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

Technische Zusammenfassung: Mechanische Eigenschaften und Spannungs-Dehnungs-Verhalten von alkalisch aktiviertem Beton unter Verwendung von gesinterter MSWI-Flugasche

Problemstellung
Das weltweite Aufkommen von Siedlungsabfällen (MSW) steigt an, wobei die Müllverbrennung in vielen Regionen, insbesondere in China, eine primäre Behandlungsmethode darstellt. Während Schlacke häufig recycelt wird, ist MSWI-Flugasche in China aufgrund hoher Konzentrationen an Schwermetallen, Dioxinen und Chloriden als gefährlicher Abfall (HW18) klassifiziert. Aktuelle Methoden zur unbedenklichen Behandlung, wie die Zementstabilisierung/-festigung (S/S), bergen langfristige Umweltrisiken, während Wasch- und Hitzebehandlungen Einschränkungen aufweisen. Obwohl Sintern eine effektive Methode zur Immobilisierung von Schwermetallen ist, bleibt die Nutzung von gesinterter MSWI-Flugasche in Baustoffen unteruntersucht. Insbesondere mangelt es an Forschung zur Optimierung der Mischungsverhältnisse für alkalisch aktiverten Beton unter Verwendung von gesinterter MSWI-Flugasche als teilweisen Zementersatz, und es existieren unzureichende Daten bezüglich des mechanischen Verhaltens, der Versagensmodi und der Spannungs-Dehnungs-Konstitutivmodelle unter uniaxialer Kompression.

Methodik
Diese Studie untersuchte die mechanischen Eigenschaften und Hydratationsmechanismen von alkalisch aktiviertem Beton unter Einbeziehung von gesinterter MSWI-Flugasche und Metakaolin (MK).

• Materialien: Die rohe MSWI-Flugasche wurde aus einem Werk in Guangdong bezogen und durch Hochtemperatur-Sintern (1050 °C für 180 Min.) vorbehandelt, um die Toxizität zu reduzieren. Das Bindemittelsystem bestand aus P·O 42,5-Zement, gesinterter MSWI-Flugasche und MK, aktiviert durch eine Natriumsilikat- und NaOH-Lösung.
• Versuchsplanung: Ein Box–Behnken-Design (BBD) in Kombination mit der Response Surface Methodology (RSM) wurde eingesetzt, um die Mischungsverhältnisse zu optimieren. Vier Faktoren wurden auf drei Niveaus analysiert: Äquivalent der Alkalität (1–3 %), Wasser-Bindemittel-Wert (0,40–0,50), Gehalt an gesinterter MSWI-Flugasche (10–30 %) und MK-Gehalt (10–30 %).
• Testung: Die Proben wurden 28 Tage lang ausgehärtet. Die mechanischen Eigenschaften, einschließlich der Spaltzugfestigkeit und Druckfestigkeit, wurden gemessen. Uniaxiale Kompressionstests wurden unter Verwendung elektrohydraulischer Servogeräte durchgeführt, die mit digitaler Bildkorrelation (DIC) ausgestattet waren, um die Spannungsverteilung und Rissausbreitung zu überwachen.
• Mikrostrukturelle Analyse: Der Hydratationsmechanismus wurde mittels Rasterelektronenmikroskopie (SEM), Röntgendiffraktometrie (XRD), Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie (FTIR) und thermogravimetrischer Analyse (TG-DTG) aufgeklärt.
• Konstitutivmodellierung: Basierend auf umfassenden Versuchsreihen zur Variation der Wasser-Bindemittel-Werte und des Flugaschegehalts wurde ein modifiziertes Spannungs-Dehnungs-Konstitutivmodell entwickelt und gegen experimentelle Daten validiert.

