颜料种类和掺量对彩色自密实混凝土工作性能的影响研究

王 攀 郭文星

（北京建筑大学土木与交通工程学院 北京 100044）

0 引言

随着我国城市化建设日趋完善，越来越多的高层建筑也在城市中林立而起，但随着高层建筑数量的增加，由于墙砖坠落而引发的伤亡事故也逐渐为人们所重视。除此问题外，目前装饰外墙常用的墙砖和涂料还存在环境污染、耐久性差以及施工难等问题。而彩色混凝土具有良好的力学性能、抗老化性能以及耐磨性能等，可很好地代替上述材料作为外墙使用。

另一点，随着高性能混凝土的普及，自密实混凝土作为一种无需振捣即可充实模板的高性能混凝土在国内外有较广泛应用。

两种混凝土技术虽然分别针对混凝土的装饰感官和改善混凝土性能，但两种技术具有一定的互补性，将二者结合，得到具有高工作性能的装饰混凝土——彩色自密实混凝土。虽然黄月玲[1]、陈凌生[2]、杨林[3]等研究了彩色混凝土的工作性能，但自密实混凝土还有填充性、间隙通过性和抗离析性等工作性能指标，所以明确颜料对自密实混凝土工作性能的影响就显得尤为重要。本文以不同颜料种类和掺量制备彩色自密实混凝土，并探究颜料会对彩色自密实混凝土的工作性能产生何种影响及原因。

1 试验

1.1 试验材料

本试验所使用的是由河北燕新建材有限公司生产的钻牌P.O.42.5的普通硅酸盐水泥。水泥的基本化学成分见表1；粉煤灰选用一级粉煤灰，粒径范围为0.5~300μm，比表面积330m2/g；细骨料选用天然河沙，采用筛分析的方法测定沙的颗粒级配位于二区，粗细程度为中砂。试验测定出沙的表观密度为2.6kg/m3，堆积密度为1.58kg/m3；选用大兴石场生产的石灰质碎石，其中粒径为10～25mm的碎石占30%，粒径为25～40mm的碎石占70%；减水剂为聚羧酸系高性能减水剂，减水率为20%～30%，固含量（20±2）%，泌水率比≤20%；选用氧化铁系颜料为红、黄、蓝、绿四种，均由上海倍墨实业有限公司生产，分别为氧化铁红、氧化铁黄、氧化铁绿和氧化铁蓝，四种颜料基材均为氧化铁，蓝绿颜料外包裹有机颜料酞菁蓝，因此红黄颜料为无机颜料、蓝绿颜料为复合颜料，四种颜料的基本性能见表2。

表1 P.O.42.5号水泥的化学成分

表2 氧化铁系颜料基本性质及化学成分

1.2 试验方案

为确定颜料种类及掺量对混凝土的工作性能会产生何种影响，试验设计了4种颜料种类（氧化铁红、氧化铁黄、氧化铁绿和氧化铁蓝）和4个颜料掺量（掺入方式为外掺法，分别替代总胶凝材料的0%、2%、4%和6%）以及混凝土强度等级3种，并根据《自密实混凝土应用技术规程》的方法测定彩色自密实混凝土的坍落扩展度和T500时间，用以确定颜料种类及掺量对不同强度下混凝土工作性能的影响。

1.3 试件制备

表3为混凝土配合比。按表3称取水泥、粉煤灰、以及颜料并混合于容器中，将材料倒入搅拌机中并加入细骨料和粗骨料预拌1min，随后将水与减水剂加入其中，再搅拌3min即可制得彩色自密实混凝土。制得的普通自密实的工作性能如表3所示。

表3 彩色自密实混凝土配合比

2 结果与分析

2.1 不同颜料及掺量对混凝土坍落扩展度的影响

图1 C30组彩色自密实混凝土坍落扩展度

图2 C50组彩色自密实混凝土坍落扩展度

图3 C70组彩色自密实混凝土坍落扩展度

从图1、图2和图3可以看出，随着颜料掺量增加，四组混凝土的坍落扩展度均呈现降低趋势，其中无机颜料的变化趋势明显，而复合颜料的变化趋势不明显。当颜料掺量达到2%时，四组混凝土的坍落扩展度的变化趋势均较小；颜料掺量达到4%时，可观察到掺入无机颜料的混凝土的坍落扩展度大幅降低，而复合颜料则变化不明显；当颜料掺量达到6%时，无机颜料对混凝土坍落扩展度影响依旧明显，复合颜料对混凝土的影响有所减缓，但C30组混凝土出现轻微离析迹象。随着混凝土等级的提高，四种颜料对混凝土影响的程度逐渐接近。由此可以认为，复合颜料对混凝土的坍落扩展度影响较小，但掺量过大则可能导致混凝土离析；无机颜料对混凝土的坍落扩展度影响较大，掺量过大会导致混凝土不能达到应有扩展度；混凝土强度等级的提高，使得无机颜料对混凝土的影响减小，复合颜料对混凝土的影响有所增加。所以应选择合适颜料掺量和混凝土强度以保证混凝土工作性能。

