鎳渣粉制備彩色混凝土的正交試驗研究

周敏，羅列，黃勤鉦

（福建省建筑科學(xué)研究院，福建省綠色建筑技術(shù)重點(diǎn)試驗室，福建福州 350025）

鎳渣粉制備彩色混凝土的正交試驗研究

周敏，羅列，黃勤鉦

（福建省建筑科學(xué)研究院，福建省綠色建筑技術(shù)重點(diǎn)試驗室，福建福州 350025）

選取鎳渣粉摻量、細(xì)度及顏料摻量3種因素，采用擬水平法正交設(shè)計，通過拌合物性能及抗壓強(qiáng)度試驗，分析了各因素水平對彩色混凝土性能的影響及各水平間的差異。試驗結(jié)果表明，利用鎳渣粉可以配制出性能優(yōu)良的彩色混凝土，顏料摻量影響彩色混凝土性能的最主要因素，無機(jī)顏料摻量越多，混凝土拌合物性能越差，但適量的顏料能夠改善混凝土的抗壓強(qiáng)度；鎳渣粉細(xì)度是次要影響因素，隨著細(xì)度增大，拌合物性能和抗壓強(qiáng)度均得到改善，但超過450 m2/kg后，改善效果不明顯；鎳渣粉摻量是最次要影響因素，摻量不宜超過10%，否則會影響抗壓強(qiáng)度。

鎳渣粉；彩色混凝土；正交設(shè)計；擬水平法

鎳渣是冶煉鎳鐵合金產(chǎn)生的固體廢渣[1]，其組成因冶煉方法和礦源不同而不同，以福建省環(huán)三都澳地區(qū)的鎳渣為例，其多呈白色疏松粒狀，主要以SiO2為主，約占50%，經(jīng)粉磨后為白色粉末，具有一定的活性。當(dāng)?shù)劓嚭辖鸺庸て髽I(yè)每年鎳渣排放量在百萬噸以上，這些廢棄物如不能進(jìn)行綜合應(yīng)用，不僅占用土地資源、破壞環(huán)境，而且將制約當(dāng)?shù)氐目沙掷m(xù)發(fā)展。彩色混凝土是一種裝飾性混凝土，主要是為了改變傳統(tǒng)混凝土給人灰暗、生冷、粗糙等[2]感覺而出現(xiàn)的，其主要以白水泥為膠凝材料。本研究利用鎳渣粉自身的白色和具有一定活性的特點(diǎn)，替代部分白水泥，作為摻合料配制彩色混凝土，以期為鎳渣粉的綜合利用提供新的途徑。

1 試驗

1.1 原材料

鎳渣粉：取自寧德某鎳合金加工企業(yè)，經(jīng)粉磨后為白色粉體，其化學(xué)成分如表1所示，經(jīng)不同程度研磨后，3份樣品物理性能如表2所示。

表1 鎳渣粉的化學(xué)成分%

表2 不同程度研磨后鎳渣粉的物理性能

水泥：江西玉兔山牌42.5級白色硅酸鹽水泥，比表面積365 m2/kg，3 d、28 d抗壓強(qiáng)度分別為20.5、45.7 MPa，3 d、28 d抗折強(qiáng)度分別為3.7、6.8 MPa。

顏料：氧化鐵紅具有很好的耐堿性[3]，選用上海某品牌合成氧化鐵紅顏料，其比表面積為3900 m2/kg。

其它原料：建研牌TW-3型萘系高效非緩凝型減水劑，減水率18%；5～31.5 mm連續(xù)級配碎石，來自福建閩侯地區(qū)碎石場；細(xì)度模數(shù)為2.8的閩江河砂。

1.2 試驗方案設(shè)計及考核指標(biāo)

1.2.1 試驗方案設(shè)計

選定影響因素分別為鎳渣粉細(xì)度、摻量及顏料的摻量，鎳渣粉細(xì)度分別為357、462、538 m2/kg；鎳渣粉分別按5%、10%、15%和20%取代部分白水泥；根據(jù)祝序博和麻名珩[4]的研究，不同著色力的顏料摻量有飽和點(diǎn)，即超過飽和點(diǎn)后顏色的加深效果不明顯，鐵紅顏料的飽和點(diǎn)一般為膠凝材料質(zhì)量的5%～10%。史忠等[5]的研究則表明，從強(qiáng)度和成本考量，其摻量宜為膠凝材料質(zhì)量的3%～5%，綜合考慮，采取外摻法，試驗設(shè)計顏料摻量分別為膠凝材料總量的3%、5%、7%和9%。水膠比固定為0.42，用水量固定為175 kg/m3，砂率0.40，高效減水劑摻量為膠凝材料的1.2%，假定密度2400 kg/m3。采用擬水平法進(jìn)行不等水平正交設(shè)計，將水平少的細(xì)度這一因素納入水平多的正交表內(nèi)，采用L16（43）正交表，具體因素水平如表3所示。

