普硅水泥在彩色混凝土中应用及颜料最优掺量研究

王彦鹏

（甘肃建投绿色建材产业发展集团有限公司，甘肃 兰州 730070）

0 引言

普通混凝土作为当今主要建筑材料之一，其单一的色彩以及灰暗、呆板的色调已无法满足市场的多元化需求。尤其在建筑装饰工程设计和施工中，对建筑物的表面美观要求较高，一般会在其表面进行装饰粉刷或铺贴板材等，但如此施工不仅消耗额外材料及工时，增加工程成本，而且这些装饰材料还会随时间出现褪色、剥落等现象，后期修缮费用较高。在此情景下，彩色混凝土得以出现[1-4]。早在20世纪20年代就有人研究将普通水泥混凝土进行改良，直接当作装饰材料。40年代，人们开始对彩色混凝土制作有了系统、完整研究，不断增加混凝土色彩，彩色装饰混凝土得到发展。进入70年代后，装饰混凝土的种类更是层出不穷，不再局限于单一彩色混凝土[5-7]。

1 原材料和配合比设计

1.1 原材料

1）水泥：水泥选用P.O42.5普通硅酸盐水泥，厂家为祁连山，根据GB 175-2007规范要求检测得出各项性能指标如表1所示。

表1 祁连山P.O42.5水泥性能指标

2）粉煤灰：粉煤灰选用II级粉煤灰，厂家为西固电厂，根据GB/T 51003-014规范要求检测得出相关性能指标如表2所示，活性如表3所示。

表2 西固电厂II级粉煤灰性能指标

表3 西固电厂II级粉煤灰活性

3）矿粉：矿粉选用S95 矿粉，产自东盛，根据GB/T 51003-2014规范要求检测得出相关性能指标如表4所示。

表4 东盛S95矿粉性能指标

4）细集料：根据JGJ 52-2006规范要求，细集料选用产自甘肃临洮的天然砂（细度模数μf=3.0～2.3），相关性能指标如表5所示。

表5 临洮天然砂性能指标

4）粗集料：粗集料选用5～31.5mm的矿业碎石，产自永靖地区，根据JGJ 52-2006规范要求，其相关性能指标如表6所示。

表6 矿业碎石相关性能指标

5）外加剂：所用外加剂选用绿色环保型的高性能减水剂。

1.2 配合比设计

根据JGJ 55-2011和JGJ 51-2002规范要求确定配合比如表7所示[8-10]。本次试验共有6种颜色，针对每种颜色设计4种掺量，分别进行试配，做成边长为100mm的立方体试件，共3组，24h后脱模养护，分别在养护7d、28d龄期时进行抗压测试，观察其着色情况。同时做100mm×400mm的长方体试件，养护28d后进行室内冻融循环试验[11-12]。

表7 C30彩色混凝土配合比（kg/m3）

2 试验

2.1 抗压强度试验

混凝土在建筑材料使用中主要作为受压材料，故通过抗压强度指标对其力学性能进行评定。结合实际工程对混凝土强度要求，本试验分别对7d、28d龄期的试块进行抗压试验。抗压强度也是混凝土等级评定的最主要指标，可作为评定混凝土质量的基础指标。

2.2 耐久性试验

为确保彩色混凝土使用年限，设计了室内冻融循环试验，分析此类环境下彩色混凝土的耐久性能。混凝土室内冻融试验是将达到龄期的混凝土放置水中至吸水饱和，取出后使其内部孔隙水结冰而产生膨胀应力，且冻融不断交替，混凝土内部产生疲劳应力，从而使混凝土由表及里逐层剥蚀，直至失效。本试验依照GB 50082-2009T《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行。冻融循环试验作为室内标准试验之一，选取相对质量ωa和相对动弹性模量ωb对混凝土劣化性能进行评定。

3 结果分析

3.1 混凝土力学性能

由图1可以看出，以蓝色颜料为例，在2%-5%不同掺量下，混凝土7d、28d龄期下抗压强度均表现为随颜料掺量增加先增长后降低趋势，整体对比得出3%掺量下混凝土抗压强度最优，可能是由于随着颜料掺量增加，对混凝土内部结构密实性有一定改善，但继续增加颜料掺量对水泥水化作用有一定阻碍，故混凝土强度转而下降。