2.2 不同颜料及掺量对混凝土T500时间的影响

图4 C30组彩色自密实混凝土T500时间

图5 C50组彩色自密实混凝土T500时间

图6 C70组彩色自密实混凝土T500时间

T500时间是用于测定自密实混凝土粘聚性和流动性的指标。由图4、图5和图6可知，由于无机颜料明显降低混凝土的扩展度，使得部分混凝土的扩展度无法达到500mm，因此未有数据记录。但从已有记录可看出，随着颜料掺量增加，掺入复合颜料的混凝土的T500时间有所增加，但T500时间变化趋于稳定。随着混凝土强度的提高，复合颜料对混凝土的影响程度有所提高。由此可以认为，四种颜料均使混凝土粘聚性提高，部分试验组已不能达到自密实混凝土要求。随着混凝土等级的提高，四种颜料对混凝土T500时间的影响有所减弱，但在使用时仍需注意调整配合比，保证混凝土达到自密实的要求。

2.3 结果分析

通过以上试验可发现，四种颜料均会使自密实混凝土工作性能变差，其原因是通常颜料的细度要较水泥细10～20倍[4]，造成胶凝材料实际密度提高，间接降低水胶比。但无机颜料和复合颜料在对混凝土工作性能的影响程度存在明显区别，而产生主要影响的原因在于复合颜料含有的酞菁蓝成分。由于酞菁蓝具有较强的疏水性，使得复合颜料也具有疏水性[5]。在混凝土拌合过程中，酞菁蓝包裹其他胶凝材料，阻碍胶凝材料与水接触，造成初始的水胶比较大；且在复合颜料制备过程中为保证颜料包裹牢固和具有良好的分散性，常会加入一定量的活性剂成分[6-7]，所以在混凝土制备过程中，复合颜料会带入一定量的空气润滑混凝土。因此复合颜料组具有较好的工作性能，但水胶比较大时则可能造成混凝土离析；而无机颜料具有较强亲水性[8]，会导致混凝土工作性的严重降低。

图7 红色混凝土SEM照片

图8 黄色混凝土SEM照片

掺入黄色组混凝土的工作性能始终差于红色组混凝土，图7和图8为Hyun-SooLee[9]拍摄的SEM照片，比较无机颜料组混凝土的工作性能可以发现，二者的密度和晶体结构不同，氧化铁红密度约为5.24g/cm2，晶体结构为圆球状，氧化铁黄密度约为2.44～3.6g/cm2，晶体结构为长针状。较小的密度让氧化铁黄更易夺去混凝土中的自由水，不规则的晶体结构使得自密实混凝土粘聚性过大，严重阻碍自密实混凝土的流动性，所以黄色自密实混凝土更难以达到应有工作性能。

随着混凝土的强度提高，水胶比也相应减小，四种颜料对混凝土工作性能的影响程度逐渐改善和趋同。其原因是由于四种颜料均为惰性材料[10]，不与混凝土组分发生反应，仅由于密度较小而减小混凝土实际水胶比和亲水性、疏水性导致的工作性能差异。所以当混凝土用水量减小时，四种颜料与水产生的作用也随之降低。

3 结论

（1）四种颜料均会降低自密实混凝土的工作性能工作性能。

（2）由于酞菁蓝的疏水性和符合颜料的活性剂成分，使得复合颜料对自密实混凝土的工作性能影响不大，但使用中需注意避免离析。

（3）无机颜料具有较强的亲水性，粒径远小于水泥，对自密实混凝土的工作性能影响较大。而氧化铁黄还由于不规则的晶体结构，导致对自密实混凝土的工作性能影响更大。

（4）随着混凝土强度等级提高，其需水量也逐渐减少，所以颜料对混凝土中的自由水的影响逐渐降低，四种彩色自密实混凝土的工作性能表现也逐渐改善和趋同。