[論文レビュー] Valorization of incinerator bottom ash for the production of resource-efficient eco-friendly concrete: Performance and toxicological characterization

B. M. Ramesh, Rahul Murali Vongole+6 more|arXiv (Cornell University)|Apr 26, 2021

Recycling and utilization of industrial and municipal waste in materials production参考文献 39被引用数 16

ひとこと要約

本研究では、都市ごみ焼却灰と解体廃棄物を、環境に配慮したM20コンクリートにおける細粒および粗粒骨材の部分代替材として価値化するための新規前処理法を提案する。最適配合比（焼却灰5%、再利用解体廃棄物40%）は、毒性元素の浸出が最小限に抑えられ、SEM分析により緻密で低空隙率の微細構造が確認され、優れた強度と耐久性を達成した。

ABSTRACT

The disposal of incinerator bottom ash usually produced by the incineration of inorganic constituents of the municipal solid wastes (MSW) in an eco-friendly way is one of the issues of concern, globally. By the way, the present study is related to the utilization of MSW incinerator bottom ash and recycled demolition waste aggregate as partial replacement materials for fine and coarse aggregate, respectively to produce eco-friendly concrete. This study adopted an innovative pretreatment technique for stabilizing the MSW incinerator bottom ash. Five distinct M20 grade concrete mixes were produced with different proportions of fine aggregate, MSW incinerator bottom ash, coarse aggregate, and recycled demolition waste aggregate along with cement and water. The incinerator bottom ash was replaced at 5% and 10% quantities with fine aggregate and the recycled demolition waste aggregate was replaced at 40% and 60% of the weight of the coarse aggregate. The strength and durability properties of the M20 grade concrete were analyzed. It was noticed that the strength and durability properties of the eco-friendly concrete specimens produced by incorporating 5% - incinerator bottom ash and 40% - recycled demolition waste aggregate were superior to that of the control mix concrete. Laboratory tank leaching tests showed that the eco-friendly concrete do not pose any significant environmental hazard. Furthermore, the microstructural analysis through scanning electron microscope (SEM) images, revealed dense aggregate paste matrix interfaces with less micro-pores and insignificant micro-cracks due to the incorporation of incinerator bottom ash as a partial replacement to the fine aggregate.

研究の動機と目的

• 増加する都市ごみ焼却灰と建設・解体廃棄物の管理という世界的な課題に取り組む。
• 都市ごみ焼却灰と再利用解体廃棄物を用いて、天然骨材の代替としての持続可能なソリューションを開発する。
• 前処理と包括的特性評価を通じて、エココンクリートの環境的安全性と構造的性能を確保する。
• 異なる置換率でのこれらの廃棄物素材を含むコンクリートの混合物の機械的特性、耐久性、毒性挙動を調査する。

提案手法

• 都市ごみ焼却灰の反応性を低減し、セメントとの中和性を向上させるための新規前処理技術を採用し、安定化を図った。
• 焼却灰5%および10%が細粒骨材に置換され、再利用解体廃棄物40%および60%が粗粒骨材に置換された、5種類のM20コンクリート混合物を製作した。
• 機械的性能を評価するため、7日、14日、21日および28日での圧縮強度試験を実施した。
• 耐久性評価として、吸水率、透過可能空隙体積、凍結・融解耐性を測定した。
• 環境毒性を評価するため、64日間のラボタン浸出試験を実施し、重金属の浸出液濃度を測定した。
• 微細構造の分析として、走査型電子顕微鏡（SEM）を用い、界面遷移領域（ITZ）および空隙構造に注目した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 環境に配慮したコンクリートにおける強度と耐久性を最大限に高めるために、都市ごみ焼却灰および再利用解体廃棄物骨材の最適置換率は何か？
• RQ2 焼却灰の前処理が、得られるコンクリートの機械的特性および微細構造的特性に与える影響は何か？
• RQ3 浸出試験の結果、重金属の放出を考慮した場合、エココンクリートの環境的安全性はどの程度保証されているか？
• RQ4 特に界面遷移領域（ITZ）を含むコンクリートの微細構造は、その耐久性および強度にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 焼却灰5%と再利用解体廃棄物40%を含む配合比が、28日目における圧縮強度でコントロール混合物を上回った。
• エココンクリートの透過可能空隙体積は、コントロール混合物よりも顕著に低く、耐久性が向上し、浸透性が低下していることを示している。
• 64日間の浸出試験では、鉛、クロム、カドミウムなどの大部分の毒性元素が規制基準を下回ったが、ボロンはM3、M4およびM5混合物で基準を超えた。
• SEM分析により、焼却灰の効果的な統合のおかげで、微小空隙が少なく、顕著な微小亀裂のない緻密で密な微細構造が確認された。特に骨材とセメントペーストの界面で顕著であった。
• 焼却灰の前処理により、反応性化合物が効果的に安定化され、水酸化反応や強度発現に悪影響を及ぼすのを防いだ。
• カルシウムケイ酸水酸化物（C-S-H）およびカルシウムアルミノスルファート水酸化物が、化学的吸着および同晶置換による重金属の固定化を伴い、耐久性が高く、浸透性が低いマトリックスの形成に寄与した。