纤维素纳米晶改善粉煤灰地质聚合物建筑材料 - 绿色工程科技国际期刊研究2022

工程科学与技术，国际期刊25（2022）100989完整文章利用纤维素纳米晶改善粉煤灰基地质聚合物建筑材料Rishen Roopchunda，b，Rishen，Jerome Andrewc，Bruce Sitholea，ca南非德班夸祖鲁-纳塔尔大学化学工程学科b南非约翰内斯堡约翰内斯堡大学化学工程系c生物炼制工业发展基金，科学和工业研究理事会，南非德班阿提奇莱因福奥文章历史记录：2020年12月29日收到2021年3月5日修订2021年4月17日接受2021年5月7日网上发售保留字：废弃物净化粉煤灰地质聚合物纤维素纳米晶体绿色建材非传统建筑材料A B S T R A C T普通硅酸盐水泥生产是最大的二氧化碳排放者之一。因此，强烈需要具有较低环境足迹的建筑材料。然而，替代绿色建筑材料的开发需要一个标准化的框架。虽然纤维素纳米晶体在传统建筑材料中显示出相当大的增强潜力，但其对粉煤灰基地质聚合物作为绿色建筑材料的机械性能的影响尚不清楚。因此，一个详细的数据库，概述了纤维素纳米晶体相互作用的压缩强度，密度和耐腐蚀性能的地质聚合物可以优化和指导进一步的研究工作。本研究的目的是首先确定纤维素纳米晶体对粉煤灰基地质聚合物的力学性能的影响。第二，生产纤维素纳米晶体浓度和活化剂浓度对所形成的地质聚合物的机械性能的影响的数据库。最后，提出绿色建材发展的经验架构。一个经验的框架开发旁边的纤维素纳米纤维素增强地质聚合物，这是使用统计实验设计优化。实验结果产生了地质聚合物属性数据库。结果发现，低纤维素纳米晶体浓度（小于0.5%）有利于地质聚合物的机械性能。利用工业废料生产绿色建筑材料，可将工业废料从堆填区转移，并尽量减少广泛使用会造成环境退化的传统建筑材料。本研究所建立之架构，可促进绿色建材产业化。©2021 Karabuk University. Elsevier B.V.的出版服务。这是CCBY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍环境问题仍然是水泥行业面临的主要挑战之一[1]。普通港口水泥的生产是能源密集型的，是工业温室气体排放的主要贡献者[2]。考虑到全球人口的不断增长，需要普通波特兰水泥的新型绿色替代品粉煤灰基地质聚合物是建筑行业中普通波特兰水泥的可行替代品[1，2]。但更多*通讯作者：约翰内斯堡大学化学工程系，地址：55 Beit Street，Doornfontein，Johannesburg 2028，South Africa。电子邮件地址：rroopchund@uj.ac.za（R.Roopchund）。由Karabuk大学负责进行同行审查需要进行研究以确定可以增强粉煤灰基地质聚合物的方法，使其在商业上可行且可靠，从而完全取代普通波特兰水泥。在这项研究中考虑的一个选择是使用纤维素纳米晶体作为粉煤灰基地质聚合物的增强组分纤维素纳米晶体是衍生自纤维素的纳米颗粒由于其独特的光学、流变学和机械性能，纤维素纳米晶体在建筑、汽车、造纸、医疗和食品领域有着广泛的应用。它已被证明是一种高强度聚合物材料，其机械性 能 相 当 有 利 ， 并 且 通 常 超 过 传 统 的 增 强 材 料 ， 如 不 锈 钢 和Kevlar[3]。作为一项更大规模研究的一部分，一项系统的Meta分析得出结论，纤维素纳米晶体对建筑材料的机械性能产生了积极影响。的总体效果https://doi.org/10.1016/j.jestch.2021.04.0082215-0986/©2021 Karabuk University.出版社：Elsevier B.V.这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程科学与技术国际期刊杂志主页：www.elsevier.com/locate/jestchR. Roopchund，J.安德鲁和B.Sithole工程科学与技术，国际期刊25（2022）1009892Meta分析中的研究表明，纤维素纳米晶体增强体对普通硅酸盐水泥建筑材料的抗压强度的提高具有积极的作用这种效果表明，进行进一步的实验研究以研究纤维素纳米晶体的增强能力将是有益的，以开发使用工业废物流（如飞灰和锯末）作为纤维素源这两种废物流都是通过填埋或就地堆放的方式处理的，如果是锯屑，也会焚烧。这项研究的目的有三个。