白色超高性能混凝土饰面性能影响因素分析

廖娟

（1.中国建筑股份有限公司技术中心，北京 101300；2.中国建筑第二工程局有限公司，北京 100160）

超高性能混凝土（UHPC）作为一种创新性结构装饰一体化材料应用于现代建筑幕墙，耐久性优异，拉伸强度高，韧性好，利用其抗弯强度高、无配筋、无粗骨料的优点，结构设计时可以把构件横截面形状设计得更纤细、更轻薄，构件整体造型更加飘逸轻盈，结构自重大大降低。UHPC可取代外贴瓷砖、外挂普通装饰混凝土及石材，通过混凝土自身的色彩、纹理及造型能形成更具创造性的大型建筑立面装饰效果，充分发挥UHPC构件独特的艺术美[1]。

国内关于UHPC的应用研究主要集中在材料及构件宏观力学性能、微观性能等方面，覃维祖和曹峰[2]率先在国内介绍了UHPC的基本原理及性能特点；龙广成等[3]分析了硬化UHPC微观结构对宏观性能的影响规律；黄政宇等[4-5]建立UHPC受压应力-应变全曲线，提出装饰UHPC的成型方法、工艺参数及力学性能等；安明喆等[6]建立了UHPC轴心受拉应力-应变全曲线数学模型；赖建中等[7]提出UHPC韧性及安全性评价指标。关于UHPC的饰面性能研究相对较少，安子博等[8]在彩色UHPC预制板块成型及制备技术方面进行了研究。本研究针对在装饰工程领域应用最多的白色UHPC系列，选用白度较高的原材料来配制白色UHPC，研究了白色UHPC材料组分、水胶比对碱渗出率、吸水率、白度等饰面性能的影响，以便为白色UHPC工程应用提供参考。

1 试 验

1.1 原材料

白水泥：P·W52.5级，初、终凝时间分别为140、170 min，白度91.5%，阿尔博白水泥有限公司产；白硅粉：白度93%，比表面积22 800 m2/kg，购自上海某贸易公司；钛白粉：金红石型，TiO2含量94%，白度99.3%，平均粒径0.25μm，购自北京信立基商贸有限公司；石英粉：白度94.3%，300～400目；石英砂：白度95.6%，细度模数1.6，购自北京建鼎商贸中心；聚羧酸减水剂：粉剂，减水率约30%，苏博特新材料有限公司产；镀铜钢纤维，长度13 mm，直径0.20 mm，抗拉强度≥2000 MPa，宏瑞莱科技有限公司产。

1.2 试验配比与养护方法

UHPC配合比为：胶砂比1.1，水胶比0.16～0.30，白色胶凝材料包括白水泥和白硅粉，以白色胶凝材料为基准，石英粉掺量为30%，钛白粉掺量为0～3%，白硅粉掺量为0～30%，聚羧酸减水剂掺量为0.4%。根据设计配合比成型UHPC试件，拆模后放入（60±5）℃养护箱蒸养72 h。

1.3 试验方法

通常用白度表示UHPC白色的程度，碱渗出率可定量评价混凝土的泛碱程度，用于表示UHPC的抗泛碱性[9]，用吸水率表示UHPC的防水性能。白色UHPC饰面性能与UHPC的白度、抗泛碱性、防水性等密切相关，UHPC抗泛碱性越好，防水性能越好，色彩均匀性就越好。

1.3.1 碱渗出率

将3个7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm的UHPC试件下表面和四周表面用涂膜型防水材料密封，将其上表面浸入30 mL去离子水中，24 h后取出试件晾干，然后称量，同时收集浸出液，用70℃的烘箱中烘干，测试试件表面在浸水后溶于水中的可溶性碱，按式（1）计算混凝土的碱渗出率：

式中：La，s——混凝土碱渗出率，g/（m2·h）；

m——浸出可溶性碱质量，g；

A——试件浸水面积，m2；

t——试件浸水时间，h。

1.3.2 吸水率

吸水率采用GB/T 9966.3—2001《天然饰面石材试验方法 第3部分：体积密度、真密度、真气孔率、吸水率试验方法》对7.07 cm×7.07 cm×7.07 cmUHPC立方块试样进行测试。

