掺颜料超高性能混凝土性能的研究

摘要：本文采取在超高性能混凝土中分别掺入1%、3%、5%的红、黄、蓝、绿四种颜料的方式，研究了不同颜料种类和不同颜料掺量对超高性能混凝土染色效果、拌和性能、初凝时间、终凝时间、抗压强度和抗折强度的影响。试验结果表明：在超高性能混凝土中掺入3%的颜料染色效果最佳;由于颜料吸水，超高性能混凝土的坍落度随着染料掺量增加而减少;颜料的掺入会延长超高性能混凝土的初凝时间和终凝时间;颜料的掺入会降低超高性能混凝土的抗压强度和抗折强度，掺入蓝色颜料的超高性能混凝土强度降低幅度最大。

关键词：超高性能混凝土;颜料种类;颜料掺量;拌和性能;强度

Abstract： The paper studied the effects of different kinds of pigments and different amounts of pigments on dyeing effect， mixing performance， initial setting time， final setting time， compressive strength and flexural strength of UHPC for respectively adding 1%， 3% and 5% red， yellow， green and blue pigments into UHPC. The result showed that the best dyeing effect of UHPC is 3%; due to the water absorption of pigment， the slump of UHPC decreases with the increase of dye content; the addition of pigment can prolong the initial setting time and final setting time of UHPC; the strength of ultra-high performance concrete will be reduced by the addition of pigment， and the strength of UHPC with blue pigment will decrease most.

0  引言

超高性能混凝土[1-5]（UHPC：ultra high performance concrete）是迄今为止最具创新性的水泥基工程材料，相比普通混凝土和高性能混凝土，超高性能混凝土具有超高的耐久性和超高的力学性能。目前，由中国建筑材料协会制定的《超高性能混凝土预混料》正在征求意见，《超高性能混凝土预制构件生产技术规程》、《超高性能混凝土现浇施工技术规程》和《超高性能混凝土结构设计技术规程》等规范正在制定中，相信在不久的将来，超高性能混凝土的应用领域将更加广泛。

超高性能混凝土为建筑师设计创意和表现提供了新的、自由度更大的材料。目前，超高性能混凝土在桥梁建设、桥面板铺装、结构加固、电杆生产、重型井盖等领域的研究已经成熟并得到大力推广应用，但翻阅文献，国内在装饰性超高性能混凝土的研究方面还比较少，现有的文献主要集中在彩色普通混凝土的研究，应用方面主要集中在彩色地砖路面、彩色路缘石等方面。目前，国内大部分超高性能混凝土研究方面的专家学者在装饰性超高性能混凝土应用方面主要倾向于彩色建筑幕墙、彩色艺术造型等领域的研究應用，掺入不同颜料种类和不同颜料掺量对超高性能混凝土性能有何影响，正是本文所要研究的重点。

目前，制备装饰性混凝土[6-13]的方法主要有彩色水泥法、掺加颜料法、面层着色法、化学染色法四种方法，因掺加颜料法具有制备工艺简单、色调不受颜色范围限制、价格较为便宜、颜色耐久性好等诸多优势，本研究主要采取掺加颜料法研究颜料对超高性能混凝土性能的影响。

1  实验

1.1 原材料

水泥，P.O.42.5级普通硅酸盐水泥;硅灰，浅灰色粉末，呈球型，平均粒径80nm;粉煤灰，Ⅱ级，灰色粉末;粒化高炉矿渣，S95型;石英砂，粒径0.5-1mm;减水剂，聚羧酸高效减水剂，含固量36%，减水率大于25%。氧化铁红，红色氧化铁粉末;氧化铁黄，柠檬黄色的固体粉末;氧化铁蓝，深蓝色或浅蓝色固体粉末;氧化铁绿，呈草绿色固体粉末状。

试验原材料化学成分见表1、表2。

1.2 试验方案

本试验以U0配比作为超高性能混凝土的基本组，其它配比的变化相比U0配比在于颜料种类及掺量的变化，如，U11表示氧化铁红掺量为1%，U23表示为氧化铁黄掺量为3%，掺入钢纤维为超高性能混凝土体积掺量以质量计，颜料掺量为UHPC胶凝材料的百分比以质量计，具体见表3。

1.3 试验方法

超高性能混凝土的搅拌步骤如下：按配合比设计要求称量原材料，将骨料与硅灰充分干拌2分钟，再加入水泥、粉煤灰、矿渣干拌2分钟，充分混合后加入2/3的水和高效减水剂搅拌3分钟，再加入剩下的水搅拌2分钟，最后边搅拌边加入钢纤维、颜料高速拌和1分钟，测定拌合物的坍落度、初凝时间及终凝时间，将试件放入标准养护室（20±2℃）养护48h后拆模，再放入90℃的水浴中加热养护48h后进行强度测定，强度试验参照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》[14]（JTE E30-2005）规定执行。

