基于正交試驗(yàn)的無(wú)機(jī)復(fù)合型彩色混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)及其工作性能研究

張新勝，宋姍，吳躍輝，賈亞瓊

（1. 鄭州大學(xué)管理工程學(xué)院，河南 鄭州 450450；2. 河南中建西部建設(shè)有限公司，河南 鄭州 451450）

0 引言

混凝土是當(dāng)今用量較大、使用范圍較廣的建筑材料，被廣泛應(yīng)用在隧道、礦業(yè)、地下、道路、橋梁、巖石邊坡護(hù)坡、建筑結(jié)構(gòu)加固等工程中。隨著現(xiàn)代化經(jīng)濟(jì)、技術(shù)的快速發(fā)展，以及人民生活水平的日益提高，傳統(tǒng)混凝土已難以滿足現(xiàn)代建設(shè)的需求[1]。目前，對(duì)混凝土的要求既要具備優(yōu)異的物理性能和力學(xué)性能，同時(shí)還需兼顧美化等，因此，彩色混凝土應(yīng)運(yùn)而生。

彩色混凝土具有許多優(yōu)點(diǎn)，包括防水、防腐、防滑，它可以使混凝土的外觀呈現(xiàn)各種色彩，變得光彩奪目，因此日益受人重視[2]。除此之外，當(dāng)今能源和環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)峻，國(guó)家大力倡導(dǎo)節(jié)約資源和節(jié)能減排，而綠色建筑與建筑工業(yè)化是當(dāng)前國(guó)際建筑產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要趨勢(shì)。彩色混凝土因其自身具有裝飾性而避免二次裝修，節(jié)約了大量的能源，并且具有使用期限長(zhǎng)、施工簡(jiǎn)單等一系列的優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已被廣泛地用于建筑領(lǐng)域中，比如：房屋建筑、園林、景觀、市政、公路等，具有很大的應(yīng)用前景，是集裝飾、節(jié)能、環(huán)保于一體的新型功能材料[3]。

1 試驗(yàn)用原材料

1.1 水泥

在混凝土的實(shí)際生產(chǎn)中，水泥品種的選擇應(yīng)從多角度、多方面來(lái)進(jìn)行考慮，其中包括澆筑部位、澆筑方式、彩色混凝土的顏色等。依據(jù)實(shí)際情況，本試驗(yàn)所用水泥為河南新鄉(xiāng)孟電水泥，規(guī)格型號(hào)為 P·O42.5，具體的性能指標(biāo)如表 1 所示。

表 1 水泥性能指標(biāo)

1.2 礦物摻合料

礦粉的加入可改善混凝土的工作性能，依據(jù)實(shí)際情況，該試驗(yàn)所選用的礦粉為河南茂軒建材有限公司所生產(chǎn)的 S95 級(jí)礦粉，該試驗(yàn)用礦粉具體的性能指標(biāo)如表 2所示。

表 2 礦粉性能指標(biāo)

粉煤灰的加入，可起到改善混凝土工作性能和降低混凝土生產(chǎn)成本的雙重效果。該試驗(yàn)所用的粉煤灰為Ⅱ級(jí)粉煤灰（由河南誠(chéng)為金商貿(mào)有限公司生產(chǎn)），該試驗(yàn)用粉煤灰具體的性能指標(biāo)如表 3 所示。

表 3 粉煤灰性能指標(biāo)

1.3 減水劑

該試驗(yàn)所用的減水劑為河南科之杰新材料有限公司生產(chǎn)的高效脂肪族減水劑，該脂肪族減水劑的產(chǎn)品型號(hào)為 Point-400，其具體的性能指標(biāo)如表 4 所示。

表 4 減水劑性能指標(biāo)

1.4 粗、細(xì)骨料

實(shí)際混凝土生產(chǎn)中，石子等骨料顆粒級(jí)配不連續(xù)的堅(jiān)決不使用。本試驗(yàn)中所用的砂為混合中砂，是由禹州人工砂和黃河天然砂所組成的，選用的石子的規(guī)格為5～20mm 碎石，產(chǎn)地為禹州，該試驗(yàn)所用粗、細(xì)骨料具體的性能指標(biāo)如表 5 和表 6 所示。

表 5 細(xì)骨料的性能指標(biāo)

表 6 粗骨料的性能指標(biāo)

