu.

Modeli ya mwisho ya konstitutivu ya vipande inayopendekezwa na utafiti

Katika Mlinganyo (17), \(n\) hudhibiti ukingo wa kabla ya kilele na \(\alpha_d\) hudhibiti kulegea baada ya kilele. Vigezo vililinganishwa kando kwa kila kiwango cha ubadilishaji wa mchanga wa CT na kila mchanganyiko wa mikazo ya upande kwa njia isiyo ya mstari ya least squares katika programu ya Origin. Kwa hiyo, utafiti huu haupendekezi thamani moja ya ulimwengu ya \(n\) au \(\alpha_d\).

Thamani za \(R^2\) za mikondo yote 30 zilibaki kati ya 0,9789–0,9991. Ulinganifu huu wa juu unaonyesha kuwa kazi ya vipande inawakilisha vizuri maumbo ya mikondo ya majaribio ndani ya kiwango cha majaribio. Hata hivyo, kubadilika kwa wazi kwa vigezo kulingana na mchanganyiko wa mikazo kunaonyesha pia kuwa tabia yote ya CT-GPC haipaswi kuwakilishwa kwa jozi moja ya vigezo thabiti.

Uchunguzi wa mikrostruktura wa SEM na EDS

Kutoka kila kiwango cha ubadilishaji wa mchanga wa CT, sampuli moja ilichukuliwa kutoka sehemu ya ndani ya kila moja ya mchemraba mitatu tofauti ya zege; hivyo jumla ya sampuli 15 za SEM ziliandaliwa. Kila kipande kilihifadhiwa chini ya 1 cm, kikaachwa kwa siku moja katika mazingira makavu ya maabara na kikapakwa dhahabu kabla ya upigaji picha wa SEM. Upigaji picha ulifanywa kwa darubini ya elektroni ya skani ZEISS Sigma 360.

Katika picha za kiolesura cha chembe–matrisi katika ukuzaji wa 500×, nyufa wazi zilizo endelevu kwa kiasi zilionekana kando ya mpaka wa chembe katika maeneo yaliyochaguliwa ya makundi ya %0 na %20. Katika kundi la %5 kulikuwa na nafasi za ndani na nyufa za matrisi kwenye kingo za chembe, lakini nafasi hizi za mipakani zilikuwa ndogo kuliko nafasi ndefu zilizochaguliwa katika makundi ya %0 na %20. Katika picha iliyochaguliwa ya kundi la %10, sehemu kubwa ya kiolesura ilikuwa endelevu kwa kiasi, ilhali katika kundi la %15 baadhi ya nyufa ziliunganisha mpaka wa chembe na matrisi. Chanzo kinasisitiza kuwa sifa hizi za mikrostruktura hazibadiliki kwa namna rahisi na ya mwelekeo mmoja kulingana na kiwango cha ubadilishaji.

Katika picha ya matrisi ya geli ya kundi la %5, bidhaa nyingi za geli ndogo za punje na zenye umbo la mtandao/flocculent, mwendelezo kando ya kuta za matundu na miunganisho kati ya chembe vilionekana. Katika pointi ya EDS ya ndani iliyochunguzwa, jumla ya O, Al na Si iliripotiwa kuwa %92,01; Ca %4,65; Na %1,82, na kiasi kidogo cha Mg na Fe pia kiligunduliwa. Waandishi wanatathmini kuwa muundo huu unaendana na bidhaa za geli za aluminosilikati zenye kalsiamu na sodiamu. Matokeo haya ya EDS yanahusu pointi moja tu ya uchanganuzi wa ndani; hayapaswi kutafsiriwa kama uwiano wa awamu au wastani wa muundo wa kikemia wa nyenzo nzima.

Katika picha za 2000×, ndani ya matrisi ya geli ya kundi la %0 kulionekana matundu mengi kutoka chini ya mikromita hadi mikromita chache, na katika baadhi ya maeneo nafasi kubwa zinazozidi 10 μm. Katika maeneo mengine kulionekana makundi ya duara ya takriban 1–2 μm yanayojaza nafasi kwa sehemu pamoja na chembe za madini zenye tabaka. Kati ya chembe zenye tabaka zinazohusishwa na madini ya chlorite, illite na mica katika CT, kulikuwa na maeneo yanayoweza kuunda nafasi wazi na ndege dhaifu za ndani.

Mikrostruktura ilihusishwaje na nguvu ya makroskopiki?

Tafsiri ya waandishi ni kwamba kuongeza %5 mchanga wa CT kunaweza kukamilisha upangaji wa ukubwa wa chembe wa mchanga uliotengenezwa na kupunguza baadhi ya nafasi kupitia athari ya ujazaji ya chembe ultra-nyembamba. Katika eneo lililochaguliwa la SEM, muundo imara ulio endelevu zaidi wa kundi la %5 na kutokuwepo kwa nyufa wazi ndefu kulionekana kuendana na nguvu ya juu zaidi ya mgandamizo kwa kiwango cha makroskopiki. Kwa upande mwingine, katika picha iliyochaguliwa ya kundi la %20, kuungana kwa pengo kwenye mpaka wa chembe na nyufa zilizo jirani kunaunga mkono tafsiri kwamba viunganishi dhaifu vinaweza kuongezeka katika kiwango cha juu cha ubadilishaji.

