Estudio mecanicista del efecto del ferrato de potasio y la fibra de paja en la mejora de la resistencia del cemento

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 7660 (2023) Citar este artículo

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El alto contenido de materia orgánica en los lodos es la razón principal del pobre efecto solidificante y la dosificación excesiva de la base de cemento. En este estudio, se utilizan ferrato de potasio y fibra de paja para mejorar sinérgicamente el efecto de solidificación del cemento y elaborar los mecanismos de resistencia. Entre ellos, se seleccionó el ferrato de potasio para oxidar y romper la estructura de la materia orgánica en lodos y consumir parte de la materia orgánica; se utilizó fibra de paja como material de adsorción para absorber parte del material orgánico y reducir su interferencia con la reacción de hidratación del cemento; la función de esqueleto de la fibra de paja en el lodo solidificado se utilizó para mejorar la resistencia final del lodo solidificado. Se muestra que la presencia de estos dos aditivos mejoró significativamente la resistencia a la solidificación del cemento y redujo el contenido de humedad del cuerpo solidificado. Además, el contenido de humedad y la resistencia siguieron una relación lineal evidente (R2 ajustado = 0,92), aumentando la resistencia a medida que disminuía el contenido de humedad. Después del pretratamiento con ferrato de potasio, el contenido de agua libre en el lodo deshidratado aumentó en un 4,5 %, lo que favoreció la adecuada reacción de hidratación con el cemento. El análisis mediante difracción de rayos X (XRD), microscopía electrónica de barrido con espectroscopía de rayos X de dispersión de energía (SEM/EDS) y porosimetría de intrusión de mercurio (MIP) reveló que el ferrato de potasio se sinergiza con las fibras de paja para promover la producción de yeso hemihidratado y gismondina . Sin embargo, el yeso hemihidratado, el carbonato de calcio y la gismondina dieron como resultado un hinchamiento estructural, que se confirmó mediante el análisis microscópico de la morfología y la estructura de los poros. Sin embargo, los efectos adversos debidos al hinchamiento se vieron contrarrestados por el aumento de la fuerza aportado por las sustancias cristalinas anteriores.

Los lodos contienen un alto contenido de humedad, alta viscosidad y alto contenido de materia orgánica, además de malas propiedades geotécnicas y desechos tóxicos y peligrosos. En la actualidad, el 80 % de los lodos en China aún no se ha estabilizado y eliminado de manera segura y adecuada, lo que representa un grave peligro para la seguridad y una presión ambiental; por lo tanto, es de suma importancia abordar el problema de los lodos.

