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

Resumen Técnico: Propiedades Mecánicas y Comportamiento Esfuerzo-Deformación de Concreto Alcalino-Activado que Incorpora Ceniza Volante de MSWI Sinterizada

Planteamiento del Problema
La generación global de residuos sólidos urbanos (MSW) está aumentando, y la incineración sirve como un método de tratamiento primario en muchas regiones, particularmente en China. Mientras que las cenizas de fondo son frecuentemente recicladas, la ceniza volante de MSWI es clasificada como residuo peligroso (HW18) en China debido a las altas concentraciones de metales pesados, dioxinas y cloruros. Los métodos actuales de tratamiento inocuo, tales como la solidificación/estabilización (S/S) con cemento, plantean riesgos ambientales a largo plazo, mientras que los tratamientos de lavado y calentamiento presentan limitaciones. Aunque la sinterización es un método efectivo para inmovilizar metales pesados, la utilización de ceniza volante de MSWI sinterizada en materiales de construcción sigue estando poco explorada. Específicamente, existe una falta de investigación sobre la optimización de las proporciones de mezcla para el concreto alcalino-activado utilizando ceniza volante de MSWI sinterizada como un reemplazo parcial del cemento, y existen datos insuficientes respecto a su comportamiento mecánico, modos de falla y modelos constitutivos de esfuerzo-deformación bajo compresión uniaxial.

Metodología
Este estudio investigó las propiedades mecánicas y los mecanismos de hidratación del concreto alcalino-activado que incorpora ceniza volante de MSWI sinterizada y metacaolín (MK).

• Materiales: La ceniza volante de MSWI bruta se obtuvo de una planta en Guangdong y fue pretratada mediante sinterización a alta temperatura (1050 °C durante 180 min) para reducir la toxicidad. El sistema ligante consistió en cemento P·O 42.5, ceniza volante de MSWI sinterizada y MK, activados por una solución de silicato de sodio y NaOH.
• Diseño Experimental: Se empleó un diseño Box–Behnken (BBD) combinado con la Metodología de Superficie de Respuesta (RSM) para optimizar las proporciones de la mezcla. Se analizaron cuatro factores en tres niveles: equivalente alcalino (1–3%), relación agua-ligante (0.40–0.50), contenido de ceniza volante de MSWI sinterizada (10–30%) y contenido de MK (10–30%).
• Pruebas: Los especímenes fueron curados durante 28 días. Las propiedades mecánicas, incluyendo la resistencia a la tracción por división y la resistencia a la compresión, fueron medidas. Se realizaron pruebas de compresión uniaxial utilizando dispositivos electrohidráulicos de servicio con correlación de imagen digital (DIC) para monitorear la distribución de la deformación y la propagación de grietas.
• Análisis Microestructural: El mecanismo de hidratación se elucidó mediante Microscopía Electrónica de Barrido (SEM), Difracción de Rayos X (XRD), Espectroscopía de Transformada de Fourier (FTIR) y análisis Termogravimétrico (TG-DTG).
• Modelado Constitutivo: Basándose en experimentos de factores integrales variando las relaciones agua-ligante y el contenido de ceniza volante, se desarrolló y validó un modelo constitutivo de esfuerzo-deformación modificado frente a los datos experimentales.

Resultos Clave

• Proporción de Mezcla Óptima: La optimización multiobjetivo identificó la mezcla óptima como 1% de equivalente alcalino, 0.42 de relación agua-ligante, 20% de contenido de ceniza volante de MSWI sinterizada y 20% de contenido de MK. Esta combinación produjo una resistencia a la tracción por división predicha de 4.69 MPa y una resistencia a la compresión de 63.92 MPa. La verificación experimental confirmó estos valores con errores menores al 5%.
• Propiedades Mecánicas:
  • Resistencia: El aumento del equivalente alcalino generalmente redujo la resistencia a la tracción por división debido a la solubilidad restringida de las materias primas en concentraciones altas. Si bien el aumento del contenido de ceniza volante de MSWI sinterizada redujo ligeramente la resistencia a la compresión, el concreto mantuvo resistencias superiores a 60 MPa incluso con un 30% de reemplazo.
  • Modo de Falla: Bajo compresión uniaxial, el concreto exhibió una falla de tipo cortante. La incorporación de ceniza volante de MSWI sinterizada y MK retrasó el desarrollo de grietas, aumentó el esfuerzo pico y mejoró el módulo elástico, la ductilidad y la capacidad de disipación de energía en comparación con el concreto ordinario.
  • Microestructura: El análisis SEM reveló que el 1% de equivalente alcalino produjo una estructura compacta con gel floculento, mientras que niveles alcalinos más altos condujeron a Ca(OH)2 en forma de placas y un aumento de la porosidad. La ceniza volante de MSWI sinterizada actuó como relleno en niveles óptimos, pero causó agregación y porosidad con un contenido del 30%.
• Mecanismo de Hidratación: Los análisis de XRD y FTIR identificaron la formación de C-S-H, C-A-S-H, sal de Friedel y riversideíta. La presencia de sal de Friedel indicó la solidificación efectiva de los iones de cloruro. El análisis TG-DTG mostró que mayores equivalentes alcalinos aumentaron el contenido de Ca(OH)2, mientras que mayores relaciones agua-ligante redujeron la cantidad de productos de hidratación (C-(A)-S-H), impactando negativamente la resistencia.
• Modelo Constitutivo: Se estableció un modelo constitutivo modificado, utilizando el modelo CEB-FIP para la etapa ascendente y un modelo de Zhenhai Guo modificado para la etapa descendente. El modelo incorporó la relación agua-ligante y el contenido de ceniza volante de MSWI sinterizada como variables, demostrando una alta correlación ($R^2 > 0.99$) con las curvas de esfuerzo-deformación experimentales. Además, se propuso una nueva fórmula para el módulo elástico para considerar las variables específicas de este tipo de concreto.

Significancia y Reivindicaciones
Los autores afirman que esta investigación proporciona una vía crítica para la utilización inocua de la ceniza volante de MSWI en la construcción de "ciudades libres de residuos". Al demostrar que la cenilla volante de MSWI sinterizada puede utilizarse eficazmente en el concreto alcalino-activado sin comprometer el desempeño mecánico, el estudio aborda tanto los desafíos de gestión ambiental como los objetivos de reducción de carbono. El desarrollo de un modelo de esfuerzo-deformación y una fórmula de módulo elástico específicos llena un vacío en la aplicación de ingeniería de este material, ofreciendo una base teórica para su adopción más amplia en el diseño estructural. El estudio concluye que la mezcla optimizada no solo facilita la reutilización de residuos peligrosos, sino que también mejora la ductilidad y la disipación de energía del concreto resultante, haciéndolo adecuado para aplicaciones de ingeniería.