白色超高性能混凝土飾面性能影響因素分析

廖娟

（1.中國(guó)建筑股份有限公司技術(shù)中心，北京 101300；2.中國(guó)建筑第二工程局有限公司，北京 100160）

超高性能混凝土（UHPC）作為一種創(chuàng)新性結(jié)構(gòu)裝飾一體化材料應(yīng)用于現(xiàn)代建筑幕墻，耐久性優(yōu)異，拉伸強(qiáng)度高，韌性好，利用其抗彎強(qiáng)度高、無(wú)配筋、無(wú)粗骨料的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)可以把構(gòu)件橫截面形狀設(shè)計(jì)得更纖細(xì)、更輕薄，構(gòu)件整體造型更加飄逸輕盈，結(jié)構(gòu)自重大大降低。UHPC可取代外貼瓷磚、外掛普通裝飾混凝土及石材，通過(guò)混凝土自身的色彩、紋理及造型能形成更具創(chuàng)造性的大型建筑立面裝飾效果，充分發(fā)揮UHPC構(gòu)件獨(dú)特的藝術(shù)美[1]。

國(guó)內(nèi)關(guān)于UHPC的應(yīng)用研究主要集中在材料及構(gòu)件宏觀力學(xué)性能、微觀性能等方面，覃維祖和曹峰[2]率先在國(guó)內(nèi)介紹了UHPC的基本原理及性能特點(diǎn)；龍廣成等[3]分析了硬化UHPC微觀結(jié)構(gòu)對(duì)宏觀性能的影響規(guī)律；黃政宇等[4-5]建立UHPC受壓應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€，提出裝飾UHPC的成型方法、工藝參數(shù)及力學(xué)性能等；安明喆等[6]建立了UHPC軸心受拉應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€數(shù)學(xué)模型；賴建中等[7]提出UHPC韌性及安全性評(píng)價(jià)指標(biāo)。關(guān)于UHPC的飾面性能研究相對(duì)較少，安子博等[8]在彩色UHPC預(yù)制板塊成型及制備技術(shù)方面進(jìn)行了研究。本研究針對(duì)在裝飾工程領(lǐng)域應(yīng)用最多的白色UHPC系列，選用白度較高的原材料來(lái)配制白色UHPC，研究了白色UHPC材料組分、水膠比對(duì)堿滲出率、吸水率、白度等飾面性能的影響，以便為白色UHPC工程應(yīng)用提供參考。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

白水泥：P·W52.5級(jí)，初、終凝時(shí)間分別為140、170 min，白度91.5%，阿爾博白水泥有限公司產(chǎn)；白硅粉：白度93%，比表面積22 800 m2/kg，購(gòu)自上海某貿(mào)易公司；鈦白粉：金紅石型，TiO2含量94%，白度99.3%，平均粒徑0.25μm，購(gòu)自北京信立基商貿(mào)有限公司；石英粉：白度94.3%，300～400目；石英砂：白度95.6%，細(xì)度模數(shù)1.6，購(gòu)自北京建鼎商貿(mào)中心；聚羧酸減水劑：粉劑，減水率約30%，蘇博特新材料有限公司產(chǎn)；鍍銅鋼纖維，長(zhǎng)度13 mm，直徑0.20 mm，抗拉強(qiáng)度≥2000 MPa，宏瑞萊科技有限公司產(chǎn)。

1.2 試驗(yàn)配比與養(yǎng)護(hù)方法

UHPC配合比為：膠砂比1.1，水膠比0.16～0.30，白色膠凝材料包括白水泥和白硅粉，以白色膠凝材料為基準(zhǔn)，石英粉摻量為30%，鈦白粉摻量為0～3%，白硅粉摻量為0～30%，聚羧酸減水劑摻量為0.4%。根據(jù)設(shè)計(jì)配合比成型UHPC試件，拆模后放入（60±5）℃養(yǎng)護(hù)箱蒸養(yǎng)72 h。

