基于正交試驗的無機復合型彩色混凝土配合比優化設計及其工作性能研究

張新勝，宋姍，吳躍輝，賈亞瓊

（1. 鄭州大學管理工程學院，河南 鄭州 450450；2. 河南中建西部建設有限公司，河南 鄭州 451450）

0 引言

混凝土是當今用量較大、使用范圍較廣的建筑材料，被廣泛應用在隧道、礦業、地下、道路、橋梁、巖石邊坡護坡、建筑結構加固等工程中。隨著現代化經濟、技術的快速發展，以及人民生活水平的日益提高，傳統混凝土已難以滿足現代建設的需求[1]。目前，對混凝土的要求既要具備優異的物理性能和力學性能，同時還需兼顧美化等，因此，彩色混凝土應運而生。

彩色混凝土具有許多優點，包括防水、防腐、防滑，它可以使混凝土的外觀呈現各種色彩，變得光彩奪目，因此日益受人重視[2]。除此之外，當今能源和環境問題日益嚴峻，國家大力倡導節約資源和節能減排，而綠色建筑與建筑工業化是當前國際建筑產業發展的主要趨勢。彩色混凝土因其自身具有裝飾性而避免二次裝修，節約了大量的能源，并且具有使用期限長、施工簡單等一系列的優點，現已被廣泛地用于建筑領域中，比如：房屋建筑、園林、景觀、市政、公路等，具有很大的應用前景，是集裝飾、節能、環保于一體的新型功能材料[3]。

1 試驗用原材料

1.1 水泥

在混凝土的實際生產中，水泥品種的選擇應從多角度、多方面來進行考慮，其中包括澆筑部位、澆筑方式、彩色混凝土的顏色等。依據實際情況，本試驗所用水泥為河南新鄉孟電水泥，規格型號為 P·O42.5，具體的性能指標如表 1 所示。

表 1 水泥性能指標

1.2 礦物摻合料

礦粉的加入可改善混凝土的工作性能，依據實際情況，該試驗所選用的礦粉為河南茂軒建材有限公司所生產的 S95 級礦粉，該試驗用礦粉具體的性能指標如表 2所示。

表 2 礦粉性能指標

粉煤灰的加入，可起到改善混凝土工作性能和降低混凝土生產成本的雙重效果。該試驗所用的粉煤灰為Ⅱ級粉煤灰（由河南誠為金商貿有限公司生產），該試驗用粉煤灰具體的性能指標如表 3 所示。

表 3 粉煤灰性能指標

1.3 減水劑

該試驗所用的減水劑為河南科之杰新材料有限公司生產的高效脂肪族減水劑，該脂肪族減水劑的產品型號為 Point-400，其具體的性能指標如表 4 所示。

表 4 減水劑性能指標

1.4 粗、細骨料

實際混凝土生產中，石子等骨料顆粒級配不連續的堅決不使用。本試驗中所用的砂為混合中砂，是由禹州人工砂和黃河天然砂所組成的，選用的石子的規格為5～20mm 碎石，產地為禹州，該試驗所用粗、細骨料具體的性能指標如表 5 和表 6 所示。

表 5 細骨料的性能指標

表 6 粗骨料的性能指標

1.5 無機復合型顏料

顏料主要有有機顏料和無機顏料兩大類，當顏料具有好的耐堿性和著色度，且不影響混凝土的內部結構時，才被用來制備彩色混凝土。因此，無機顏料可作為混凝土的著色劑。無機顏料有天然顏料和合成顏料之分，天然顏料因具有含雜質多、著色能力差等缺點，導致其采用率低；而合成顏料的化學組成等因素均可被人為控制，因此，常常被用來制備彩色混凝土。

氧化鐵是最穩定的無機合成顏料，其生產量和使用量均比較大，且氧化鐵具有較好的著色能力、分散性，雜質含量少，以及與膠凝材料的相容性好等優點，致使其常常被用來制備彩色混凝土，且是制備黃色、棕色、紅色、黑色混凝土的最廣泛使用的顏料。因此，本試驗所用的顏料為氧化鐵，因其易溶于水，則在其配制過程中要注意保持氧化鐵呈干燥狀態，另外，為保證彩色混凝土的著色質量，同一工程中宜選用同一廠家和同一批次的氧化鐵，同時要嚴查其質量[4-5]。

