颜料品种与掺量对彩色砂浆性能的影响

2020-05-08孙培钊邢振贤耿世博

四川建材 2020年4期

孙培钊，邢振贤，耿世博

(华北水利水电大学，郑州 450045)

0 前言

水泥混凝土作为建筑材料具有凝结硬化快、抗冻性好、成型强度高及使用寿命长等优点，大量的水泥混凝土用于房建、公路、桥梁等基础设施中[1]。但水泥混凝土色彩单一，在“钢铁混凝土森林”中生活令人感觉枯燥乏味[2]。彩色水泥混凝土在保证其应用性能的基础上，解决色彩单调的问题，给城市基础建设增添活力，解决市民审美疲劳的问题。

颜料分为无机颜料和有机颜料两大类，有机颜料无论在色泽、着色力和使用性能上都优于无机颜料，且毒性小，色谱全，品种多[3]。随着技术的进步，各类有机颜料的品种不断出现，性能不断提升。其中酞菁系列和偶氮系列[4]有机颜料以优良的耐光耐热、耐酸碱侵蚀、在各种气候条件下不褪色不变化为优点作为本次试验样本[5]。无机颜料大多属于矿物质颜料，在水泥混凝土体系中除有较好的分散性外，抗紫外线老化性能[6]也优于有机颜料，一般情况下对水泥混凝土的性能影响较小。常用的无机颜料有氧化铁系、氧化铬系、钴蓝和群青蓝等，本次试验采用氧化铁红、氧化铁黄与氧化铬绿颜料为着色剂，试验研究彩色砂浆的强度、颜色和耐老化性，为配制彩色混凝土提供技术支持。

1 试验原材料

1.1 水泥

水泥选用河南省新乡市秀建水泥厂生产的42.5级普通硅酸盐水泥，基本性能见表1。

表1 水泥基本性能表

1.2 细集料

本试验采用郑州市建材市场的天然河砂，细度模数3.0。

1.3 颜料

颜料按化学成分分为有机颜料与无机颜料两大类。无机颜料又可分为天然颜料和合成颜料，由于天然颜料着色力小，杂质多，颗粒不均匀，在配制混凝土时优先选取合成型无机颜料；有机颜料是有色的有机化合物，也分为天然和合成的两大类。现在常用的是合成有机颜料，有机颜料的品种多，色彩比较齐全，着色性能优于无机颜料。

本次试验使用颜料采用上海一品颜料有限公司生产的氧化铁红、氧化铁黄和氧化铬绿颜料，上海染料化工一厂生产偶氮红，酞菁绿和耐晒黄颜料。

有机颜料结构多样，色谱齐全，颜色鲜艳纯正，着色力强，但部分产品耐光、耐侯、耐溶剂性差，高档有机颜料也有很好的耐光、耐候、耐溶剂性，但价格昂贵。无机颜料耐晒、耐热、耐候、耐溶剂性好，遮盖力强，但色谱不齐全，着色力低，颜色鲜艳度差。

本试验采用红、黄、青三种颜色作为主要研究对象，所选颜料分别为无机颜料氧化铁红、氧化铁黄和氧化铬绿。有机颜料偶氮红、耐晒黄和酞菁绿。

2 试验设计

按照《水泥胶砂强度检验基准方法》(GB/T 17671-1999)设计试验配合比为：水泥∶河砂∶水∶颜料=1∶3∶0.5∶X。根据试验需要，将无机颜料和有机颜料按照表2数据进行掺加，基础组编号为0，无机颜料组分别为1到4组，有机颜料分别为5到8组。采用JJ-5型水泥胶砂搅拌机按比例充分搅拌制作水泥胶砂，制作40 mm×40 mm×160 mm砂浆试块，在水中养护28 d后进行试验。

表2 彩色水泥胶砂试块配合比

3 试验结果与分析

3.1 砂浆强度试验结果分析

对无机颜料采用红色、黄色、绿色进行胶砂性能测试，其中O组表示基础组，A组表示加入氧化铁红的砂浆试样，B组表示加入氧化铁黄的砂浆试样，C组表示加入氧化铬绿的砂浆试样。对有机颜料采用红、黄、绿三色进行胶砂性能测试，分别为D、E、F组。根据表2对A,B,C组按照无机颜料1、2、3、4组进行掺加，对D,E,F组按照有机颜料5到8组进行掺加。

