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

技術要約：焼結MSWI飛灰を混入したアルカリ活性コンクリートの機械的特性および応力-ひずみ挙動

問題提起
世界的な都市固形廃棄物（MSW）の発生量は増加しており、特に中国などの地域では、焼却が主要な処理方法となっています。底灰は頻繁にリサイクルされますが、MSWI（都市固形廃棄物焼却炉）飛灰は、重金属、ダイオキシン、塩化物の高濃度含有により、中国では有害廃棄物（HW18）に分類されます。セメントを用いた固化・安定化（S/S）などの現在の無害化処理法は長期的な環境リスクを伴い、洗浄や加熱処理には限界があります。焼結は重金属を固定化するための有効な手法ですが、焼結MSWI飛灰を建設資材として利用することに関する研究は未だ十分に探索されていません。具体的には、焼結MSWI飛灰をセメントの部分置換材として用いたアルカリ活性コンクリートの配合比の最適化に関する研究や、一軸圧縮下における機械的挙動、破壊モード、および応力-ひずみ構成モデルに関するデータが不足しています。

研究手法
本研究では、焼結MSWI飛灰とメタカオリン（MK）を混入したアルカリ活性コンクリートの機械的特性および水和メカニズムを調査しました。

• 材料： 未処理のMSWI飛灰は広東省の工場から入手し、毒性を低減するために高温焼結（1050°C、180分間）による前処理を行いました。結合材システムは、P·O 42.5セメント、焼結MSWI飛材、およびMKで構成され、ケイ酸ナトリウムおよびNaOH溶液によって活性化されました。
• 実験計画： 反応曲面法（RSM）を組み合わせたボックス・ベンケン設計（BBD）を用いて、配合比の最適化を行いました。4つの因子を3つの水準で分析しました：アルカリ当量（1–3%）、水結合材比（0.40–0.50）、焼結MSWI飛灰含有量（10–30%）、およびMK含有量（10–30%）。
• 試験： 供試体は28日間養生しました。割裂引張強度および圧縮強度を含む機械的特性を測定しました。一軸圧縮試験は、デジタル画像相関法（DIC）を備えた電気油圧サーボ装置を用いて実施し、ひずみ分布と亀裂進展をモニタリングしました。
• 微細構造解析： 水和メカニズムは、走査電子顕微鏡（SEM）、X線回折（XRD）、フーリエ変換赤外分光法（FTIR）、および熱重量測定・示差熱分析（TG-DTG）を用いて解明されました。
• 構成モデリング： 水結合材比と飛灰含有量を変化させた包括的な因子実験に基づき、修正応力-ひずみ構成モデルを開発し、実験データに対して検証を行いました。

主な結果

• 最適配合： 多目的最適化により、最適な配合はアルカリ当量1%、水結合材比0.42、焼結MSWI飛灰含有量20%、およびMK含有量20%であると特定されました。この組み合わせにより、予測される割裂引張強度は4.69 MPa、圧縮強度は63.92 MPaとなりました。実験による検証では、これらの値との誤差は5%未満でした。
• 機械的特性：
  • 強度： アルカリ当量が増加すると、原料の溶解性が高濃度で制約されるため、一般に割裂引張強度は低下しました。焼結MSWI飛灰の含有量が増加すると圧縮強度はわずかに低下しましたが、コンクリートは30%の置換においても60 MPa以上の強度を維持しました。
  • 破壊モード： 一軸圧縮下において、コンクリートはせん断型破壊を示しました。焼結MSWI飛灰とMKの混入は、通常のコンクリートと比較して、亀裂の発達を遅らせ、ピーク応力を高め、弾性係数、延性、およびエネルギー散逸能力を向上させました。
  • 微細構造： SEM分析により、アルカリ当量1%では凝集したゲルを伴う緻密な構造が得られましたが、より高いアルカリレベルでは板状のCa(OH)2が生じ、空隙が増加することが明らかになりました。焼結MSWI飛灰は、最適なレベルでは充填材として機能しましたが、30%の含有量では凝集と空隙の原因となりました。
• 水和メカニズム： XRDおよびFTIR分析により、C-S-H、C-A-S-H、フリーデル塩、およびリバーサイトの形成が確認されました。フリーデル塩の存在は、塩化物イオンの効果的な固化を示しています。TG-DTG分析では、アルカリ当量が高いほどCa(OH)2の含有量が増加し、水結合材比が高いほど水和生成物（C-(A)-S-H）の量が減少し、強度が低下することが示されました。
• 構成モデル： 上昇段階にはCEB-FIPモデルを、下降段階には修正されたZhenhai Guoモデルを用いた、修正構成モデルが確立されました。このモデルには水結合材比と焼結MSWI飛灰含有量が変数として組み込まれており、実験的な応力-ひずみ曲線に対して高い相関（$R^2 > 0.99$）を示しました。さらに、このタイプのコンクリート特有の変数を考慮した、弾性係数の新しい公式が提案されました。

意義および主張
著者らは、本研究が「廃棄物ゼロ都市」の建設におけるMSWI飛灰の無害な利用のための重要な経路を提供すると主張しています。焼結MSWI飛灰が機械的性能を損なうことなくアルカリ活性コンクリートに効果的に使用できることを示すことで、本研究は環境管理上の課題とカーボン削減目標の両方に対処しています。特定の応力-ひずみ構成モデルおよび弾性係数の公式の開発は、この材料の工学的応用に欠落していた部分を埋めるものであり、構造設計への幅広い採用のための理論的根拠を提供します。研究の結論として、最適化された配合は、有害廃棄物の再利用を促進するだけでなく、得られるコンクリートの延性とエネルギー散逸能力を高め、エンジニアリング用途に適したものにすると述べています。