Drying Shrinkage of Hardened Cement Paste Containing Low-Calcium Fly Ash Under Different Relative Humidities

Abstract

This research sought to investigate the drying shrinkage of cement pastes containing low-calcium fly ash under varying relative humidity conditions. To assess the impact of the fly ash content on the drying shrinkage of cement pastes under varying relative humidity, and to examine both reversible and irreversible shrinkage, as well as to investigate the drying characteristics and water capacity of cement pastes incorporating fly ash. The materials employed included Portland cement Type I, low-calcium fly ash, and deionized water, with water-to-binder ratios of 0.35, 0.45, and 0.55. Portland cement Type I was substituted with fly ash at proportions of 0%, 20%, 35%, and 50% by weight of the binder. Cement pastes were cast with dimensions of 3 × 13 × 300 mm and cured in a sealed condition at 20 ± 1°C for 252 days. The samples were subsequently sectioned to a length of 100 mm and desiccated at relative humidity levels of 11%, 23%, 40%, 55%, 79%, and 95% for a duration of 56 days. All samples were subsequently desiccated at 11% relative humidity for 28 days and then restored to the initial relative humidity for an additional 28 days. The findings indicated that in the initial 7 days of drying, all cement pastes demonstrated significant shrinkage and weight reduction, particularly at relative humidity levels below 55%. Subsequently, the shrinkage rate diminished, yet shrinkage persisted. Cement pastes with elevated water-to-binder ratios demonstrated increased shrinkage and weight loss compared to those with reduced water-to-binder ratios. Substituting cement with fly ash diminished drying shrinkage at relative humidities of 11%, 23%, 40%, and 55%, but exerted no significant influence at 79% and 95%. Simultaneously, the substitution of fly ash resulted in higher weight loss corresponding to the higher fly ash content due to the incorporation of fly ash enhancing the water retention capacity of the cement paste. Cement paste with a high water-to-binder ratio experiences more reversible shrinkage than that with a low water-to-binder ratio, and this reversible shrinkage decreases as the fly ash content rises. The irreversible shrinkage of cement paste containing fly ash is less than that of cement paste devoid of fly ash, and the values are similar at all fly ash substitution ratios.

งานวิจัยนี้มุ่งศึกษาการหดตัวแห้งของซีเมนต์เพสต์ผสมเถ้าถ่านหินแคลเซียมต่ำภายใต้สภาวะความชื้นสัมพัทธ์ที่แตกต่างกัน เพื่อประเมินผลกระทบของปริมาณเถ้าถ่านหินต่อการหดตัวแห้งของซีเมนต์เพสต์ในแต่ละความชื้นสัมพัทธ์ และวิเคราะห์การหดตัวแบบคืนกลับได้และการหดตัวแบบคืนกลับไม่ได้ รวมไปถึงศึกษาพฤติกรรมการสูญเสียน้ำหนักระหว่างการตากแห้ง และความสามารถในการกักเก็บน้ำของซีเมนต์เพสต์ผสมเถ้าถ่านหิน วัสดุที่ใช้ประกอบด้วยปูนซีเมนต์ปอร์ตแลนด์ ประเภทที่ 1 เถ้าถ่านหินแคลเซียมต่ำ และน้ำปราศจากไอออน โดยกำหนดอัตราส่วนน้ำต่อวัสดุประสาน เท่ากับ 0.35, 0.45 และ 0.55 แทนที่ปูนซีเมนต์ปอร์ตแลนด์ประเภทที่ 1 ด้วยเถ้าถ่านหินในอัตราส่วนร้อยละ 0, 20, 35 และ 50 โดยน้ำหนักของวัสดุประสาน หล่อซีเมนต์เพสต์ขนาด 3×13×300 มม. แล้วบ่มตัวอย่างในสภาวะปิดผนึก ที่อุณหภูมิ 20 ± 1 °C เป็นเวลา 252 วัน จากนั้นตัดตัวอย่างให้มีความยาว 100 มม. แล้วตากแห้งตัวอย่างภายใต้ความชื้นสัมพัทธ์ร้อยละ 11, 23, 40, 55, 79 และ 95 เป็นเวลา 56 วัน จากนั้นนำตัวอย่างทั้งหมดไปตากแห้งที่ความชื้นสัมพัทธ์ ร้อยละ 11 เป็นเวลา 28 วัน แล้วนำกลับมาตากแห้งที่ความชื้นสัมพัทธ์เดิมอีก 28 วัน ผลการวิจัย พบว่า ช่วง 7 วันแรกของการตากแห้ง ซีเมนต์เพสต์ทุกส่วนผสมมีการหดตัวและการสูญเสียน้ำหนักสูง โดยเฉพาะในความชื้นสัมพัทธ์ต่ำกว่าร้อยละ 55 หลังจากนั้นอัตราการหดตัวจะลดลง แต่ยังคงมีการหดตัว ซีเมนต์เพสต์ที่ใช้อัตราส่วนน้ำต่อวัสดุประสานสูงเกิดการหดตัว และการสูญเสียน้ำหนักมากกว่าซีเมนต์เพสต์ที่ใช้อัตราส่วนน้ำต่อวัสดุประสานต่ำ การแทนที่ปูนซีเมนต์ด้วยเถ้าถ่านหินช่วยลดการหดตัวแห้งที่ความชื้นสัมพัทธ์ร้อยละ 11, 23, 40 และ 55 แต่ไม่มีผลชัดเจนที่ร้อยละ 79 และ 95 ขณะที่การแทนที่ เถ้าถ่านหินทำให้การสูญเสียน้ำหนักเพิ่มมากขึ้นตามปริมาณเถ้าถ่านหินที่สูงขึ้น เนื่องจากการผสมเถ้าถ่านหินทำให้ ซีเมนต์เพสต์มีความสามารถกักเก็บน้ำได้สูงขึ้น ซีเมนต์เพสต์ที่ใช้อัตราส่วนน้ำต่อวัสดุประสานสูงมีค่าการหดตัว แบบคืนกลับได้มากกว่าอัตราส่วนน้ำต่อวัสดุประสานต่ำ และการหดตัวแบบกลับคืนได้ลดลงเมื่อเพิ่มปริมาณเถ้าถ่านหิน ส่วนการหดตัวแบบคืนกลับไม่ได้ของซีเมนต์เพสต์ที่ผสมเถ้าถ่านหินมีค่าต่ำกว่าซีเมนต์เพสต์ที่ไม่ผสมเถ้าถ่านหิน และมีค่า ใกล้เคียงกันในทุกอัตราส่วนการแทนที่เถ้าถ่านหิน