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

Technische Samenvatting: Mechanische Eigenschappen en Spanning-Rekgedrag van Alkali-geactiveerd Beton met Gesinterde MSWI-vliegas

Probleemstelling
De wereldwijde generatie van stedelijk afval (MSW) neemt toe, waarbij verbranding een primaire behandelingsmethode is in veel regio's, met name in China. Terwijl bodemas vaak wordt gerecycled, wordt MSWI-vliegas in China geclassificeerd als gevaarlijk afval (HW18) vanwege de hoge concentraties zware metalen, dioxinen en chloriden. Huidige schadeloze behandelingsmethoden, zoals solidificatie/stabilisatie (S/S) met cement, vormen langetermijnrisico's voor het milieu, terwijl was- en verhittingstrajecten beperkingen hebben. Hoewel sinteren een effectieve methode is voor de immobilisatie van zware metalen, blijft het gebruik van gesinterde MSWI-vliegas in bouwmaterialen onderbelicht. Specifiek is er een gebrek aan onderzoek naar het optimaliseren van mengverhoudingen voor alkali-geactiveerd beton waarbij gesinterde MSWI-vliegas wordt gebruikt als een gedeeltelijke vervanging van cement, en zijn er onvoldoende gegevens over het mechanische gedrag, de faalmodi en de spanning-rek constitutieve modellen onder uniaxiale compressie.

Methodologie
Deze studie onderzocht de mechanische eigenschappen en hydratatiemechanismen van alkali-geactiveerd beton waarin gesinterde MSWI-vliegas en metakaolien (MK) zijn opgenomen.

• Materialen: Ruwe MSWI-vliegas werd verkregen van een fabriek in Guangdong en voorbehandeld via hoogtemperatuursintering (1050°C gedurende 180 min) om de toxiciteit te verminderen. Het bindmiddelsysteem bestond uit P·O 42.5 cement, gesinterde MSWI-vliegas en MK, geactiveerd door een natriumsilicaat- en NaOH-oplossing.
• Experimenteel ontwerp: Een Box–Behnken-ontwerp (BBD) gecombineerd met de Response Surface Methodology (RSM) werd toegepast om de mengverhoudingen te optimaliseren. Vier factoren werden geanalyseerd op drie niveaus: alkali-equivalent (1–3%), water-bindmiddelratio (0,40–0,50), gehalte aan gesinterde MSWI-vliegas (10–30%) en MK-gehalte (10–30%).
• Testen: Monsters werden 28 dagen uitgehard. Mechanische eigenschappen, waaronder treksterkte bij splitsing en druksterkte, werden gemeten. Uniaxiale compressietests werden uitgevoerd met elektro-hydraulische servodevices uitgerust met digitale beeldcorrelatie (DIC) om de rekverdeling en scheurvoortplanting te monitoren.
• Microstructuuranalyse: Het hydratatiemechanisme werd toegelicht met behulp van Scanning Elektronen Microscoop (SEM), Röntgen diffractie (XRD), Fourier-transformatie infraroodspectroscopie (FTIR) en Thermogravimetrische analyse (TG-DTG).
• Constitutief Model: Op basis van uitgebreide experimenten variërend in water-bindmiddelratio en vliegasgehalte, werd een gemodificeerd spanning-rek constitutief model ontwikkeld en gevalideerd tegen experimentele gegevens.

Belangrijkste Resultaten

• Optimale Mengverhouding: Multi-objectieve optimalisatie identificeerde de optimale mix als 1% alkali-equivalent, 0,42 water-bindmiddelratio, 20% gehalte aan gesinterde MSWI-vliegas en 20% MK-gehalte. Deze combinatie leverde een voorspelde treksterkte bij splitsing van 4,69 MPa en een druksterkte van 63,92 MPa op. Experimentele verificatie bevestigde deze waarden met fouten kleiner dan 5%.
• Mechanische Eigenschappen:
  • Sterkte: Het verhogen van het alkali-equivalent verminderde over het algemeen de treksterkte bij splitsing vanwege de beperkte oplosbaarheid van grondstoffen bij hoge concentraties. Hoewel het verhogen van het gehalte aan gesinterde MSWI-vliegas de druksterkte licht verminderde, behield het beton sterktes boven de 60 MPa zelfs bij een vervanging van 30%.
  • Faalmodus: Onder uniaxiale compressie vertoonde het beton een breuktype door afschuiving (shear-type failure). De opname van gesinterde MSWI-vliegas en MK vertraagde de scheurvorming, verhoogde de piekspanning en verbeterde de elasticiteitsmodulus, ductiliteit en het energieabsorptievermogen vergeleken met gewoon beton.
  • Microstructuur: SEM-analyse toonde aan dat een alkali-equivalent van 1% een compacte structuur met flocculente gel produceerde, terwijl hogere alkali-niveaus leidden tot plaatvormige Ca(OH)2 en verhoogde porositeit. Gesinterde MSWI-vliegas fungeerde als vulmiddel bij optimale niveaus, maar veroorzaakte aggregatie en porositeit bij een gehalte van 30%.
• Hydratatiemechanisme: XRD- en FTIR-analyses identificeerden de vorming van C-S-H, C-A-S-H, Friedel's zout en riversideite. De aanwezigheid van Friedel's zout duidt op de effectieve solidificatie van chloride-ionen. TG-DTG-analyse toonde aan dat hogere alkali-equivalenten de hoeveelheid Ca(OH)2 verhoogden, terwijl hogere water-bindmiddelratio's de hoeveelheid hydratatieproducten (C-(A)-S-H) verminderden, wat een negatieve impact had op de sterkte.
• Constitutief Model: Een gemodificeerd constitutief model werd vastgesteld, waarbij het CEB-FIP-model werd gebruikt voor de stijgende fase en een aangepast Zhenhai Guo-model voor de dalende fase. Het model incorporeerde de water-bindmiddelratio en het gehalte aan gesinterde MSWI-vliegas als variabelen, en vertoonde een hoge correlatie ($R^2 > 0,99$) met de experimentele spanning-rek curves. Daarnaast werd een nieuwe formule voor de elasticiteitsmodulus voorgesteld om rekening te houden met de specifieke variabelen van dit type beton.

Betekenis en Claims
De auteurs stellen dat dit onderzoek een cruciaal pad biedt voor de schadeloze benutting van MSWI-vliegas in de constructie van "afvalvrije steden". Door aan te tonen dat gesinterde MSWI-vliegas effectief kan worden gebruikt in alkali-geactiveerd beton zonder de mechanische prestaties in gevaar te brengen, adresseert de studie zowel uitdagingen op het gebied van milieubeheer als doelstellingen voor koolstofreductie. De ontwikkeling van een specifiek spanning-rek constitutief model en een elasticiteitsmodulusformule vult een gat in de technische toepassing van dit materiaal, en biedt een theoretische basis voor de bredere adoptie ervan in het structureel ontwerp. De studie concludeert dat de geoptimaliseerde mix niet alleen de hergebruikmogelijkheden van gevaarlijk afval faciliteert, maar ook de ductiliteit en het energieabsorptievermogen van het resulterende beton verbetert, waardoor het geschikt is voor technische toepassingen.