1.3.3 白度

白度（材料表面白色的程度）用白色含有量的百分率表示，主要采用光电白度计进行测试。

2 结果与分析

混凝土内部水分蒸发后，水泥浆中未水化固体组分所填充的空间形成许多毛细孔，毛细孔的尺寸和体积由水泥浆体中胶凝材料颗粒的间距及水化程度决定[10]；受周围温湿度变化的影响，从毛细孔过饱和碱溶液中结晶析出水泥水化产物Ca（OH）2，光在通过混凝土硬化水泥浆表面毛细孔时会产生折射、反射作用，反射出硬化水泥浆、骨料本身颜色，最终形成UHPC表面外观颜色[11]。白硅粉、钛白粉及水胶比会对UHPC毛细孔尺寸及体积、水泥浆颜色造成影响，因此本文着重考察白硅粉、水胶比、钛白粉这些因素对UHPC吸水率、碱渗出率和白度等饰面性能的影响。

2.1 UHPC的吸水率

UHPC的抗泛碱性与吸水率密切相关，UHPC毛细孔吸水率表征了防水性能，吸水率越低，水泥基材料防水效果越好，抗泛碱性越好。白硅粉掺量、钛白粉掺量和水胶比对UHPC吸水率的影响见表1。

表1 白硅粉掺量、钛白粉掺量和水胶比对UHPC吸水率的影响

由表1可见：

（1）固定水胶比为0.30，不掺钛白粉时，随着白硅粉掺量从0增加到20%，UHPC的吸水率呈逐渐减小的趋势，白硅粉掺量为20%时，UHPC的吸水率最小。粒径较小的白硅粉有效填充白水泥颗粒间空隙，水化产物Ca（OH）2与白硅粉反应生成硅酸钙填塞混凝土毛细孔，从而增大混凝土密实度，降低UHPC的吸水率。

（2）固定水胶比为0.30，白硅粉掺量为30%时，随钛白粉掺量从0增加到3%，UHPC的吸水率先增大后减小。钛白粉粒径较小，比表面积较大，一方面吸水量较大，另一方面其颗粒填充效应可有效减少白水泥颗粒间的空隙体积，使UHPC更加密实，2种效应相互叠加，使UHPC吸水率随钛白粉掺量的增加呈先增大后减小的趋势。钛白粉掺量为2%、3%时，UHPC的吸水率较未掺钛白粉的UHPC小，钛白粉掺量为3%时，UHPC的吸水率最小，表明UHPC达到最佳密实状态。

（3）固定白硅粉掺量为30%、不掺钛白粉时，UHPC的吸水率随水胶比的增加而大致呈逐渐增大趋势，水胶比为0.16～0.26时，UHPC的吸水率增长较慢；水胶比为0.26～0.30时，UHPC的吸水率大幅增加。UHPC吸水率介于普通大理石石材（0.1%～0.5%）与砂岩类石灰石石材（0.51%～2.00%）之间，比砂岩类石灰石石材吸水率小，防水性能优异，外界物质很难渗入，比较耐污。

试验结果表明，各因素对UHPC吸水率的影响大小依次为水胶比＞白硅粉掺量＞钛白粉掺量。

2.2 UHPC的碱渗出率

水泥在水化过程中形成Ca（OH）2等大量可溶性碱是导致混凝土泛碱的主要根源，混凝土内部可溶性碱在干燥过程中会随着水分蒸发析出至混凝土表面，初次出现泛碱；混凝土干燥后内部的可溶性盐由于外界水的侵入会再次溶解，使混凝土表面再次出现泛碱[11]。混凝土表面碱渗出率越低，则抗离子迁移能力和抗泛碱性越好。相关研究表明[9]，混凝土表面碱渗出率小于1 g/（m2·h）时不会出现明显泛碱现象，白硅粉掺量、钛白粉掺量和水胶比对UHPC碱渗出率的影响见表2。

表2 白硅粉掺量、钛白粉掺量和水胶比对UHPC碱渗出率的影响

由表2可见：

（1）固定水胶比为0.30，不掺钛白粉时，随着白硅粉掺量从0增加到20%，UHPC的碱渗出率呈先增大后减小的趋势；白硅粉掺量为20%～30%时，随白硅粉掺量的增加，UHPC碱渗出率呈增大趋势。白硅粉掺量为15%～20%时，碱渗出率较低，白硅粉掺量为20%时，碱渗出率最低。这可能是在该掺量范围内，白硅粉与UHPC水化产物Ca（OH）2充分反应的数量最多，UHPC表面渗出的碱就最少。