La solidificación de lodos como cubierta de vertedero sigue siendo un método práctico de disposición debido a su simplicidad, eficiencia económica, alto consumo y tecnología avanzada. Los aglutinantes de uso común incluyen el cemento Portland común, la cal, las cenizas volantes, la escoria y el óxido de magnesio activado1,2,3. El cemento Portland ordinario (OPC) ha sido reconocido como el mejor agente de curado ya que está fácilmente disponible, es económico y fácil de incorporar a los desechos húmedos4. A pesar de esto, existen tres inconvenientes principales al usar OPC para la solidificación de lodos. Primero, la producción de cemento puede tener impactos ambientales negativos, como un mayor efecto invernadero, un alto consumo de energía y el uso de recursos no renovables5,6,7. Según las estadísticas, la industria del cemento representa entre el 6% y el 7% de las emisiones globales de CO28,9. En segundo lugar, el lodo solidificado con cemento suele tener un pH alto, lo que es perjudicial para las aguas subterráneas y el crecimiento de las plantas10,11. Por último, la reacción de hidratación del cemento se altera fácilmente por la materia orgánica en el lodo7,12,13, lo que reduce significativamente el efecto de curado y requiere dosificaciones adicionales de cemento. Por lo tanto, una estrategia viable consiste en agregar cantidades modestas de aditivos auxiliares para regular la dosificación de cemento, minimizar el impacto de la materia orgánica en la reacción de hidratación del cemento y mejorar la resistencia del lodo solidificado. Actualmente, los aditivos auxiliares se estudian principalmente desde dos perspectivas: compensar o evitar la interferencia de la materia orgánica con el consumo de hidratación y oxidación directa del cemento y romper la estructura de la materia orgánica en los lodos para reducir la interferencia. En esta dirección, Zhen et al.13 encontraron que la mezcla de una pequeña cantidad de los nuevos cristales de aluminato 12CaO·7Al2O3 contrarrestaba la interferencia de la materia orgánica y los cristales formados rápidamente, como la etringita y la calcita, con los productos de hidratación del cemento. En otro trabajo, Chen et al.12 exploraron que el cemento de aluminato de sulfato también evitaba directamente la interferencia de materia orgánica, generando casi las mismas cantidades de geles de alúmina de calcio y aluminato de calcio que el grupo de control en blanco. Sin embargo, el cemento de sulfato de aluminato es más caro y, a menudo, se emplea como aditivo de cemento de silicato para aumentar la resistencia del lodo solidificado14. En un estudio de Lei et al.7, se encontró a través de las mediciones de difracción de rayos X que la adición de nano-sílice ayudó a formar silicato de calcio hidratado adicional que contrarrestó el efecto debilitante de la materia orgánica sobre la solidificación del cemento. Está claro que ha habido una inmensa cantidad de investigación y desarrollo para contrarrestar la reacción de hidratación de la materia orgánica en el cemento. Además, Sun15 y Li16 encontraron que el uso de permanganato de potasio y persulfato de potasio como aditivos cementosos mejoraba el efecto de solidificación, respectivamente. Sin embargo, no se realizó ningún estudio ni análisis en profundidad en ninguno de los dos informes. Por lo tanto, todavía hay mucho espacio para futuras investigaciones sobre el consumo oxidativo y el agrietamiento de la estructura de la materia orgánica de los lodos para mejorar el efecto de solidificación cementosa. El ferrato de potasio es un agente oxidante especial que se emplea en la investigación sobre deshidratación de lodos17, reducción de lodos18,19 y desinfección de aguas residuales debido a sus potentes propiedades oxidantes, floculantes y respetuosas con el medio ambiente 20,21. Sin embargo, el ferrato de potasio rara vez se ha explorado por su potencial en la solidificación de lodos para mejorar su resistencia.

Además, para mejorar aún más la resistencia y reducir la cantidad de cemento utilizado en el lodo solidificado, a menudo se agregan algunos materiales de esqueleto junto con los aditivos mencionados anteriormente para maximizar el efecto de solidificación. Los materiales de esqueleto comúnmente utilizados incluyen escoria, ganga de carbón, bentonita, etc.22,23,24,25; todos contienen los componentes activos que se encuentran en la arcilla inorgánica, como SiO2 y Al2O3. Sin embargo, todos estos compuestos deben estar en un ambiente alcalino más alto para que sean efectivos, lo que indudablemente conducirá a un aumento en la mezcla de cemento y un impacto perjudicial sobre el medio ambiente. En este sentido, la fibra de paja de arroz de desecho de biomasa, con su alto rendimiento, bajo costo, naturaleza renovable, propiedades de tracción y flexión inherentes y alta porosidad, tiene el potencial de desempeñar un papel en el refuerzo y la adsorción de pequeñas moléculas de materia orgánica durante el curado de lodos. . Las propiedades de alta adsorción de las fibras de paja se pueden utilizar completamente junto con las fuertes propiedades oxidativas del ferrato de potasio para la solidificación de lodos. Actualmente, Zhu et al.26. han descubierto que las fibras de paja pueden mejorar la eficacia de los lodos solidificantes a base de cemento. Sobre esta base, Yang et al.27 han continuado explorando la mejora de la resistencia del lodo solidificado debido a la incorporación de ferrato de potasio combinado con fibras de paja y optimizando la proporción adecuada de agentes de curado. Sin embargo, ninguno de estos estudios profundizó en las características de desarrollo de fuerza y ​​el mecanismo de crecimiento; no se proporcionó una explicación completa de las características de desarrollo de fuerza y ​​el mecanismo de crecimiento.