由表3和表4发现颜料的化学性质是对砂浆抗压强度和抗折强度的主要因素。根据数据对比发现无机颜料比有机颜料对强度影响更小。

表3 无机颜料水泥胶砂试块强度表

表4 有机颜料水泥胶砂试块强度表

由表3分析发现有机颜料掺量和试块强度成负相关。偶氮红颜料和耐晒黄对砂浆试块强度影响较小，适合作为有机颜料用于砂浆拌合料中。酞菁绿对水泥胶砂抗压强度损伤大，不建议采取这种颜料。通过图3发现抗折强度下降趋势与抗压强度趋势基本相符，胶砂强度随着颜料掺量的增加而减弱。

由图2分析发现无机颜料在掺量较少的情况下对胶砂强度有加强作用，随着掺量的增加，当掺量达到4%附近时强度达到极限开始降低。考虑由于掺加颜料会吸收一部分水分，从而降低水泥水灰比，会对砂浆强度有提高作用。其中氧化铬绿对强度加强效果最强。综合两种性质的颜料比较发现，无机颜料对强度的影响较小，而有机颜料对强度有损伤。

图1 有机颜料对砂浆抗压强度的影响曲线

图2 无机颜料对砂浆抗压强度的影响曲线

图3 有机颜料对砂浆抗折强度的影响曲线

图4 无机颜料对砂浆抗折强度的影响曲线

3.2 砂浆颜色效果分析

每种颜料都有一定的着色力，着色效果随着颜料掺量的增加而加强。随着颜料掺量的增加，混凝土混合料的表面被颜料完全覆盖，此时混凝土颜色不再发生变化，此时达到颜料的饱和点。通过试验可见，有机颜料着色力强，当红色、绿色颜料掺量达到2%时色彩达到饱和，黄色颜料达到4%时接近饱和。无机颜料掺量达到6%时，基本达到最佳的着色效果。试验采用普通硅酸盐水泥，由于材料本色影响会对颜料着色效果起到弱化作用。对设计要求高的结构可采用白水泥达到颜色效果。

3.3 砂浆老化性试验结果分析

本试验采用UV人工加速紫外线加速老化箱，老化箱模拟日光、热量、雨水和露水等自然气候条件对试样进行老化影响。试件老化试验参照《彩色建筑材料色度测量方法》(GB/11942-89)进行试验。试验以12个小时为一个周期，分别对红黄青三基色的六组试块进行老化试验。整个老化时间点分别为10 d、20 d和40 d，每组平行老化6个试块为各时间点试样对照。

表5 彩色水泥胶砂的老化试验过程

检测方法有目视法、光电积分法、分光光度法。根据试样老化情况明显，试样数量少等特点，采用目视法对试验颜色进行测量。图中试样为掺加氧化铁红颜料的水泥胶砂试块，右侧试验面在UV试验机中正面照射40 d，左侧为对比面未经过紫外线照射。在紫外线照射下，试块表面发生褪色。

图3.6 彩色试块老化效果

通过观察可见，所有试样经过紫外线老化以后其颜色都发生了明显的变化，且老化时间越长褪色情况越严重。除了酞菁绿以外，其他两种有机颜料颜色褪色最为严重。有机颜料着色褪色情况较轻。

3.4 酸碱性试验结果及分析

试验目标了解颜料对水泥试样的酸碱性影响。试验采用7组试样，A铁红B氮红C铬绿D酞菁绿E铁黄F耐晒黄和G普通对照组，其中A到F为颜料掺量为4%的水泥胶砂试，G组为普通水泥胶砂试块。试验将7组试块破碎研磨，过0.08 mm方孔筛，各称取10g粉体试样。将称取试样加入100g蒸馏水，封好瓶口防止碳化，每隔5 min震荡均匀1次，2 h后用滤纸过滤，使用测定计检测pH值。