《Results in Materials》：Development of a geopolymer binder based on local raw materials for sustainable construction in Douala, Cameroon: Experimental study and multiscale characterization
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摘要：本研究聚焦于利用杜阿拉（喀麦隆）丰富的本地原料——本地偏高岭土（metakaolin，由当地高岭石粘土700℃煅烧制得）、回收玻璃粉（recycled glass powder）及煅烧牡蛎壳粉（calcined oyster shell powder）—
摘要：本研究聚焦于利用杜阿拉（喀麦隆）丰富的本地原料——本地偏高岭土（metakaolin，由当地高岭石粘土700℃煅烧制得）、回收玻璃粉（recycled glass powder）及煅烧牡蛎壳粉（calcined oyster shell powder）——配制地聚合物（geopolymer）粘结剂，旨在废弃物资源化利用框架下开发适用于杜阿拉可持续建筑的胶凝材料。研究采用全因子实验设计（full factorial experimental design，23），三因素各取两水平，以识别各组分间复杂的三阶协同交互作用，考察原料相对比例对粘结剂力学性能（抗压强度）、物理性能（表观密度、吸水率及孔隙率）及结构特征〔傅里叶变换红外（Fourier Transform Infrared，FTIR）光谱〕的影响。在测试配方中，M50V30C10（50%偏高岭土、30%玻璃粉、10%煅烧牡蛎壳粉，归一化后为55.56%｜33.33%｜11.11%）获得最高抗压强度（~14 MPa）及约7.2%的吸水率，优于文献报道的数种传统硅酸盐水泥基粘结剂。因其强度与吸水率的良好平衡，M50V30C10被选为最优配比。研究结果表明，利用本地取材的天然原料与再生废料制备环保高性能地聚合物粘结剂具有可行性，可推动该地区向更可持续建筑实践转型。
论文解读：基于本地原料与废弃物开发杜阿拉地区可持续地聚合物粘结剂的研究——发表于《Results in Materials》
【研究背景与意义】
非洲城市尤其喀麦隆杜阿拉市固体废物管理不善，每日产生约2700吨垃圾，其中包括大量进口酒类产生的废玻璃瓶（2020—2021年约9005吨）及沿海堆积的牡蛎壳（年产约3—6千吨），造成视觉、卫生与生态负担。与此同时，喀麦隆拥有丰富粘土矿藏，但多为低高岭石含量（~22% kaolinite）粘土，单独煅烧所得偏高岭土（metakaolin，MK）活性偏低，碱激发后难以形成致密地聚合物网络。已有研究表明掺入废玻璃粉可提供无定形SiO?促进N?A?S?H凝胶生成，掺入富钙牡蛎壳（经煅烧为CaO）可促进C?A?S?H凝胶形成并改善力学性能。然而尚无研究将杜阿拉本地偏高岭土、回收玻璃粉与煅烧牡蛎壳粉三者结合，并通过全因子实验设计探究其三阶交互效应。为此，Tatchum Defo Ulrich Giresse等人开展本研究，以本地资源与城市废弃物为原料开发室温养护的地聚合物粘结剂，评估配比对其物理—力学—结构性能影响并确定最优配方，验证其作为低碳建材的潜力。
【主要技术方法概述】
研究人员采集杜阿拉产高岭石粘土（筛至100 μm，700℃煅烧2 h得偏高岭土）、穆安科（Mouanko）沿岸牡蛎壳（清洗干燥破碎筛至100 μm，同温煅烧得煅烧牡蛎壳粉）及未分类回收有色玻璃（同粒径磨细为玻璃粉）；采用X射线荧光（X?ray Fluorescence，XRF）分析化学组成，傅里叶变换红外光谱（Fourier Transform Infrared spectroscopy，FTIR）表征原料及产物结构。碱激发剂为水玻璃（Na?SiO?，SiO? 28.7 wt.%，Na?O 8.9 wt.%，H?O 62.4 wt.%）与8 mol/L NaOH溶液按质量比硅酸钠/NaOH＝2.5:1混合（静置24 h equilibration），理论Na/Si≈1.1，Na?O≈11.8 wt.%。采用23全因子实验设计，三因素为偏高岭土M（50%、60%）、玻璃粉V（30%、40%）、煅烧牡蛎壳C（10%、20%），各组合平行两份，固体总质量40 g，液固比（liquid to solid ratio，L/S）＝0.7，混合后注模?30×60 mm圆柱试件，室温（ambient temperature）养护24 h拆模后聚乙烯膜密封养护至28 d。测试包括绝对密度（pycnometer法）、FTIR（ATR模式，400—4000 cm?1）、表观密度（bulk density）、饱和面干吸水率与开孔连通孔隙率（浸泡7 d）、抗压强度（依据NBN EN 12390?3，加载速率15 mm/min）。数据用Design?Expert 13做方差分析（Analysis of Variance，ANOVA）与响应面建模。