Para abordar las deficiencias de los estudios existentes, esta investigación se dedicó a elaborar sistemáticamente el mecanismo de resistencia del lodo cementicio solidificado reforzado sinérgicamente por ferrato de potasio en cooperación con fibra de paja. En primer lugar, se examinaron los efectos macroscópicos a través de la resistencia a la compresión no confinada y el contenido de humedad a diferentes edades de curado. A continuación, se presentó el análisis del mecanismo intrínseco desde la perspectiva de la distribución de la humedad, patrones de difracción de rayos X (XRD), imágenes de microscopía electrónica de barrido combinadas con espectroscopía de rayos X de dispersión de energía (SEM/EDS) y porosimetría de intrusión de mercurio (MIP). . Por lo tanto, este estudio ofrece soporte estadístico y teórico para aplicar el proceso propuesto para la disposición de lodos por solidificación de lodos.

El lodo deshidratado utilizado en este estudio se obtuvo de una planta de aguas residuales domésticas en la ciudad de Jiujiang, provincia de Jiangxi, China. La Tabla 1 enumera sus propiedades fisicoquímicas, mientras que la Tabla 2 muestra los resultados del análisis de fluorescencia de rayos X (XRF) para identificar la composición química del lodo.

El aglutinante utilizado en este estudio fue el cemento Portland ordinario (OPC) Conch 425, cuyos componentes químicos se muestran en la Tabla 3. El material de pretratamiento de oxidación para lodos se eligió como polvo de ferrato de potasio (PF), que se utiliza como polvo de esterilización. para el estanque de peces común en el mercado, teniendo un contenido efectivo del 10%. El material del esqueleto se seleccionó de fibras de paja de arroz (SF) económicas, ampliamente disponibles y de alto rendimiento obtenidas a través de un tamiz de malla 5 con una longitud promedio de 5 mm.

Según investigaciones anteriores27, se encontró que 20 % de OPC, 10 % de PF y 5 % de SF eran las mezclas adecuadas para cada material de solidificación. También se prepararon muestras de lodo solidificado con OPC al 20 % y OPC al 20 % + PF al 10 % para los experimentos comparativos. Las proporciones de mezcla específicas y los elementos de prueba se muestran en la Tabla 4. La proporción de cada material de solidificación se determinó por el peso del lodo húmedo y se recolectaron tres muestras de solidificación. Los pasos para la preparación de la muestra se refieren a Yang et al.27.

La resistencia a la compresión no confinada se determinó a partir del valor máximo de la curva de tensión-deformación utilizando el Estándar nacional para métodos de prueba geotécnicos (GB/T 50123-2019). Las pruebas se llevaron a cabo utilizando un aparato de compresión de desconfinamiento controlado por deformación YYW-2 (Nanjing Ningxi Soil Instruments Co., Ltd.) con una carga de 0,6 kN y una velocidad de carga de 2,4 mm/min. El contenido de humedad se estableció de acuerdo con el método de prueba de lodos para plantas de tratamiento de aguas residuales municipales (Estándar Nacional de China CJ/T 221-2005).

La suma de agua de lodo intersticial, agua hidratada y agua adsorbida en la superficie se definió como agua ligada y se determinó por centrifugación a 10.000 rpm. En comparación, el contenido de agua libre se calculó restando el contenido de agua ligada del contenido de agua total. Las principales pruebas se realizaron en lodos crudos y pretratados con oxidación de ferrato de potasio.

Se utilizó la difracción de rayos X (XRD) para investigar la composición del mineral. En primer lugar, las muestras se sumergieron en etanol anhidro durante 24 h para terminar la reacción de hidratación y luego se colocaron en un horno de secado rápido a 45 °C durante 24 h. Por último, las muestras se trituraron a través de un tamiz de malla 200 y luego se escanearon con un difractómetro de rayos X Rigaku SmartLab SE con radiación Cu-Kα (λ = 1.54 Å) en el rango 2θ de 10° a 80°, una velocidad de escaneo de 2°/min, una tensión de tubo de 40 kV y una corriente de 40 mA. Los patrones XRD se analizaron utilizando el software MDI Jade 6 para el análisis de fase.

