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

Sintesi Tecnica: Proprietà Meccaniche e Comportamento Sforzo-Deformazione di Calcestruzzo Attivato Alcalinamente Incorporante Ceneri Volanti MSWI Sinterizzate

Definizione del Problema
La generazione globale di rifiuti solidi urbani (MSW) è in aumento, con l'incenerimento che funge da metodo di trattamento primario in molte regioni, in particolare in Cina. Sebbene le ceneri di fondo siano frequentemente riciclate, le ceneri volanti MSWI sono classificate come rifiuti pericolosi (HW18) in Cina a causa delle alte concentrazioni di metalli pesanti, diossine e cloruri. Gli attuali metodi di trattamento innocuo, come la solidificazione/stabilizzazione (S/S) con cemento, pongono rischi ambientali a lungo termine, mentre i trattamenti di lavaggio e riscaldamento presentano dei limiti. Sebbene la sinterizzazione sia un metodo efficace per immobilizzare i metalli pesanti, l'utilizzo di ceneri volanti MSWI sinterizzate nei materiali da costruzione rimane ancora poco esplorato. Nello specifico, vi è una mancanza di ricerca sull'ottimizzazione delle proporzioni di miscela per calcestruzzi attivati alcalinamente utilizzando ceneri volanti MSWI sinterizzate come sostituto parziale del cemento, e esistono dati insufficienti riguardo al loro comportamento meccanico, ai modi di rottura e ai modelli costitutivi sforzo-deformazione sotto compressione uniassiale.

Metodologia
Questo studio ha investigato le proprietà meccaniche e i meccanismi di idratazione di un calcestruzzo attivato alcalinamente che incorpora ceneri volanti MSWI sinterizzate e metacaolino (MK).

• Materiali: Le ceneri volanti MSWI grezze sono state ottenute da un impianto nel Guangdong e pre-trattate tramite sinterizzazione ad alta temperatura (1050°C per 180 min) per ridurne la tossicità. Il sistema legante era costituito da cemento P·O 42.5, ceneri volanti MSWI sinterizzate e MK, attivati da una soluzione di silicato di sodio e NaOH.
• Disegno Sperimentale: È stato impiegato un disegno Box–Behnken (BBD) combinato con la Metodologia della Superficie di Risposta (RSM) per ottimizzare le proporzioni della miscela. Quattro fattori sono stati analizzati a tre livelli: equivalente alcalino (1–3%), rapporto acqua-legante (0.40–0.50), contenuto di ceneri volanti MSWI sinterizzate (10–30%) e contenuto di MK (10–30%).
• Test: I provini sono stati stagionati per 28 giorni. Sono state misurate le proprietà meccaniche, inclusi la resistenza a trazione diretta e la resistenza a compressione. Test di compressione uniassiale sono stati condotti utilizzando dispositivi elettro-idraulici a servocontrollo dotati di correlazione digitale delle immagini (DIC) per monitorare la distribuzione della deformazione e la propagazione delle crepe.
• Analisi Microstrutturale: Il meccanismo di idratazione è stato chiarito mediante microscopia elettronica a scansione (SEM), diffrazione a raggi X (XRD), spettroscopia infrarossa a trasformata di Fourier (FTIR) e analisi termogravimetrica (TG-DTG).
• Modellazione Costitutiva: Sulla base di esperimenti fattoriali completi variando i rapporti acqua-legante e il contenuto di ceneri volanti, è stato sviluppato un modello costitutivo sforzo-deformazione modificato e validato rispetto ai dati sperimentali.

Risultati Chiave

• Proporzione di Miscela Ottimale: L'ottimizzazione multi-obiettivo ha identificato la miscela ottimale come 1% di equivalente alcalino, 0.42 di rapporto acqua-legante, 20% di contenuto di ceneri volanti MSWI sinterizzate e 20% di contenuto di MK. Questa combinazione ha prodotto una resistenza a trazione diretta prevista di 4.69 MPa e una resistenza a compressione di 63.92 MPa. La verifica sperimentale ha confermato questi valori con errori inferiori al 5%.
• Proprietà Meccaniche:
  • Resistenza: L'aumento dell'equivalente alcalino ha generalmente ridotto la resistenza a trazione diretta a causa della solubilità limitata delle materie prime ad alte concentrazioni. Sebbene l'aumento del contenuto di ceneri volanti MSWI sinterizzate abbia ridotto leggermente la resistenza a compressione, il calcestruzzo ha mantenuto resistenze superiori a 60 MPa anche con una sostituzione del 30%.
  • Modo di Rottura: Sotto compressione uniassiale, il calcestruzzo ha esibito una rottura di tipo taglio. L'incorporazione di ceneri volanti MSWI sinterizzate e MK ha ritardato lo sviluppo delle crepe, aumentato lo sforzo di picco e migliorato il modulo elastico, la duttilità e la capacità di dissipazione dell'energia rispetto al calcestruzzo ordinario.
  • Microstruttura: L'analisi SEM ha rivelato che l'1% di equivalente alcalino produce una struttura compatta con gel flocculento, mentre livelli alcalini più elevati hanno portato a Ca(OH)2 a forma di piastra e a una maggiore porosità. Le ceneri volanti MSWI sinterizzate hanno agito come riempitivo ai livelli ottimali, ma hanno causato aggregazione e porosità con un contenuto del 30%.
• Meccanismo di Idratazione: Le analisi XRD e FTIR hanno identificato la formazione di C-S-H, C-A-S-H, sale di Friedel e riversite. La presenza di sale di Friedel indica l'efficace solidificazione degli ioni cloruro. L'analisi TG-DTG ha mostrato che l'aumento degli equivalenti alcalini ha aumentato il contenuto di Ca(OH)2, mentre l'aumento dei rapporti acqua-legante ha ridotto la quantità di prodotti di idratazione (C-(A)-S-H), influenzando negativamente la resistenza.
• Modello Costitutivo: È stato stabilito un modello costitutivo modificato, utilizzando il modello CEB-FIP per la fase ascendente e un modello modificato di Zhenhai Guo per la fase discendente. Il modello incorpora il rapporto acqua-legante e il contenuto di ceneri volanti MSWI sinterizzate come variabili, dimostrando un'alta correlazione ($R^2 > 0.99$) con le curve sforzo-deformazione sperimentali. Inoltre, è stata proposta una nuova formula per il modulo elastico per tenere conto delle variabili specifiche di questo tipo di calcestruzzo.

Significato e Rivendicazioni
Gli autori affermano che questa ricerca fornisce un percorso critico per l'utilizzo innocuo delle ceneri volanti MSWI nella costruzione di "città a rifiuti zero". Dimostrando che le ceneri volanti MSWI sinterizzate possono essere utilizzate efficacemente nel calcestruzzo attivato alcalinamente senza compromettere le prestazioni meccaniche, lo studio affronta sia le sfide della gestione ambientale che gli obiettivi di riduzione del carbonio. Lo sviluppo di un modello costitutivo sforzo-deformazione specifico e di una formula del modulo elastico colma una lacuna nell'applicazione ingegneristica di questo materiale, offrendo una base teorica per la sua più ampia adozione nella progettazione strutturale. Lo studio conclude che la miscela ottimizzata non solo facilita il riutilizzo di rifiuti pericolosi, ma migliora anche la duttilità e la dissipazione dell'energia del calcestruzzo risultante, rendendolo adatto ad applicazioni ingegneristiche.