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彩色清水自密實混凝土的性能特點及其運用

時間:2020-11-18 來源:北京建筑大學 本文字數:7568字
作者:郭文星 單位:北京建筑大學

  摘 要

  
  隨著綠色建筑材料的發展,傳統混凝土由于耐久性差、色調單一,已不能滿足建筑業的需求,而且當下經常出現社區、學校等建筑的外墻磚脫落傷人事件。將顏料摻入清水自密實混凝土制成彩色清水自密實混凝土,并作為外墻結構使用,不僅可以避免安全問題的出現,還可以為混凝土的外觀添色不少。但是,摻入顏料不僅會增加混凝土造價,還可能影響混凝土的性能。所以,探究顏料對混凝土性能的影響、比較評價彩色清水自密實混凝土與其他裝飾方法的工程應用效果,不僅具有非常重要的意義,還能為今后的市場推廣夯實基礎。



彩色清水自密實混凝土的性能特點及其運用
 

  
  本文擬配制三種強度的混凝土和砂漿。首先通過配制彩色砂漿確定顏料的適宜摻量;其次,基于得到的適宜摻量,通過進行坍落擴展度、擴展時間(T500)、立方抗壓強度試驗,研究不同強度等級下,顏料種類及摻量對混凝土性能的影響,并改善其中性能較差的混凝土;然后,通過模擬北京夏季光照強度和溫度,研究不同強度等級下,各彩色砂漿的耐光性能;最后,通過工程案例模擬比較使用彩色清水自密實混凝土、涂料、墻磚作為外墻裝飾的施工工期、工程造價的差異。
  
  本文研究結果如下:
  
 。1)通過色差儀記錄的數據顯示,隨著顏料摻量的增加,四種彩色清水自密實混凝土均在5%摻量時基本達到飽和,再摻入顏料則不能產生明顯的顏色變化。相比之下,紅、黃顏料的染色力度明顯,1%的摻量即可產生明顯的顏色變化,但綠、藍顏料全過程的顏色變化均較小,而且會出現顏料浮漿現象,不能準確得知顏料實際摻量。
  
 。2)進行了混凝土工作性能和力學性能試驗,得到結果為:小摻量的復合顏料(藍色、綠色)對混凝土工作性能和力學性能影響不大,但大摻量則可能導致混凝土離析并明顯降低混凝土力學性能;無機顏料(紅色、黃色)對混凝土力學性能影響不大,但增加顏料摻量(超過4%)會明顯降低混凝土工作性能;改變混凝土強度后發現,隨著強度的提高,四組混凝土的工作性能均有一定程度的改善,復合顏料對混凝土力學性能的影響降低。
  
 。3)當改進混凝土原材料與配合比后,彩色清水自密實混凝土的工作性能得到明顯改善,無機顏料摻量達到8%時仍可得到滿意工作性能(黃色混凝土坍落擴展度和擴展時間可達到505mm和5.5s);通過力學試驗可發現,氧化鐵紅對混凝土的前期強度無明顯影響,但會造成混凝土的后期強度的降低;氧化鐵黃可提高水泥水化速率和效率,對混凝土前期的力學性能有提高作用,而較大的吸水性會明顯降低混凝土水膠比,彌補了混凝土后期強度的損失。
  
 。4)通過紫外線抗老化試驗研究了砂漿的耐光性能。試驗發現無機顏料對紫外線有較好的耐性,復合顏料隨著光照時長增加而出現明顯褪色現象(色差值超過3);對比兩種無機顏料,由于氧化鐵黃耐熱性較差,黃色砂漿試件逐漸變紅;強度較高的試件密實度較好,可一定程度上減少受陽光照射的面積,提高試件的耐光性能。
  
 。5)通過工程案例模擬比較了三種裝飾方法在使用工人數、工期、造價方面的差異。得到結果為使用彩色清水自密實混凝土可顯著減少人工使用量,明顯縮短工期以及降低工程造價。
  