La microscopía electrónica de barrido (SEM) con mapeo elemental de espectroscopía de rayos X de dispersión de energía (EDS) investigó la morfología microscópica y la composición elemental de las muestras, respectivamente. Como se mencionó para el análisis XRD, la reacción de hidratación de la muestra se terminó primero con etanol anhidro. Luego, las muestras se cortaron en tiras largas de 5 mm × 5 mm × 20 mm y se colocaron en un liofilizador a aproximadamente -45 °C durante 8 h, seguido de secado al vacío durante 48 h. Después del secado, las muestras largas se rompieron y la sección transversal de la muestra recién rota se recubrió con una fina capa de oro para eliminar el efecto de carga. Finalmente, la muestra fue luego examinada utilizando un TESCAN MIRA LMS SEM con un voltaje de aceleración de 3 kV para la morfología y 15 kV para el espectro de energía con un detector de electrones SE2.

La porosimetría de intrusión de mercurio (MIP) se utilizó para el análisis cuantitativo de la estructura de los poros y la distribución del tamaño de los poros. Después de terminar la reacción de hidratación, las muestras se cortaron en cuadrados menores de 15 mm2 para el tratamiento de liofilización. Posteriormente, las muestras se analizaron con un MicroActive AutoPore V 9600 capaz de encontrar un tamaño de poro en el rango de 5 nm a 200 µm y una presión de intrusión máxima de 500 MPa.

Para comparar el efecto del lodo solidificado con cemento y un agente de curado a base de cemento modificado, los efectos de la resistencia de muestras de lodo solidificado con 20 % OPC, 20 % OPC + 10 % PF y 20 % OPC + 10 % PF + 5 % SF fueron estudiados a diferentes edades de curado, y los resultados se muestran en la Fig. 1. Se observó que la resistencia del 20 % de OPC era menor que la resistencia del 20 % de OPC + 10 % de PF + 5 % de lodo curado con SF a cualquier edad, y la diferencia fue mayor después de 28 días. Mientras que OPC al 20 % + PF al 10 % mostró un mejor efecto de resistencia que OPC al 20 % después de 3, 7 y 28 días; sin embargo, el efecto de la fuerza fue más pobre después de 14 y 21 días, probablemente debido a la inestabilidad del experimento. A pesar de eso, la resistencia del 20 % de OPC permaneció mínima después de 28 días, lo que indica la mejora del efecto de resistencia del lodo solidificado a base de cemento debido a la adición de ferrato de potasio y fibra de paja. Los hallazgos revelaron que el ferrato de potasio tiene fuertes propiedades oxidantes, que consumieron parte de la materia orgánica en el lodo y promovieron la reacción de hidratación del cemento. Mientras tanto, oxidaba materia orgánica que contenía azufre para formar sulfato inorgánico28, que se combinaba con iones de calcio producidos por la hidratación del cemento para formar cristales de yeso hemihidratado. Además, la fibra de paja poseía cierta capacidad de tracción y flexión, desempeñando un papel de relleno del esqueleto en el lodo solidificado. Además, la porosidad y las fuertes propiedades de adsorción de la fibra de paja permitieron la adsorción de pequeñas moléculas de materia orgánica degradada por la oxidación del ferrato de potasio, lo que mejoró aún más el efecto de hidratación del cemento.

Relación entre la edad de curado y la resistencia.