表3 正交設(shè)計因素水平

1.2.2 考核指標(biāo)及試驗方法

主要考核指標(biāo)包括坍落度、28 d和56 d抗壓強(qiáng)度，坍落度按照GB/T 50080—2002《普通混凝土拌合物性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測試，抗壓強(qiáng)度按照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測試。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 功效系數(shù)法分析

正交試驗設(shè)計及測試結(jié)果見表4。對試驗數(shù)據(jù)采用功效系數(shù)法進(jìn)行分析，本試驗設(shè)計目標(biāo)坍落度為120 mm，因此以結(jié)果中最接近的115 mm作為最佳值，設(shè)定為1.00，其它值與之比值作為各試樣的功效系數(shù)d1；對于28 d和56 d抗壓強(qiáng)度，則以最高的強(qiáng)度值作為基準(zhǔn)，設(shè)定為1.00，其它強(qiáng)度值與之比值作為功效系數(shù)，分別為d2和d3，然后以3個功效值的乘積開立方計算各自試驗號的總功效系數(shù)。功效系數(shù)分析見表5。

表4 正交試驗設(shè)計及測試結(jié)果

表5 正交設(shè)計功效系數(shù)分析

由表4、表5可知，3#試樣的總功效系數(shù)最大為0.93，相應(yīng)的試驗條件是A1B3C3；影響因素的主次順序為A=C＞B。

2.2 綜合平衡法分析

采用綜合平衡法對各考核指標(biāo)進(jìn)行單一的分析，具體結(jié)果如表6所示。

表6 正交設(shè)計綜合平衡分析

由表6可知，對于坍落度，A因素影響最大且較明顯，次序為A＞C＞B，因素A、B、C較好的水平分別為A1、B3、C4；對于28 d抗壓強(qiáng)度，影響因素主次順序為A＞B＞C，因素A、B、C較好的水平分別為A3、B2、C2；對于56 d抗壓強(qiáng)度，影響因素主次順序為B＞A＞C，因素A、B、C較好的水平分別為A3、B2、C4。

從表6各指標(biāo)對應(yīng)影響因素進(jìn)行分析，首先，隨著顏料摻量的增加，混凝土的坍落度下降明顯，主要是由于鐵紅無機(jī)顏料比表面積達(dá)到3900 m2/kg，遠(yuǎn)細(xì)于白色硅酸鹽水泥和鎳渣粉的細(xì)度，隨著其摻量增加，導(dǎo)致其需水量增加，流動性下降。鐵紅無機(jī)顏料摻量的增加對于混凝土的強(qiáng)度增長有利，當(dāng)摻量達(dá)到7%時，對28 d和56 d強(qiáng)度影響最有利。這可能是由于其極細(xì)的粒度填充了混凝土中的孔隙，起到微集料效應(yīng)，從而改善了其強(qiáng)度，但改善趨勢總體上并不明顯，且隨著摻量繼續(xù)增加，強(qiáng)度劣化影響增大。

其次，鎳渣粉的摻量對流動性的影響差別不大，但當(dāng)摻量超過10%時，強(qiáng)度開始下降，主要還是由于鎳渣粉的活性較低，隨著替代水泥量的增加，其強(qiáng)度逐漸降低。