研究了碱激发剂浓度和纤维素纳米晶体浓度对粉煤灰基地质聚合物建筑材料力学性能的影响。第二个目的是以三维表面响应图的形式产生纤维素纳米晶体浓度和活化剂浓度对所形成的地质聚合物的机械性能最后，第三个目标需要制定一个全球适用的框架，以在满足前两个目标的基础上生产绿色建筑材料。因此，纤维素纳米纤维素增强的地质聚合物建筑材料作为普通波特兰水泥的绿色替代品，经验绿色建筑材料开发框架的基础，可以有助于实现建筑行业的长期可持续性。2. 文献综述2.1. 建筑业现状概述建筑行业面临着化石燃料储备枯竭、原材料稀缺、需求增加、环境问题日益严重以及世界经济停滞的挑战[1]。普通波特兰水泥的生产贡献了所有工业碳排放量的约6%[1]和直接导致全球变暖的排放量的5%至7%[1]。普通波特兰水泥生产工艺的煅烧阶段导致最大比例的二氧化碳排放[1]。建议采用两种方法来减少二氧化碳排放量：改变煅烧过程中的原材料和/或改变制造工艺[1]。考虑到这些建议不容易实施，需要更环保的替代品。绿色材料是环保的、耐用的、生物基的、可回收的，并且表现出低毒性和低排放[1]。绿色建材市场正在迅速扩大[1]。粉煤灰、高炉矿渣和硅烟是典型的水泥替代材料，已被记录和验证[1]。地质聚合物是具有三维结构的胶结材料，其通过铝硅酸盐材料在相对较低的温度下活化而形成[2]。地质聚合物水泥是由二次原料如粉煤灰和偏高岭土通过碱和碱硅酸盐溶液的活化而生产的。值得注意的是，几种废料可用于生产地质聚合物建筑材料。这一发现使建筑部门能够节省能源和二氧化碳，证实了地质聚合物作为绿色建筑材料的分类。尽管地质聚合物作为绿色建筑材料具有优势，但需要进一步的工作来改进技术并加强商业应用的潜力[2]。为了实现绿色建材的实施，价格稳定是低碳水泥技术投资的必要条件[1]。考虑到建筑从业者认为高由于初始成本溢价是投资于绿色做法的障碍[2]，政府必须向绿色水泥制造商提供补贴。此外，应缩小研究人员和从业人员之间的知识差距。为了使建筑行业能够采用优化和统一的地质聚合工艺，需要实施法规标准[4]。2.2. 绿色建筑材料绿色建筑材料被定义为由至少一种废弃材料组成，或者其生产是环境友好的，或者具有高性能和生命周期可持续性[5]。考虑到水泥制造业占8%至10%，在全球二氧化碳总排放量[5]中，绿色建筑材料是令人垂涎的，因为它们减少了对自然资源的需求、相关的能源消耗和温室气体排放[6，7]。使用绿色建筑材料可防止开采过多的天然材料用于混凝土生产[8]。绿色建筑材料的优势在于它们减少了环境污染，相对经济，并具有良好的耐热性和耐酸性[8废料的使用导致更好的抗压强度和抗拉强度，改善的抗硫酸盐性，降低的渗透性和改善的可加工性[8]。绿色混凝土显示出比波特兰水泥更高的耐久性、强度发展、耐热性和更低的收缩率[11]。在绿色建筑材料中使用粉煤灰可节省宝贵的填埋空间，并通过消除燃料燃烧和石灰石分解[10]来降低生产过程的能耗[7]。2.3. 粉煤灰基地质聚合物绿色建材全球产生大量的粉煤灰，从而对环境构成严重威胁[12]。因此，建议在地质聚合物生产中使用粉煤灰作为前体材料[12]。硅铝比、碱溶液的类型和量、温度、固化条件和添加剂是地质聚合过程中的关键因素[13]。粉煤灰基地质聚合物的机械性能取决于地质聚合物的化学成分、化学键合和孔隙率[13]。可通过调整硅铝比、碱溶液、固化条件和增强剂来改善机械性能[13]。虽然粉煤灰基地质聚合物可用作新型绿色水泥，但建议对粉煤灰基地质聚合物进行进一步研究，以提高其机械性能，扩大生产规模，并探索新的应用[13]。2.4. 纤维素纳米晶体增强地质聚合物建筑材料将建筑材料中生物材料应用的认可[14]与全球出现的地质聚合物作为新型绿色建筑材料[1，2，4]相结合，应考虑纤维素纳米晶体在粉煤灰基地质聚合物强化中的应用纤维素纳米晶体是一类相对较新的生物材料，以其高强度应用而闻名。纤维素纳米晶体的生产是环境友好的，因为它可以从废弃的生物质材料中生产。Cao et al.（a）[15]研究了原始和超声处理的纤维素纳米晶体对水泥浆体微观结构的影响考虑到纤维素纳米晶体在地质聚合物基质内的分散是已知的挑战，一种测量吸附的纤维素纳米晶体的浓度的新方法被提出。R. Roopchund，J.安德鲁和B.Sithole工程科学与技术，国际期刊25（2022）1009893开发了纤维素纳米晶体（在水泥表面上）和游离大多数纤维素纳米晶体（超过94%）主动地包含水泥基质。此外，水泥浆体的总孔隙率与生和超声处理的纤维素纳米晶体进行了测定。