  關鍵詞:   彩色清水自密實混凝土;工作性能;力學性能;顏料;耐光性能。
  

  Abstract

  
  With the development of green building materials, traditional concrete can no longer meet the needs of the construction industry because of its poor durability and single tone, and there are often incidents of external wall tiles falling off in communities, schools and other buildings. Colored architectural self-compacting concrete concrete is made by mixing pigment into architectural self-compacting concrete and used as external wall structure, which can not only avoid safety problems, but also add a lot of color to the appearance of concrete. However, the addition of pigments will not only increase the cost of concrete, but also affect the performance of concrete. Therefore, exploring the influence of pigments on the performance of concrete and comparing and evaluating the engineering application effect of colored architectural self-compacting concrete and other decoration methods is not only of great significance, but also can lay a solid foundation for market promotion in the future.
  
  This paper intends to prepare concrete and mortar of three kinds of strength. Firstly, the suitable content of pigment is determined by preparing color mortar; secondly, based on the appropriate content, the experiments of slump extension, slump-flow time (T500) and cubic compressive strength are carried out to study the influence of the type and content of pigments on the performance of concrete under different strength grades, and improve the poor performance of concrete. Then, by simulating the light intensity and temperature in summer in Beijing, the light resistance of each color mortar under different intensity grades is studied.
  
  Finally, through an engineering case simulation, the differences of construction period and project cost of using colored architectural self-compacting concrete, paint and wall brick as exterior wall decoration are compared.
  
  The research results of this paper are as follows:
  
 。1)The data recorded by the chromatic aberration meter shows that with the increase of the pigment content, the four kinds of colored architectural self-compacting concrete all basically reach saturation at 5% of the pigment content, and no significant color change can be produced when the pigment is added.In contrast, the dyeing strength of red and yellow pigments is obvious, and 1% of the content can produce obvious color change, but the color change in the whole process of green and blue pigments is small, and there will be pigment floating phenomenon, so it is impossible to accurately know the actual content of pigment.
  
 。2)The tests of working and mechanical properties of concrete were carried out. The results show that the small amount of composite pigments (blue and green) has little effect on the working and mechanical properties of concrete, but a large amount of composite pigments (blue and green) may lead to the segregation of concrete and obviously reduce the mechanical properties of concrete. Inorganic pigments (red and yellow) have little effect on the mechanical properties of concrete, But increasing the amount of pigment (more than 4%) will obviously reduce the working performance of concrete. After changing the strength of concrete, it is found that with the increase of strength, the working properties of the four groups of concrete are improved to a certain extent, and the effect of composite pigments on the mechanical properties of concrete is reduced.
  
 。3)When the raw material and mix ratio of concrete are improved, the working performance of colored architectural self-compacting concrete is obviously improved, andsatisfactory working performance can still be obtained when the content of inorganic pigment reaches 8% (The slump extension and extension time of yellow concrete can reach 505mm and 5.5s). Iron oxide red has no obvious effect on the early strength of concrete, but it will reduce the strength of concrete in the later stage. Iron oxide yellow can improve the hydration rate and efficiency of cement and improve the mechanical properties of concrete in the early stage, while the larger water absorption will obviously reduce the water-binder ratio of concrete and make up for the loss of later strength of concrete.
  
 。4)The light resistance of mortar was studied by ultraviolet aging test.It is found that inorganic pigments have better tolerance to ultraviolet rays, but composite pigments fade obviously with the increase of illumination duration (The value of color difference exceeds 3).Compared with two kinds of inorganic pigments, the yellow mortar specimens gradually turn red due to the poor heat resistance of iron oxide yellow.Higher strength specimens have better compactness, which can reduce the area exposed to sunlight to some extent and improve the light resistance of the specimens.
  
 。5)Through the simulation of engineering cases, the differences of the three decoration methods in the number of workers, construction period and cost are compared. Theresults show that the use of colored architectural self-compacting concrete can significantly reduce the amount of labor, shorten the construction period and reduce the project cost. 

