顏料種類和摻量對彩色自密實混凝土力學性能的影響研究

郭文星

（北京建筑大學土木與交通工程學院 北京 100044）

0 引言

隨著我國城市化建設日趨完善，越來越多的高層建筑也在城市中林立而起。但隨著高層建筑數量的增加，由于墻磚墜落而引發的傷亡事故也逐漸為人們所重視。目前常用墻磚和涂料作為外墻裝飾，除去高空墜落的安全性問題，還存在環境污染、耐久性差以及施工難等問題。為減少和避免上述問題發生，可將顏料摻入自密實混凝土中，從而制得結構裝飾一體化的可達到清水面層效果的彩色自密實混凝土。雖然眾多學者對彩色混凝土制品性能進行了一定研究，但研究結論卻不盡相同，如蔡昱、陳凌生和楊林認為無機顏料和有機顏料的加入對混凝土的強度有害；則認為無機顏料的加入對混凝土無明顯影響；而的試驗表明部分顏料對混凝土的強度有益，另一部分則是有害的，且鮮有人研究不同強度的彩色混凝土。所以試驗使用氧化鐵系顏料制備混凝土，探究顏料的種類和摻量對不同強度下的彩色自密實混凝土的力學性能的影響規律及原因。

1 試驗

1.1 試驗材料

本試驗所使用的是由河北燕新建材有限公司生產的鉆牌P.O.42.5的普通硅酸鹽水泥。水泥的基本化學成分見表1；粉煤灰選用一級粉煤灰，粒徑范圍為0.5~300μm，比表面積330m2/g；細骨料選用天然河沙，采用篩分析的方法測定沙的顆粒級配位于二區，粗細程度為中砂。試驗測定出沙的表觀密度為2.6kg/m3，堆積密度為1.58kg/m3；選用大興石場生產的石灰質碎石，其中粒徑為10～25mm的碎石占30%，粒徑為25～40mm的碎石占70%；減水劑為聚羧酸系高性能減水劑，減水率為20%～30%，固含量（20±2）%，泌水率比≤20%；選用氧化鐵系顏料為紅黃藍綠四種，均由上海倍墨實業有限公司生產，分別為氧化鐵紅、氧化鐵黃、氧化鐵綠和氧化鐵藍，四種顏料基材均為氧化鐵，藍綠顏料外包裹有機顏料酞菁藍，因此紅黃顏料為無機顏料、藍綠顏料為復合顏料，四種顏料的基本性能見表2。

表1 P.O.42.5號水泥的化學成分

表2 氧化鐵系顏料基本性質及化學成分

1.2 試驗方案

為確定顏料種類及摻量對混凝土的力學性能會產生何種影響，試驗設計4種顏料種類（氧化鐵紅、氧化鐵黃、氧化鐵綠和氧化鐵藍）和4個顏料摻量（摻入方式為內摻法，分別占總膠凝材料的0%、2%、4%和6%）以及混凝土強度等級3種，用以確定顏料種類及摻量對不同強度下混凝土力學性能的影響。

立方抗壓強度試驗根據《普通混凝土力學性能試驗方法標準》，不同強度混凝土的加載速率不同，所以在試驗時強度處于C30-C60之間時分別以0.3MPa/s和0.5MPa/s加載，超過C60則按照0.7MPa/s進行加載。

1.3 試件制備

表3為混凝土配合比。按表3稱取水泥、粉煤灰、以及顏料并混合于容器中，將材料倒入攪拌機中并加入細骨料和粗骨料預拌1min，隨后將水與減水劑加入其中，再攪拌3min即可制得彩色混凝土。將彩色砂漿澆筑于100mm×100mm×100mm的模具中，等待48h后拆模，將制得的試件置于標準養護室養護28d。

表3 彩色混凝土配合比

2 結果與分析

2.1 不同顏料及摻量對混凝土抗壓強度的影響

從圖1、圖2和圖3可以看出，作為無機顏料的氧化鐵紅和氧化鐵黃對混凝土的立方抗壓強度影響較小，隨著顏料摻量增加，試件的立方抗壓強度均可得到保證，并可對混凝土的抗壓強度帶來有益影響，而含有有機顏料成分的氧化鐵綠和氧化鐵藍則對混凝土立方抗壓強度具有明顯不利影響，且在較低強度等級時無法保證混凝土達到應有抗壓強度，但隨著混凝土等級的提高，摻入復合顏料的混凝土的立方抗壓強度區域穩定，可達到相應的抗壓強度。