结果表明，总孔隙率分别为14.8%和14.4%预计降低的样品孔隙率将产生更大的强度特性。超声处理的纤维素纳米晶体分散良好;从而防止形成可导致水泥浆体中的孔隙、空隙和空气截留的附聚物。在Cao等人（a）[15]研究的基础上，Cao等人（b）[16]的研究确定了纤维素纳米晶体在水泥基质中的分散对其强度的影响，方法是通过观察纤维素纳米晶体的团聚附聚是不希望的，因为它抑制纤维素纳米晶体在水泥基质内的分散采用超声分散纳米纤维素，流变学测量定量了纳米纤维素的团聚程度。当纤维素纳米晶体浓度超过1.35体积%时，团聚体开始形成。几何逾渗模型验证了这一实验结果。根据该模型，导致团聚的阈值纤维素纳米晶体浓度为1.38%。这是重要的，因为它表明不应超过1.38%纤维素纳米晶体浓度以防止附聚。纤维素纳米晶的最佳浓度为0.18%。值得注意的是，需要相对微量的纤维素纳米晶体来实现最大强度发展。类似的结果也出现在[17]其中0.2%浓度的纤维素纳米晶体改善了地质聚合物的抗压强度和断裂性能。超声处理有效地将纤维素纳米晶体分散在水泥基质中，导致高达50%的强度改善，这大于单独的原始纤维素纳米晶体的强度改善（20至30%）。这表明，纤维素纳米晶体的分散显着提高水泥浆体的抗折强度。虽然这项研究是使用水泥浆进行的，但新的分散方法可以应用于地质聚合物，以增强绿色环保材料。由于两个不确定性，地质聚合物尚未完全商业化：财务[1]和技术[4]。下面的研究展示了纤维素纳米晶体在建筑材料中的应用所取得的技术优势。虽然一些研究集中在普通波特兰水泥中添加纤维素纳米晶体，但该范例可以应用于地质聚合物以生产强化绿色建筑材料。Barnat-Hunek et al.[18]确定了纤维素纳米晶体对混凝土物理性能的影响研究发现，纤维素纳米晶体使抗冻融性提高了14倍以上。这一结果对于需要承受极端温度条件的混凝土应用是例外的，并且归因于纳米纤维素在混凝土混凝土中的效率。这个结果是一致的-表1建筑材料的电阻率和耐腐蚀性之间的相关性。与Cao等人的研究相吻合。（a）[15]。纤维素纳米晶促进了水化硅酸钙在混凝土中的形成，提高了混凝土的密实度，改变了混凝土的孔结构和界面特性。密度的提高导致混凝土强度的提高。在Dousti等人[19]的研究中观察到类似的发现，其中通过添加纤维素纳米晶体，孔隙率降低了33%，表面积降低了66%。纤维素纳米晶体的添加在第一个24小时内使压缩强度和拉伸强度增加了60%。Dousti等人[19]的研究是新颖的，因为它研究了纤维素纳米晶体对水泥浆水化的影响。纤维素纳米晶体促进了水化产物的形成，从而导致更大的压缩和拉伸强度。Liu等人[20]的研究调查了纤维素纳米晶体对水泥浆体抗压强度X射线计算机断层扫描和氮吸附分析表明，纤维素纳米晶体细化水泥基质中的孔结构。几乎没有水化产物形成的水泥基体中没有纤维素纳米晶体添加。就像Liu et al.[20]，李等人的研究（a）[21]研究了纤维素纳米晶体对建筑材料机械性能的影响以以下体积浓度制备纤维素纳米晶体溶液：0.4、0.8和1.2。正如Cao et al.（a）[15]，Cao et al.（b）[16]和Lee et al.（b）[22]，使用超声波将纤维素纳米晶体分散在水溶液中纤维素纳米晶溶液的最佳浓度为0.8%（体积），可提高纤维素纳米晶的收缩率和力学性能。这一发现加强了先前的研究，该研究发现，建筑材料的最大强度发展只需要少量的纤维素纳米晶体[1]。根据Flores等人的研究[23]，向地质聚合物混合物中添加纤维素纳米晶体最初延迟了水合作用，但在后期阶段改善了水合作用。还揭示了纤维素纳米晶体相对于对照混合物增加了不可蒸发的水含量。 研究了两种纤维素纳米晶体浓度：0.4%和0.8%。在两种浓度下，非蒸发水含量均得到改善。这支持了这样的想法，即在较高的纤维素纳米晶体浓度下，碱性活化剂由于来自纤维素纳米晶体溶液的额外水含量而被略微稀释。这一发现降低了碱性活化剂的有效性。此外，纤维素纳米晶体部分填充混合物糊剂中的最小间隙，从而降低样品的孔隙率[24]。2.5. 碱性激发剂在地聚合反应中的作用在Hadi等人的研究中。[25]，在硅酸钠和氢氧化钠的较低剂量下活化具有高铝硅酸盐含量的粉煤灰。对于具有较低铝硅酸盐含量的飞灰，观察到相反的效果。这意味着更大的激活剂浓度是激活geopolymers所必需的。在Roopchund[26]的研究中，碱性活化剂浓度在6至16 M之间变化，发现与所得地质聚合物的抗压强度成正比。