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

Resumo Técnico: Propriedades Mecânicas e Comportamento Tensão-Deformação de Concreto Ativado por Álcali Incorporando Cinzas de MSWI Sinterizadas

Definição do Problema
A geração global de resíduos sólidos urbanos (RSU) está aumentando, com a incineração servindo como um método de tratamento primário em muitas regiões, particularmente na China. Embora as cinzas de fundo sejam frequentemente recicladas, as cinzas volantes de MSWI são classificadas como resíduos perigosos (HW18) na China devido às altas concentrações de metais pesados, dioxinas e cloretos. Os métodos atuais de tratamento inofensivo, como a solidificação/estabilização (S/S) com cimento, representam riscos ambientais a longo prazo, enquanto os tratamentos de lavagem e aquecimento apresentam limitações. Embora a sinterização seja um método eficaz para imobilizar metais pesados, a utilização de cinzas volantes de MSWI sinterizadas em materiais de construção permanece subexplorada. Especificamente, há uma carência de pesquisa sobre a otimização das proporções de mistura para concreto ativado por álcali utilizando cinzas volantes de MSWI sinterizadas como substituição parcial do cimento, e existem dados insuficientes sobre seu comportamento mecânico, modos de falha e modelos constitutivos de tensão-deformação sob compressão uniaxial.

Metodologia
Este estudo investigou as propriedades mecânicas e os mecanismos de hidratação de concreto ativado por álcali incorporando cinzas volantes de MSWI sinterizadas e metacaulim (MK).

• Materiais: As cinzas volantes de MSWI brutas foram obtidas de uma planta em Guangdong e pré-tratadas via sinterização de alta temperatura (1050°C por 180 min) para reduzir a toxicidade. O sistema de ligante consistiu em cimento P·O 42.5, cinzas volantes de MSWI sinterizadas e MK, ativados por uma solução de silicato de sódio e NaOH.
• Desenho Experimental: Um delineamento Box–Behnken (BBD) combinado com a Metodologia de Superfície de Resposta (RSM) foi empregado para otimizar as proporções de mistura. Quatro fatores foram analisados em três níveis: equivalente alcalino (1–3%), relação água-ligante (0.40–0.50), conteúdo de cinzas volantes de MSWI sinterizadas (10–30%) e conteúdo de MK (10–30%).
• Testes: Os corpos de prova foram curados por 28 dias. As propriedades mecânicas, incluindo resistência à tração por fissura e resistência à compressão, foram medidas. Testes de compressão uniaxial foram conduzidos utilizando dispositivos eletro-hidráulicos servo controlados equipados com correlação de imagem digital (DIC) para monitorar a distribuição de deformação e a propagação de trincas.
• Análise Microestrutural: O mecanismo de hidratação foi elucidado através de Microscopia Eletrônica de Varredura (SEM), Difração de Raios X (XRD), Espectroscopia de Infravermelho por Transformada de Fourier (FTIR) e análise Termogravimétrica (TG-DTG).
• Modelagem Constitutiva: Com base em experimentos de fatores abrangentes variando as relações água-ligante e o conteúdo de cinzas volantes, um modelo constitutivo de tensão-deformação modificado foi desenvolvido e validado contra dados experimentais.

Principais Resultados

• Proporção de Mistura Ótima: A otimização multiobjetivo identificou a mistura ótima como 1% de equivalente alcalino, 0.42 de relação água-ligante, 20% de conteúdo de cinzas volantes de MSWI sinterizadas e 20% de conteúdo de MK. Esta combinação resultou em uma resistência à tração por fissura prevista de 4.69 MPa e resistência à compressão de 63.92 MPa. A verificação experimental confirmou esses valores com erros inferiores a 5%.
• Propriedades Mecânicas:
  • Resistência: O aumento do equivalente alcalino geralmente reduziu a resistência à tração por fissura devido à solubilidade restrita das matérias-primas em altas concentrações. Embora o aumento do conteúdo de cinzas volantes de MSWI sinterizadas tenha reduzido ligeiramente a resistência à compressão, o concreto manteve resistências acima de 60 MPa mesmo com 30% de substituição.
  • Modo de Falha: Sob compressão uniaxial, o concreto exibiu uma falha do tipo cisalhamento. A incorporação de cinzas volantes de MSWI sinterizadas e MK retardou o desenvolvimento de trincas, aumentou a tensão de pico e melhorou o módulo elástico, a ductilidade e a capacidade de dissipação de energia em comparação com o concreto comum.
  • Microestrutura: A análise SEM revelou que 1% de equivalente alcalino produziu uma estrutura compacta com gel floculento, enquanto níveis alcalinos mais altos levaram a Ca(OH)2 em forma de placas e aumento da porosidade. As cinzas volantes de MSWI sinterizadas atuaram como preenchimento em níveis ótimos, mas causaram agregação e porosidade com 30% de conteúdo.
• Mecanismo de Hidratação: As análises de XRD e FTIR identificaram a formação de C-S-H, C-A-S-H, sal de Friedel e riversideíta. A presença de sal de Friedel indicou a solidificação eficaz dos íons cloreto. A análise TG-DTG mostrou que equivalentes alcalinos mais altos aumentaram o conteúdo de Ca(OH)2, enquanto relações água-ligante mais altas reduziram a quantidade de produtos de hidratação (C-(A)-S-H), impactando negativamente a resistência.
• Modelo Constitutivo: Um modelo constitutivo modificado foi estabelecido, utilizando o modelo CEB-FIP para a fase ascendente e um modelo Zhenhai Guo modificado para a fase descendente. O modelo incorporou a relação água-ligante e o conteúdo de cinzas volantes de MSWI sinterizadas como variáveis, demonstrando uma alta correlação ($R^2 > 0.99$) com as curvas de tensão-deformação experimentais. Adicionalmente, uma nova fórmula para o módulo de elasticidade foi proposta para considerar as variáveis específicas deste tipo de concreto.

Significância e Alegações
Os autores afirmam que esta pesquisa fornece um caminho crítico para a utilização inofensiva de cinzas volantes de MSWI na construção de "cidades sem resíduos". Ao demonstrar que as cinzas volantes de MSWI sinterizadas podem ser efetivamente utilizadas em concreto ativado por álcali sem comprometer o desempenho mecânico, o estudo aborda tanto os desafios de gestão ambiental quanto as metas de redução de carbono. O desenvolvimento de um modelo constitutivo de tensão-deformação e uma fórmula de módulo elástico específicos preenche uma lacuna na aplicação de engenharia deste material, oferecendo uma base teórica para sua adoção mais ampla na estrutura de design. O estudo conclui que a mistura otimizada não apenas facilita o reuso de resíduos perigosos, mas também aumenta a ductilidade e a dissipação de energia do concreto resultante, tornando-o adequado para aplicações de engenharia.