La resistencia del lodo solidificado se ve mejorada por el bajo contenido de humedad29, mientras que el vertedero también requiere un contenido de humedad de no más del 60 %. En este estudio, se investigó el contenido de humedad del cuerpo solidificado a diferentes edades de curado, como se muestra en la Fig. 2. Se obtuvo el efecto de diferentes solidificantes en la reducción del contenido de humedad en el lodo y la relación entre el contenido de humedad y la resistencia. Se puede ver en la Fig. 2 que el contenido de humedad estaba por debajo del 60% para cumplir con los requisitos del vertedero. Se notó que 20 % OPC + 10 % PF + 5 % SF redujeron el contenido de humedad más significativamente que 20 % OPC a cualquier edad, mientras que 20 % OPC + 10 % PF redujeron el contenido de humedad, pero el efecto no fue estable ni perceptible . Esto demostró que el ferrato de potasio promovió la reducción del contenido de humedad; sin embargo, se requería la fibra de paja para lograr la máxima eficiencia. Esto se atribuyó a la degradación de la estructura de la materia orgánica en los lodos por el ferrato de potasio liberando una gran cantidad de agua libre. Dado que el agua libre es más fácil de evaporar que el agua ligada y tiene un potencial hídrico del suelo más bajo, el cemento la consume más fácilmente y la transforma en agua ligada a la energía de alto potencial30, que puede reducir efectivamente el cemento en un 20 % de OPC. Después de la conversión de macromoléculas de materia orgánica en moléculas pequeñas mediante ferrato de potasio, las partículas de lodo en general se volvieron más delicadas y menos permeables, lo que dificultaba la reducción adicional del agua en el lodo. Sin embargo, la adición de fibra de paja como material de esqueleto aumentó en gran medida su porosidad y permeabilidad, desempeñando un papel similar como ayuda de filtro de esqueleto en la deshidratación de lodos31. Al mismo tiempo, la fibra de paja minimizó el contenido de agua del lodo en combinación con el efecto de pretratamiento oxidativo del ferrato de potasio debido a su alta porosidad.

Relación entre la edad de curado y el contenido de humedad.

La relación entre el contenido de humedad de cada cuerpo solidificado y su resistencia a la compresión no confinada se muestra en la Fig. 3. Es evidente que el contenido de humedad y la resistencia siguieron una relación lineal evidente (R2 ajustado = 0,92), aumentando la resistencia a medida que aumentaba la humedad. disminuyó el contenido. Esto fue causado por el hecho de que cuando el contenido de humedad disminuyó, el espesor de la película de hidratación unida al cuerpo solidificado también disminuyó, lo que aumentó la fuerza de adsorción entre partículas y fomentó la aglomeración del lodo, lo que a su vez mejoró la resistencia del cuerpo solidificado29. Esto confirmó además que la resistencia podría mejorarse efectivamente al reducir el contenido de humedad del cuerpo de solidificación del lodo.

Relación entre el contenido de humedad del cuerpo solidificado y la resistencia.

Además, el contenido de agua libre, agua ligada y agua total de los lodos crudos y lodos pretratados con 10% PF se muestran en la Tabla 5. Como se puede observar, solo el 0.01% del agua libre estaba presente en los lodos deshidratados, con el resto es agua ligada. En condiciones ideales, el lodo deshidratado no contiene agua libre32, lo que concuerda con los resultados mencionados anteriormente. Estudios relacionados han revelado que solo el 3% del agua en el lodo pudo hidratarse con cemento33 ya que la mayoría del agua está presente como agua ligada. Por el contrario, tras el pretratamiento oxidativo, el contenido de agua libre del lodo aumentó hasta el 4,95 %, mientras que el contenido de agua ligada disminuyó hasta el 78,21 %. Como puede verse en la Fig. 4a,b, el lodo pretratado es más delicado y húmedo que el lodo original. Además, la estratificación sólido-líquido y el contenido de agua libre aumentaron en el lodo pretratado (Fig. 4c), lo que sugiere la degradación de la estructura debido al ferrato de potasio, lo que permite aún más la conversión del agua ligada en agua libre. Como el agua libre tiene baja energía potencial, lo que facilita su reacción con el cemento para la reacción de hidratación, favoreciendo la generación de productos de hidratación30. Así, el tratamiento con ferrato de potasio mejoró el efecto de solidificación del cemento. Además, el contenido de agua total del lodo pretratado disminuyó ligeramente, es decir, disminuyó el contenido de agua inicial, lo que condujo a una mejora de la resistencia. La causa principal de la pérdida del contenido total de agua fue el incremento en el contenido de agua libre del lodo pretratado, que se evaporó naturalmente durante el proceso de pretratamiento. Ciertamente, dado que la relación agua-cemento no puede ser demasiado grande34, el exceso de contenido de agua libre se controló agregando fibras de paja. El contenido de humedad se redujo suficientemente durante el mantenimiento posterior al combinar las características porosas de las fibras de paja y la fácil evaporación del agua libre, lo que explica el menor contenido de agua y la alta resistencia de 20 % OPC + 10 % PF + 5 % SF en comparación con a la mezcla única de 20% de OPC.