1.5 無(wú)機(jī)復(fù)合型顏料

顏料主要有有機(jī)顏料和無(wú)機(jī)顏料兩大類，當(dāng)顏料具有好的耐堿性和著色度，且不影響混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)時(shí)，才被用來(lái)制備彩色混凝土。因此，無(wú)機(jī)顏料可作為混凝土的著色劑。無(wú)機(jī)顏料有天然顏料和合成顏料之分，天然顏料因具有含雜質(zhì)多、著色能力差等缺點(diǎn)，導(dǎo)致其采用率低；而合成顏料的化學(xué)組成等因素均可被人為控制，因此，常常被用來(lái)制備彩色混凝土。

氧化鐵是最穩(wěn)定的無(wú)機(jī)合成顏料，其生產(chǎn)量和使用量均比較大，且氧化鐵具有較好的著色能力、分散性，雜質(zhì)含量少，以及與膠凝材料的相容性好等優(yōu)點(diǎn)，致使其常常被用來(lái)制備彩色混凝土，且是制備黃色、棕色、紅色、黑色混凝土的最廣泛使用的顏料。因此，本試驗(yàn)所用的顏料為氧化鐵，因其易溶于水，則在其配制過(guò)程中要注意保持氧化鐵呈干燥狀態(tài)，另外，為保證彩色混凝土的著色質(zhì)量，同一工程中宜選用同一廠家和同一批次的氧化鐵，同時(shí)要嚴(yán)查其質(zhì)量[4-5]。

2 多因素水平下彩色混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 彩色混凝土配合比設(shè)計(jì)原則

設(shè)計(jì)彩色混凝土的配合比時(shí)，要進(jìn)行全方位、多方面的考慮，嚴(yán)格按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、制備特殊混凝土的相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，以及本地區(qū)氣候特點(diǎn)、原材料的質(zhì)量狀況和具體的實(shí)際情況來(lái)設(shè)計(jì)，并且以混凝土的強(qiáng)度、坍落度、色度等指標(biāo)作為控制指標(biāo)，來(lái)進(jìn)行彩色混凝土的試配驗(yàn)證工作。本試驗(yàn)通過(guò)調(diào)整顏料的摻量、外加劑的摻量、水膠比以及砂率等各因素，最終試配出了既具有良好的和易性、色度，又滿足混凝土的強(qiáng)度、耐久性的相關(guān)使用要求，同時(shí)還兼顧到經(jīng)濟(jì)合理的配合比[6-9]。具體的配合比設(shè)計(jì)流程如圖 1 所示。

2.2 彩色混凝土配合比正交試驗(yàn)及優(yōu)化配比確定

為了確定彩色混凝土最佳的配合比，以基準(zhǔn)配合比：水 175kg、水泥 210kg、機(jī)制砂 606kg、細(xì)砂270kg、粗骨料 950kg、粉煤灰 100kg、礦粉 80kg、脂肪族 9kg 為基礎(chǔ)，運(yùn)用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法，采用四因素三水平，分別進(jìn)行九組試驗(yàn)，具體因素水平設(shè)置見表7、試驗(yàn)方案見表 8，具體試驗(yàn)配合比及強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見表 9。

圖 1 彩色混凝土配合比設(shè)計(jì)流程

表 7 正交因素水平設(shè)置表

表 8 正交試驗(yàn)方案

運(yùn)用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)軟件中直觀分析的方法對(duì) 7 天、28 天強(qiáng)度進(jìn)行分析，由正交試驗(yàn)各因素的均值結(jié)果和極差可知，各因素對(duì)彩色混凝土強(qiáng)度影響最大的是外加劑的摻量，其中各因素影響程度的大小為：外加劑摻量＞水膠比＞顏料摻量＞砂率。以強(qiáng)度值為控制指標(biāo)，由7 天、28 天強(qiáng)度在各因素水平下的均值圖（圖 2 和圖3）可知，各因素最佳的水平為：外加劑摻量為膠凝材料質(zhì)量的 2.3%，水膠比 0.46，砂率 48%，顏料摻量為水泥重量的 6%。

