镍渣粉制备彩色混凝土的正交试验研究

周敏，罗列，黄勤钲

（福建省建筑科学研究院，福建省绿色建筑技术重点试验室，福建福州 350025）

镍渣粉制备彩色混凝土的正交试验研究

周敏，罗列，黄勤钲

（福建省建筑科学研究院，福建省绿色建筑技术重点试验室，福建福州 350025）

选取镍渣粉掺量、细度及颜料掺量3种因素，采用拟水平法正交设计，通过拌合物性能及抗压强度试验，分析了各因素水平对彩色混凝土性能的影响及各水平间的差异。试验结果表明，利用镍渣粉可以配制出性能优良的彩色混凝土，颜料掺量影响彩色混凝土性能的最主要因素，无机颜料掺量越多，混凝土拌合物性能越差，但适量的颜料能够改善混凝土的抗压强度；镍渣粉细度是次要影响因素，随着细度增大，拌合物性能和抗压强度均得到改善，但超过450 m2/kg后，改善效果不明显；镍渣粉掺量是最次要影响因素，掺量不宜超过10%，否则会影响抗压强度。

镍渣粉；彩色混凝土；正交设计；拟水平法

镍渣是冶炼镍铁合金产生的固体废渣[1]，其组成因冶炼方法和矿源不同而不同，以福建省环三都澳地区的镍渣为例，其多呈白色疏松粒状，主要以SiO2为主，约占50%，经粉磨后为白色粉末，具有一定的活性。当地镍合金加工企业每年镍渣排放量在百万吨以上，这些废弃物如不能进行综合应用，不仅占用土地资源、破坏环境，而且将制约当地的可持续发展。彩色混凝土是一种装饰性混凝土，主要是为了改变传统混凝土给人灰暗、生冷、粗糙等[2]感觉而出现的，其主要以白水泥为胶凝材料。本研究利用镍渣粉自身的白色和具有一定活性的特点，替代部分白水泥，作为掺合料配制彩色混凝土，以期为镍渣粉的综合利用提供新的途径。

1 试验

1.1 原材料

镍渣粉：取自宁德某镍合金加工企业，经粉磨后为白色粉体，其化学成分如表1所示，经不同程度研磨后，3份样品物理性能如表2所示。

表1 镍渣粉的化学成分%

表2 不同程度研磨后镍渣粉的物理性能

水泥：江西玉兔山牌42.5级白色硅酸盐水泥，比表面积365 m2/kg，3 d、28 d抗压强度分别为20.5、45.7 MPa，3 d、28 d抗折强度分别为3.7、6.8 MPa。

颜料：氧化铁红具有很好的耐碱性[3]，选用上海某品牌合成氧化铁红颜料，其比表面积为3900 m2/kg。

其它原料：建研牌TW-3型萘系高效非缓凝型减水剂，减水率18%；5～31.5 mm连续级配碎石，来自福建闽侯地区碎石场；细度模数为2.8的闽江河砂。

1.2 试验方案设计及考核指标

1.2.1 试验方案设计

选定影响因素分别为镍渣粉细度、掺量及颜料的掺量，镍渣粉细度分别为357、462、538 m2/kg；镍渣粉分别按5%、10%、15%和20%取代部分白水泥；根据祝序博和麻名珩[4]的研究，不同着色力的颜料掺量有饱和点，即超过饱和点后颜色的加深效果不明显，铁红颜料的饱和点一般为胶凝材料质量的5%～10%。史忠等[5]的研究则表明，从强度和成本考量，其掺量宜为胶凝材料质量的3%～5%，综合考虑，采取外掺法，试验设计颜料掺量分别为胶凝材料总量的3%、5%、7%和9%。水胶比固定为0.42，用水量固定为175 kg/m3，砂率0.40，高效减水剂掺量为胶凝材料的1.2%，假定密度2400 kg/m3。采用拟水平法进行不等水平正交设计，将水平少的细度这一因素纳入水平多的正交表内，采用L16（43）正交表，具体因素水平如表3所示。

表3 正交设计因素水平

1.2.2 考核指标及试验方法

主要考核指标包括坍落度、28 d和56 d抗压强度，坍落度按照GB/T 50080—2002《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行测试，抗压强度按照GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行测试。

2 试验结果及分析

2.1 功效系数法分析

正交试验设计及测试结果见表4。对试验数据采用功效系数法进行分析，本试验设计目标坍落度为120 mm，因此以结果中最接近的115 mm作为最佳值，设定为1.00，其它值与之比值作为各试样的功效系数d1；对于28 d和56 d抗压强度，则以最高的强度值作为基准，设定为1.00，其它强度值与之比值作为功效系数，分别为d2和d3，然后以3个功效值的乘积开立方计算各自试验号的总功效系数。功效系数分析见表5。

表4 正交试验设计及测试结果

表5 正交设计功效系数分析

由表4、表5可知，3#试样的总功效系数最大为0.93，相应的试验条件是A1B3C3；影响因素的主次顺序为A=C＞B。

2.2 综合平衡法分析

采用综合平衡法对各考核指标进行单一的分析，具体结果如表6所示。

表6 正交设计综合平衡分析

由表6可知，对于坍落度，A因素影响最大且较明显，次序为A＞C＞B，因素A、B、C较好的水平分别为A1、B3、C4；对于28 d抗压强度，影响因素主次顺序为A＞B＞C，因素A、B、C较好的水平分别为A3、B2、C2；对于56 d抗压强度，影响因素主次顺序为B＞A＞C，因素A、B、C较好的水平分别为A3、B2、C4。

