普硅水泥在彩色混凝土中應用及顏料最優摻量研究

王彥鵬

（甘肅建投綠色建材產業發展集團有限公司，甘肅 蘭州 730070）

0 引言

普通混凝土作為當今主要建筑材料之一，其單一的色彩以及灰暗、呆板的色調已無法滿足市場的多元化需求。尤其在建筑裝飾工程設計和施工中，對建筑物的表面美觀要求較高，一般會在其表面進行裝飾粉刷或鋪貼板材等，但如此施工不僅消耗額外材料及工時，增加工程成本，而且這些裝飾材料還會隨時間出現褪色、剝落等現象，后期修繕費用較高。在此情景下，彩色混凝土得以出現[1-4]。早在20世紀20年代就有人研究將普通水泥混凝土進行改良，直接當作裝飾材料。40年代，人們開始對彩色混凝土制作有了系統、完整研究，不斷增加混凝土色彩，彩色裝飾混凝土得到發展。進入70年代后，裝飾混凝土的種類更是層出不窮，不再局限于單一彩色混凝土[5-7]。

1 原材料和配合比設計

1.1 原材料

1）水泥：水泥選用P.O42.5普通硅酸鹽水泥，廠家為祁連山，根據GB 175-2007規范要求檢測得出各項性能指標如表1所示。

表1 祁連山P.O42.5水泥性能指標

2）粉煤灰：粉煤灰選用II級粉煤灰，廠家為西固電廠，根據GB/T 51003-014規范要求檢測得出相關性能指標如表2所示，活性如表3所示。

表2 西固電廠II級粉煤灰性能指標

表3 西固電廠II級粉煤灰活性

3）礦粉：礦粉選用S95 礦粉，產自東盛，根據GB/T 51003-2014規范要求檢測得出相關性能指標如表4所示。

表4 東盛S95礦粉性能指標

4）細集料：根據JGJ 52-2006規范要求，細集料選用產自甘肅臨洮的天然砂（細度模數μf=3.0～2.3），相關性能指標如表5所示。

表5 臨洮天然砂性能指標

4）粗集料：粗集料選用5～31.5mm的礦業碎石，產自永靖地區，根據JGJ 52-2006規范要求，其相關性能指標如表6所示。

表6 礦業碎石相關性能指標

5）外加劑：所用外加劑選用綠色環保型的高性能減水劑。

1.2 配合比設計

根據JGJ 55-2011和JGJ 51-2002規范要求確定配合比如表7所示[8-10]。本次試驗共有6種顏色，針對每種顏色設計4種摻量，分別進行試配，做成邊長為100mm的立方體試件，共3組，24h后脫模養護，分別在養護7d、28d齡期時進行抗壓測試，觀察其著色情況。同時做100mm×400mm的長方體試件，養護28d后進行室內凍融循環試驗[11-12]。

表7 C30彩色混凝土配合比（kg/m3）

2 試驗

2.1 抗壓強度試驗

混凝土在建筑材料使用中主要作為受壓材料，故通過抗壓強度指標對其力學性能進行評定。結合實際工程對混凝土強度要求，本試驗分別對7d、28d齡期的試塊進行抗壓試驗。抗壓強度也是混凝土等級評定的最主要指標，可作為評定混凝土質量的基礎指標。

2.2 耐久性試驗

為確保彩色混凝土使用年限，設計了室內凍融循環試驗，分析此類環境下彩色混凝土的耐久性能。混凝土室內凍融試驗是將達到齡期的混凝土放置水中至吸水飽和，取出后使其內部孔隙水結冰而產生膨脹應力，且凍融不斷交替，混凝土內部產生疲勞應力，從而使混凝土由表及里逐層剝蝕，直至失效。本試驗依照GB 50082-2009T《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》進行。凍融循環試驗作為室內標準試驗之一，選取相對質量ωa和相對動彈性模量ωb對混凝土劣化性能進行評定。

3 結果分析

3.1 混凝土力學性能

由圖1可以看出，以藍色顏料為例，在2%-5%不同摻量下，混凝土7d、28d齡期下抗壓強度均表現為隨顏料摻量增加先增長后降低趨勢，整體對比得出3%摻量下混凝土抗壓強度最優，可能是由于隨著顏料摻量增加，對混凝土內部結構密實性有一定改善，但繼續增加顏料摻量對水泥水化作用有一定阻礙，故混凝土強度轉而下降。