在Hamidi等人的研究中。[27]，碱性活化剂浓度在4至18 M范围内，电阻率值（X.m）腐蚀风险Hornbostel等.[32]第二十二话高100 50中度100至500 50至100低500至1000 100至200可忽略>1000>200研究地质聚合物的弯曲强度发现活化剂浓度与弯曲强度成正比，直到达到12 M的活化剂浓度。此后，观察到弯曲强度下降，这意味着12M浓度对于弯曲强度的发展是最佳的。R. Roopchund，J.安德鲁和B.Sithole工程科学与技术，国际期刊25（2022）1009894Fig. 1.统计实验设计总结。2.6. 建筑材料混凝土中的腐蚀过程部分受控于离子通过混凝土微观结构的传输[28，29]。考虑到离子是带电的，材料抵抗电荷转移的能力取决于其电阻率[29]。因此，混凝土腐蚀和相应的电阻率之间的关系是预期的。虽然Alonso et al.[30]，Farhana et al.[31]和Velu[32]发现了建筑材料的电阻率和耐腐蚀性之间明确定义的反比关系，概述了具体的实验要求，以研究混凝土腐蚀和电阻率之间的关系[29]：1. 工作电极，最好是嵌入砂浆或混凝土样品中的建筑钢2. 一种测量腐蚀速率的技术，无论是从表面还是作为嵌入式设备。3. 一种测量混凝土电阻率的技术。4. 引发腐蚀的方法。Velu[32]的研究提出了使用Wenner四探针法对地质聚合物浆料的电阻率 进行实验 研究。 所获得的 电阻率值 的范围在 537X.m 和61575X. m之间变化。与常规研究一样，电阻率与腐蚀速率之间存在反比关系[28，30，31]。根据建筑材料的电阻率确定其潜在耐腐蚀性的指南见表1。混凝土的电阻率取决于两大类：内在因素和影响电阻率测量的因素[28]。内在因素包括水灰比、老化和孔隙结构，而影响电阻率测量的因素包括试样的几何形状、mois、真实含量、温度、电极间距和钢筋的存在。此外，添加反应性辅助水泥材料如高炉矿渣和粉煤灰导致更高的电阻率，这归因于毛细管孔隙率和氢氧根离子的减少。电阻率测量可以使用放置在样品表面上的电极或将电极盘或线性阵列或四探针方形阵列放置在混凝土表面上进行测量电阻率的主要装置技术有四种：体电阻率测试、表面圆盘测试、温纳四点线阵测试和四探针方阵测试。3. 材料和方法3.1. 材料3.1.1. 粉煤灰粉煤灰来源于南非的Matla发电站（Eskom）考虑到其被分类为F类，具有统一的硅铝比和低有机含量（特征在于烧失量值小于5%），其被确定为用于生产地质聚合物的合适的前体粉煤灰材料3.1.2. 木屑基纤维素纳米晶锯屑从南非的Sappi锯木厂获得。考虑到南非林业部门的总产量只有47%[34]，这被认为是浪费。为了提高行业的可持续性，锯屑被确定为可用于生产纤维素纳米晶体的可行副产品，纤维素纳米晶体是一种具有广泛应用的高价值有机材料。 纤维素纳米晶体是用一种专有技术生产的，R. Roopchund，J.安德鲁和B.Sithole工程科学与技术，国际期刊25（2022）1009895图二、（a）碱性活化剂溶液（b）纤维素纳米晶体溶液（c）粉煤灰（d）固化前的模制地质聚合物糊剂（e）用于固化的烘箱（f）固化后的脱模地质聚合物nology，并随后在本研究中用作地质聚合物建筑材料的增强剂。3.2. 地聚合物混合料设计采用试错法设计了粉煤灰、水、碱性激发剂和纤维素纳米晶体悬浮液的最佳地质聚合物配比。最佳比例导致混合物的一致性和工作能力，以允许有效的成型。该最佳比率为60.8ml液体组分（包含碱性活化剂和纤维素纳米晶体溶液）对100g飞灰。液体组分由75%碱性活化剂和25%纤维素纳米晶体悬浮液组成。对于不需要纤维素纳米晶体溶液的试验，使用去离子水代替。考虑到地质聚合物需要经历多次测试，在该混合物设计中使用的量允许每次试验生产四个地质聚合物立方体。3.3. 统计实验设计实验测试需要改变碱性活化剂浓度和纤维素纳米晶体浓度。使用Design Expert软件对试验进行统计学设计，以优化试验运行次数选择优化目标，并选择响应面模型。响应面模型使参数（碱性活化剂浓度和纤维素纳米晶体溶液浓度）的影响能够在单个三维表面曲线上视觉观察。R. Roopchund，J.安德鲁和B.Sithole工程科学与技术，国际期刊25（2022）1009896图三.抗压强度设备; A-拉力试验机，B-载荷指示器，C-底板，D-载荷施加控制。