Comparación de lodo crudo y lodo pretratado oxidado: (a) lodo crudo; (b) 10 % de lodo de pretratamiento de PF; (c) después de la centrifugación.

La Figura 5 muestra el patrón XRD del lodo crudo y el espécimen de lodo solidificado de 28 días. Se observó que el cuarzo era el principal cristal presente en el lodo crudo. En cambio, el lodo solidificado con 20% de OPC contenía cuarzo introducido por el lodo, así como cristales de hidróxido de calcio (CH), calcita y una mínima cantidad de cristales de gismondina debido a la reacción de hidratación. Además, aparecieron cristales de yeso hemihidratado en la muestra solidificada después del pretratamiento con ferrato de potasio, seguido de la adición de 20% de OPC. Además, se observó un pico a 2θ = 27,45°, que solo podía deducirse que eran cristales que contenían calcio en combinación con el análisis de composición elemental subsiguiente. Posteriormente, cuando se introdujeron fibras de paja junto con ferrato de potasio, los picos XRD del cristal que contenía calcio desaparecieron; en cambio, la intensidad máxima de los cristales de gismodina aumentó drásticamente. Al mismo tiempo, también se constató la presencia de cristales de yeso hemihidratado. Por lo tanto, se concluyó que la adición de 20% de OPC mejoró ligeramente la resistencia del lodo solidificado debido a la formación de cristales de CH, calcita y gismondina. Sin embargo, la resistencia del lodo pretratado con ferrato de potasio mejoró aún más su resistencia al generar yeso hemihidratado y cristales que contienen calcio. Además, debido a la alta porosidad y alta capacidad de adsorción de las fibras de paja, su adición en los lodos con ferrato de potasio inhibía la formación de cristales que contenían calcio, ya que era responsable de la adsorción de pequeñas moléculas orgánicas y algún tipo de material que forma calcio. -que contiene cristales. Esto fue confirmado por el aumento en la intensidad máxima de los cristales de gismondina, lo que mejoró la reacción de hidratación del cemento y mejoró la resistencia general.

XRD de especímenes de solidificación de lodos.

La Figura 6 muestra la imagen SEM de la muestra de lodo solidificado de 28 días. Como puede verse, las microestructuras del 20% de OPC solidificado, el lodo es relativamente densa, con numerosos geles fibrosos y cristales masivos (Fig. 6a). Al adquirir los resultados de XRD y EDS, se confirmó que estos geles y cristales eran geles de silicato de calcio hidratado y cristales de hidróxido de calcio, respectivamente. Estos compuestos llenaron los poros y unieron el lodo, fortaleciendo el lodo solidificado. Por el contrario, las microestructuras del lodo solidificado que contiene ferrato de potasio y/o fibras de paja están más hinchadas y dispersas, como se muestra en la Fig. 6b,d, lo que, en cierta medida, no condujo al desarrollo de la resistencia. Sin embargo, era evidente que ambos producían sustancias columnares largas, especialmente en el espécimen que contenía fibras de paja. Cuando se combinaron con los datos de resistencia macroscópica, fue evidente que estas sustancias de columnas largas contrarrestaron los efectos negativos de la hinchazón y el adelgazamiento. La Figura 6c muestra el anclaje de las fibras de paja en el lodo solidificado, donde el material gelificante mantiene el lodo unido en su lugar, mejorando considerablemente la resistencia y dureza del cuerpo solidificado. Esto explica por qué la adición tardía de fibras de paja tuvo un efecto más significativo sobre la resistencia del cemento que los otros dos.

SEM de especímenes de solidificación de lodos: (a) 20% OPC 5000x; (b) 20% OPC + 10% PF 5000x; (c) 20 % OPC + 10 % PF + 5 % SF 30x; (d) 20% OPC + 10% PF + 5% SF 5000x.