       Key words:    Colored architectural self-compacting concrete; Working performance;Mechanical properties; Pigment; Light resistance.
  

  第 1 章   緒論

  
  1.1、 研究背景。

  
  隨著城市現代化發展的日益推進,各式各樣的建筑也出現在城市中,但現代化進程帶來的問題卻也日漸凸顯。近年來,全國各地不斷有高空墜物傷人的新聞出現在報紙和網絡中,其罪魁禍首便是墻面貼磚;另一方面,由于涂料耐久性較差,用其代替墻磚做裝飾也不是長久之計,所以如何提高建筑外墻的耐久性能和安全性能便是亟待解決的問題;并且當前建筑材料也有了長足的發展,可為建筑裝飾提供新的思路。
  
  鑒于此,本章結合其他方面,對當前外墻建筑材料的發展及建筑裝飾方法存在的問題進行了詳細介紹。
  
  1.1.1、 現代混凝土簡介及發展與應用現狀。
  
  混凝土作為現代建筑工程中用途最廣、用量最大的建筑材料之一、目前全世界每年生產量超過100億噸[1],2007年中國的產量就已超過25億m3混凝土,位居世界第一[2]。
  
  自1970年,不少發達國家逐漸發現許多建筑物出現過早老化的現象,以及日本由于社會嚴重老齡化導致勞動力不足,人們發現傳統混凝土已不能滿足當前建筑的特殊需求,對混凝土的性能要求也不僅考慮力學性能,因此提出了“高性能混凝土”
  
  的概念,考慮提高混凝土的耐久、工作等性能;另一點,隨著人們生活水平的提高、審美的提升以及對環保的重視,人們發現了裝飾混凝土的價值,并在美國、加拿大、澳大利亞、歐洲等世界主要發達國家和地區迅速流行起來。
  
  1.1.1.1、 裝飾混凝土。
  
  從徐永模[3]的《國內外裝飾混凝土的發展簡介》中可以了解到,隨著可持續發展、綠色建筑的理念深入人心,國際上采用裝飾混凝土作為結構與裝飾一體化材料的實踐越來越多,其中具有代表性的就是清水混凝土和彩色混凝土,下面將對兩種混凝土的簡介和國內外應用情況進行介紹。
  
 。1)清水混凝土。
  
  根據《清水混凝土應用技術規程》中的定義:清水混凝土為直接利用混凝土成型后的自然質感作為飾面效果的混凝土。清水混凝土是依靠材料本身的質感體現了與自然相融、古樸莊重的藝術風格。如圖1-1、圖1-2所示,清水混凝土在大學圖書館和教堂等公共建筑上的應用不僅兼具節能、節材、環保等顯著特點,還可以充實精神內涵,具有廣闊的應用價值。
  

  

  
  國外的清水混凝土于上世紀20年代產生,隨著建筑師對混凝土材料本身質感的關注,世界上越來越多的建筑師采用清水混凝土工藝,如路易·康、貝聿銘和安藤忠雄等都大量使用清水混凝土進行設計[4]。此外,外國建筑師不僅在建筑造型上別出心裁,更是嘗試以白色水泥為原材料設計建筑,如圖1-3、圖1-4所示,阿爾瓦羅西扎就是以此設計了Ibere Camargo先生基金會博物館和淮安實聯水上大樓等清水混凝土建筑。
  

 

  
  相比之下,國內對清水混凝土的研究應用起步較晚,但隨著我國混凝土行業在節能環保和提高工程質量方面有越來越多的訴求,人們聚焦于對清水混凝土的研究與應用。“智研咨詢”發布的《2016-2022年中國清水混凝土市場研究及投資前景預測報告》[5]中顯示:中國清水混凝土建筑起步較晚,很多國外知名的建筑都采用了清水混凝土施工技術。中國清水混凝土的發展大致經歷原始清水混凝土、清水混凝土、鏡面清水混凝土和彩色清水混凝土這四個階段。“十二五”期間,中國清水混凝土產量增長迅速。2015年,中國清水混凝土產量達到760萬m?,市場規模達到52.4億元,但實際上由表1-1以及圖1-5、圖1-6可發現,現階段清水混凝土市場規模有上升,可實際用量占比非常之少。
  