从表6各指标对应影响因素进行分析，首先，随着颜料掺量的增加，混凝土的坍落度下降明显，主要是由于铁红无机颜料比表面积达到3900 m2/kg，远细于白色硅酸盐水泥和镍渣粉的细度，随着其掺量增加，导致其需水量增加，流动性下降。铁红无机颜料掺量的增加对于混凝土的强度增长有利，当掺量达到7%时，对28 d和56 d强度影响最有利。这可能是由于其极细的粒度填充了混凝土中的孔隙，起到微集料效应，从而改善了其强度，但改善趋势总体上并不明显，且随着掺量继续增加，强度劣化影响增大。

其次，镍渣粉的掺量对流动性的影响差别不大，但当掺量超过10%时，强度开始下降，主要还是由于镍渣粉的活性较低，随着替代水泥量的增加，其强度逐渐降低。

最后，随着镍渣粉的比表面积增加，颗粒变细，拌合物的流动性反而改善了，这主要是由于镍渣是镍合金加工过程中经过极冷产生的固体废弃物，未经破碎粉磨前，呈球状玻璃体，具有较高的硬度，经过粗磨破碎后，颗粒较粗，相互间摩擦增大，不利于流动。随着粉磨程度增加，比表面积增大，颗粒的棱角变小，摩擦减小，流动性相对于粗颗粒大幅改善。针对强度而言，随着镍渣粉的细度增加，镍渣粉的活性增加，能够改善混凝土强度，这与表2中的活性指标相符。随着比表面积从462 m2/kg增加到538 m2/kg，其活性对于强度改善作用并不明显，这可能是此后比表面积的增加程度不够，无法对强度的变化产生明显作用，综合成本和性能考虑，镍渣粉比表面积宜选择在450～550 m2/kg。

通过结合功效系数法和综合平衡法分析，A因素对于各考核指标的影响最大；而对于B因素和C因素，从表6可以看出，两者对于28 d和56 d抗压强度的影响都相差不大，但C因素对坍落度的影响远大于B因素，综合考虑影响因素大小顺序应为A＞C＞B，这与功效系数法分析结果一致。对于A因素，从对性能及成本考虑，3%的掺量是比较合适的，选择A1。对于C因素，比表面积增加虽然能改善流动性，但超过462 m2/kg后对强度改善不明显，选择C2。对于影响最小的因素B，根据上述分析，选择B2。综合上述分析，既能取得较好工作性和较高抗压强度，又具有较高性价比的最佳试验条件是A1B2C2。

3 结论

（1）利用镍渣粉可以配制出性能优良的彩色混凝土，颜料掺量是混凝土性能影响的最主要因素，颜料掺量越多，拌合物性能越差，但适量的颜料能够改善混凝土的抗压强度。

（2）3个试验因素中，镍渣粉掺量是最次要的影响因素，主要是由于其自身活性不高，其掺量宜在5%～10%，对混凝土抗压强度有所提高，超过10%之后，强度开始下降。

（3）相较镍渣粉掺量，镍渣粉细度对混凝土性能的影响更显著，随着镍渣粉细度增加，拌合物流动性和抗压强度均得到改善，但超过一定细度后，改善效果不明显，从成本及性能综合考虑，镍渣粉比表面积宜选择在450～550 m2/kg。

[1]周敏.高岭土尾矿、铝厂污泥与镍渣合成堇青石的试验研究[J].中国陶瓷，2015（9）：77-79.

[2]王立久，汪振双，赵善宇.绿色生态混凝土技术的研究现状与发展[J].混凝土，2009（7）：1-3.

[3]韩静云，许如源.彩色混凝土人行道砖的褪色探讨[J].新型建筑材料，2002（5）：40-41.

[4]祝序博、麻名珩.彩色混凝土颜料及其对混凝土性能的影响[J].黑龙江交通科技，2002（1）：56-57.

[5]史忠，葛海涛，吕丽萍.彩色混凝土的研究及应用[J].市政技术，2010（1）：152-154.

Orthogonal study on colorful concrete prepared by nickel slag powder

ZHOU Min，LUO Lie，HUANG Qinzheng
（Fujian Academy of Building Research，Fujian Key Laboratory of Green Building Technology，Fuzhou 350025，China）

Through the pseudo level orthogonal design with three factors，the article described the influence of the amount and fineness of nickel slag powder，and the amount of pigment，on the workability and compressive strength by analyzing the factors and levels.The results showed that excellent color performance of concrete could be prepared by nickel slag powder.The pigment content was the main factor influencing the concrete performance.The more inorganic pigment content，the poorer its workability，but right amount of pigment content could improve concrete compressive strength，the nickel slag powder fineness was secondary factor，with the increase of the fineness，workability and compressive strength were improved.But more than 450 m2/kg，there is no obvious improvement；the amount of nickel slag powder was the less important factor，which should not be more than 10%，otherwise，it would affect the compressive strength.

nickel slag powder，colorful concrete，orthogonal design，pseudo level

TU528.38

A

1001-702X（2016）07-0035-03

2015-11-30；

2016-01-19

周敏，男，1978年生，福建长乐人，高级工程师。