圖 2 彩色混凝土 7d 強(qiáng)度

圖 3 彩色混凝土 28d 強(qiáng)度

表 9 正交試驗(yàn)方案配合比及強(qiáng)度

3 無(wú)機(jī)復(fù)合型彩色混凝土的制備及其工作性能研究

3.1 彩色混凝土的制備方法

制備彩色混凝土的方法不一，其中，整體著色法（切記該方法在施工時(shí)顏料的加入要適量，攪拌要均勻）、干撒彩色硬化劑表層著色法（該方法適用范圍是預(yù)制混凝土板，或者現(xiàn)澆混凝土表面）、二次成型法（基層混凝土的澆筑可用一般的澆筑方式，且經(jīng)濟(jì)性好）、化學(xué)反應(yīng)染色法（其原理是酸堿中和化學(xué)反應(yīng)）、粘結(jié)覆蓋法（禁止出現(xiàn)混凝土的表面情況與覆蓋系統(tǒng)不匹配情況的發(fā)生）為五種常用的彩色混凝土的制備方法。本試驗(yàn)中所選的制備方法為整體著色法[10-11]。

制備彩色混凝土?xí)r依次將水泥、礦粉、粉煤灰、顏料、粗骨料、細(xì)骨料、高效脂肪族減水劑、水加入到混凝土攪拌機(jī)中進(jìn)行攪拌混合，該彩色混凝土的制備過(guò)程、養(yǎng)護(hù)過(guò)程是嚴(yán)格按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定來(lái)進(jìn)行操作的，試驗(yàn)時(shí)使用的試模規(guī)格為100mm×100mm×100mm，試件成型后按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)[12]。

3.2 彩色混凝土工作性能對(duì)比分析

以 C30 強(qiáng)度等級(jí)的混凝土為例，采用基準(zhǔn)配合比，以及上述得到的彩色混凝土各因素的最佳水平，即外加劑摻量為膠凝材料質(zhì)量的 2.3%，水膠比 0.46，砂率48% 來(lái)作為基礎(chǔ)，以氧化鐵占水泥重量的 0%、2%、4%、6%、8% 來(lái)制備彩色混凝土，試驗(yàn)方案具體的各試驗(yàn)配合比如表 10 所示。

軟科學(xué)為自然科學(xué)與社會(huì)科學(xué)相互融合后的交叉科學(xué)，其研究對(duì)象是社會(huì)、經(jīng)濟(jì)等包含人、事、物的開放復(fù)雜系統(tǒng)，其研究方法是定性與定量的綜合集成。軟技術(shù)是軟科學(xué)在社會(huì)層面的表現(xiàn)形式之一，具有社會(huì)科學(xué)的對(duì)象性與自然科學(xué)的方法性相結(jié)合的二象性特征。在職務(wù)犯罪調(diào)查中，軟技術(shù)應(yīng)用表現(xiàn)得并不明顯，而是附隨于調(diào)查訊問(wèn)之中。具體而言，有心理咨詢技術(shù)、營(yíng)銷技術(shù)與談判技術(shù)三類軟技術(shù)。

表 10 C30 混凝土試驗(yàn)方案配合比 kg/m3

（1）顏料摻量對(duì)彩色混凝土色度的影響

五組凝結(jié)硬化后的彩色混凝土的顏色如表 11 所示，通過(guò)觀察可知，彩色混凝土的顏色隨著氧化鐵摻量的增加呈現(xiàn)出不斷加深的趨勢(shì)，但當(dāng)氧化鐵在混凝土中的摻量達(dá)到 6% 時(shí)，彩色混凝土的顏色深度基本達(dá)到頂峰，繼續(xù)增加混凝土中氧化鐵的摻量，彩色混凝土顏色基本不變。充分說(shuō)了明氧化鐵顏料在混凝土中的摻量已達(dá)到飽和點(diǎn)。因此，在實(shí)際工程中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際使用情況，當(dāng)工程實(shí)際需要的顏色較淺時(shí)，氧化鐵的摻量取靠近下限值；當(dāng)實(shí)際工程需要鮮明的色彩時(shí)，取中值；當(dāng)工程實(shí)際需要的顏色較深時(shí)，則取上限值，但不宜超過(guò)臨界值，否則，既不可以改變混凝土的顏色，又可能影響混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，也不利于公司的降本增效。

