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

技术摘要：掺入烧结 MSWI 飞灰的碱激发混凝土的力学性能与应力-应变行为

问题陈述
全球城市固体废物（MSW）的产生量正在不断上升，而在许多地区（尤其是中国），焚烧是主要的处理手段。虽然底渣经常被回收利用，但由于高浓度的重金属、二恶英和氯化物，MSWI 飞灰在中国被归类为危险废物（HW18）。目前的无害化处理方法，如使用水泥进行固化/稳定化（S/S）处理，存在长期环境风险，而洗涤和加热处理则存在局限性。尽管烧结是一种有效的重金属固定方法，但将烧结 MSWI 飞灰用于建筑材料的研究仍有待深入探索。具体而言，目前缺乏关于使用烧结 MSWI 飞灰作为部分水泥替代品来优化碱激发混凝土配合比的研究，且关于其在单轴压缩下的力学行为、破坏模式及应力-应变本构模型的数据仍然不足。

研究方法
本研究调查了掺入烧结 MSWI 飞灰和元胶硅酸铝（MK）的碱激发混凝土的力学性能和水化机制。

• 材料： 原始 MSWI 飞灰取自广东某工厂，通过高温烧结（1050°C，180 分钟）进行预处理以降低毒性。胶凝材料体系由 P·O 42.5 水泥、烧结 MSWI 飞灰和 MK 组成，并由硅酸钠和 NaOH 溶液激发。
• 实验设计： 采用 Box–Behnken 设计（BBD）结合响应面法（RSM）来优化配合比。研究分析了四个因素在三个水平下的表现：碱当量（1–3%）、水胶比（0.40–0.50）、烧结 MSWI 飞灰含量（10–30%）以及 MK 含量（10–30%）。
• 测试： 试件养护 28 天。测量了包括劈裂抗拉强度和抗压强度在内的力学性能。使用配备数字图像相关技术（DIC）的电液伺服设备进行单轴压缩测试，以监测应变分布和裂纹扩展。
• 微观结构分析： 利用扫描电子显微镜（SEM）、X 射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和热重/导热重分析（TG-DTG）阐明了水化机制。
• 本构模型： 基于改变水胶比和飞灰含量的综合因素实验，开发并验证了一种改进的应力-应变本构模型。

主要结果

• 最佳配合比： 多目标优化确定了最佳配合比为：1% 碱当量、0.42 水胶比、20% 烧结 MSWI 飞灰含量和 20% MK 含量。该组合预测的劈裂抗拉强度为 4.69 MPa，抗压强度为 63.92 MPa。实验验证确认了这些数值，误差小于 5%。
• 力学性能：
  • 强度： 增加碱当量通常会降低劈裂抗拉强度，这是由于高浓度下原材料的溶解度受到限制。虽然增加烧结 MSWI 飞灰含量会略微降低抗压强度，但即使在 30% 的替代量下，混凝土仍能保持 60 MPa 以上的强度。
  • 破坏模式： 在单轴压缩下，混凝土表现出剪切型破坏。与普通混凝土相比，掺入烧结 MSWI 飞灰和 MK 延迟了裂纹的发展，提高了峰值应力，并增强了弹性模量、延性和能量耗散能力。
  • 微观结构： SEM 分析显示，1% 的碱当量产生了具有絮状凝胶的致密结构，而较高的碱水平会导致板状 Ca(OH)₂ 出现并增加孔隙率。在最佳水平下，烧结 MSWI 飞灰起到了填充作用，但在 30% 含量时会导致团聚和孔隙增加。
• 水化机制： XRD 和 FTIR 分析确定了 C-S-H、C-A-S-H、弗里德尔盐（Friedel's salt）和河流石（riversideite）的形成。弗里德尔盐的存在表明氯离子得到了有效固化。TG-DTG 分析表明，较高的碱当量增加了 Ca(OH)₂ 的含量，而较高的水胶比减少了水化产物（C-(A)-S-H）的数量，从而对强度产生负面影响。
• 本构模型： 建立了一个改进的本构模型，利用 CEB-FIP 模型描述上升阶段，并利用改进的郭振海（Zhenhai Guo）模型描述下降阶段。该模型将水胶比和烧结 MSWI 飞灰含量作为变量，证明其与实验应力-应变曲线具有高度相关性（$R^2 > 0.99$）。此外，还提出了一个新的弹性模量公式，以考虑此类混凝土的特定变量。

意义与主张
作者声称，这项研究为实现“无废城市”建设中 MSWI 飞灰的无害化利用提供了关键路径。通过证明烧结 MSWI 飞灰可以在不损害力学性能的情况下有效地用于碱激发混凝土，该研究同时解决了环境管理挑战和减碳目标。开发特定的应力-应变本构模型和弹性模量公式填补了该材料工程应用方面的空白，为该材料在结构设计中的广泛采用提供了理论依据。研究结论指出，优化的配合比不仅促进了有害废物的回收利用，还增强了所得混凝土的延性和能量耗散能力，使其适用于工程应用。