Hauptergebnisse

• Optimales Mischungsverhältnis: Die Mehrzieloptimierung identifizierte das optimale Mischungsverhältnis als 1 % Äquivalent der Alkalität, 0,42 Wasser-Bindemittel-Wert, 20 % Gehalt an gesinterter MSWI-Flugasche und 20 % MK-Gehalt. Diese Kombination ergab eine vorhergesagte Spaltzugfestigkeit von 4,69 MPa und eine Druckfestigkeit von 63,92 MPa. Die experimentelle Verifizierung bestätigte diese Werte mit Fehlern von weniger als 5 %.
• Mechanische Eigenschaften:
  • Festigkeit: Eine Erhöhung des Äquivalents der Alkalität reduzierte generell die Spaltzugfestigkeit aufgrund der eingeschränkten Löslichkeit der Rohstoffe bei hohen Konzentrationen. Während eine Erhöhung des Gehalts an gesinterter MSWI-Flugasche die Druckfestigkeit leicht reduzierte, behielt der Beton selbst bei einem Ersatz von 30 % Festigkeiten über 60 MPa bei.
  • Versagensmodus: Unter uniaxialer Kompression zeigte der Beton ein Schervariationsversagen. Die Einbindung von gesinterter MSWI-Flugasche und MK verzögerte die Rissentwicklung, erhöhte die Spitzenfestigkeit und verbesserte den Elastizitätsmodul, die Duktilität und die Energiedissipationskapazität im Vergleich zu normalem Beton.
  • Mikrostruktur: Die SEM-Analyse zeigte, dass ein Äquivalent der Alkalität von 1 % eine kompakte Struktur mit flockigem Gel erzeugte, während höhere Alkalitätswerte zu plattenförmigem Ca(OH)₂ und erhöhter Porosität führten. Gesinterte MSWI-Flugasche fungierte bei optimalen Mengen als Füllstoff, verursachte jedoch bei einem Gehalt von 30 % Aggregation und Porosität.
• Hydratationsmechanismus: XRD- und FTIR-Analysen identifizierten die Bildung von C-S-H, C-A-S-H, Friedel'scher Salz und Riversideit. Das Vorhandensein von Friedel'schem Salz deutete auf eine effektive Immobilisierung von Chloridionen hin. Die TG-DTG-Analyse zeigte, dass höhere Äquivalente der Alkalität den Ca(OH)₂-Gehalt erhöhten, während höhere Wasser-Bindemittel-Werte die Menge der Hydratationsprodukte (C-(A)-S-H) reduzierten, was die Festigkeit negativ beeinflusste.
• Konstitutivmodell: Ein modifiziertes Konstitutivmodell wurde erstellt, welches das CEB-FIP-Modell für die ansteigende Phase und ein modifiziertes Zhenhai-Guo-Modell für die abfallende Phase nutzt. Das Modell integrierte den Wasser-Bindemittel-Wert und den Gehalt an gesinterter MSз-Flugasche als Variablen und zeigte eine hohe Korrelation ($R^2 > 0,99$) mit den experimentellen Spannungs-Dehnungs-Kurven. Zusätzlich wurde eine neue Formel für den Elastizitätsmodul vorgeschlagen, um die spezifischen Variablen dieses Betontyps zu berücksichtigen.

Bedeutung und Ansprüche
Die Autoren behaupten, dass diese Forschung einen entscheidenden Weg für die unbedenkliche Nutzung von MSWI-Flugasche im Bau von „abfallfreien Städten“ bietet. Durch den Nachweis, dass gesinterte MSWI-Flugasche effektiv in alkalisch aktiviertem Beton verwendet werden kann, ohne die mechanische Leistung zu beeinträchtigen, adressiert die Studie sowohl ökologische Managementherausforderungen als auch Ziele der Kohlenstoffreduktion. Die Entwicklung eines spezifischen Spannungs-Dehnungs-Konstitutivmodells und einer Elastizitätsmodul-Formel schließt eine Lücke in der technischen Anwendung dieses Materials und bietet eine theoretische Basis für deren breitere Einführung in das Strukturdesign. Die Studie kommt zu dem Schluss, dass das optimierte Mischungsverhältnis nicht nur die Wiederverwendung von gefährlichen Abfällen erleichtert, sondern auch die Duktilität und Energiedissipation des resultierenden Betons verbessert, wodurch er für technische Anwendungen geeignet ist.