Ufafanuzi huu wa mikrostruktura unapaswa kusomwa kwa tahadhari kuhusu usababishaji. Picha za SEM zinatoka katika maeneo mahususi na yenye kikomo; utafiti hauwasilishi tomografia ya matundu ya pande tatu inayowakilisha ujazo wote wala takwimu pana za kiasi za nyufa. Kwa hiyo, picha hutoa ushahidi wa kimekanika unaolingana na tabia ya makroskopiki, lakini hazithibitishi peke yake kwa uhakika tofauti yote ya nguvu.

Mbinu na Matokeo ya Utafiti

Muhtasari wa kiufundi wa muundo wa majaribio

Matokeo makuu ya majaribio

• Katika kiwango cha ubadilishaji wa %0–20 wa mchanga wa CT, nguvu ya mgandamizo wa mhimili mmoja ilifikia kiwango cha juu katika %5 na ikapungua tena katika ubadilishaji wa juu zaidi.
• Kundi la %5 lilitoa mkazo wa juu zaidi wa kilele wa mhimili kwa thamani kamili katika michanganyiko yote sita ya mikazo halisi ya mihimili mitatu.
• Katika makundi yote, mkazo wa kilele wa TTC ulikuwa juu kuliko nguvu yake ya mhimili mmoja; \(K_t\) ilibadilika kati ya 1,237–2,094.
• Kati ya makundi manne yenye mchanga wa CT, kundi la %20 lilionyesha mgawo mkubwa zaidi wa jamaa wa ongezeko la mgandamizo; mpangilio huu ni tofauti na mpangilio wa nguvu kamili.
• Wakati \(\sigma_3=2\) MPa ilikuwa thabiti, ongezeko la \(\sigma_2\) liliongeza \(K_t\) katika makundi yote.
• Wakati \(\sigma_2=8\) MPa ilikuwa thabiti, ongezeko la \(\sigma_3\) pia liliongeza \(K_t\), lakini mchango wa wastani wa ongezeko la pili la 2 MPa ulikuwa mdogo kuliko ongezeko la kwanza.
• Sampuli za mgandamizo halisi wa mihimili mitatu zilionyesha uadilifu bora baada ya kuvunjika kuliko sampuli za mhimili mmoja.
• Kadiri mgandamizo wa upande ulivyoongezeka, upotevu wa mkazo wa mhimili baada ya kilele ulikuwa wa taratibu zaidi.
• Katika hali nyingi, ukubwa wa mgeuko katika mwelekeo wa mgandamizo dhaifu wa upande ulikuwa mkubwa zaidi na mwelekeo wa \(|\varepsilon_3|>|\varepsilon_2|\) ulionekana.
• Kwa bahasha ya kuvunjika ya daraja la pili ya aina ya Bresler–Pister, \(R^2\) iko kati ya 0,9954–0,9989.
• Katika modeli ya konstitutivu iliyounganishwa ya Popovics–Guo, \(R^2\) kwa mikondo 30 iliyosanifishwa iko kati ya 0,9789–0,9991.
• Maeneo yaliyochaguliwa ya SEM yalionyesha muundo imara ulio endelevu zaidi katika kundi la %5; katika makundi ya %0 na %20 yalionyesha maeneo ya nyufa wazi yaliyo dhahiri zaidi.

Matokeo yanayoungwa mkono na utafiti

Utafiti unaunga mkono kwamba ndani ya muundo wa nyenzo uliochunguzwa, sampuli za mchemraba wa 100 mm, ukomazaji wa 28 siku na kiwango kilichofafanuliwa cha mikazo ya upande cha 2–12 MPa, kiwango cha mchanga wa CT kinaathiri nguvu ya awali ya mhimili mmoja na mwitikio kwa mgandamizo wa mihimili mingi. Pia unaonyesha kwa majaribio kwamba katika hali ambapo mikazo miwili mikuu ya upande si sawa, ni muhimu kupima athari tofauti za \(\sigma_2\) na \(\sigma_3\), na kwamba mgandamizo wa upande hubadilisha namna ya kuvunjika na mgeuko baada ya kilele.

Ujumlishaji usioungwa mkono na utafiti

Matokeo hayaungi mkono ujumlishaji kama “%5 mchanga wa CT ni kiwango bora cha jumla kwa zege zote za geopolymer”, “%20 ni zege bora zaidi ya mihimili mingi katika kila hali”, “nyenzo hii ni salama zaidi kwa uhakika katika miundo halisi” au “alama ya kaboni ya CT-GPC ni chini kwa kiasi hiki kuliko zege ya kawaida”. Utafiti ulifanywa kwa mfumo mmoja wa nyenzo, viwango vichache vya ubadilishaji, hali sita za shinikizo la upande, mchemraba wa maabara wa 100 mm na ukomazaji wa 28 siku.