1.3 試驗(yàn)方法

通常用白度表示UHPC白色的程度，堿滲出率可定量評(píng)價(jià)混凝土的泛堿程度，用于表示UHPC的抗泛堿性[9]，用吸水率表示UHPC的防水性能。白色UHPC飾面性能與UHPC的白度、抗泛堿性、防水性等密切相關(guān)，UHPC抗泛堿性越好，防水性能越好，色彩均勻性就越好。

1.3.1 堿滲出率

將3個(gè)7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm的UHPC試件下表面和四周表面用涂膜型防水材料密封，將其上表面浸入30 mL去離子水中，24 h后取出試件晾干，然后稱量，同時(shí)收集浸出液，用70℃的烘箱中烘干，測(cè)試試件表面在浸水后溶于水中的可溶性堿，按式（1）計(jì)算混凝土的堿滲出率：

式中：La，s——混凝土堿滲出率，g/（m2·h）；

m——浸出可溶性堿質(zhì)量，g；

A——試件浸水面積，m2；

t——試件浸水時(shí)間，h。

1.3.2 吸水率

吸水率采用GB/T 9966.3—2001《天然飾面石材試驗(yàn)方法 第3部分：體積密度、真密度、真氣孔率、吸水率試驗(yàn)方法》對(duì)7.07 cm×7.07 cm×7.07 cmUHPC立方塊試樣進(jìn)行測(cè)試。

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，主要采用光電白度計(jì)進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與分析

混凝土內(nèi)部水分蒸發(fā)后，水泥漿中未水化固體組分所填充的空間形成許多毛細(xì)孔，毛細(xì)孔的尺寸和體積由水泥漿體中膠凝材料顆粒的間距及水化程度決定[10]；受周圍溫濕度變化的影響，從毛細(xì)孔過(guò)飽和堿溶液中結(jié)晶析出水泥水化產(chǎn)物Ca（OH）2，光在通過(guò)混凝土硬化水泥漿表面毛細(xì)孔時(shí)會(huì)產(chǎn)生折射、反射作用，反射出硬化水泥漿、骨料本身顏色，最終形成UHPC表面外觀顏色[11]。白硅粉、鈦白粉及水膠比會(huì)對(duì)UHPC毛細(xì)孔尺寸及體積、水泥漿顏色造成影響，因此本文著重考察白硅粉、水膠比、鈦白粉這些因素對(duì)UHPC吸水率、堿滲出率和白度等飾面性能的影響。

2.1 UHPC的吸水率

UHPC的抗泛堿性與吸水率密切相關(guān)，UHPC毛細(xì)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，抗泛堿性越好。白硅粉摻量、鈦白粉摻量和水膠比對(duì)UHPC吸水率的影響見(jiàn)表1。

表1 白硅粉摻量、鈦白粉摻量和水膠比對(duì)UHPC吸水率的影響

由表1可見(jiàn)：

（1）固定水膠比為0.30，不摻鈦白粉時(shí)，隨著白硅粉摻量從0增加到20%，UHPC的吸水率呈逐漸減小的趨勢(shì)，白硅粉摻量為20%時(shí)，UHPC的吸水率最小。粒徑較小的白硅粉有效填充白水泥顆粒間空隙，水化產(chǎn)物Ca（OH）2與白硅粉反應(yīng)生成硅酸鈣填塞混凝土毛細(xì)孔，從而增大混凝土密實(shí)度，降低UHPC的吸水率。

（2）固定水膠比為0.30，白硅粉摻量為30%時(shí)，隨鈦白粉摻量從0增加到3%，UHPC的吸水率先增大后減小。鈦白粉粒徑較小，比表面積較大，一方面吸水量較大，另一方面其顆粒填充效應(yīng)可有效減少白水泥顆粒間的空隙體積，使UHPC更加密實(shí)，2種效應(yīng)相互疊加，使UHPC吸水率隨鈦白粉摻量的增加呈先增大后減小的趨勢(shì)。鈦白粉摻量為2%、3%時(shí)，UHPC的吸水率較未摻鈦白粉的UHPC小，鈦白粉摻量為3%時(shí)，UHPC的吸水率最小，表明UHPC達(dá)到最佳密實(shí)狀態(tài)。

