基于正交试验的无机复合型彩色混凝土配合比优化设计及其工作性能研究

张新胜，宋姗，吴跃辉，贾亚琼

（1. 郑州大学管理工程学院，河南 郑州 450450；2. 河南中建西部建设有限公司，河南 郑州 451450）

0 引言

混凝土是当今用量较大、使用范围较广的建筑材料，被广泛应用在隧道、矿业、地下、道路、桥梁、岩石边坡护坡、建筑结构加固等工程中。随着现代化经济、技术的快速发展，以及人民生活水平的日益提高，传统混凝土已难以满足现代建设的需求[1]。目前，对混凝土的要求既要具备优异的物理性能和力学性能，同时还需兼顾美化等，因此，彩色混凝土应运而生。

彩色混凝土具有许多优点，包括防水、防腐、防滑，它可以使混凝土的外观呈现各种色彩，变得光彩夺目，因此日益受人重视[2]。除此之外，当今能源和环境问题日益严峻，国家大力倡导节约资源和节能减排，而绿色建筑与建筑工业化是当前国际建筑产业发展的主要趋势。彩色混凝土因其自身具有装饰性而避免二次装修，节约了大量的能源，并且具有使用期限长、施工简单等一系列的优点，现已被广泛地用于建筑领域中，比如：房屋建筑、园林、景观、市政、公路等，具有很大的应用前景，是集装饰、节能、环保于一体的新型功能材料[3]。

1 试验用原材料

1.1 水泥

在混凝土的实际生产中，水泥品种的选择应从多角度、多方面来进行考虑，其中包括浇筑部位、浇筑方式、彩色混凝土的颜色等。依据实际情况，本试验所用水泥为河南新乡孟电水泥，规格型号为 P·O42.5，具体的性能指标如表 1 所示。

表 1 水泥性能指标

1.2 矿物掺合料

矿粉的加入可改善混凝土的工作性能，依据实际情况，该试验所选用的矿粉为河南茂轩建材有限公司所生产的 S95 级矿粉，该试验用矿粉具体的性能指标如表 2所示。

表 2 矿粉性能指标

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产成本的双重效果。该试验所用的粉煤灰为Ⅱ级粉煤灰（由河南诚为金商贸有限公司生产），该试验用粉煤灰具体的性能指标如表 3 所示。

表 3 粉煤灰性能指标

1.3 减水剂

该试验所用的减水剂为河南科之杰新材料有限公司生产的高效脂肪族减水剂，该脂肪族减水剂的产品型号为 Point-400，其具体的性能指标如表 4 所示。

表 4 减水剂性能指标

1.4 粗、细骨料

实际混凝土生产中，石子等骨料颗粒级配不连续的坚决不使用。本试验中所用的砂为混合中砂，是由禹州人工砂和黄河天然砂所组成的，选用的石子的规格为5～20mm 碎石，产地为禹州，该试验所用粗、细骨料具体的性能指标如表 5 和表 6 所示。

表 5 细骨料的性能指标

表 6 粗骨料的性能指标

1.5 无机复合型颜料

颜料主要有有机颜料和无机颜料两大类，当颜料具有好的耐碱性和着色度，且不影响混凝土的内部结构时，才被用来制备彩色混凝土。因此，无机颜料可作为混凝土的着色剂。无机颜料有天然颜料和合成颜料之分，天然颜料因具有含杂质多、着色能力差等缺点，导致其采用率低；而合成颜料的化学组成等因素均可被人为控制，因此，常常被用来制备彩色混凝土。

氧化铁是最稳定的无机合成颜料，其生产量和使用量均比较大，且氧化铁具有较好的着色能力、分散性，杂质含量少，以及与胶凝材料的相容性好等优点，致使其常常被用来制备彩色混凝土，且是制备黄色、棕色、红色、黑色混凝土的最广泛使用的颜料。因此，本试验所用的颜料为氧化铁，因其易溶于水，则在其配制过程中要注意保持氧化铁呈干燥状态，另外，为保证彩色混凝土的着色质量，同一工程中宜选用同一厂家和同一批次的氧化铁，同时要严查其质量[4-5]。