2.2 不同性質的顏料對混凝土的抗壓強度差異的原因及分析

圖101 組彩色混凝土立方抗壓強度

圖202 組彩色混凝土立方抗壓強度

圖303 組彩色混凝土立方抗壓強度

四種顏料均以氧化鐵作為基材，其區別僅在于表面是否包裹酞菁藍，所以不同彩色混凝土間產生差異的主要原因為酞菁藍。首先由于酞菁藍具有很強的疏水性，所以復合顏料應具有一定的疏水性[1]，所以摻入的復合顏料對阻礙水泥與水接觸，從而阻礙和減少水泥的水化進程，使得復合顏料混凝土的抗壓強度較低；其次，通過圖4可發現，四種彩色混凝土的破壞界面不盡相同，無機顏料組的破壞形態為穿骨料破壞，而復合顏料組的破壞方式為砂漿破壞或界面破壞，且破壞表面存在極多微氣泡，這是由于酞菁藍顏料具有較強的表面活性，在拌合時將氣泡帶入混凝土中使混凝土存在較多結構缺陷[2-3]，最終導致膠凝材料漿體與骨料的粘結強度弱于骨料本身強度，兩種因素相互作用，會明顯損害混凝土的強度；另一方面，無機顏料是作為惰性材料摻入混凝土，不與其他成分發生反應，但少量摻入可發揮一定的填充效應[4-6]，通常顏料的細度要較水泥細10～20倍[7]，拌合時會吸附大量自由水，從而減少混凝土的實際水膠比，從而提高混凝土的立方抗壓強度。

圖4 四種彩色混凝土試塊破壞形態對比

2.3 相同顏料性質的混凝土的抗壓強度差異原因及分析

圖5紅色混凝土SEM照片

圖5 和圖6為Hyun-SooLee[8]拍攝的SEM照片，比較紅黃兩種無機顏料，二者的粒徑遠小于水泥顆粒，所以均可發揮填充效應。但氧化鐵黃密度小于氧化鐵紅，所以黃色混凝土的實際水膠比更低；此外，二者的成分有所不同，氧化鐵紅為Fe2O3，多為球狀顆粒，在混凝土中起到填充效應，故對混凝土的強度提高不明顯；但氧化鐵黃的成分為Fe2O3·H2O，晶體結構為長針狀晶體，不僅更多降低水膠比和起到填充作用，其長晶體結構還會為水泥水化提供更多的凝結核[9]，對混凝土的抗壓強度的增強作用更明顯。

圖6 黃色混凝土SEM照片

2.4 不同強度對混凝土抗壓強度的影響

比較圖1、圖2和圖3，當降低彩色混凝土的水膠比，提高混凝土的強度后，復合顏料混凝土的抗壓強度反而相對穩定，其原因是四種顏料均是惰性顏料，僅由酞菁藍的存在導致顏料的親水和疏水性質不同，但顏料本身不與水發生反應，所以隨著混凝土強度增加，水膠比的降低，酞菁藍在混凝土中可影響的水量減少，所以復合顏料對混凝土抗壓強度的削弱作用明顯降低，而無機顏料對混凝土抗壓強度的增強作用仍有一定增加。

3 結論

（1）隨著顏料摻量增加，無機顏料對混凝土的抗壓強度有一定提高作用，復合顏料對混凝土的抗壓強度有害。

（2）四種顏料中對混凝土強度產生較大影響的原因是酞菁藍，酞菁藍的疏水性質會阻礙水泥粒子與水分的接觸，酞菁藍的表面高活性會在混凝土拌合時引入大量氣泡，使得混凝土中存在極多微氣泡空隙，二者共同作用削弱混凝土的抗壓強度。

（3）氧化鐵紅在混凝土中起到填充作用，對混凝土強度的提升作用不大；氧化鐵黃在混凝土中起到填充作用和固定水泥粒子的作用，對混凝土強度的提高作用明顯；氧化鐵綠和氧化鐵藍由于存在酞菁藍，所以會降低混凝土的抗壓強度，氧化鐵藍的作用更加明顯。

（4）隨著混凝土強度的提高，無機顏料對混凝土抗壓強度的增強作用仍存在并有一定增加，復合顏料對混凝土的抗壓強度的削弱作用將減緩。