Mechanical properties and stress-strain behavior of alkali-activated concrete incorporating sintered MSWI fly ash

ملخص تقني: الخصائص الميكانيكية وسلوك الإجهاد والانفعال للخرسانة المنشطة قلويًا التي تدمج رماد طيران MSWI الملبد

بيان المشكلة
يتزايد التوليد العالمي للنفايات الصلبة البلدية (MSW) عالميًا، حيث يعمل الحرق كوسيلة معالجة رئيسية في العديد من المناطق، لا سيما في الصين. وبينما يتم إعادة تدوير الرماد السفلي بشكل متكرر، يُصنف رماد طيران MSWI على أنه نفايات خطرة (HW18) في الصين نظرًا للتركيزات العالية من المعادن الثقيلة، والديوكسينات، والكلوريدات. وتفرض طرق المعالجة غير الضارة الحالية، مثل التصلب/التثبيت (S/S) باستخدام الأسمنت، مخاطر بيئية طويلة الأمد، بينما تواجه عمليات الغسيل والمعالجة الحرارية قيودًا. وعلى الرغم من أن التلبيد يعد طريقة فعالة لتثبيت المعادن الثقية، إلا أن استخدام رماد طيران MSWI الملبد في مواد البناء لا يزال غير مستكشف بشكل كافٍ. وتحديدًا، هناك نقص في الأبحاث المتعلقة بتحسين نسب الخلط للخرسانة المنشطة قلويًا باستخدام رماد طيران MSWI الملبد كبديل جزئي للأسمنت، كما توجد بيانات غير كافية فيما يتعلق بسلوكها الميكانيكي، وأنماط الفشل، ونماذج التكوين (constitutive models) للإجهاد والانفعال تحت الضغط أحادي المحور.

المنهجية
بحثت هذه الدراسة في الخصائص الميكانيكية وآليات التميؤ للخرسانة المنشطة قلويًا التي تدمج رماد طيران MSWI الملبد والميتاكاولين (MK).

• المواد: تم الحصول على رماد طيران MSWI الخام من مصنع في غوانغدونغ ومعالجته مسبقًا عبر التلبيد عالي الحرارة (1050 درجة مئوية لمدة 180 دقيقة) لتقليل السمية. تألف نظام الرابط من أسمنت P·O 42.5، ورماد طيران MSWI الملبد، وMK، المنشط بمحلول سيليكات الصوديوم وNaOH.
• التصميم التجريبي: تم استخدام تصميم Box–Behnken (BBD) مع منهجية سطح الاستجابة (RSM) لتحسين نسب الخلط. تم تحليل أربعة عوامل عند ثلاثة مستويات: المكافئ القلوي (1-3%)، نسبة الماء إلى الرابط (0.40-0.50)، محتوى رماد طيران MSWI الملبد (10-30%)، ومحتوى MK (10-30%).
• الاختبار: تم علاج العينات لمدة 28 يومًا. تم قياس الخصائص الميكانيكية، بما في ذلك مقاومة الشد الانشطاري ومقاومة الضغط. أُجريت اختبارات الضغط أحادي المحور باستخدام أجهزة كهروميكانيكية سيرفو مزودة بتقنية الارتباط الرقمي للصور (DIC) لمراقبة توزيع الانفعال وانتشار الشقوق.
• التحليل البنيوي الدقيق: تم توضيح آلية التميؤ باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح (SEM)، وحيود الأشعة السينية (XRD)، وتحويل فوريه للأشعة تحت الحمراء (FTIR)، وتحليل الوزن الحراري (TG-DTG).
• نمذجة التكوين: بناءً على تجارب العوامل الشاملة التي تباينت فيها نسب الماء إلى الرابط ومحتوى الرماد، تم تطوير نموذج تكوين إجهاد-انفعال معدل وتم التحقق من صحته مقابل البيانات التجريبية.