（3）固定白硅粉摻量為30%、不摻鈦白粉時(shí)，UHPC的吸水率隨水膠比的增加而大致呈逐漸增大趨勢(shì)，水膠比為0.16～0.26時(shí)，UHPC的吸水率增長(zhǎng)較慢；水膠比為0.26～0.30時(shí)，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%）與砂巖類石灰石石材（0.51%～2.00%）之間，比砂巖類石灰石石材吸水率小，防水性能優(yōu)異，外界物質(zhì)很難滲入，比較耐污。

試驗(yàn)結(jié)果表明，各因素對(duì)UHPC吸水率的影響大小依次為水膠比＞白硅粉摻量＞鈦白粉摻量。

2.2 UHPC的堿滲出率

水泥在水化過(guò)程中形成Ca（OH）2等大量可溶性堿是導(dǎo)致混凝土泛堿的主要根源，混凝土內(nèi)部可溶性堿在干燥過(guò)程中會(huì)隨著水分蒸發(fā)析出至混凝土表面，初次出現(xiàn)泛堿；混凝土干燥后內(nèi)部的可溶性鹽由于外界水的侵入會(huì)再次溶解，使混凝土表面再次出現(xiàn)泛堿[11]。混凝土表面堿滲出率越低，則抗離子遷移能力和抗泛堿性越好。相關(guān)研究表明[9]，混凝土表面堿滲出率小于1 g/（m2·h）時(shí)不會(huì)出現(xiàn)明顯泛堿現(xiàn)象，白硅粉摻量、鈦白粉摻量和水膠比對(duì)UHPC堿滲出率的影響見(jiàn)表2。

表2 白硅粉摻量、鈦白粉摻量和水膠比對(duì)UHPC堿滲出率的影響

由表2可見(jiàn)：

（1）固定水膠比為0.30，不摻鈦白粉時(shí)，隨著白硅粉摻量從0增加到20%，UHPC的堿滲出率呈先增大后減小的趨勢(shì)；白硅粉摻量為20%～30%時(shí)，隨白硅粉摻量的增加，UHPC堿滲出率呈增大趨勢(shì)。白硅粉摻量為15%～20%時(shí)，堿滲出率較低，白硅粉摻量為20%時(shí)，堿滲出率最低。這可能是在該摻量范圍內(nèi)，白硅粉與UHPC水化產(chǎn)物Ca（OH）2充分反應(yīng)的數(shù)量最多，UHPC表面滲出的堿就最少。

（2）固定水膠比為0.30，白硅粉摻量為30%時(shí)，隨鈦白粉摻量從0增加到3%，UHPC的堿滲出率逐漸增大。一部分滲出的堿由水化產(chǎn)物Ca（OH）2析出，還有一部分可能由鈦白粉帶入的微量可溶性鹽在外界水浸入混凝土后再次溶解形成。

（3）固定白硅粉摻量為30%、不摻鈦白粉時(shí)，UHPC的堿滲出率隨水膠比的增大先減小后增大。水膠比為0.22～0.28時(shí)，吸水率為0.46%～1.12%，堿滲出率為0.08～0.19 g/（m2·h），這個(gè)區(qū)間水膠比越小，UHPC漿體越黏稠，在攪拌過(guò)程中引入的空氣難以逸出使硬化UHPC內(nèi)部產(chǎn)生少量缺陷，因而隨著水膠比增大UHPC內(nèi)部缺陷減小，堿滲出率也相應(yīng)減小；水膠比為0.28～0.30時(shí)，吸水率為1.12%～2.00%，堿滲出率為0.08～0.36 g/（m2·h），隨著水膠比增大毛細(xì)孔增多，UHPC吸水率增大，堿滲出率明顯增大[1]。