  

  

  【由于本篇文章為碩士論文,如需全文請點擊底部下載全文鏈接】

  
  1.1.2、外墻構造及裝飾的主要方法和存在問題
  1.2、國內外研究現狀
  1.2.1 、國外研究現狀
  1.2.2、 國內研究現狀
  1.2.3 、本節小結.
  1.3、彩色清水自密實混凝土的提出,
  1.3.1、彩色清水自密實混凝土.
  1.3.2、當前存在問題及難點
  1.4、研究意義
  1.5、本章小結
  
  第2章  研究內容與試驗準備.
  
  2.1、研究內容與技術路線
  2.1.1、主要研究內容.
  2.1.2、 試驗方案匯總
  2.1.3、 技術路線
  2.2、試驗準備
  2.2.1、試驗原材料及試驗設備
  2.2.2、配合比設計.
  2.2.3、確定顏料摻量范圍.
  2.2.4、試件制備及養護
  2.3、本章小結.
  
  第3章  彩色清水自密實混凝土工作性能及力學性能試驗研究.
  
  3.1、 引言.
  3.2、彩色清水自密實混凝士工作性能試驗研究.
  3.2.1、研究內容
  3.2.2、試驗結果.
  3.2.3、試驗分析
  3.3、彩色清水自密實混凝土力學性能試驗研究
  3.3.1、研究內容.
  3.3.2、試驗結果.
  3.3.3、試驗分析.
  3.4、彩色清水自密實混凝土性能的改善試驗.
  3.4.1、研究內容
  3.4.2、試驗結果.
  3.4.3、試驗分析.
  3.5、本章小結
  
  第4章  彩色砂漿耐光性能試驗研究
  
  4.1、引言.
  4.2、研究內容.
  4.2.1、試驗簡述.
  4.2.2、試驗方案
  4.3、試驗結果
  4.3.1、比較摻入不同性質顏料的砂漿的耐光性能
  4.3.2、比較摻入無機顏料的砂漿的耐光性能
  4.3.3、砂漿強度等級對試件耐光性能的影響規律.
  4.4、試驗分析.
  4.4.1、不同性質的顏料的耐光性能差異分析.
  4.4.2、無機顏料的耐光性能差異分析.
  4.4.3、砂漿強度等級對試件耐光性能的影響
  4.5、本章小結
  
  第5章  工程案例分析.
  
  5.1、 工程概況
  5.2、各裝飾方法施工步驟.
  5.2.1、相同部分.
  5.2.2、差異部分.
  5.3、各裝飾方法的工程周期比較
  5.3.1、使用彩色清水自密實混凝土裝飾的工程周期.
  5.3.2、使用外墻涂料裝飾的工程周期
  5.3.3、使用外墻貼磚裝飾的工程周期
  5.3.4、工程工期比較.
  5.4、各裝飾方法的工程經濟性比較.
  5.4.1、彩色清水自密實混凝土施工造價預算
  5.4.2、涂料施工造價預算
  5.4.3、貼磚施工造價預算
  5.4.4、工程造價比較.
  5.5、本章小結

結  論

  本文首先使用紅、黃、綠、藍四種顏料制備彩色砂漿,以膠凝材料質量的1%為單位依次增加顏料摻量,觀察不同顏料和摻量對混凝土顏色的影響,并通過色差儀測定砂漿顏色變化趨勢,直至顏色變化趨于穩定得到顏料的最佳摻量為5%,而后分別以2%、4%、6%的摻量摻入自密實混凝土制得彩色清水自密實混凝土。通過坍落擴展度與擴展時間以及立方抗壓強度試驗,研究不同顏料種類及摻量對彩色清水自密實混凝土工作性能和力學性能的影響,并嘗試改善部分混凝土的性能;以6%最佳摻量配置彩色砂漿放入紫外線老化箱進行抗老化試驗,研究彩色砂漿耐光性能;通過對比使用外墻磚、涂料、彩色清水自密實混凝土的工程項目,比較三種外墻做法的經濟性及施工周期,為將彩色清水自密實混凝土推向市場夯實基礎。