图四、电阻率实验装置; A-Fluke 1577绝缘垫片，B-导电板，C-地质聚合物样品，D-电流测量电极。根据设计要求，软件计算并输出实验方案，如图1所示。可以清楚地观察到导致16次实验运行的变异因素的组合。3.4. 地质聚合物合成3.4.1. 溶液的制备根据文献建议，以改善地质聚合物建筑材料的机械性能[13]，将冻干的纤维素纳米晶体混合到所需量的去离子水中，以产生图1所示的所需溶液浓度。将溶液混合过夜以确保充分的水合和分散。未考虑新型纤维素纳米晶体分散技术，因为发现大部分（超过90%）纤维素纳米晶体被吸附到地质聚合物基质中[15]。纤维素纳米晶体浓度范围基于文献[15，16，21]中报道的范围。根据图1所示的活化剂浓度，称量所需质量的氢氧化钠颗粒以制备活化剂溶液。1.一、3.4.2. 地质聚合物模塑对于由实验设计软件（图1）指示的每个实验运行，称量100 g飞灰，置于玻璃烧杯中，并与液体组分（碱性活化剂溶液和纤维素纳米晶体溶液）接触。那个骗局R. Roopchund，J.安德鲁和B.Sithole工程科学与技术，国际期刊25（2022）1009897¼图五.抗压强度预测值与实际值。混合帐篷直到形成均匀的糊状物然后将糊剂倾析到硅酮模具中。3.4.3. 地聚合物烘箱固化将含有地质聚合物浆料的硅酮模具置于预设在40°C的烘箱中。研究了两种不同的烘箱固化技术：在40℃下固化2h，然后在60℃下再固化24h。 此后，将样品旋转并在60°C下固化另外24小时，以确保固化的空间均匀性。 然后在40℃下固化2h，再在60℃下固化24h。 在第二种情况下，样本未旋转，也没有进一步固化。地质聚合物合成步骤的图示可参见图1。 二、3.5. 地质聚合物测试3.5.1. 抗压强度将每个样品放置在Rohloff通用拉伸试验机上的两个平板之间。施加力使板移动靠近，导致样品破碎。记录样品被压碎时的力并由机器显示。该力为样品的抗压强度抗压强度试验一式两份进行。用于测量地质聚合物样品的抗压强度的装置如图所示。3.第三章。3.5.2. 密度使用Mettler Toledo实验室天平测量每个样品的质量使用数字Vernia卡尺确定每个样品的尺寸使用样品尺寸计算样品的体积，并使用公式（1）计算密度：密度肿块体积ð1Þ见图6。 抗压强度相互作用的面板图。R. Roopchund，J.安德鲁和B.Sithole工程科学与技术，国际期刊25（2022）1009898H见图7。 抗压强度面响应模型。3.5.3. 电阻率使用以下设备进行测试：Fluke 1577绝缘万用表、导电板和测量电极。地质聚合物样品被放置在顶部和底部导电板之间。绝缘万用表包括正极、负极和保护端子。保护端子与负端子处于相同电位，但不在测量路径上。保护端子用于通过消除杂散测量来提高测量精度。体积电阻率（q）相对于所测量的电阻（R）、顶部电极的面积（A）和建筑材料样品的高度（h）的关系在数学上由等式（2）[33]表示：q¼RAð2Þ用于测量地质聚合物样品的电导率的实验装置如图所示。 四、4. 结果和讨论4.1. 地质聚合物合成见图8。密度实际值与预测值。第一固化程序（旋转固化48小时）导致在所有地质聚合物样品上形成裂纹R. Roopchund，J.安德鲁和B.Sithole工程科学与技术，国际期刊25（2022）1009899见图9。密度相互作用的面板图。除了含有大量纤维素纳米晶体的那些（图4、7和9）。开裂归因于当旋转并固化另外24 h时样品快速暴露于较高温度。快速的温度暴露导致水分从样品的微观结构中快速蒸发，最终形成裂纹[26]。对于含有高纤维素纳米晶体浓度的样品，地质聚合物基质中的纤维素纳米晶体防止了水分的快速蒸发[23];从而防止了开裂。在Lee等人的研究中也观察到了这一结果。（a）[21]。因此，建议将较高的纤维素纳米晶体浓度用于需要热稳定地质聚合物而不是高强度地质聚合物的应用。替代的固化方法（在60 °C下固化的最初24小时后不脱模和旋转样品）没有导致任何裂纹是一个好的发现，因为裂纹是不期望的，因为它损害了地质聚合物样品的结构完整性。因此，在固化阶段不建议脱模和样品旋转。4.2. 抗压强度4.2.1. 统计模型该软件推荐了2FI统计模型来表示纤维素纤维浓度和碱性激发剂浓度对抗压强度的综合影响。软件显示的足够精确度与不显著的拟合不足相结合，意味着该模型可以被视为准确。模型的准确性通过图1中的预测值与实际值的图形表示来验证。 五、4.2.2. 二维相互作用图中的面板图。