2 多因素水平下彩色混凝土配合比优化设计

2.1 彩色混凝土配合比设计原则

设计彩色混凝土的配合比时，要进行全方位、多方面的考虑，严格按照国家标准、制备特殊混凝土的相关行业标准，以及本地区气候特点、原材料的质量状况和具体的实际情况来设计，并且以混凝土的强度、坍落度、色度等指标作为控制指标，来进行彩色混凝土的试配验证工作。本试验通过调整颜料的掺量、外加剂的掺量、水胶比以及砂率等各因素，最终试配出了既具有良好的和易性、色度，又满足混凝土的强度、耐久性的相关使用要求，同时还兼顾到经济合理的配合比[6-9]。具体的配合比设计流程如图 1 所示。

2.2 彩色混凝土配合比正交试验及优化配比确定

为了确定彩色混凝土最佳的配合比，以基准配合比：水 175kg、水泥 210kg、机制砂 606kg、细砂270kg、粗骨料 950kg、粉煤灰 100kg、矿粉 80kg、脂肪族 9kg 为基础，运用正交试验设计的方法，采用四因素三水平，分别进行九组试验，具体因素水平设置见表7、试验方案见表 8，具体试验配合比及强度试验结果见表 9。

图 1 彩色混凝土配合比设计流程

表 7 正交因素水平设置表

表 8 正交试验方案

运用正交试验设计软件中直观分析的方法对 7 天、28 天强度进行分析，由正交试验各因素的均值结果和极差可知，各因素对彩色混凝土强度影响最大的是外加剂的掺量，其中各因素影响程度的大小为：外加剂掺量＞水胶比＞颜料掺量＞砂率。以强度值为控制指标，由7 天、28 天强度在各因素水平下的均值图（图 2 和图3）可知，各因素最佳的水平为：外加剂掺量为胶凝材料质量的 2.3%，水胶比 0.46，砂率 48%，颜料掺量为水泥重量的 6%。

图 2 彩色混凝土 7d 强度

图 3 彩色混凝土 28d 强度

表 9 正交试验方案配合比及强度

3 无机复合型彩色混凝土的制备及其工作性能研究

3.1 彩色混凝土的制备方法

制备彩色混凝土的方法不一，其中，整体着色法（切记该方法在施工时颜料的加入要适量，搅拌要均匀）、干撒彩色硬化剂表层着色法（该方法适用范围是预制混凝土板，或者现浇混凝土表面）、二次成型法（基层混凝土的浇筑可用一般的浇筑方式，且经济性好）、化学反应染色法（其原理是酸碱中和化学反应）、粘结覆盖法（禁止出现混凝土的表面情况与覆盖系统不匹配情况的发生）为五种常用的彩色混凝土的制备方法。本试验中所选的制备方法为整体着色法[10-11]。

制备彩色混凝土时依次将水泥、矿粉、粉煤灰、颜料、粗骨料、细骨料、高效脂肪族减水剂、水加入到混凝土搅拌机中进行搅拌混合，该彩色混凝土的制备过程、养护过程是严格按照国家标准、行业标准等相关标准的规定来进行操作的，试验时使用的试模规格为100mm×100mm×100mm，试件成型后按照相关标准进行标准养护[12]。

3.2 彩色混凝土工作性能对比分析

以 C30 强度等级的混凝土为例，采用基准配合比，以及上述得到的彩色混凝土各因素的最佳水平，即外加剂掺量为胶凝材料质量的 2.3%，水胶比 0.46，砂率48% 来作为基础，以氧化铁占水泥重量的 0%、2%、4%、6%、8% 来制备彩色混凝土，试验方案具体的各试验配合比如表 10 所示。

软科学为自然科学与社会科学相互融合后的交叉科学，其研究对象是社会、经济等包含人、事、物的开放复杂系统，其研究方法是定性与定量的综合集成。软技术是软科学在社会层面的表现形式之一，具有社会科学的对象性与自然科学的方法性相结合的二象性特征。在职务犯罪调查中，软技术应用表现得并不明显，而是附随于调查讯问之中。具体而言，有心理咨询技术、营销技术与谈判技术三类软技术。