圖1 不同摻量下藍色混凝土各齡期抗壓強度

由圖2可以看出，在同一摻量下，各顏色混凝土整體混凝土抗壓強度保持同一水平，5%摻量下混凝土抗壓強度最低，顏料為3%摻量的混凝土抗壓強度基本處于所有曲線上方，即該摻量下混凝土抗壓強度最優。

圖2 相同摻量下各顏色混凝土28d抗壓強度

3.2 混凝土著色情況

對各種顏料在不同氧化鐵顏料摻量下拌和混凝土著色情況留取照片，從左至右氧化鐵顏料摻加量依次為5%、4%、3%、2%。

由圖3-圖8可以看出，彩色混凝土試塊整體著色情況良好，各顏色混凝土與顏料融合較好，整體顏色較為明顯，尤其深色顏料拌和混凝土顏色鮮亮。各顏色混凝土在5%摻量下著色情況最佳，且黑色、藍色、綠色等較深顏料著色情況較黃色等淺色顏料著色鮮亮。

圖3 不同摻量下黑色混凝土

圖4 不同摻量下棕色混凝土

圖5 不同摻量下藍色混凝土

圖6 不同摻量下綠色混凝土

圖7 不同摻量下橙色混凝土

圖8 不同摻量下黃色混凝土

3.3 耐久性分析

在對彩色混凝土力學性能測定的同時進行室內凍融循環試驗。試驗所用100mm×400mm長方體試塊在達到28d養護齡期后放入凍融循環機，每2h一次循環，每25次采集一次數據，分別對質量及動彈性模量進行測量，共進行200次凍融循環。對采集數據進行整理，得出相對質量及動彈性模量的變化。

由圖9可以看出，各顏色混凝土試塊在整個凍融循環試驗過程中，質量不斷減少，各顏色混凝土試塊的相對質量整體變化趨勢一致，在初期凍融循環過程時，混凝土試塊的相對質量一直降低，且隨著凍融次數不斷增加，后期質量減少趨勢更明顯，這是由于后期混凝土劣化越來越嚴重，混凝土破壞也越來越快，試塊內部破壞嚴重，直至失效。

圖9 顏料摻量5%下混凝土相對質量ωa

由圖10可以看出，在整個凍融循環試驗過程中，各顏料拌和試塊相對動彈性模量在50次循環之前有所增長，50次循環后試塊動彈性模量開始降低，且整個劣化過程中各顏色混凝土試塊的變化趨勢一致，隨著凍融次數不斷增加，后期試塊動彈性模量降低越來越多，趨勢更明顯，這是由于后期混凝土內部結構破壞越來越嚴重，劣化隨之增長，直至失效。

圖10 顏料摻量5%下混凝土相對動彈性模量ωb

以黑色混凝土為例，各摻量下混凝土相對質量變化趨勢如圖11所示，整體混凝土質量不斷下降，且5%摻量下混凝土質量損失較其他摻量下要快，大約在160次循環時達到破壞，而2%、3%摻量下混凝土整體劣化速度要比其他組慢，表明該摻量下混凝土性能良好，抗凍融能力較強，分別在約175、165次循環后失效。

圖11 黑色各摻量混凝土相對質量ωa

以黑色混凝土為例，混凝土中顏料在不同摻量下相對動彈性模量變化趨勢如圖12所示，整體混凝土動彈性模量先期有小幅增長，隨后不斷下降，且5%摻量下混凝土動彈性模量的損失較其他摻量要大，混凝土劣化速率較快，而低摻量下混凝土整體劣化速度慢，混凝土性能較優，具有更強抗凍融能力。

圖12 黑色各摻量混凝土相對動彈性模量ωb

4 結論

1）在原材料選擇方面，應盡可能選用顏色較淺的水泥，著色效果更佳。通過使用礦物摻合料和對細集料的顏色篩選，適當中和混凝土中水泥顏色，彩色混凝土著色狀況良好。

2）應保證生產前原材料和顏料充分攪勻，拌和過程中嚴格控制攪拌時間，防止出機顏色不均勻。

3）從抗壓強度看，各摻量7d抗壓平均值大于32.0MPa，28d抗壓平均值大于40.0MPa。

4）從耐久性能看，2%及3%摻量下混凝土的性能較優，整體性能高于5%摻量下混凝土。

5）從著色情況看，棕色、藍色、綠色、黑色的著色較鮮亮，橙色、黃色較為暗淡。

6）綜合強度、著色及成本分析，氧化鐵顏料摻量為膠凝材料的3.0%最為適中，且宜選用較深顏色氧化鐵顏料。