图6是抗压强度的单个和组合变化参数之间相互作用的直观表示。值得注意的是，较低浓度的纤维素纳米晶体有利于图6（a）中的抗压强度，如Cao等人（b）[16]、Lee等人（a）[21]、Imbabi等人[1]和Ghahari等人[17]的发现所证实的。在较小的浓度下，纤维素纳米晶体由于其粘合性能而增加复合材料中颗粒之间的结合[24]。增加的键导致网络的形成基于结果，纤维素纳米晶体浓度不应超过0.5%以避免压缩强度的降低。纤维素纳米晶体可能在浓度超过0.5%时发生聚集[16];从而导致压缩强度结果降低。从图6（b）中可以明显看出，碱性活化剂浓度的下限有利于地质聚合物样品的抗压强度。这一发现与Hamidi等人的研究相[27]其中在12 M的高碱性活化剂浓度下获得了地质聚合物的最佳机械性能然而，这一结果与Hadi等人的研究一致[25]这表明含有大量细颗粒和无定形含量的粉煤灰将需要低剂量的碱性活化剂以获得良好的机械结果。考虑到需要较低浓度的纤维素纳米晶体溶液和碱性活化剂以获得更大的强度发展，可以降低生产成本。这种降低的生产成本将有效地帮助绿色材料的长期可持续性，并直接解决开发绿色建筑材料时的财务问题[1]。图中所示的组合相互作用的交叉点。 6（c）值得注意的是，拟合曲线之间的相交将提供最佳纤维素浓度和最佳纤维素浓度之间的权衡。R. Roopchund，J.安德鲁和B.Sithole工程科学与技术，国际期刊25（2022）10098910见图10。 三维密度响应曲线。4.2.3. 三维响应面模型图7所示的三维模型能够根据上一节中观察到的相互作用描绘表面有益的是，响应曲线是彩色编码的，突出显示最大和最小抗压强度值的区域。值得注意的是，较低至中等的抗压强度范围比较高端更突出然而，如果使用较低浓度的纤维素纳米晶体[1，16，17，21]和碱性活化剂浓度[25]，则可以实现更大的压缩强度。4.3. 密度见图11。实际电阻率与预测模型（24小时固化条件）。过滤和碱性激发剂浓度对抗压强度的影响。可以观察到，“中间点”浓度的组合4.3.1. 统计模型该软件推荐了三次统计模型来表示碱性活化剂和纤维素纳米晶体浓度对地质聚合物密度的影响。统计F和P值表明，该模型通过预测噪声数据的最大0.01%可能性而具有显著性。此外，缺乏拟合被发现是不显著的，这意味着立方模型表示的有效性。从图8所示的实际值和预测值的图形表示中，可以观察到实验数据点遵循软件推荐的线性趋势。4.3.2. 二维相互作用图图9（a）清楚地示出了纤维素纳米晶体的浓度与地质聚合物密度之间的立方关系。为了实现高密度地质聚合物，纤维素R. Roopchund，J.安德鲁和B.Sithole工程科学与技术，国际期刊25（2022）10098911见图12。 电阻率相互作用面板图（24小时固化条件）。纳米晶体不应超过0.5%（全局最大值的区域或者，还发现在1.75%和2%内的纤维素纳米微晶的浓度范围在较高浓度范围下的较高密度归因于以下事实：随着纤维素纳米晶体在固化过程中硬化并合并到地质聚合物基质中，较高浓度的纤维素纳米晶体的额外纤维素纳米晶体这一发现与Cao et al.（a）[15]和Barnat-Hunek et al.[18] 其中发现纤维素纳米晶体分别通过降低孔隙率和促进硅酸钙水合物的形成来增加样品密度。此外，这一发现得到以下事实的支持：纳米级纤维素基颗粒填充混合物糊剂中的最小间隙，从而增加了整体密度[24]。还值得注意的是，0.5%和1.75%之间的浓度范围有利于低地质聚合物密度，应适用于需要低密度的建筑应用碱性活化剂浓度也显示出与地质聚合物密度的立方关系，如图所示。 9（b）. 同样，当尝试将地质聚合物应用于低密度建筑材料应用时，该数学关系是有价值的。在图1的组合相互作用图中可以清楚地观察到单独的相互作用。 9（c）。该图表明，在纤维素纳米晶体的浓度超过约1.5%时，碱性活化剂浓度的影响也影响地质聚合物密度。4.3.3. 三维响应面模型（24小时固化）三维响应曲线清楚地显示了纤维素纤维浓度和碱性激发剂浓度对地聚合物密度的三次函数关系。 10个。这是有利的，因为响应模型在尝试为特定构造应用定制特定密度时提供了清晰的信息展示这种类型的分析肯定可以帮助设计和开发过程，并支持进一步的研究，使地质聚合物作为新型绿色建筑材料的应用商业化。4.4. 电阻率4.4.1. 统计模型（24小时固化）该软件建议用三次统计模型来表示电阻率数据。