A continuación, para identificar la composición elemental del material cementado, se analizaron por separado los EDS de los tres conjuntos de muestras solidificadas. De acuerdo con el análisis EDS en la Fig. 7a, los elementos principales del material fibrocementado fueron C, Si y Ca. Según los estudios anteriores5,12 y el análisis XRD de nuestros resultados, se determinó que el gel fibroso contenía gel de silicato de calcio hidratado junto con algunos cristales de carbonato de calcio. Además, la composición del material columnar largo en los dos conjuntos de especímenes solidificados fue similar, y contenía C, Al, Si, S y Ca, como se muestra en la Fig. 7b,c. Con base en los elementos mencionados, se asumió que contenía carbonato de calcio, gismondina, etc. Se destacó que el contenido de S en esta muestra fue de 4 a 6 veces mayor que el de la muestra solidificada con cemento. Además, cuando se combinó con los hallazgos de los estudios XRD, fue evidente que la muestra contenía cristales de sulfato de calcio hemihidratado.

Imagen SEM con su correspondiente EDS de lodos solidificados: (a) 20% OPC; (b) 20% OPC + 10% PF; (c) 20% OPC + 10% PF + 5% SF.

Además, las curvas de volumen de poro acumulado de diferentes especímenes de lodo solidificado después de 28 días se muestran en la Fig. 8. El volumen de poro total, la porosidad total y el diámetro de poro promedio se cuantifican en la Tabla 6. El volumen de poro total de lodo solidificado con 20% OPC fue el más pequeño, seguido por 20 % OPC + 10 % PF + 5 % SF y 20 % OPC + 10 % PF en orden, lo cual fue consistente con los resultados SEM. Sugirió que el ferrato de potasio y las fibras de paja no mejoraron la resistencia al reducir su volumen de poros, sino al formar una cantidad significativa de gismondina, sulfato de calcio semihidratado y carbonato de calcio, como se mencionó anteriormente. Aunque esto condujo a la expansión del volumen y al aumento del volumen de los poros, los efectos adversos se equilibran adecuadamente con la resistencia del cristal. Cabe señalar aquí que en las áreas de utilización de recursos y materiales de construcción, donde se necesita una alta resistencia (varios megapascales o incluso más), se utiliza el cuerpo solidificado más denso2,12. Dado que la resistencia del cuerpo solidificado formado por estos compuestos cae drásticamente si hay demasiados poros, los efectos adversos de la expansión del cristal no se pueden superar. En consecuencia, el cuerpo solidificado más denso muestra mejores resultados3.

Curva de volumen acumulativo de poros.

Las Figuras 9 y 10 muestran las curvas de distribución del tamaño de poro y los porcentajes de volumen de poro para diferentes lodos solidificados después de 28 días, respectivamente. Los tamaños de poro más probables de las muestras de lodo solidificadas con 20 % de OPC oscilaron entre 0,05 y 1 µm, mientras que los tamaños de poro más probables de las muestras solidificadas compuestas oscilaron entre 1 y 5 µm. Además, el tamaño de los poros se concentró entre 0,01 y 1 µm cuando se añadió un 20 % de OPC. El tamaño de poro se concentró entre 1 y 10 µm cuando se utilizó ferrato de potasio; mientras tanto, el porcentaje de tamaño de poro entre 0,01 y 1 µm disminuyó considerablemente, siendo los demás cambios insignificantes. Indicó que el tamaño de poro en el rango de 0,01 a 1 µm cambió a 1 a 10 µm después de la adición de ferrato de potasio, mostrando un aumento general en el volumen de poro. Como se mencionó en la sección anterior, se formaron muchos compuestos columnares largos con ferrato de potasio, que incluyen calcita, sulfato de calcio hemihidratado y/o gismondina, lo que condujo a una expansión de volumen. Más tarde, cuando se añadieron fibras de paja, el tamaño de los poros aumentó aún más de 1 a 10 a > 10 µm, lo que aumentó el tamaño de los poros del agregado. Aquí, las fibras de paja, que son por sí mismas de naturaleza porosa, sirvieron como un papel de anclaje esquelético en el proceso de solidificación, aumentando el tamaño de los poros del agregado. Por lo tanto, se puede decir que tanto el ferrato de potasio como las fibras de paja aumentaron el volumen de poros durante la mejora del efecto de solidificación, que de lo contrario tiene un impacto negativo parcial en la resistencia. Sin embargo, los cristales recién generados y el efecto de refuerzo y anclaje de las propias fibras de paja fueron suficientes para equilibrar la pérdida de resistencia y mejorar la resistencia general. Además, fue más sencillo reducir el contenido de humedad del cuerpo solidificado debido al tamaño de poro más grande y la alta permeabilidad, lo que contribuyó a la resistencia de otra manera.