（2）固定水胶比为0.30，白硅粉掺量为30%时，随钛白粉掺量从0增加到3%，UHPC的碱渗出率逐渐增大。一部分渗出的碱由水化产物Ca（OH）2析出，还有一部分可能由钛白粉带入的微量可溶性盐在外界水浸入混凝土后再次溶解形成。

（3）固定白硅粉掺量为30%、不掺钛白粉时，UHPC的碱渗出率随水胶比的增大先减小后增大。水胶比为0.22～0.28时，吸水率为0.46%～1.12%，碱渗出率为0.08～0.19 g/（m2·h），这个区间水胶比越小，UHPC浆体越黏稠，在搅拌过程中引入的空气难以逸出使硬化UHPC内部产生少量缺陷，因而随着水胶比增大UHPC内部缺陷减小，碱渗出率也相应减小；水胶比为0.28～0.30时，吸水率为1.12%～2.00%，碱渗出率为0.08～0.36 g/（m2·h），随着水胶比增大毛细孔增多，UHPC吸水率增大，碱渗出率明显增大[1]。

综合以上试验结果，各因素对UHPC碱渗出率的影响大小依次为水胶比＞白硅粉掺量＞钛白粉掺量。

2.3 UHPC的白度

白色UHPC的白度与原材料的白度密切相关，在保持UHPC配合比其他基本参数不变的情况下，重点考察钛白粉、白硅粉、水胶比对UHPC白度的影响，结果见表3。

表3 白硅粉掺量、钛白粉掺量和水胶比对UHPC白度的影响

由表3可见：

（1）固定水胶比为0.30，不掺钛白粉时，随白硅粉掺量从0增加到15%，UHPC的白度逐渐增大；白硅粉掺量为20%时，UHPC的白度与未掺白硅粉的UHPC相差不大。

（2）固定水胶比为0.30，白硅粉掺量为30%时，随钛白粉掺量从0增加到3%，UHPC的白度逐渐增大。钛白粉颗粒比水泥颗粒小，有很好的遮盖力，能够把水泥颗粒表面包覆起来，吸收可见光中除白色以外的所有颜色而将白色光反射出去，使看到的就只有白色。UHPC白度在钛白粉掺量从0增加到1%时增幅较大；在钛白粉掺量从2%增加到3%时钛白粉对白度的提高趋于饱和，UHPC白度缓慢增加。

（3）固定白硅粉掺量为30%、不掺钛白粉时，UHPC的白度随水胶比的增加而增大。水胶比为0.22～0.28时，UHPC白度缓慢增大，水胶比为0.28～0.30时，UHPC白度变化幅度较大，水胶比为0.30时，白度最大。对照表1可知，吸水率在0.46%～0.63%区间时，UHPC的白度变化不大；吸水率大于0.63%时，UHPC的白度大幅增加。由于低水胶比区域的三价铁离子水化程度变化，或者是盐在空隙内局部沉积等造成水胶比越小的区域颜色越深[12]，水胶比越大的区域颜色越浅。

对比表2和表3可以看出，固定白硅粉掺量为30%、未掺钛白粉，水胶比为0.22～0.30时，随着碱渗出率增加，白度缓慢下降，但变化不大；当碱渗出率大于0.19 g/（m2·h）时，才会对UHPC白度有较大影响，碱渗出率为0.19～0.39 g/（m2·h）区间，白度为86.0%～87.2%，随碱渗出率的增加，白度大幅增加，变化较大。

综合以上试验研究结果，对UHPC白度的影响因素大小依次为钛白粉掺量＞白硅粉掺量＞水胶比。

3 结 论

（1）通过降低水胶比、掺入白硅粉可使UHPC更加密实，能有效降低UHPC的碱渗出率、吸水率，白硅粉掺量为20%时，碱渗出率最低，UHPC白度较小。当水胶比大于0.28时，UHPC吸水率、碱渗出率大幅上升，白度大幅增加。

（2）水胶比、白硅粉掺量的增加只能小幅提高UHPC白度；钛白粉掺量不大于1%时，能有效提高UHPC白度；UHPC碱渗出率大于0.19 g/（m2·h）或吸水率大于0.63%时，才会对UHPC白度产生较大影响。

（3）白硅粉、水胶比是影响白色UHPC吸水率、碱渗出率的主要因素，钛白粉是影响UHPC白度的主要因素，要提高UHPC饰面性能，水胶比不宜大于0.26，白硅粉掺量以20%为宜；钛白粉掺量不宜超过1%。