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

Résumé technique : Propriétés mécaniques et comportement contrainte-déformation d'un béton activé par voie alcaline incorporant des cendres volantes de MSWI frittées

Énoncé du problème
La production mondiale de déchets ménagers solides (MSW) est en pleine croissance, l'incinération servant de méthode de traitement primaire dans de nombreuses régions, particulièrement en Chine. Alors que les mâchefers sont fréquemment recyclés, les cendres volantes de MSWI sont classées comme déchets dangereux (HW18) en Chine en raison de leurs concentrations élevées en métaux lourds, dioxines et chlorures. Les méthodes actuelles de traitement inoffensif, telles que la solidification/stabilisation (S/S) avec du ciment, posent des risques environnementaux à long terme, tandis que les traitements par lavage et chauffage présentent des limites. Bien que le frittage soit une méthode efficace pour immobiliser les métaux lourds, l'utilisation de cendres volantes de MSWI frittées dans les matériaux de construction reste sous-explorée. Plus précisément, il existe un manque de recherche sur l'optimisation des proportions de mélange pour le béton activé par voie alcaline utilisant des cendres volantes de MSWI frittées comme remplacement partiel du ciment, et des données insuffisantes existent concernant leur comportement mécanique, leurs modes de rupture et leurs modèles constitutifs de contrainte-déformation sous compression uniaxiale.

Méthodologie
Cette étude a examiné les propriétés mécaniques et les mécanismes d'hydratation d'un béton activé par voie alcaline incorporant des cendres volantes de MSWI frittées et de la métakaolin (MK).

• Matériaux : Les cendres volantes brutes de MSWI ont été obtenues auprès d'une usine du Guangdong et prétraitées par frittage à haute température (1050 °C pendant 180 min) pour réduire la toxicité. Le système de liant consistait en du ciment P·O 42.5, des cendres volantes de MSWI frittées et de la MK, activés par une solution de silicate de sodium et de NaOH.
• Plan expérimental : Un plan de Box–Behnken (BBD) combiné à la méthodologie de surface de réponse (RSM) a été employé pour optimiser les proportions de mélange. Quatre facteurs ont été analysés à trois niveaux : l'équivalent alcalin (1–3 %), le rapport eau-liant (0,40–0,50), la teneur en cendres volantes de MSWI frittées (10–30 %) et la teneur en MK (10–30 %).
• Tests : Les éprouvettes ont été conservées pendant 28 jours. Les propriétés mécaniques, incluant la résistance à la traction par fendage et la résistance à la compression, ont été mesurées. Des essais de compression uniaxiale ont été menés à l'aide de dispositifs électro-hydrauliques à servomoteur équipés de la corrélation d'images numériques (DIC) pour surveiller la distribution des déformations et la propagation des fissures.
• Analyse microstructurale : Le mécanisme d'hydratation a été élucidé par microscopie électronique à balayage (SEM), diffraction des rayons X (XRD), spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) et analyse thermogravimétrique (TG-DTG).
• Modélisation constitutive : Sur la base d'expériences de facteurs exhaustives faisant varier les rapports eau-liant et la teneur en cendres volantes, un modèle constitutif de contrainte-déformation modifié a été développé et validé par rapport aux données expérimentales.

Résultats clés

• Proportion de mélange optimale : L'optimisation multi-objectifs a identifié le mélange optimal comme étant : 1 % d'équivalent alcalin, un rapport eau-liant de 0,42, une teneur en cendres volantes de MSWI frittées de 20 % et une teneur en MK de 20 %. Cette combinaison a produit une résistance à la traction par fendage prédite de 4,69 MPa et une résistance à la compression de 63,92 MPa. La vérification expérimentale a confirmé ces valeurs avec des erreurs inférieures à 5 %.
• Propriétés mécaniques :
  • Résistance : L'augmentation de l'équivalent alcalin a généralement réduit la résistance à la traction par fendage en raison de la solubilité contrainte des matières premières à des concentrations élevées. Bien que l'augmentation de la teneur en cendres volantes de MSWI frittées ait légèrement réduit la résistance à la compression, le béton a maintenu des résistances supérieures à 60 MPa même à 30 % de remplacement.
  • Mode de rupture : Sous compression uniaxiale, le béton a présenté une rupture de type cisaillement. L'incorporation de cend ashes volantes de MSWI frittées et de MK a retardé le développement des fissures, augmenté la contrainte de pic et amélioré le module d'élasticité, la ductilité et la capacité de dissipation d'énergie par rapport au béton ordinaire.
  • Microstructure : L'analyse SEM a révélé que l'équivalent alcalin de 1 % produisait une structure compacte avec un gel floculent, tandis que des niveaux d'alcali plus élevés conduisaient à de la Ca(OH)2 en forme de plaques et à une porosité accrue. Les cendres volantes de MSWI frittées ont agi comme une charge aux niveaux optimaux mais ont provoqué une agrégation et une porosité à une teneur de 30 %.
• Mécanisme d'hydratation : Les analyses XRD et FTIR ont identifié la formation de C-S-H, de C-A-S-H, de sel de Friedel et de riversideite. La présence de sel de Friedel indique la solidification efficace des ions chlorure. L'analyse TG-DTG a montré que des équivalents alcalins plus élevés augmentaient la teneur en Ca(OH)2, tandis que des rapports eau-liant plus élevés réduisaient la quantité de produits d'hydratation (C-(A)-S-H), impactant négativement la résistance.
• Modèle constitutif : Un modèle constitutif modifié a été établi, utilisant le modèle CEB-FIP pour la phase ascendante et un modèle Zhenhai Guo modifié pour la phase descendante. Le modèle incorpore le rapport eau-liant et la teneur en cendres volantes de MSWI frittées comme variables, démontrant une corrélation élevée ($R^2 > 0,99$) avec les courbes contrainte-déformation expérimentales. De plus, une nouvelle formule pour le module d'élasticité a été proposée pour tenir compte des variables spécifiques de ce type de béton.

Signification et revendications
Les auteurs affirment que cette recherche fournit une voie critique pour l'utilisation inoffensive des cendres volantes de MSWI dans la construction de « villes sans déchets ». En démontant que les cendres volantes de MSWI frittées peuvent être efficacement utilisées dans le béton activé par voie alcaline sans compromettre les performances mécaniques, l'étude répond à la fois aux défis de gestion environnementale et aux objectifs de réduction du carbone. Le développement d'un modèle constitutif de contrainte-déformation spécifique et d'une formule de module d'élasticité comble une lacune dans l'application technique de ce matériau, offrant une base théorique pour son adoption plus large dans la conception structurelle. L'étude conclut que le mélange optimisé facilite non seulement la réutilisation des déchets dangereux, mais améliore également la ductilité et la dissipation d'énergie du béton résultant, le rendant adapté aux applications d'ingénierie.