2  结果与讨论

2.1 不同颜料掺量对UHPC颜色深度的影响

在混凝土中掺入颜料，颜料掺量对混凝土的色彩效果起决定性作用，然而目前颜料对混凝土的染色效果没有统一的定量评价，本研究主要采取目测法对掺颜料超高性能混凝土的试件的颜色深度进行定性评定，主要采取“浅、深、饱和”3个评价指标，具体见表4。从表4可以看出，随着颜料掺量的增加，掺颜料超高性能混凝土的颜色深度逐渐加深，其中氧化铁蓝、掺氧化铁绿掺量为1%时，颜色深度即可达到“深”的指标;氧化铁红、掺氧化铁黄的UHPC试件在掺量为3%时才可达到“深”的指标，说明蓝、绿颜料要达到深的色度比红、黄颜料掺量要少，图1为掺1%、3%、5%氧化铁蓝UHPC颜色深度对比图，图2为掺3%氧化铁红UHPC试件颜色深度图。

2.2 不同颜料对UHPC凝结时间的影响

由于颜料的化学组分不具有火山灰活性，在超高性能混凝土中加入颜料在一定程度上会延长胶凝材料的水化反应时间，从而造成掺颜料超高性能混凝土的初凝时间和终凝时间延长。由表5可知，随着颜料掺量的增加，掺4种颜料的超高性能混凝土的初凝时间和终凝时间均逐渐延长，但是延长的时间间隔与颜料掺量的增加并不成比例关系。由图3可知，相比不掺颜料的超高性能混凝土，掺3%蓝色和绿色颜料的超高性能混凝土初凝时间和终凝时间最长，掺3%红色和黄色颜料的超高性能混凝土初凝时间和终凝时间增幅最小。

2.3 不同颜料对UHPC坍落扩展度的影响

由于氧化铁红、氧化铁黄、氧化铁蓝、氧化铁绿4种颜料的密度依次递减，其比表面积依次增大，4种颜料的吸水性逐渐增强。由图4可知，随着颜料掺量的增加，掺颜料的超高性能坍落扩展度逐渐减小，颜料掺量相同时，蓝色和绿色的颜料超高性能混凝土坍落扩展度减少最小，工作性能最佳，红色和黄色颜料超高性能混凝土工作性能最差。

2.4 不同颜料对UHPC颜色强压、抗折强度的影响

由表5、图5可知，随着颜料掺量的增加，掺颜料超高性能混凝土抗压、抗折强度均逐渐下降，其中，掺蓝色颜料的超高性能混凝土抗压强度降低幅度最高，掺黄色颜料的超高性能混凝土抗压强度降低幅度最低，红色和绿色颜料次之。掺1%蓝色颜料抗压强度和抗折强度分别为不掺的1/2和1/3，掺5%蓝色颜料抗压强度和抗折强度为不掺的1/5左右，这是由于蓝色颜料成分中的表面活性剂在超高性能混凝土拌和过程中将空气引入混凝土内部使混凝土密实度下降，从而导致抗压强度和抗折强度下降。在黄色颜料掺量为1%、3%时，超高性能混凝土的抗压强度降低最少，但当在黄色颜料掺量为5%时，超高性能混凝土的抗压强度、抗折强度降为不掺颜料的1/2，主要是因为黄色颜料吸水多，进一步降低了超高性能混凝土的有效水灰比，从而提高混凝土的密实度，所以其强度降低的幅度较小，同时，由于颜料本身没有火山灰活性，相比不掺颜料的超高性能混凝土，其强度还是会降低。

3  结论

①内掺颜料超高性能混凝土试件达到同样颜色深度效果，蓝色、绿色颜料比红色、黄色颜料掺量可以更少。

②随着颜料掺量的增加，掺红、黄、绿、蓝颜料的超高性能混凝土初凝时间和终凝时间均逐渐延长，掺蓝色和绿色颜料的超高性能混凝土初凝时间和终凝时间最长，掺红色和黄色颜料的初凝时间和终凝时间增幅最小。

③随着颜料掺量的增加，掺颜料的超高性能坍落度逐渐减小，颜料掺量相同时，掺蓝色和绿色颜料超高性能混凝土坍落度减少最小，工作性能最佳。

④随着颜料掺量的增加，掺颜料超高性能混凝土抗压、抗折强度均逐渐下降，其中，掺蓝色颜料的超高性能混凝土抗压强度降低幅度最高，掺黄色颜料的超高性能混凝土抗压强度降低幅度最低，红色和绿色颜料次之。

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