2 多因素水平下彩色混凝土配合比優化設計

2.1 彩色混凝土配合比設計原則

設計彩色混凝土的配合比時，要進行全方位、多方面的考慮，嚴格按照國家標準、制備特殊混凝土的相關行業標準，以及本地區氣候特點、原材料的質量狀況和具體的實際情況來設計，并且以混凝土的強度、坍落度、色度等指標作為控制指標，來進行彩色混凝土的試配驗證工作。本試驗通過調整顏料的摻量、外加劑的摻量、水膠比以及砂率等各因素，最終試配出了既具有良好的和易性、色度，又滿足混凝土的強度、耐久性的相關使用要求，同時還兼顧到經濟合理的配合比[6-9]。具體的配合比設計流程如圖 1 所示。

2.2 彩色混凝土配合比正交試驗及優化配比確定

為了確定彩色混凝土最佳的配合比，以基準配合比：水 175kg、水泥 210kg、機制砂 606kg、細砂270kg、粗骨料 950kg、粉煤灰 100kg、礦粉 80kg、脂肪族 9kg 為基礎，運用正交試驗設計的方法，采用四因素三水平，分別進行九組試驗，具體因素水平設置見表7、試驗方案見表 8，具體試驗配合比及強度試驗結果見表 9。

圖 1 彩色混凝土配合比設計流程

表 7 正交因素水平設置表

表 8 正交試驗方案

運用正交試驗設計軟件中直觀分析的方法對 7 天、28 天強度進行分析，由正交試驗各因素的均值結果和極差可知，各因素對彩色混凝土強度影響最大的是外加劑的摻量，其中各因素影響程度的大小為：外加劑摻量＞水膠比＞顏料摻量＞砂率。以強度值為控制指標，由7 天、28 天強度在各因素水平下的均值圖（圖 2 和圖3）可知，各因素最佳的水平為：外加劑摻量為膠凝材料質量的 2.3%，水膠比 0.46，砂率 48%，顏料摻量為水泥重量的 6%。

圖 2 彩色混凝土 7d 強度

圖 3 彩色混凝土 28d 強度

表 9 正交試驗方案配合比及強度

3 無機復合型彩色混凝土的制備及其工作性能研究

3.1 彩色混凝土的制備方法

制備彩色混凝土的方法不一，其中，整體著色法（切記該方法在施工時顏料的加入要適量，攪拌要均勻）、干撒彩色硬化劑表層著色法（該方法適用范圍是預制混凝土板，或者現澆混凝土表面）、二次成型法（基層混凝土的澆筑可用一般的澆筑方式，且經濟性好）、化學反應染色法（其原理是酸堿中和化學反應）、粘結覆蓋法（禁止出現混凝土的表面情況與覆蓋系統不匹配情況的發生）為五種常用的彩色混凝土的制備方法。本試驗中所選的制備方法為整體著色法[10-11]。

制備彩色混凝土時依次將水泥、礦粉、粉煤灰、顏料、粗骨料、細骨料、高效脂肪族減水劑、水加入到混凝土攪拌機中進行攪拌混合，該彩色混凝土的制備過程、養護過程是嚴格按照國家標準、行業標準等相關標準的規定來進行操作的，試驗時使用的試模規格為100mm×100mm×100mm，試件成型后按照相關標準進行標準養護[12]。

3.2 彩色混凝土工作性能對比分析

以 C30 強度等級的混凝土為例，采用基準配合比，以及上述得到的彩色混凝土各因素的最佳水平，即外加劑摻量為膠凝材料質量的 2.3%，水膠比 0.46，砂率48% 來作為基礎，以氧化鐵占水泥重量的 0%、2%、4%、6%、8% 來制備彩色混凝土，試驗方案具體的各試驗配合比如表 10 所示。

軟科學為自然科學與社會科學相互融合后的交叉科學，其研究對象是社會、經濟等包含人、事、物的開放復雜系統，其研究方法是定性與定量的綜合集成。軟技術是軟科學在社會層面的表現形式之一，具有社會科學的對象性與自然科學的方法性相結合的二象性特征。在職務犯罪調查中，軟技術應用表現得并不明顯，而是附隨于調查訊問之中。具體而言，有心理咨詢技術、營銷技術與談判技術三類軟技術。

