顏料種類和摻量對彩色自密實混凝土工作性能的影響研究

王 攀 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。除此問題外，目前裝飾外墻常用的墻磚和涂料還存在環境污染、耐久性差以及施工難等問題。而彩色混凝土具有良好的力學性能、抗老化性能以及耐磨性能等，可很好地代替上述材料作為外墻使用。

另一點，隨著高性能混凝土的普及，自密實混凝土作為一種無需振搗即可充實模板的高性能混凝土在國內外有較廣泛應用。

兩種混凝土技術雖然分別針對混凝土的裝飾感官和改善混凝土性能，但兩種技術具有一定的互補性，將二者結合，得到具有高工作性能的裝飾混凝土——彩色自密實混凝土。雖然黃月玲[1]、陳凌生[2]、楊林[3]等研究了彩色混凝土的工作性能，但自密實混凝土還有填充性、間隙通過性和抗離析性等工作性能指標，所以明確顏料對自密實混凝土工作性能的影響就顯得尤為重要。本文以不同顏料種類和摻量制備彩色自密實混凝土，并探究顏料會對彩色自密實混凝土的工作性能產生何種影響及原因。

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工作性能會產生何種影響，試驗設計了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（摻入方式為外摻法，分別替代總膠凝材料的0%、2%、4%和6%）以及混凝土強度等級3種，并根據《自密實混凝土應用技術規程》的方法測定彩色自密實混凝土的坍落擴展度和T500時間，用以確定顏料種類及摻量對不同強度下混凝土工作性能的影響。

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即可制得彩色自密實混凝土。制得的普通自密實的工作性能如表3所示。

表3 彩色自密實混凝土配合比

2 結果與分析

2.1 不同顏料及摻量對混凝土坍落擴展度的影響

圖1 C30組彩色自密實混凝土坍落擴展度

圖2 C50組彩色自密實混凝土坍落擴展度

圖3 C70組彩色自密實混凝土坍落擴展度

從圖1、圖2和圖3可以看出，隨著顏料摻量增加，四組混凝土的坍落擴展度均呈現降低趨勢，其中無機顏料的變化趨勢明顯，而復合顏料的變化趨勢不明顯。當顏料摻量達到2%時，四組混凝土的坍落擴展度的變化趨勢均較小；顏料摻量達到4%時，可觀察到摻入無機顏料的混凝土的坍落擴展度大幅降低，而復合顏料則變化不明顯；當顏料摻量達到6%時，無機顏料對混凝土坍落擴展度影響依舊明顯，復合顏料對混凝土的影響有所減緩，但C30組混凝土出現輕微離析跡象。隨著混凝土等級的提高，四種顏料對混凝土影響的程度逐漸接近。由此可以認為，復合顏料對混凝土的坍落擴展度影響較小，但摻量過大則可能導致混凝土離析；無機顏料對混凝土的坍落擴展度影響較大，摻量過大會導致混凝土不能達到應有擴展度；混凝土強度等級的提高，使得無機顏料對混凝土的影響減小，復合顏料對混凝土的影響有所增加。所以應選擇合適顏料摻量和混凝土強度以保證混凝土工作性能。

2.2 不同顏料及摻量對混凝土T500時間的影響

圖4 C30組彩色自密實混凝土T500時間

圖5 C50組彩色自密實混凝土T500時間

圖6 C70組彩色自密實混凝土T500時間

T500時間是用于測定自密實混凝土粘聚性和流動性的指標。由圖4、圖5和圖6可知，由于無機顏料明顯降低混凝土的擴展度，使得部分混凝土的擴展度無法達到500mm，因此未有數據記錄。但從已有記錄可看出，隨著顏料摻量增加，摻入復合顏料的混凝土的T500時間有所增加，但T500時間變化趨于穩定。隨著混凝土強度的提高，復合顏料對混凝土的影響程度有所提高。由此可以認為，四種顏料均使混凝土粘聚性提高，部分試驗組已不能達到自密實混凝土要求。隨著混凝土等級的提高，四種顏料對混凝土T500時間的影響有所減弱，但在使用時仍需注意調整配合比，保證混凝土達到自密實的要求。

2.3 結果分析

通過以上試驗可發現，四種顏料均會使自密實混凝土工作性能變差，其原因是通常顏料的細度要較水泥細10～20倍[4]，造成膠凝材料實際密度提高，間接降低水膠比。但無機顏料和復合顏料在對混凝土工作性能的影響程度存在明顯區別，而產生主要影響的原因在于復合顏料含有的酞菁藍成分。由于酞菁藍具有較強的疏水性，使得復合顏料也具有疏水性[5]。在混凝土拌合過程中，酞菁藍包裹其他膠凝材料，阻礙膠凝材料與水接觸，造成初始的水膠比較大；且在復合顏料制備過程中為保證顏料包裹牢固和具有良好的分散性，常會加入一定量的活性劑成分[6-7]，所以在混凝土制備過程中，復合顏料會帶入一定量的空氣潤滑混凝土。因此復合顏料組具有較好的工作性能，但水膠比較大時則可能造成混凝土離析；而無機顏料具有較強親水性[8]，會導致混凝土工作性的嚴重降低。

圖7 紅色混凝土SEM照片

圖8 黃色混凝土SEM照片

摻入黃色組混凝土的工作性能始終差于紅色組混凝土，圖7和圖8為Hyun-SooLee[9]拍攝的SEM照片，比較無機顏料組混凝土的工作性能可以發現，二者的密度和晶體結構不同，氧化鐵紅密度約為5.24g/cm2，晶體結構為圓球狀，氧化鐵黃密度約為2.44～3.6g/cm2，晶體結構為長針狀。較小的密度讓氧化鐵黃更易奪去混凝土中的自由水，不規則的晶體結構使得自密實混凝土粘聚性過大，嚴重阻礙自密實混凝土的流動性，所以黃色自密實混凝土更難以達到應有工作性能。

隨著混凝土的強度提高，水膠比也相應減小，四種顏料對混凝土工作性能的影響程度逐漸改善和趨同。其原因是由于四種顏料均為惰性材料[10]，不與混凝土組分發生反應，僅由于密度較小而減小混凝土實際水膠比和親水性、疏水性導致的工作性能差異。所以當混凝土用水量減小時，四種顏料與水產生的作用也隨之降低。

3 結論

（1）四種顏料均會降低自密實混凝土的工作性能工作性能。

（2）由于酞菁藍的疏水性和符合顏料的活性劑成分，使得復合顏料對自密實混凝土的工作性能影響不大，但使用中需注意避免離析。

（3）無機顏料具有較強的親水性，粒徑遠小于水泥，對自密實混凝土的工作性能影響較大。而氧化鐵黃還由于不規則的晶體結構，導致對自密實混凝土的工作性能影響更大。

（4）隨著混凝土強度等級提高，其需水量也逐漸減少，所以顏料對混凝土中的自由水的影響逐漸降低，四種彩色自密實混凝土的工作性能表現也逐漸改善和趨同。