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

तकनीकी सारांश: सिंटरड MSWI फ्लाई ऐश युक्त क्षारीय-सक्रिय कंक्रीट के यांत्रिक गुण और प्रतिबल-विकृति व्यवहार

समस्या विवरण
नगरपालिका ठोस अपशिष्ट (MSW) का वैश्विक उत्पादन तेजी से बढ़ रहा है, जिसमें भस्मीकरण (incineration) कई क्षेत्रों में, विशेष रूपकर चीन में, एक प्राथमिक उपचार पद्धति के रूप में कार्य कर रहा है। जबकि बॉटम ऐश का पुनर्चक्रण अक्सर किया जाता है, MSWI फ्लाई ऐश को चीन में भारी धातुओं, डाइऑक्सिन और क्लोराइड्स की उच्च सांद्रता के कारण खतरनाक अपशिष्ट (HW18) के रूप में वर्गीकृत किया गया है। वर्तमान हानिरहित उपचार विधियाँ, जैसे कि सीमेंट के साथ स्थिरीकरण/सुदृढ़ीकरण (S/S), दीर्घकालिक पर्यावरणीय जोखिम पैदा करती हैं, जबकि धोने और गर्म करने वाली उपचार विधियों की सीमाएँ हैं। हालांकि सिंटरिंग (sintering) भारी धातुओं को स्थिर करने के लिए एक प्रभावी विधि है, लेकिन निर्माण सामग्री में सिंटरड MSWI फ्लाई ऐश के उपयोग पर शोध अभी भी अपर्याप्त है। विशेष रूप से, सिंटरड MSWI फ्लाई ऐश का आंशिक सीमेंट प्रतिस्थापन के रूप में उपयोग करके क्षारीय-सक्रिय कंक्रीट के मिश्रण अनुपातों को अनुकूलित करने पर शोध की कमी है, और इसके यांत्रिक व्यवहार, विफलता मोड और अक्षीय संपीड़न (uniaxial compression) के तहत प्रतिबल-विकृति संरचनात्मक मॉडल (stress-strain constitutive models) के संबंध में पर्याप्त डेटा मौजूद नहीं है।

कार्यप्रणाली
इस अध्ययन में सिंटरड MSWI फ्लाई ऐश और मेटाकाओलिन (MK) को शामिल करने वाले क्षारीय-सक्रिय कंक्रीट के यांत्रिक गुणों और हाइड्रेशन तंत्र की जांच की गई।

• सामग्री: कच्चा MSWI फ्लाई ऐश ग्वांगडोंग के एक संयंत्र से प्राप्त किया गया था और विषाक्तता को कम करने के लिए उच्च तापमान सिंटरिंग (1050°C, 180 मिनट के लिए) के माध्यम से पूर्व-उपचारित किया गया था। बाइंडर सिस्टम में P·O 42.5 सीमेंट, सिंटरड MSWI फ्लाई ऐश और MK शामिल थे, जिन्हें सोडियम सिलिकेट और NaOH समाधान द्वारा सक्रिय किया गया था।
• प्रायोगिक डिजाइन: मिश्रण अनुपातों को अनुकूलित करने के लिए रिस्पॉन्स सरफेस मेथोडोलॉजी (RSM) के साथ बॉक्स-बीहनकेन डिजाइन (BBD) का उपयोग किया गया। चार कारकों का तीन स्तरों पर विश्लेषण किया गया: क्षारीय तुल्यता (1–3%), जल-बाइंडर अनुपात (0.40–0.50), सिंटरड MSWI फ्लाई ऐश सामग्री (10–30%), और MK सामग्री (10–30%)।
• परीक्षण: नमूनों को 28 दिनों तक क्यूर (cure) किया गया। स्प्लिटिंग टेंसाइल और कंप्रेसिव स्ट्रेंथ सहित यांत्रिक गुणों को मापा गया। डिजिटल इमेज कोरिलेशन (DIC) से लैस इलेक्ट्रो-हाइड्रोलिक सर्वो उपकरणों का उपयोग करके अक्षीय संपीड़न परीक्षण किए गए ताकि विकृति वितरण और दरार प्रसार की निगरानी की जा सके।
• सूक्ष्म संरचनात्मक विश्लेषण: हाइड्रेशन तंत्र को स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (SEM), एक्स-रे विवर्तन (XRD), फूरियर ट्रांसफॉर्म इंफ्रारेड स्पेक्ट्रोस्कोपी (FTIR), और थर्मोग्रैविमेट्रिक (TG-DTG) विश्लेषण का उपयोग करके स्पष्ट किया गया।
• संरचनात्मक मॉडलिंग (Constitutive Modeling): विभिन्न जल-बाइंडर अनुपात और फ्लाई ऐश सामग्री वाले व्यापक कारक प्रयोगों के आधार पर, एक संशोधित प्रतिबल-विकृति संरचनात्मक मॉडल विकसित किया गया और प्रायोगिक डेटा के विरुद्ध इसे सत्यापित किया गया।