与以前的统计模型一样，在实际值和预测值之间观察到线性趋势（图11）。 11）。F 和 P 统计值暗示了模型的显著性，数据中噪声的可能性仅为0.01%。这种高准确度可归因于遵循文献建议进行准确测量[28，29]。4.4.2. 二维相互作用（24小时固化）如图所示。如图12（a）所示，在电阻率和纤维素纳米晶体浓度之间观察到降低的立方趋势。这意味着较低的纤维素纳米晶体浓度有利于地质聚合物建筑材料的电阻率。电阻率值显示出高范围（超过800X.m）。根据文献，这意味着发生腐蚀的可能性很低，甚至可以忽略不计[29，31，33]。然而，对于24小时固化的样品观察到的电阻率范围显著低于48小时固化的样品。这一发现直接归因于仅固化24 h的地质聚合物样品中存在相对较高的水分含量，R. Roopchund，J.安德鲁和B.Sithole工程科学与技术，国际期刊25（2022）10098912图十三. 电阻率三维表面响应曲线（24小时固化条件）。样品在48小时内旋转固化。较高的水分含量使得离子能够有效地转移，从而降低了建筑材料的整体电阻率。此外，随着纤维素纳米晶体浓度的增加观察到的电阻率的降低可以直接归因于纤维素纳米晶体溶液含有大的水分含量（超过90体积%）的事实 考虑到更高的纤维素纳米晶体浓度产生固有的更高的不可蒸发水含量[23]，观察到的降低的电阻率是预期的，如图11所证实的。 12（a）. 考虑到较高的电阻率值与防腐材料中较低的腐蚀电位有关[29，31，33]，建议在开发地质聚合物建筑材料时使用较低的纤维素纳米晶体浓度。如图所示。如图12（b）中所示，发现活化剂浓度随着其从0.01%增加而快速提高电阻率。8至9 M，之后随着活化剂浓度从9增加至11 M，电阻率略微降低。此后，随着活化剂浓度从11 M增加到12 M，观察到电阻率的快速增加因此，使用9至11 M范围内的碱性活化剂浓度是不可行的这种可行性论证对于开发经济型绿色建筑材料至关重要[1]。观察到以下因素之间的相互作用：纤维素纳米晶体浓度和碱性活化剂浓度在0.2%的低纤维素纳米晶体浓度下和再次在超过1.5%的浓度下，如图12（c）中所证实的。4.4.3. 三维响应面模型（24小时固化）从三维响应图中可以明显看出（图1）。 13）在高纤维素纳米晶体浓度和低活化剂浓度的组合条件下获得最大电阻率值。根据所开发的地质聚合物建筑材料中要求耐腐蚀性的程度，建议调节纤维素纳米晶体浓度和活化剂浓度以实现所需程度的耐腐蚀性。考虑到需要高的纤维素纳米晶体浓度，必须确定最小的碱性活化剂浓度以实现所需程度的耐腐蚀性，从而确保经济可行性。4.4.4. 统计模型（48小时固化）建议用二次和三次统计模型来描述48小时固化试样的电阻率数据。与先前的统计模型一样，在实际值和预测值之间观察到线性趋势（图14）。的R. Roopchund，J.安德鲁和B.Sithole工程科学与技术，国际期刊25（2022）10098913图14.实际电阻率与预测模型（48小时固化条件）。模型F值表明，推荐的模型是有意义的，只有0.01%的噪声机会。4.4.5. 二维相互作用（48小时固化）当与24小时固化样品的结果相比时，48小时固化样品获得的结果在两个方面有很大不同。首先，与24小时固化样品相比，电阻率值的范围显著更大这直接归因于48小时样品在延长的固化过程中经历的更大程度的水分去除其次，如图所示。如图15（a）所示，发现电阻率随着纤维素淀粉用量的增加而增加。这一发现意味着，48小时固化的样品能够更大的水分去除的程度，纤维素纳米晶体内的地质聚合物基质的真正增强潜力可以体验。与24小时固化的样品一样，碱性活化剂对电阻率的影响是微不足道的，如图1B所示。 15（b）. 这意味着从电阻率的角度来看，不需要更高的碱性活化剂浓度。从经济绿色建筑材料开发的角度来看，对更高碱性活化剂浓度的不必要要求是一个积极的发现[1]。基于图15（c）中组合相互作用图中两个自变量的交点，确认了两个自变量之间这种相互作用意味着纤维素酶浓度的影响取决于碱性活化剂的浓度因此，需要固定碱性活化剂浓度，同时操纵纤维素纳米晶体浓度以实现所需程度的耐腐蚀性。4.4.6. 三维响应面模型（48小时固化）从三维响应曲线（图16）可以明显看出，在高纤维素纳米晶体浓度和低碱性活化剂浓度的条件下获得最大的电阻率值。在48小时固化下获得的电阻率值的范围图15. 电阻率相互作用面板图（48小时固化条件）。R. Roopchund，J.