表 10 C30 混凝土试验方案配合比 kg/m3

（1）颜料掺量对彩色混凝土色度的影响

五组凝结硬化后的彩色混凝土的颜色如表 11 所示，通过观察可知，彩色混凝土的颜色随着氧化铁掺量的增加呈现出不断加深的趋势，但当氧化铁在混凝土中的掺量达到 6% 时，彩色混凝土的颜色深度基本达到顶峰，继续增加混凝土中氧化铁的掺量，彩色混凝土颜色基本不变。充分说了明氧化铁颜料在混凝土中的掺量已达到饱和点。因此，在实际工程中，应根据实际使用情况，当工程实际需要的颜色较浅时，氧化铁的掺量取靠近下限值；当实际工程需要鲜明的色彩时，取中值；当工程实际需要的颜色较深时，则取上限值，但不宜超过临界值，否则，既不可以改变混凝土的颜色，又可能影响混凝土的内部结构，也不利于公司的降本增效。

表 11 凝结硬化后彩色混凝土的颜色

（2）颜料掺量对彩色混凝土坍落度的影响

本试验是根据国家标准的有关规定来对坍落度进行测量的。试验结果见表 12 和图 4。当氧化铁加入到混凝土中后，对制备出的彩色混凝土的出机坍落度影响甚微，但测量混凝土半个小时的坍落度损失，以及两个半小时的坍落度损失后，可知氧化铁加入到混凝土中以后，彩色混凝土的坍落度损失有所增大，其原因可能是氧化铁与减水剂中的酸性物质发生了反应，从而减弱了脂肪族高效减水剂的减水效果，进而导致了彩色混凝土的坍落度损失加大。此外，从图中也可以发现彩色混凝土的坍落度损失随着氧化铁掺量的增加而逐渐增大，说明在合理的范围内，氧化铁含量越多，其与减水剂中的酸性物质发生的中和反应也就越多，则脂肪族高效减水剂的减水效果也就随着氧化铁含量的增多而逐渐减弱。

表 12 颜料掺量对混凝土坍落度的影响 mm

图 4 彩色混凝土坍落度变化

（3）颜料掺量对彩色混凝土凝结时间的影响

彩色混凝土的初凝时间和终凝时间是严格按照国家标准的规定来进行测量的。测量结果见表 13 和图 5，通过分析可知，普通混凝土的初凝时间和终凝时间均比彩色混凝土的初凝时间、终凝时间要高。另外，随着氧化铁掺量的增加，彩色混凝土的初凝时间和终凝时间下降的幅度均有所加大，分析其原因可能与颜料掺入量对混凝土坍落度的影响是一致的，即氧化铁与脂肪族高效减水剂中的酸性物质反应所导致的。

表 13 颜料掺量对混凝土凝结时间的影响 h

图 5 各试验初凝与终凝时间对比图

该试验混凝土试件的强度严格按照国家标准的规范规定来进行测试，具体测试结果见表 14。通过分析可知，彩色混凝土的强度要高于普通混凝土的强度。因为氧化铁不参与混凝土中胶凝材料的水化反应，也不溶于水；但是由于氧化铁颗粒的粒径要小于水泥颗粒的粒径，因此可以填充水泥颗粒之间的空隙，增加了混凝土结构的致密程度，从而提高了彩色混凝土的强度，使其强度要高于普通混凝土的强度。

表 14 颜料对混凝土抗压强度的影响

（5）颜料对彩色混凝土抗渗性的影响

通过抗渗性试验可知，与普通混凝土相比，彩色混凝土的抗渗性要更好，这可能是因为氧化铁颜料的颗粒直径较小，可填充混凝土结构的内部空隙，增加了彩色混凝土内部结构的致密性，因此抗渗性能更优。

4 结论

（1）氧化铁在混凝土中的饱和点掺量为 6%，实际应用时可据此，以及所需颜色来确定氧化铁掺量。

（2）彩色混凝土的坍落度经时损失较普通混凝土高 30% 左右，但两者的初始坍落度是无差别的。

（3）彩色混凝土的初凝时间和终凝时间均较普通混凝土的初、终凝时间缩短 1～2h。

（4）氧化铁颗粒的填充效应使得彩色混凝土的强度较普通混凝土约高 2MPa。

（5）掺氧化铁的彩色混凝土在实际工程应用中，工作性能良好，强度符合要求，且具有更为优良的抗渗性能。