Mipaka ya mbinu na tafsiri

Chanzo kinatoa thamani za nguvu kama wastani wa sampuli tatu; hata hivyo, majedwali makuu ya nguvu hayaripoti mkengeuko sanifu, kipindi cha kujiamini au jaribio la umuhimu wa takwimu za inferensia. Kwa hiyo, kwa mfano, umuhimu wa kitakwimu wa tofauti ya nambari kati ya makundi ya %5 na %10 hauwezi kutolewa kutoka chanzo hiki.

Ingawa bahasha ya kuvunjika na modeli ya konstitutivu zinaonyesha thamani kubwa za \(R^2\), vigawo vililinganishwa kwenye data za majaribio. Hakuna uthibitishaji huru wa nje wa modeli katika ukubwa tofauti wa sampuli, mineralojia tofauti za CT, uwiano tofauti wa kiwezeshaji, hali nyingine za ukomazaji au maeneo ya mikazo ya juu/chini.

Uchanganuzi wa SEM/EDS unawakilisha maeneo mahususi ya picha za ndani na vipimo vya kikemia vya pointi. Utafiti hauwasilishi mtandao wa matundu wa pande tatu uliopimwa kwa kiasi, usambazaji wa nyufa unaofunika ujazo wote wa sampuli, wala uamuzi mpana wa kiasi cha awamu.

Utafiti unalenga tabia ya mekanika ya muda mfupi. Kuganda-kuyeyuka, upenyaji wa kloridi, mashambulio ya salfati, kabonishaji, creep, kusinyaa kwa muda mrefu, uchovu, tabia ya moto na muda wa huduma uwanjani si sehemu ya programu hii ya majaribio. Vivyo hivyo, ingawa motisha ya “kaboni ya chini” inajadiliwa, tathmini ya mzunguko wa maisha au hesabu ya moja kwa moja ya CO₂ sawa haikufanywa.

Maelezo ya Chanzo na Mbinu

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

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

Mchango sawa: Katika PDF ya chanzo hakuna tamko la mchango sawa/waandishi wenza wa kwanza.

Mwandishi wa mawasiliano: Jianwei Chen; College of Civil and Architectural Engineering, North China University of Science and Technology, Tangshan, China.

Uhusiano wa taasisi: 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.

Aina ya chanzo: Preprint ya makala ya utafiti wa majaribio.

Hali ya mapitio ya wenzao: PDF ya chanzo ina wazi kauli “This preprint research paper has not been peer reviewed”; toleo hili halijapitia mapitio ya wenzao.

Jukwaa: SSRN.

Nambari ya SSRN: 7624559.

DOI: 10.2139/ssrn.7624559.

Tarehe ya kuchapishwa/posted kwenye SSRN: 17 Oktoba 2026.

Jarida / juzuu / toleo: Toleo hili la chanzo si rekodi iliyochapishwa ya version of record ya jarida; taarifa tofauti za jarida, juzuu au toleo hazijatolewa kwa preprint ya chanzo.

Rekodi rasmi: https://ssrn.com/abstract=7624559

Leseni: Katika PDF iliyochunguzwa na taarifa rasmi ya rekodi ya SSRN, hakuna leseni ya Creative Commons iliyothibitishwa inayoruhusu wazi matumizi tena. Kwa hiyo, picha asilia, picha za SEM na miundo ya vielelezo vya chanzo hazikunakiliwa katika HTML ya Verianla; data na mahusiano ya kisayansi pekee yamewasilishwa upya kwa miundo huru ya jedwali/SVG.

Michango ya CRediT: 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.

Mgongano wa maslahi: Waandishi wanatangaza kuwa hakuna maslahi ya kifedha yanayoshindana yanayojulikana wala uhusiano wa kibinafsi unaoweza kuathiri utafiti.

Ufadhili: National Natural Science Foundation of China, Project 51678236; pia 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.

Upatikanaji wa data: Hakuna tamko tofauti la “Data Availability” lililotambuliwa katika PDF ya chanzo.

Kikomo kikuu cha mbinu: Matokeo yalipatikana kwa sampuli za mchemraba wa 100 mm za CT-GPC katika kiwango cha maabara, kiwango cha ubadilishaji wa mchanga wa CT cha %0–20 na hali sita zilizofafanuliwa za mgandamizo halisi wa mihimili mitatu. Kigezo cha kuvunjika na vigawo vya modeli ya konstitutivu vililinganishwa ndani ya kiwango hiki cha majaribio; uthibitishaji wa kimuundo katika kiwango cha uwanja haukufanywa.