【研究结果】
3.1 Absolute Density（绝对密度）
玻璃粉密度最低（~2.67 g/cm3），偏高岭土居中，煅烧牡蛎壳最高（~3.00 g/cm3），与文献报道铝硅酸盐材料相符。
3.2 Fourier Transform Infrared Spectroscopy（傅里叶变换红外光谱）
· Clay（粘土）：原土在3692、3620 cm?1有—OH伸缩振动，700℃煅烧后—OH特征峰消失，于~1055 cm?1出现Si?O?Si/Si?O?Al不对称伸缩宽峰，911 cm?1处Al??→Al??配位变化证实偏高岭土无定形化。
· Glass Powder（玻璃粉）：~931 cm?1为无定形SiO?特征，~768 cm?1为残余石英，452/432/416 cm?1为Si?O?Si弯曲振动。
· Oyster Shell Powder（牡蛎壳粉）：未煅烧样1455、1393 cm?1为CO?2?不对称伸缩，857、870 cm?1为O?C?O面内弯曲；700℃煅烧后碳酸根峰消失，表明CaCO?分解为CaO，利于后续C?A?S?H形成。
· Geopolymer Cement（地聚合物）：相比纯MK的1080 cm?1宽峰，各配方主吸收带红移至990—1018 cm?1，表明Si/Al四面体取代形成无定形钠铝硅酸盐水合物（sodium aluminosilicate hydrate，N?A?S?H）网络；含玻璃粉配方940 cm?1附近信号增强，反映缩聚程度更高；掺20%牡蛎壳出现~1430 cm?1弱峰暗示轻微二次碳化。3400 cm?1与1640 cm?1为结构水/吸附水。
3.2 Bulk Density（表观密度）
纯MK试样最低（1.35 g/cm3），复掺玻璃粉与牡蛎壳后升至1.35—1.69 g/cm3。玻璃粉填充孔隙并促进缩聚，牡蛎壳高密度及C?A?S?H生成助密实化；M50V30C10（归一化55.56/33.33/11.11%）表观密度最高（~1.69 g/cm3）。
3.3 Water Absorption（吸水率）
纯MK达12%，复掺组降至5.4%—7.2%。M50V30C10为7.26%，因N?A?S?H与C?A?S?H共同填充毛细孔降低连通性。
3.4 Porosity（孔隙率）
趋势同吸水率，纯MK约17%，M50V30C10约12%—7%（视计算方式），复掺显著降低总开孔体积。
3.5 Compressive Strength（抗压强度）
纯MK仅4.91 MPa，最优配方M50V30C10达~14.3 MPa。玻璃粉（V）与牡蛎壳（C）主效应极显著（p＜0.0001），二者存在显著二元交互（BC，p＝0.0473）及三阶交互（ABC，p＝0.0019）；偏高岭土单独主效应不显著。玻璃粉过高（40%）或牡蛎壳过高（20%）引起硅/钙过量竞争反应或残留未反应物致强度下降；偏高岭土60%时因Si/Al或Ca/Al比偏离最优也略降强。
3.5 Statistical Analysis（统计分析）
· ANOVA对抗压强度模型显著（p＜0.0001，R2＝0.90），V、C主效应及BC、ABC交互显著。
· ANOVA对吸水率模型显著（p＜0.0001，R2＝0.86），M、V、C主效应均显著（p≤0.0076），交互项均不显著。
· 回归预测值与实测值误差＜10%，模型可靠。响应面显示抗压强度在M低(50%)、V低(30%)、C低(10%)时最大；吸水率随V、C增加而降低。
【讨论与结论（翻译浓缩）】
研究表明，利用杜阿拉本地低品位偏高岭土联合回收玻璃粉与煅烧牡蛎壳可通过碱激发制备地聚合物粘结剂。玻璃粉与牡蛎壳对抗压强度和吸水率影响占主导，偏高岭土在本配比区间单独主效应有限。FTIR证实形成了以无定形N?A?S?H为主并伴生C?A?S?H的网络结构。八组全因子实验中，M50V30C10（归一化55.56%偏高岭土、33.33%玻璃粉、11.11%煅烧牡蛎壳粉）综合表现最优：28 d抗压强度≈14 MPa，表观密度较高，吸水率≈7.2%，孔隙率较低，满足半结构应用对密实度要求。所建统计模型预测误差＜10%，验证了全因子设计识别组分交互效应的有效性。该工作证明本地铝硅酸盐资源与硅钙废弃物的协同利用可制备低环境影响的地聚合物粘结剂，适配杜阿拉当地可持续建筑需求；后续需进一步开展原料微结构表征（BET、粒度）、抗折强度、加速老化及真实环境耐久性评估以确认长期性能。
