3.3.6 粉煤灰对固废基超轻泡沫混凝土收缩值的影响
为了进一步探究不同级别和掺量的粉煤灰对UHBFC收缩的影响,观察并测试了组Con,A3,A5,B3,B5,C3,C5UHBFC的收缩值随养护时间变化规律。另外,同时测试了干密度相当的硅酸盐水泥基超轻泡沫混凝土(UPCFC)的干燥收缩值,用以对比UHBFC与UPCFC收缩值的差异,其相应的组别命名为P0。其收缩值随养护时间的变化如表3.5和图3.13所示。在养护过程中,随着试样收缩变化相应的水分散失率如表3.5和图3.14所示。
表3.5 UHBFC和UPCFC的收缩值以及水分散失率随养护时间变化
图3.13 UHBFC和UPCFC的收缩值随养护时间的变化规律
如表3.5和图3.13所示,UHBFC和UPCFC的收缩值随着养护时间的变化呈现不同的规律。UHBFC收缩值的变化可大致分为两个阶段:第一阶段是0～24 h,在这一阶段UHBFC的收缩值随着养护时间变化几乎呈垂直上升的趋势,其24 h收缩值可为672 h收缩值的50%以上;第二阶段是24 h以后,在这一阶段UHBFC的收缩值随养护时间的变化呈缓慢上升的趋势。UPCFC的收缩值几乎在672 h内随养护时间的变化都呈较大幅度的上升,虽然在后期增长幅度有削弱的趋势,但这种趋势并不明显。UPCFC收缩值的变化趋势与UHBFC相比还有明显的不同是它在0～24 h的收缩值较低,而在24～168 h增长速度最快,UPCFC的72 h收缩值几乎已超过所有组的UHBFC收缩值,甚至168 h以后收缩值增长速率仍然较快。这主要是由这两种水泥水化阶段和水化速度的不同而造成的,GHBSC在24 h内的水化反应迅速,产生大量的水化产物,24 h的抗压强度可为7 d抗压强度的70%以上。而硅酸盐水泥在早期水化速度较为缓慢,水化过程主要集中在72～168 h,甚至168 h以后水化反应还比强烈。据调查,水泥的水化将消耗大量的水,虽然水化后固相体积有所增加,但固相和液相的总体积减小了,生成的固相材料无法完全填补原始水分占据的空间,从而发生化学收缩。GHBSC和硅酸盐水泥的水化周期与水化阶段都不同,则产生化学收缩的变化趋势也不同。由图3.13可知,总体上,UHBFC的收缩要远低于UPCFC的收缩,其672 h收缩值分别为1.792,5.329 mm/m。造成这种现象的原因主要有两个方面:一方面,GHBSC可在24 h内达到较高的强度,这使其有足够的刚度抵抗因水分散失造成的干燥收缩,而硅酸盐水泥在前期增长缓慢,早期干燥收缩抵抗能力较弱;另一方面是由于GHBSC的主要水化产物为AFt,AFt具有微膨胀性,它的存在能一定程度上弥补一部分收缩。因此,UHBFC的收缩值要低于UPCFC的收缩值。
由图3.13可知,不论是第一阶段还是第二阶段掺粉煤灰的UHBFC的收缩值要比未掺粉煤灰的UHBFC高。第一阶段是水化反应的主要阶段,也是收缩值迅速增加的阶段,粉煤灰的加入,尤其是Ⅱ级粉煤灰和Ⅰ级粉煤灰的加入,增加了有效水灰比,起到了稀释作用,粉煤灰较高的比表面积可吸附一部分水化产物,在一定程度上促进水化。因此,在这一阶段,掺粉煤灰的UHBFC的化学收缩要高于不掺粉煤灰的UHBFC。如图3.8和图3.9所示,随着3种级别的粉煤灰的掺量的增加,UHBFC中具有微膨胀效应的AFt含量有所降低。因此,在第一阶段,掺粉煤灰的UHBFC的收缩值要比不掺粉煤灰的UHBFC的收缩值增长速度更快。