最后，隨著鎳渣粉的比表面積增加，顆粒變細(xì)，拌合物的流動性反而改善了，這主要是由于鎳渣是鎳合金加工過程中經(jīng)過極冷產(chǎn)生的固體廢棄物，未經(jīng)破碎粉磨前，呈球狀玻璃體，具有較高的硬度，經(jīng)過粗磨破碎后，顆粒較粗，相互間摩擦增大，不利于流動。隨著粉磨程度增加，比表面積增大，顆粒的棱角變小，摩擦減小，流動性相對于粗顆粒大幅改善。針對強(qiáng)度而言，隨著鎳渣粉的細(xì)度增加，鎳渣粉的活性增加，能夠改善混凝土強(qiáng)度，這與表2中的活性指標(biāo)相符。隨著比表面積從462 m2/kg增加到538 m2/kg，其活性對于強(qiáng)度改善作用并不明顯，這可能是此后比表面積的增加程度不夠，無法對強(qiáng)度的變化產(chǎn)生明顯作用，綜合成本和性能考慮，鎳渣粉比表面積宜選擇在450～550 m2/kg。

通過結(jié)合功效系數(shù)法和綜合平衡法分析，A因素對于各考核指標(biāo)的影響最大；而對于B因素和C因素，從表6可以看出，兩者對于28 d和56 d抗壓強(qiáng)度的影響都相差不大，但C因素對坍落度的影響遠(yuǎn)大于B因素，綜合考慮影響因素大小順序應(yīng)為A＞C＞B，這與功效系數(shù)法分析結(jié)果一致。對于A因素，從對性能及成本考慮，3%的摻量是比較合適的，選擇A1。對于C因素，比表面積增加雖然能改善流動性，但超過462 m2/kg后對強(qiáng)度改善不明顯，選擇C2。對于影響最小的因素B，根據(jù)上述分析，選擇B2。綜合上述分析，既能取得較好工作性和較高抗壓強(qiáng)度，又具有較高性價比的最佳試驗條件是A1B2C2。

3 結(jié)論

（1）利用鎳渣粉可以配制出性能優(yōu)良的彩色混凝土，顏料摻量是混凝土性能影響的最主要因素，顏料摻量越多，拌合物性能越差，但適量的顏料能夠改善混凝土的抗壓強(qiáng)度。

（2）3個試驗因素中，鎳渣粉摻量是最次要的影響因素，主要是由于其自身活性不高，其摻量宜在5%～10%，對混凝土抗壓強(qiáng)度有所提高，超過10%之后，強(qiáng)度開始下降。

（3）相較鎳渣粉摻量，鎳渣粉細(xì)度對混凝土性能的影響更顯著，隨著鎳渣粉細(xì)度增加，拌合物流動性和抗壓強(qiáng)度均得到改善，但超過一定細(xì)度后，改善效果不明顯，從成本及性能綜合考慮，鎳渣粉比表面積宜選擇在450～550 m2/kg。

[1]周敏.高嶺土尾礦、鋁廠污泥與鎳渣合成堇青石的試驗研究[J].中國陶瓷，2015（9）：77-79.

[2]王立久，汪振雙，趙善宇.綠色生態(tài)混凝土技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J].混凝土，2009（7）：1-3.

[3]韓靜云，許如源.彩色混凝土人行道磚的褪色探討[J].新型建筑材料，2002（5）：40-41.

[4]祝序博、麻名珩.彩色混凝土顏料及其對混凝土性能的影響[J].黑龍江交通科技，2002（1）：56-57.

[5]史忠，葛海濤，呂麗萍.彩色混凝土的研究及應(yīng)用[J].市政技術(shù)，2010（1）：152-154.

Orthogonal study on colorful concrete prepared by nickel slag powder

ZHOU Min，LUO Lie，HUANG Qinzheng
（Fujian Academy of Building Research，F(xiàn)ujian Key Laboratory of Green Building Technology，F(xiàn)uzhou 350025，China）

Through the pseudo level orthogonal design with three factors，the article described the influence of the amount and fineness of nickel slag powder，and the amount of pigment，on the workability and compressive strength by analyzing the factors and levels.The results showed that excellent color performance of concrete could be prepared by nickel slag powder.The pigment content was the main factor influencing the concrete performance.The more inorganic pigment content，the poorer its workability，but right amount of pigment content could improve concrete compressive strength，the nickel slag powder fineness was secondary factor，with the increase of the fineness，workability and compressive strength were improved.But more than 450 m2/kg，there is no obvious improvement；the amount of nickel slag powder was the less important factor，which should not be more than 10%，otherwise，it would affect the compressive strength.

nickel slag powder，colorful concrete，orthogonal design，pseudo level

TU528.38

A

1001-702X（2016）07-0035-03

2015-11-30；

2016-01-19

周敏，男，1978年生，福建長樂人，高級工程師。