颜料种类和掺量对彩色自密实混凝土力学性能的影响研究

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。目前常用墙砖和涂料作为外墙装饰，除去高空坠落的安全性问题，还存在环境污染、耐久性差以及施工难等问题。为减少和避免上述问题发生，可将颜料掺入自密实混凝土中，从而制得结构装饰一体化的可达到清水面层效果的彩色自密实混凝土。虽然众多学者对彩色混凝土制品性能进行了一定研究，但研究结论却不尽相同，如蔡昱、陈凌生和杨林认为无机颜料和有机颜料的加入对混凝土的强度有害；则认为无机颜料的加入对混凝土无明显影响；而的试验表明部分颜料对混凝土的强度有益，另一部分则是有害的，且鲜有人研究不同强度的彩色混凝土。所以试验使用氧化铁系颜料制备混凝土，探究颜料的种类和掺量对不同强度下的彩色自密实混凝土的力学性能的影响规律及原因。

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力学性能会产生何种影响，试验设计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（掺入方式为内掺法，分别占总胶凝材料的0%、2%、4%和6%）以及混凝土强度等级3种，用以确定颜料种类及掺量对不同强度下混凝土力学性能的影响。

立方抗压强度试验根据《普通混凝土力学性能试验方法标准》，不同强度混凝土的加载速率不同，所以在试验时强度处于C30-C60之间时分别以0.3MPa/s和0.5MPa/s加载，超过C60则按照0.7MPa/s进行加载。

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即可制得彩色混凝土。将彩色砂浆浇筑于100mm×100mm×100mm的模具中，等待48h后拆模，将制得的试件置于标准养护室养护28d。

表3 彩色混凝土配合比

2 结果与分析

2.1 不同颜料及掺量对混凝土抗压强度的影响

从图1、图2和图3可以看出，作为无机颜料的氧化铁红和氧化铁黄对混凝土的立方抗压强度影响较小，随着颜料掺量增加，试件的立方抗压强度均可得到保证，并可对混凝土的抗压强度带来有益影响，而含有有机颜料成分的氧化铁绿和氧化铁蓝则对混凝土立方抗压强度具有明显不利影响，且在较低强度等级时无法保证混凝土达到应有抗压强度，但随着混凝土等级的提高，掺入复合颜料的混凝土的立方抗压强度区域稳定，可达到相应的抗压强度。

2.2 不同性质的颜料对混凝土的抗压强度差异的原因及分析

图101 组彩色混凝土立方抗压强度

图202 组彩色混凝土立方抗压强度

图303 组彩色混凝土立方抗压强度

四种颜料均以氧化铁作为基材，其区别仅在于表面是否包裹酞菁蓝，所以不同彩色混凝土间产生差异的主要原因为酞菁蓝。首先由于酞菁蓝具有很强的疏水性，所以复合颜料应具有一定的疏水性[1]，所以掺入的复合颜料对阻碍水泥与水接触，从而阻碍和减少水泥的水化进程，使得复合颜料混凝土的抗压强度较低；其次，通过图4可发现，四种彩色混凝土的破坏界面不尽相同，无机颜料组的破坏形态为穿骨料破坏，而复合颜料组的破坏方式为砂浆破坏或界面破坏，且破坏表面存在极多微气泡，这是由于酞菁蓝颜料具有较强的表面活性，在拌合时将气泡带入混凝土中使混凝土存在较多结构缺陷[2-3]，最终导致胶凝材料浆体与骨料的粘结强度弱于骨料本身强度，两种因素相互作用，会明显损害混凝土的强度；另一方面，无机颜料是作为惰性材料掺入混凝土，不与其他成分发生反应，但少量掺入可发挥一定的填充效应[4-6]，通常颜料的细度要较水泥细10～20倍[7]，拌合时会吸附大量自由水，从而减少混凝土的实际水胶比，从而提高混凝土的立方抗压强度。

图4 四种彩色混凝土试块破坏形态对比

2.3 相同颜料性质的混凝土的抗压强度差异原因及分析

图5红色混凝土SEM照片

图5 和图6为Hyun-SooLee[8]拍摄的SEM照片，比较红黄两种无机颜料，二者的粒径远小于水泥颗粒，所以均可发挥填充效应。但氧化铁黄密度小于氧化铁红，所以黄色混凝土的实际水胶比更低；此外，二者的成分有所不同，氧化铁红为Fe2O3，多为球状颗粒，在混凝土中起到填充效应，故对混凝土的强度提高不明显；但氧化铁黄的成分为Fe2O3·H2O，晶体结构为长针状晶体，不仅更多降低水胶比和起到填充作用，其长晶体结构还会为水泥水化提供更多的凝结核[9]，对混凝土的抗压强度的增强作用更明显。

图6 黄色混凝土SEM照片

2.4 不同强度对混凝土抗压强度的影响

比较图1、图2和图3，当降低彩色混凝土的水胶比，提高混凝土的强度后，复合颜料混凝土的抗压强度反而相对稳定，其原因是四种颜料均是惰性颜料，仅由酞菁蓝的存在导致颜料的亲水和疏水性质不同，但颜料本身不与水发生反应，所以随着混凝土强度增加，水胶比的降低，酞菁蓝在混凝土中可影响的水量减少，所以复合颜料对混凝土抗压强度的削弱作用明显降低，而无机颜料对混凝土抗压强度的增强作用仍有一定增加。

3 结论

（1）随着颜料掺量增加，无机颜料对混凝土的抗压强度有一定提高作用，复合颜料对混凝土的抗压强度有害。

（2）四种颜料中对混凝土强度产生较大影响的原因是酞菁蓝，酞菁蓝的疏水性质会阻碍水泥粒子与水分的接触，酞菁蓝的表面高活性会在混凝土拌合时引入大量气泡，使得混凝土中存在极多微气泡空隙，二者共同作用削弱混凝土的抗压强度。

（3）氧化铁红在混凝土中起到填充作用，对混凝土强度的提升作用不大；氧化铁黄在混凝土中起到填充作用和固定水泥粒子的作用，对混凝土强度的提高作用明显；氧化铁绿和氧化铁蓝由于存在酞菁蓝，所以会降低混凝土的抗压强度，氧化铁蓝的作用更加明显。

（4）随着混凝土强度的提高，无机颜料对混凝土抗压强度的增强作用仍存在并有一定增加，复合颜料对混凝土的抗压强度的削弱作用将减缓。