安德鲁和B.Sithole工程科学与技术，国际期刊25（2022）10098914图16. 电阻率三维表面响应曲线（48小时固化条件）。条件暗示可忽略的耐腐蚀性[29，31，33]。因此，从耐腐蚀性的角度来看，建议在地质聚合物的开发中实施48小时固化条件。4.5. 力学性能之间的总体相关性在纤维素纳米晶和碱性活化剂浓度一定的条件下，地聚物的抗压强度此外，地质聚合物电阻率与纤维素纳米晶体的浓度成反比，与碱性活化剂浓度成正比。然而，电阻率与纤维素纳米晶体浓度之间的关系比电阻率与碱性活化剂浓度之间的关系更显著。因此，地质聚合物的机械性能之间的总体相关性是电阻率与抗压强度成正比，而抗压强度与密度成反比。4.6. 地质聚合物开发框架根据地质聚合物生产过程中均匀性的文献建议[4，17]，下面推荐了帮助开发地质聚合物建筑材料的经验框架：1 确定并量化最终产品所需的机械性能。2 选择工业废渣硅酸铝前驱体原料。典型的水泥替代材料包括粉煤灰、高炉矿渣和硅灰[1，2，16]。3 选择碱性活化剂。为了提高生产经济性，考虑废碱性材料（如硫酸盐法纸浆厂的绿4 考虑使用有机或无机增强剂，如纤维[14，35，36，37，38，39]。5 执行实验的统计设计以优化实验运行。6 选择固化条件（持续时间、温度和样品旋转）。力争采用常温固化。然而，如果这是不可能的，尽量不超过60 °C固化温度。观察实施的固化温度对形成的地质聚合物样品的影响。如果观察到存在微裂纹，则调整温度并重新执行步骤6。7 进行机械测试。8 将力学测试结果插入统计实验设计模型中，并生成交互作用图和三维响应图。观察与所需机械性能范围相对应的三维响应图区域。如果机械结果不符合要求的质量标准，则返回步骤2。9 如果力学结果符合要求的规范，则地质聚合物开发程序可以接受。R. Roopchund，J.安德鲁和B.Sithole工程科学与技术，国际期刊25（2022）10098915图17. 经验地质聚合物建筑材料发展框架。图18.绿色建筑材料的概念框架。R. Roopchund，J.安德鲁和B.Sithole工程科学与技术，国际期刊25（2022）10098916一个图形流程图如图所示。 十七岁5. 结论对新型绿色建筑材料有强烈的需求。本研究中报告的方法可用于有效地开发地质聚合物，具有显著的统计准确度。此外，实现了不同的纤维素纳米晶体浓度对所形成的地质聚合物的力学性能的影响重要的是，较低浓度的纤维素纳米晶体（0.5%）产生较高强度的地质聚合物，并且在某些情况下，产生耐腐蚀考虑到较高的纤维素纳米晶体浓度防止地质聚合物在不稳定的固化环境中开裂，这为纤维素纳米晶体提供了另一种应用。达到了第一个研究目的统计方法可以根据应用要求定制特定的机械性能统计实验设计的结果以相互作用图和三维表面响应图的形式产生了纤维素纳米陶瓷增强的基于粉煤灰的地质聚合物锚固材料的机械性能的详细实验数据库因此，第二个研究目标已经实现。由于统计实验设计提供的实验优化和所提出的单一经验模型的迭代性质，建议开发新型绿色地质聚合物建筑材料以满足特定的机械要求。可以记录每次迭代的结果以指导后续迭代的输入，直到获得所需的机械性能在更广泛的背景下，所提出的经验框架可以潜在地解决垃圾填埋场空间耗尽和传统建筑材料不可持续性的双重问题（见图18）。该解决方案诞生于这些问题的重叠，并且需要使用铝硅酸盐工业废物来按照所提出的框架生产替代的绿色建筑材料。这一方法将为环境、社会和经济带来三大可持续性效益。环境效益是工业废料（在这种情况下是粉煤灰和锯末）可以用来生产地质聚合物建筑材料，温室气体排放量相对最小。其次，社会可以从使用高质量的地质聚合物建筑材料中受益。第三，经济效益是，地质聚合物的生产成本比传统的同类产品更低，并且可以很容易地针对特定的建筑应用进行定制。建议在主要利益攸关方之间建立战略伙伴关系：生产绿色建筑材料前体废料的行业、学者和研究人员、建筑部门的行业领导者和政府。根据这种互惠的伙伴关系，前体废料可以由生产它们的行业供应给进行开发工作的研究人员。然后，可以与建筑行业领导者分享研究结果，以进行潜在的实施和商业化。在商业化之后，将需要稳定地投入前体废料政府可以为启动项目提供资金，并可以为需要绿色建筑材料的机构提供奖励。总的结论是，三重研究目标得到满足，从而支持的论点，地质聚合物是绿色建筑应用的有力竞争者。资金这项工作得到了南非科学和创新部（DSI）-科学和工业研究（CSIR）生物精炼研究联盟（合同编号：0188/2017）。竞争利益作者声明，他们没有