Curva de distribución del tamaño de poro.

Distribución porcentual del volumen de poros.

En resumen, se investigó el efecto sinérgico del ferrato de potasio (PF) y las fibras de paja (SF) sobre la resistencia de los lodos curados a base de cemento a través de una serie de análisis experimentales macroscópicos y microscópicos, y los principales resultados de este estudio son los siguientes:

En comparación con el lodo solidificado con 20 % de OPC, el lodo solidificado con 20 % de OPC + 10 % de PF + 5 % de SF tuvo una mayor resistencia a la compresión no confinada y un menor contenido de humedad en cualquier condición de edad de mantenimiento.

El pretratamiento del lodo deshidratado con ferrato de potasio condujo a un aumento en el contenido de agua libre y una disminución en el contenido de agua ligada. La adición de ferrato de potasio también facilitó una reacción de hidratación completa entre el cemento y el agua libre durante la solidificación. La baja energía potencial del agua libre ayudó aún más en su disipación más rápida durante el mantenimiento, reduciendo el contenido de humedad del cuerpo solidificado para mejorar la resistencia.

Un análisis posterior con XRD y SEM/EDS reveló que durante el tratamiento del lodo se formaron compuestos como gismondina, yeso hemihidratado, carbonato de calcio, silicato de calcio hidratado e hidróxido de calcio, que fueron componentes clave para mejorar la resistencia del lodo solidificado. Se observó que el ferrato de potasio oxidaba el azufre orgánico en el lodo para formar yeso hemihidratado. Las pequeñas moléculas orgánicas fueron posteriormente adsorbidas por las fibras de paja, promoviendo la reacción de hidratación y la formación de gismondina.

El análisis SEM y MIP de morfologías y estructuras de poros mostró que el material columnar largo compuesto de gismondina, carbonato de calcio y yeso hemihidratado sostenía la estructura. Se observó que las muestras solidificadas compuestas estaban más hinchadas y tenían una morfología más escasa y tenían una porosidad más alta que la de la muestra OPC al 20%. Sin embargo, la fuerza total de los cristales fue suficiente para contrarrestar los efectos del hinchamiento.

Todos los datos, modelos y códigos generados o utilizados durante el estudio aparecen en el artículo enviado.

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Este trabajo fue apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (22066012), el programa clave de investigación y desarrollo del departamento de ciencia y tecnología de la provincia de Jiangxi, China (20181BBG70043), la Fundación de Ciencias Naturales de la provincia de Gansu, China (22JR5RA254), Wenzhou Science and Proyecto de tecnología (S20220010), Programa de capacitación innovadora de 2021 para estudiantes universitarios de la Universidad de Jiujiang, provincia de Jiangxi, China (X202111843200), Investigación de 2022 sobre humanidades y ciencias sociales en colegios y universidades de la provincia de Jiangxi (SZZX22023).

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Qiyong Yang, Yangfan Zhang, Ji Wang, Xiang Luo, Mengjing Zhou, Weiping Luo y Haoran Ge

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QYY concibió la idea y diseñó los experimentos. WXX realizó los experimentos y escribió el texto principal del manuscrito. YHY, XXL, QZS y YFZ revisan el manuscrito. JW, XL, MJZ, WPL y HRG analizan los resultados de los datos.

Correspondencia a Qiyong Yang.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Yang, Q., Xu, W., Yang, Y. et al. Estudio mecanicista del efecto del ferrato potásico y la fibra de paja en la mejora de la resistencia en lodos municipales solidificados a base de cemento. Informe científico 13, 7660 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-34869-3

Descargar cita

Recibido: 31 de marzo de 2023

Aceptado: 09 mayo 2023

Publicado: 11 mayo 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-34869-3

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