 。1)通過色差儀記錄的數據顯示,隨著顏料摻量的增加,四種彩色清水自密實混凝土均在5%摻量時基本達到飽和,再摻入顏料則不能產生明顯的顏色變化。相比之下,紅、黃顏料的染色力度明顯,1%的摻量即可產生明顯的顏色變化,但綠、藍顏料全過程的顏色變化均較小,而且會出現顏料浮漿現象,不能準確得知顏料實際摻量。

 。2)通過坍落擴展度和擴展時間的試驗研究顏料對彩色清水自密實混凝土的工作性能的影響。試驗發現兩類顏料在坍落擴展度和擴展時間上的表現均不相同,其中無機顏料由于粒徑較小,具有較強吸水性,隨著顏料摻量增加會導致混凝土工作性能變差,氧化鐵黃對混凝土的影響更加明顯;復合顏料由于表面包覆有機顏料酞菁藍,具有一定的疏水性,對混凝土坍落擴展度的影響較小,但較小的粒徑仍會對擴展時間造成影響,提高混凝土的粘聚性;隨著強度的提高,混凝土的用水量逐漸減少,顏料對混凝土中的自由水的影響也逐漸降低,所以四種彩色清水自密實混凝土的工作性能表現均有一定程度改善。

 。3)通過立方抗壓強度試驗研究顏料對彩色清水自密實混凝土的力學性能的影響。試驗發現兩類顏料對混凝土的立方抗壓強度影響不相同,無機顏料具有一定吸水性,降低混凝土的實際水膠比,可使混凝土的強度有一定提高,氧化鐵紅對混凝土強度提高效果較小,而氧化鐵黃的提高效果較明顯;復合顏料表面有活性劑成分,導致混凝土內部出現較多微氣泡,且復合顏料的疏水性阻礙了水泥的水化,導致混凝土強度明顯降低;當改變混凝土強度后,由于高強度的混凝土用水量較少,復合顏料對自由水的影響程度逐漸降低,使復合顏料混凝土的立方抗壓強度趨同無機顏料混凝土。

 。4)當改進混凝土原材料與配合比后,彩色清水自密實混凝土的工作性能得到明顯改善,無機顏料摻量達到8%時仍可得到滿意工作性能;通過力學試驗可發現,由于氧化鐵紅僅作為填料摻入混凝土,在水泥水化不完全時,對混凝土的前期強度無明顯影響,卻由于無法為混凝土提供強度降低了混凝土的后期強度;氧化鐵黃不僅作為填料,還為水泥水化提供結晶場所,會提高水泥水化速率和效率,所以氧化鐵黃對混凝土前期的力學性能有提高作用,而較大的吸水性會明顯降低混凝土水膠比,彌補了混凝土后期強度的損失。

 。5)通過紫外線抗老化試驗研究顏料對彩色清水自密實混凝土的耐光性能的影響。試驗發現無機顏料對紫外線有較好的耐性,有機顏料隨著光照時長增加而出現明顯褪色現象;對比兩種無機顏料,由于氧化鐵黃耐熱性較差,可發現隨著光照時長增加,黃色砂漿試件逐漸變紅;對比不同強度下的彩色砂漿耐光性能可發現,由于強度較高的試件密實度較好,可一定程度上減少受陽光照射的面積,因此砂漿試件的耐光性能也有一定提高。

 。6)通過工程案例模擬比較了三種裝飾方法在使用工人數、工期、造價方面的差異。得到結果為使用彩色清水自密實混凝土可顯著減少人工使用量,明顯縮短工期以及降低工程造價。

  參考文獻.

  原文出處:郭文星. 彩色清水自密實混凝土性能與工程應用研究[D].北京建筑大學,2020.
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