表 10 C30 混凝土試驗方案配合比 kg/m3

（1）顏料摻量對彩色混凝土色度的影響

五組凝結硬化后的彩色混凝土的顏色如表 11 所示，通過觀察可知，彩色混凝土的顏色隨著氧化鐵摻量的增加呈現出不斷加深的趨勢，但當氧化鐵在混凝土中的摻量達到 6% 時，彩色混凝土的顏色深度基本達到頂峰，繼續增加混凝土中氧化鐵的摻量，彩色混凝土顏色基本不變。充分說了明氧化鐵顏料在混凝土中的摻量已達到飽和點。因此，在實際工程中，應根據實際使用情況，當工程實際需要的顏色較淺時，氧化鐵的摻量取靠近下限值；當實際工程需要鮮明的色彩時，取中值；當工程實際需要的顏色較深時，則取上限值，但不宜超過臨界值，否則，既不可以改變混凝土的顏色，又可能影響混凝土的內部結構，也不利于公司的降本增效。

表 11 凝結硬化后彩色混凝土的顏色

（2）顏料摻量對彩色混凝土坍落度的影響

本試驗是根據國家標準的有關規定來對坍落度進行測量的。試驗結果見表 12 和圖 4。當氧化鐵加入到混凝土中后，對制備出的彩色混凝土的出機坍落度影響甚微，但測量混凝土半個小時的坍落度損失，以及兩個半小時的坍落度損失后，可知氧化鐵加入到混凝土中以后，彩色混凝土的坍落度損失有所增大，其原因可能是氧化鐵與減水劑中的酸性物質發生了反應，從而減弱了脂肪族高效減水劑的減水效果，進而導致了彩色混凝土的坍落度損失加大。此外，從圖中也可以發現彩色混凝土的坍落度損失隨著氧化鐵摻量的增加而逐漸增大，說明在合理的范圍內，氧化鐵含量越多，其與減水劑中的酸性物質發生的中和反應也就越多，則脂肪族高效減水劑的減水效果也就隨著氧化鐵含量的增多而逐漸減弱。

表 12 顏料摻量對混凝土坍落度的影響 mm

圖 4 彩色混凝土坍落度變化

（3）顏料摻量對彩色混凝土凝結時間的影響

彩色混凝土的初凝時間和終凝時間是嚴格按照國家標準的規定來進行測量的。測量結果見表 13 和圖 5，通過分析可知，普通混凝土的初凝時間和終凝時間均比彩色混凝土的初凝時間、終凝時間要高。另外，隨著氧化鐵摻量的增加，彩色混凝土的初凝時間和終凝時間下降的幅度均有所加大，分析其原因可能與顏料摻入量對混凝土坍落度的影響是一致的，即氧化鐵與脂肪族高效減水劑中的酸性物質反應所導致的。

表 13 顏料摻量對混凝土凝結時間的影響 h

圖 5 各試驗初凝與終凝時間對比圖

該試驗混凝土試件的強度嚴格按照國家標準的規范規定來進行測試，具體測試結果見表 14。通過分析可知，彩色混凝土的強度要高于普通混凝土的強度。因為氧化鐵不參與混凝土中膠凝材料的水化反應，也不溶于水；但是由于氧化鐵顆粒的粒徑要小于水泥顆粒的粒徑，因此可以填充水泥顆粒之間的空隙，增加了混凝土結構的致密程度，從而提高了彩色混凝土的強度，使其強度要高于普通混凝土的強度。

表 14 顏料對混凝土抗壓強度的影響

（5）顏料對彩色混凝土抗滲性的影響

通過抗滲性試驗可知，與普通混凝土相比，彩色混凝土的抗滲性要更好，這可能是因為氧化鐵顏料的顆粒直徑較小，可填充混凝土結構的內部空隙，增加了彩色混凝土內部結構的致密性，因此抗滲性能更優。

4 結論

（1）氧化鐵在混凝土中的飽和點摻量為 6%，實際應用時可據此，以及所需顏色來確定氧化鐵摻量。

（2）彩色混凝土的坍落度經時損失較普通混凝土高 30% 左右，但兩者的初始坍落度是無差別的。

（3）彩色混凝土的初凝時間和終凝時間均較普通混凝土的初、終凝時間縮短 1～2h。

（4）氧化鐵顆粒的填充效應使得彩色混凝土的強度較普通混凝土約高 2MPa。

（5）摻氧化鐵的彩色混凝土在實際工程應用中，工作性能良好，強度符合要求，且具有更為優良的抗滲性能。