النتائج الرئيسية

• نسبة الخلط المثلى: حددت عملية التحسين متعدد الأهداف النسب المثلى وهي: 1% مكافئ قلوي، 0.42 نسبة الماء إلى الرابط، 20% محتوى رماد طيران MSWI الملبد، و20% محتوى MK. حققت هذه التركيبة مقاومة شد انشطاري متوقعة قدرها 4.69 ميجا باسكال ومقاومة ضغط قدرها 63.92 ميجا باسكال. وأكد التحقق التجريبي هذه القيم بأخطاء تقل عن 5%.
• الخصائص الميكانيكية:
  • المقاومة: أدى زيادة المكافئ القلوي عمومًا إلى تقليل مقاومة الشد الانشطري بسبب ذوبان المواد الخام المقيد عند التركيزات العالية. وبينما أدى زيادة محتوى رماد طيران MSWI الملبد إلى تقليل مقاومة الضغط قليلاً، حافظت الخرسانة على مستويات قوة فوق 60 ميجا باسكال حتى عند نسبة استبدال 30%.
  • نمط الفشل: تحت الضغط أحادي المحور، أظهرت الخرسانة فشلًا من النوع القصي. وقد أدى دمج رماد طيران MSWI الملبد وMK إلى تأخير تطور الشقوق، وزيادة ذروة الإجهاد، وتعزيز معامل المرونة، والمطيلية، وقدرة تبديد الطاقة مقارنة بالخرسانة العادية.
  • البنية الدقيقة: كشف تحليل SEM أن 1% مكافئ قلوي أنتج بنية متماسكة مع جل هلامي، بينما أدت مستويات القلويات الأعلى إلى ظهور Ca(OH)2 شريطي وزيادة المسامية. عمل رماد طيران MSWI الملبد كمادة مالئة عند المستويات المثلى، ولكنه تسبب في التكتل والمسامية عند محتوى 30%.
• آلية التميؤ: حددت تحليلات XRD وFTIR تشكل C-S-H، وC-A-S-H، وملح فريدل (Friedel's salt)، وريفيرسايت (riversideite). وأشار وجود ملح فريدل إلى التصلب الفعال لأيونات الكلوريد. وأظهر تحليل TG-DTG أن المكافئات القلوية الأعلى زادت من محتوى Ca(OH)2، بينما قللت نسب الماء إلى الرابط الأعلى من كمية نواتج التميؤ (C-(A)-S-H)، مما أثر سلبًا على المقاومة.
• نموذج التكوين: تم إنشاء نموذج تكوين معدل، باستخدام نموذج CEB-FIP للمرحلة الصاعدة ونموذج Zhenhai Guo المعدل للمرحلة الهابطة. تضمن النموذج نسبة الماء إلى الرابط ومحتوى رماد طيران MSWI كمتغيرات، وأظهر ارتباطًا عاليًا ($R^2 > 0.99$) مع منحنيات الإجهاد-الانفعال التجريبية. بالإضافة إلى ذلك، تم اقتراح صيغة جديدة لمعامل المرونة لتراعي المتغيرات المحددة لهذا النوع من الخرسانة.

الأهمية والادعاءات
يزعم المؤلفون أن هذا البحث يوفر مسارًا حاسمًا للاستخدام غير الضار لرماد طيران MSWI في بناء "مدن خالية من النفايات". ومن خلال إثبات إمكانية استخدام رماد طيران MSWI الملبد بفعالية في الخرسانة المنشطة قلويًا دون المساس بالأداء الميكاني، تعالج الدراسة تحديات الإدارة البيئية وأهداف خفض الكربون في آن واحد. إن تطوير نموذج تكوين إجهاد-انفعال محدد وصيغة معامل المرونة يسد فجوة في التطبيق الهندسي لهذه المادة، مما يوفر أساسًا نظريًا لاعتمادها على نطاق أوسع في التصميم الإنشائي. وتخلص الدراسة إلى أن الخليط الأمثل لا يسهل فقط إعادة استخدام النفايات الخطرة، بل يعزز أيضًا المطيلية وتبديد الطاقة للخرسانة الناتجة، مما يجعلها مناسبة للتطبيقات الهندسية.