图1 不同掺量下蓝色混凝土各龄期抗压强度

由图2可以看出，在同一掺量下，各颜色混凝土整体混凝土抗压强度保持同一水平，5%掺量下混凝土抗压强度最低，颜料为3%掺量的混凝土抗压强度基本处于所有曲线上方，即该掺量下混凝土抗压强度最优。

图2 相同掺量下各颜色混凝土28d抗压强度

3.2 混凝土着色情况

对各种颜料在不同氧化铁颜料掺量下拌和混凝土着色情况留取照片，从左至右氧化铁颜料掺加量依次为5%、4%、3%、2%。

由图3-图8可以看出，彩色混凝土试块整体着色情况良好，各颜色混凝土与颜料融合较好，整体颜色较为明显，尤其深色颜料拌和混凝土颜色鲜亮。各颜色混凝土在5%掺量下着色情况最佳，且黑色、蓝色、绿色等较深颜料着色情况较黄色等浅色颜料着色鲜亮。

图3 不同掺量下黑色混凝土

图4 不同掺量下棕色混凝土

图5 不同掺量下蓝色混凝土

图6 不同掺量下绿色混凝土

图7 不同掺量下橙色混凝土

图8 不同掺量下黄色混凝土

3.3 耐久性分析

在对彩色混凝土力学性能测定的同时进行室内冻融循环试验。试验所用100mm×400mm长方体试块在达到28d养护龄期后放入冻融循环机，每2h一次循环，每25次采集一次数据，分别对质量及动弹性模量进行测量，共进行200次冻融循环。对采集数据进行整理，得出相对质量及动弹性模量的变化。

由图9可以看出，各颜色混凝土试块在整个冻融循环试验过程中，质量不断减少，各颜色混凝土试块的相对质量整体变化趋势一致，在初期冻融循环过程时，混凝土试块的相对质量一直降低，且随着冻融次数不断增加，后期质量减少趋势更明显，这是由于后期混凝土劣化越来越严重，混凝土破坏也越来越快，试块内部破坏严重，直至失效。

图9 颜料掺量5%下混凝土相对质量ωa

由图10可以看出，在整个冻融循环试验过程中，各颜料拌和试块相对动弹性模量在50次循环之前有所增长，50次循环后试块动弹性模量开始降低，且整个劣化过程中各颜色混凝土试块的变化趋势一致，随着冻融次数不断增加，后期试块动弹性模量降低越来越多，趋势更明显，这是由于后期混凝土内部结构破坏越来越严重，劣化随之增长，直至失效。

图10 颜料掺量5%下混凝土相对动弹性模量ωb

以黑色混凝土为例，各掺量下混凝土相对质量变化趋势如图11所示，整体混凝土质量不断下降，且5%掺量下混凝土质量损失较其他掺量下要快，大约在160次循环时达到破坏，而2%、3%掺量下混凝土整体劣化速度要比其他组慢，表明该掺量下混凝土性能良好，抗冻融能力较强，分别在约175、165次循环后失效。

图11 黑色各掺量混凝土相对质量ωa

以黑色混凝土为例，混凝土中颜料在不同掺量下相对动弹性模量变化趋势如图12所示，整体混凝土动弹性模量先期有小幅增长，随后不断下降，且5%掺量下混凝土动弹性模量的损失较其他掺量要大，混凝土劣化速率较快，而低掺量下混凝土整体劣化速度慢，混凝土性能较优，具有更强抗冻融能力。

图12 黑色各掺量混凝土相对动弹性模量ωb

4 结论

1）在原材料选择方面，应尽可能选用颜色较浅的水泥，着色效果更佳。通过使用矿物掺合料和对细集料的颜色筛选，适当中和混凝土中水泥颜色，彩色混凝土着色状况良好。

2）应保证生产前原材料和颜料充分搅匀，拌和过程中严格控制搅拌时间，防止出机颜色不均匀。

3）从抗压强度看，各掺量7d抗压平均值大于32.0MPa，28d抗压平均值大于40.0MPa。

4）从耐久性能看，2%及3%掺量下混凝土的性能较优，整体性能高于5%掺量下混凝土。

5）从着色情况看，棕色、蓝色、绿色、黑色的着色较鲜亮，橙色、黄色较为暗淡。

6）综合强度、着色及成本分析，氧化铁颜料掺量为胶凝材料的3.0%最为适中，且宜选用较深颜色氧化铁颜料。