表 11 凝結(jié)硬化后彩色混凝土的顏色

（2）顏料摻量對(duì)彩色混凝土坍落度的影響

本試驗(yàn)是根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的有關(guān)規(guī)定來(lái)對(duì)坍落度進(jìn)行測(cè)量的。試驗(yàn)結(jié)果見表 12 和圖 4。當(dāng)氧化鐵加入到混凝土中后，對(duì)制備出的彩色混凝土的出機(jī)坍落度影響甚微，但測(cè)量混凝土半個(gè)小時(shí)的坍落度損失，以及兩個(gè)半小時(shí)的坍落度損失后，可知氧化鐵加入到混凝土中以后，彩色混凝土的坍落度損失有所增大，其原因可能是氧化鐵與減水劑中的酸性物質(zhì)發(fā)生了反應(yīng)，從而減弱了脂肪族高效減水劑的減水效果，進(jìn)而導(dǎo)致了彩色混凝土的坍落度損失加大。此外，從圖中也可以發(fā)現(xiàn)彩色混凝土的坍落度損失隨著氧化鐵摻量的增加而逐漸增大，說(shuō)明在合理的范圍內(nèi)，氧化鐵含量越多，其與減水劑中的酸性物質(zhì)發(fā)生的中和反應(yīng)也就越多，則脂肪族高效減水劑的減水效果也就隨著氧化鐵含量的增多而逐漸減弱。

表 12 顏料摻量對(duì)混凝土坍落度的影響 mm

圖 4 彩色混凝土坍落度變化

（3）顏料摻量對(duì)彩色混凝土凝結(jié)時(shí)間的影響

彩色混凝土的初凝時(shí)間和終凝時(shí)間是嚴(yán)格按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定來(lái)進(jìn)行測(cè)量的。測(cè)量結(jié)果見表 13 和圖 5，通過(guò)分析可知，普通混凝土的初凝時(shí)間和終凝時(shí)間均比彩色混凝土的初凝時(shí)間、終凝時(shí)間要高。另外，隨著氧化鐵摻量的增加，彩色混凝土的初凝時(shí)間和終凝時(shí)間下降的幅度均有所加大，分析其原因可能與顏料摻入量對(duì)混凝土坍落度的影響是一致的，即氧化鐵與脂肪族高效減水劑中的酸性物質(zhì)反應(yīng)所導(dǎo)致的。

表 13 顏料摻量對(duì)混凝土凝結(jié)時(shí)間的影響 h

圖 5 各試驗(yàn)初凝與終凝時(shí)間對(duì)比圖

該試驗(yàn)混凝土試件的強(qiáng)度嚴(yán)格按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范規(guī)定來(lái)進(jìn)行測(cè)試，具體測(cè)試結(jié)果見表 14。通過(guò)分析可知，彩色混凝土的強(qiáng)度要高于普通混凝土的強(qiáng)度。因?yàn)檠趸F不參與混凝土中膠凝材料的水化反應(yīng)，也不溶于水；但是由于氧化鐵顆粒的粒徑要小于水泥顆粒的粒徑，因此可以填充水泥顆粒之間的空隙，增加了混凝土結(jié)構(gòu)的致密程度，從而提高了彩色混凝土的強(qiáng)度，使其強(qiáng)度要高于普通混凝土的強(qiáng)度。

表 14 顏料對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

（5）顏料對(duì)彩色混凝土抗?jié)B性的影響

通過(guò)抗?jié)B性試驗(yàn)可知，與普通混凝土相比，彩色混凝土的抗?jié)B性要更好，這可能是因?yàn)檠趸F顏料的顆粒直徑較小，可填充混凝土結(jié)構(gòu)的內(nèi)部空隙，增加了彩色混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的致密性，因此抗?jié)B性能更優(yōu)。

4 結(jié)論

（1）氧化鐵在混凝土中的飽和點(diǎn)摻量為 6%，實(shí)際應(yīng)用時(shí)可據(jù)此，以及所需顏色來(lái)確定氧化鐵摻量。

（2）彩色混凝土的坍落度經(jīng)時(shí)損失較普通混凝土高 30% 左右，但兩者的初始坍落度是無(wú)差別的。

（3）彩色混凝土的初凝時(shí)間和終凝時(shí)間均較普通混凝土的初、終凝時(shí)間縮短 1～2h。

（4）氧化鐵顆粒的填充效應(yīng)使得彩色混凝土的強(qiáng)度較普通混凝土約高 2MPa。

（5）摻氧化鐵的彩色混凝土在實(shí)際工程應(yīng)用中，工作性能良好，強(qiáng)度符合要求，且具有更為優(yōu)良的抗?jié)B性能。