但在第一阶段,不同级别和掺量的粉煤灰对UHBFC收缩影响的区别并不明显。因为在第一阶段同时存在化学收缩和干燥收缩,且化学收缩更强烈,不同级别的粉煤灰中化学成分的不同也会引起化学收缩的差异,所以难以评估在这一阶段粉煤灰级别和掺量对UHBFC收缩的影响。在第二阶段,掺有不同级别和掺量粉煤灰的UHBFC的收缩值随养护时间呈现出不同的变化规律。对于掺有相同级别粉煤灰的UHBFC来说,随着粉煤灰掺量的增加其收缩值有增大的趋势,掺有Ⅱ级粉煤灰和Ⅰ级粉煤灰的UHBFC的收缩值要低于掺有Ⅲ级粉煤灰的UHBFC。这是因为粉煤灰的活性低于HBSC,尤其是Ⅲ级粉煤灰只能起到填充作用而几乎没有活性,随着粉煤灰掺量的增加,UHBFC中水化生成的AFt和C-S-H凝胶相对减少,微膨胀性减弱,强度降低。虽然粉煤灰的加入,特别是Ⅱ级粉煤灰和Ⅰ级粉煤灰的加入,会填充部分孔隙,使孔隙结构致密,但整体结构相对疏松,胶结性不良。由图3.7和图5.11也可知,随着粉煤灰掺量增加,尤其是Ⅲ级粉煤灰掺量增加,UHBFC的比强度和拉伸黏结强度都不断降低。因此,与不掺粉煤灰的UHBFC相比,掺有粉煤灰的UHBFC抵抗因水分散失而产生的应力的能力较弱,导致收缩值较大。但是,这种结果却不同于用硅酸盐水泥制备的泡沫混凝土,Chindaprasirt和Rattanasak,以及Roslan等研究发现,粉煤灰的加入有利于降低硅酸盐水泥基泡沫混凝土的收缩。这是由于硅酸盐水泥在水化过程中会产生大量氢氧化钙,粉煤灰能在这种碱性环境中充分发挥其火山灰效应,有利于强度的增长,抵抗收缩的能力有所增强。然而,在GHBSC的水化过程中几乎没有氢氧化钙的生成,粉煤灰的加入不但不能发挥火山灰效应增加其强度,反而会减少水化产物的生成,降低强度,因此,不利于抵抗UHBFC的干燥收缩。
图3.14 UHBFC和UPCFC的水分损失率随养护时间的变化规律
由图3.13和图3.14可知,在养护过程中,UHBFC的收缩变化与水分损失率具有一定的相关性。总体来看,UHBFC的水分损失速度越快,收缩值增加也越快;水分损失速度越慢,收缩值增长速度也越慢。但是,它们之间的关系不是确定的,十分复杂。例如,在24 h内UPCFC的水分损失率高于UHBFC,但其24 h内的收缩值却低于UHBFC。这不仅能从侧面反映出UHBFC的孔结构优于UPCFC,而且也表明在24 h内UHBFC主要由高贝利特硫铝酸盐水泥快速水化反应造成的化学收缩要高于UPCFC主要由水分损失而造成的干燥收缩。由图3.13和图3.14还可知,掺有Ⅱ级粉煤灰和Ⅰ级粉煤灰的UHBFC的水分损失率要低于不掺粉煤灰的UHBFC,但掺有Ⅱ级粉煤灰和Ⅰ级粉煤灰的UHBFC的收缩值却高于不掺粉煤灰的UHBFC。这是因不掺粉煤灰的UHBFC中具有较多的AFt和C-S-H凝胶,使其具有较高的比强度和拉伸黏结强度,抵抗收缩变形的能力也较强。但是,不掺粉煤灰的UHBFC的孔结构较差,有较多的连通孔,容易造成水分损失。如图3.8所示,掺入粉煤灰的UHBFC的粉煤灰,尤其是掺入Ⅱ级粉煤灰和Ⅰ级粉煤灰的UHBFC连通孔较少,而且孔壁结构致密,水分较难散失。从图3.14可知,掺有Ⅲ级粉煤灰的UHBFC的水分损失率高于掺有Ⅱ级粉煤灰和Ⅰ级粉煤灰的UHBFC,这也是导致掺有不同级别粉煤灰的UHBFC收缩值差异的原因之一。造成水分损失率差异的原因是这3种级别的粉煤灰颗粒形态存在较大差异,粉煤灰中含有的球形微珠粒径和数量不同,对UHBFC孔结构的改善效果也不同。