綜合以上試驗(yàn)結(jié)果，各因素對(duì)UHPC堿滲出率的影響大小依次為水膠比＞白硅粉摻量＞鈦白粉摻量。

2.3 UHPC的白度

白色UHPC的白度與原材料的白度密切相關(guān)，在保持UHPC配合比其他基本參數(shù)不變的情況下，重點(diǎn)考察鈦白粉、白硅粉、水膠比對(duì)UHPC白度的影響，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 白硅粉摻量、鈦白粉摻量和水膠比對(duì)UHPC白度的影響

由表3可見(jiàn)：

（1）固定水膠比為0.30，不摻鈦白粉時(shí)，隨白硅粉摻量從0增加到15%，UHPC的白度逐漸增大；白硅粉摻量為20%時(shí)，UHPC的白度與未摻白硅粉的UHPC相差不大。

（2）固定水膠比為0.30，白硅粉摻量為30%時(shí)，隨鈦白粉摻量從0增加到3%，UHPC的白度逐漸增大。鈦白粉顆粒比水泥顆粒小，有很好的遮蓋力，能夠把水泥顆粒表面包覆起來(lái)，吸收可見(jiàn)光中除白色以外的所有顏色而將白色光反射出去，使看到的就只有白色。UHPC白度在鈦白粉摻量從0增加到1%時(shí)增幅較大；在鈦白粉摻量從2%增加到3%時(shí)鈦白粉對(duì)白度的提高趨于飽和，UHPC白度緩慢增加。

（3）固定白硅粉摻量為30%、不摻鈦白粉時(shí)，UHPC的白度隨水膠比的增加而增大。水膠比為0.22～0.28時(shí)，UHPC白度緩慢增大，水膠比為0.28～0.30時(shí)，UHPC白度變化幅度較大，水膠比為0.30時(shí)，白度最大。對(duì)照表1可知，吸水率在0.46%～0.63%區(qū)間時(shí)，UHPC的白度變化不大；吸水率大于0.63%時(shí)，UHPC的白度大幅增加。由于低水膠比區(qū)域的三價(jià)鐵離子水化程度變化，或者是鹽在空隙內(nèi)局部沉積等造成水膠比越小的區(qū)域顏色越深[12]，水膠比越大的區(qū)域顏色越淺。

對(duì)比表2和表3可以看出，固定白硅粉摻量為30%、未摻鈦白粉，水膠比為0.22～0.30時(shí)，隨著堿滲出率增加，白度緩慢下降，但變化不大；當(dāng)堿滲出率大于0.19 g/（m2·h）時(shí)，才會(huì)對(duì)UHPC白度有較大影響，堿滲出率為0.19～0.39 g/（m2·h）區(qū)間，白度為86.0%～87.2%，隨堿滲出率的增加，白度大幅增加，變化較大。

綜合以上試驗(yàn)研究結(jié)果，對(duì)UHPC白度的影響因素大小依次為鈦白粉摻量＞白硅粉摻量＞水膠比。

3 結(jié) 論

（1）通過(guò)降低水膠比、摻入白硅粉可使UHPC更加密實(shí)，能有效降低UHPC的堿滲出率、吸水率，白硅粉摻量為20%時(shí)，堿滲出率最低，UHPC白度較小。當(dāng)水膠比大于0.28時(shí)，UHPC吸水率、堿滲出率大幅上升，白度大幅增加。

（2）水膠比、白硅粉摻量的增加只能小幅提高UHPC白度；鈦白粉摻量不大于1%時(shí)，能有效提高UHPC白度；UHPC堿滲出率大于0.19 g/（m2·h）或吸水率大于0.63%時(shí)，才會(huì)對(duì)UHPC白度產(chǎn)生較大影響。

（3）白硅粉、水膠比是影響白色UHPC吸水率、堿滲出率的主要因素，鈦白粉是影響UHPC白度的主要因素，要提高UHPC飾面性能，水膠比不宜大于0.26，白硅粉摻量以20%為宜；鈦白粉摻量不宜超過(guò)1%。