मुख्य परिणाम

• इष्टतम मिश्रण अनुपात: बहु-उद्देश्यीय अनुकूलन ने इष्टतम मिश्रण की पहचान की: 1% क्षारीय तुल्यता, 0.42 जल-बाइंडर अनुपात, 20% सिंटरड MSWI फ्लाई ऐश सामग्री, और 20% MK सामग्री। इस संयोजन ने 4.69 MPa की अनुमानित स्प्लिटिंग टेंसाइल स्ट्रेंथ और 63.92 MPa की कंप्रेसिव स्ट्रेंथ प्रदान की। प्रायोगिक सत्यापन ने इन मानों की पुष्टि की, जिसमें त्रुटि 5% से कम थी।
• यांत्रिक गुण:
  • स्ट्रेंथ: क्षारीय तुल्यता बढ़ाने से आम तौर पर स्प्लिटिंग टेंसाइल स्ट्रेंथ कम हो जाती है क्योंकि उच्च सांद्रता पर कच्चे माल की घुलनशीलता सीमित हो जाती है। जबकि सिंटरड MSWI फ्लाई ऐश की मात्रा बढ़ाने से कंप्रेसिव स्ट्रेंथ में मामूली कमी आई, कंक्रीट ने 30% प्रतिस्थापन पर भी 60 MPa से अधिक स्ट्रेंथ बनाए रखी।
  • विफलता मोड (Failure Mode): अक्षीय संपीड़न के तहत, कंक्रीट ने 'शीयर-टाइप' विफलता प्रदर्शित की। साधारण कंक्रीट की तुलना में सिंटरड MSWI फ्लाई ऐश और MK के समावेश ने दरार के विकास को विलंबित किया, पीक स्ट्रेस को बढ़ाया और इलास्टिक मॉड्यूलस, डक्टिलिटी (लचीलापन) तथा ऊर्जा अपव्यय क्षमता (energy dissipation capacity) में वृद्धि की।
  • सूक्ष्म संरचना: SEM विश्लेषण ने दिखाया कि 1% क्षारीय तुल्यता ने फ्लोकुलेंट जेल के साथ एक सघन संरचना बनाई, जबकि उच्च क्षारीय स्तरों ने प्लेट जैसी Ca(OH)2 संरचना और बढ़ी हुई सरंध्रता (porosity) को जन्म दिया। इष्टतम स्तरों पर सिंटरड MSWI फ्लाई ऐश एक फिलर के रूप में कार्य करता है, लेकिन 30% सामग्री पर यह एकत्रीकरण (aggregation) और सरंध्रता का कारण बनता है।
• हाइड्रेशन तंत्र: XRD और FTIR विश्लेषणों ने C-S-H, C-A-S-H, फ्रिडेल साल्ट (Friedel's salt) और रिवरसाइट (riversideite) के निर्माण की पहचान की। फ्रिडेल साल्ट की उपस्थिति क्लोराइड आयनों के प्रभावी स्थिरीकरण को दर्शाती है। TG-DTG विश्लेषण ने दिखाया कि उच्च क्षारीय तुल्यता ने Ca(OH)2 की मात्रा बढ़ा दी, जबकि उच्च जल-बाइंडर अनुपात ने हाइड्रेशन उत्पादों (C-(A)-S-H) की मात्रा को कम कर दिया, जिससे स्ट्रेंथ पर नकारात्मक प्रभाव पड़ा।
• संरचनात्मक मॉडल: एक संशोधित संरचनात्मक मॉडल स्थापित किया गया, जिसमें आरोही चरण (ascending stage) के लिए CEB-FIP मॉडल और अवरोही चरण (descending stage) के लिए एक संशोधित ज़ेनहाई गुओ (Zhenhai Guo) मॉडल का उपयोग किया गया। मॉडल में जल-बाइंडर अनुपात और सिंटरड MSWI फ्लाई ऐश सामग्री को चरों (variables) के रूप में शामिल किया गया, जिसने प्रायोगिक प्रतिबल-विकृति वक्रों के साथ उच्च सहसंबंध ($R^2 > 0.99$) प्रदर्शित किया। इसके अतिरिक्त, इस प्रकार के कंक्रीट के विशिष्ट चरों को ध्यान में रखते हुए इलास्टिक मॉड्यूलस के लिए एक नया सूत्र प्रस्तावित किया गया।

महत्व और दावे
लेखकों का दावा है कि यह शोध "अपशिष्ट-मुक्त शहरों" के निर्माण में MSWI फ्लाई ऐश के हानिरहित उपयोग के लिए एक महत्वपूर्ण मार्ग प्रदान करता है। यह प्रदर्शित करके कि सिंटरड MSWI फ्लाई ऐश को यांत्रिक प्रदर्शन से समझौता किए बिना क्षारीय-सक्रिय कंक्रीट में प्रभावी ढंग से उपयोग किया जा सकता है, यह अध्ययन पर्यावरणीय प्रबंधन चुनौतियों और कार्बन न्यूनीकरण लक्ष्यों, दोनों को संबोधित करता है। एक विशिष्ट प्रतिबल-विकृति संरचनात्मक मॉडल और इलास्टिक मॉड्यूलस सूत्र का विकास इस सामग्री के इंजीनियरिंग अनुप्रयोग में मौजूद अंतर को भरता है, जो इसके व्यापक उपयोग के लिए एक सैद्धांतिक आधार प्रदान करता है। अध्ययन निष्कर्ष निकालता है कि अनुकूलित मिश्रण न केवल खतरनाक अपशिष्ट के पुन: उपयोग को सुगम बनाता है, बल्कि परिणामी कंक्रीट की डक्टिलिटी और ऊर्जा अपव्यय क्षमता को भी बढ़ाता है, जिससे यह इंजीनियरिंग अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त बनता है।