颜料在混凝土和水泥制品中的应用
混凝土与水泥制品行业划分为预拌和预制两大产品板块：预拌板块除了预拌混凝土（彩色）和预拌砂浆（彩色）还包括打底料、耐磨地坪材料、嵌缝剂、强固剂等水泥基材料；预制板块又叫水泥混凝土制品，除了桩、管、电杆、板等预制混凝土构件，还包括彩瓦、彩砖等产品。而彩色混凝土、彩色砂浆以及彩瓦、彩砖产品的色彩体现都是靠颜料来实现的，这类颜料又是以氧化铁颜料为主的。目前混凝土与水泥制品行业已成为氧化铁颜料的最大应用领域，在欧洲的应用权重已达52%。中国的应用权重尽管为28%但呈逐年上升趋势。
混凝土为主的建筑虽然具有整体性、可模性、耐久性好等诸多优点，但外观单调、灰暗，给观者以沉闷与压抑的感觉。为了增强混凝土的视觉美感，建筑设计师采用色彩、色调、质感等方法处理使其呈现装饰效果，而使用的彩色混凝土又被称为装饰混凝土，用彩色砂浆制造的彩瓦、彩砖为彩色水泥制品。
装饰混凝土是盛行美国、加拿大、欧洲并在世界各国得以推广的绿色环保地面材料。在美国的混凝土搅拌站都会有一套配色系统，可以根据客户需要供应各种彩色混凝土。
图5-6 氧化铁颜料在装饰混凝土的应用
装饰混凝土能在原本普通的新旧混凝土表层，通过色彩、色调、质感、款式、纹理、机理和不规则线条的创意设计，图案与颜色的有机组合，创造出各种天然大理石、花岗岩、砖、瓦、木地板等天然石材铺设效果，具有图形美观自然、色彩真实持久、质地坚固耐用等特点。装饰混凝土采用的是表面处理技术，它在混凝土基层面上进行表面着色强化处理，以达到装饰的效果。同时，对着色强化处理过的地面进行渗透保护处理，以达到洁净地面与保养地面的要求。因此，装饰混凝土的构造模式为混凝土基层、彩色面层、保护层三个基本层面构造。装饰混凝土可广泛应用于住宅、社区、商业、市政及文娱康乐等各种场合所需的人行道、公园、广场、游乐场、小区道路、停车场、庭院、地铁站台、游泳池等处的景观创造，具有极高的安全性和耐用性。同时，它施工方便、无需压实机械，彩色也较为鲜艳，并可形成各种图案。更重要的是，它不受地形限制，可任意制作。装饰混凝土可以通过红、黄、黑等不同的色彩与特定的图案相结合可以达到如下不同的功能需要：
1. 警戒与引导交通的作用：如在交叉口、公共汽车停车站、上下坡危险地段、人行道及需要引导车辆分道行驶地段。
2. 表面路面功能的变化：如停车场、自行车道、公共汽车专用道等。
3. 改善照明效果：采用浅色可以改善照明效果，如隧道、高架桥等对于行驶安全有更高要求的地段。
4. 美化环境：合理的色彩运用，有助于周围景观的协调、和谐和美观，如人行道、广场、公园、娱乐、场所等。
这些作用在迪斯尼乐园建设中得到充分体现。
彩色水泥制品主要有彩色水泥瓦和彩色地砖二种，我国生产“秦砖汉瓦”虽然已有3000年历史，但规模化生产彩色水泥瓦和彩色混凝土地面砖是从20世纪80年代开始，1987年，湖北荆州市建材总厂从美国哥伦比亚和瑞典ABECE联合公司的SKANDIA60全自动生产线后，原国家住建部曾明文提出：建筑房屋因多采用坡屋面，以改善建筑物防水、隔热功能和美化环境，彩色水泥瓦得到高速发展，中国企业先后从意大利、英国、澳大利亚、美国等引进了几十条生产线，并制造了几百条水泥瓦生产线。同时机制彩色混凝土地面砖生产线的引进也一样推动着中国彩色地砖大发展。
彩色水泥瓦又叫彩色混凝土瓦，水泥彩瓦等名称，是一种新型的屋面装饰建材，是将水泥、沙子等合理配比后，通过模具，经高压压制而成，具有以下的特点：
1、属于混凝土构件，强度高、密实度好、吸水率低、寿命长。由于瓦的单片面积大，单位面积的盖瓦量要比黏土瓦和琉璃瓦少得多。
2、常温养护，无须高温焙烧，故变形极小，尺寸精准，盖在屋面上平整美观。
3、瓦型多种多样，颜色丰富多彩，不仅可以做成表面单色、表面多种色彩叠加，也可以做成通体单色和通体混合迷彩，给了建筑设计师多种的选择。
4、彩瓦表面喷一层密封剂，可防止混凝土表面产生二次泛碱。密封剂一般具有防霉和自洁作用。采用氧化铁颜料与水泥混合配成的整体着色的彩瓦其色彩可保持几十年。
5、彩色混凝土瓦的生产效率较高，生产速度已达到每分钟几十片，甚至每分钟上百片。
6、生产过程中能耗低，无烟尘污染产生，由于主要原材料是水泥河沙，故不侵占土地农田资源。
彩色混凝土地面砖是以水泥和集料为主要原材料，颜料为着色材料，经加工、振动加压或其他成型工艺制成的地面砖。彩色混凝土地面砖有面料层着色的和整体着色二种。当路面砖的边长/厚度＜5时，产品按其抗压强度分为Cc30、Cc35、Cc40 、Cc50和Cc60五个强度等级；当路面砖的边长/厚度≥5时，产品按其抗折强度分为Cf3.5、Cf4.0 、Cf5.0和Cf6.0四个强度等级。
主要用于人行道、公园小道、停车场以及地面受力比较大的场合，如城市广场等地面工程。
采用彩色混凝土面砖铺路，可使路面形成多彩美丽的图案和永久性的交通管理标志，既美化城镇，又可引导助力道路管理。
混凝土的装饰处理方法很多，如何在混凝土表面做出线型、纹饰、图案、色彩等，以满足建筑立面、地面或屋面不同的美化效果由此产生了多种装饰混凝土，主要种类以下：
1.表面彩色混凝土
是在混凝土表面着色，一般采用水泥（白色水泥呈色效果更好）、彩色与白色石子及石屑，颜料再与水按一定比例配制成彩色饰面料；制作时先铺于模板底，厚度不小于10毫米，再在其上浇注普通混凝土。此外，还有一种在新浇注混凝土表面上干撒着色硬化剂显色，或采用化学着色剂掺入已硬化混凝土的毛细孔中，生成难溶且抗磨有色沉淀物而呈现色彩。
2.整体彩色混凝土
一般采用白色水泥或水泥、白色或彩色石屑、颜料以及水等配制而成。混凝土整体着色既可满足建筑装饰的要求，又可满足建筑结构基本坚固性能的要求。
3.立面彩色混凝土
通过模板，利用普通混凝土结构本身的造型、线型或几何外形，取得简单、大方、明快的立面效果，使混凝土获得装饰性。如果在模板构件表面浇注出凸凹纹饰，可使建筑立面更加富有装饰性。
1、按着色分：表面着色、通体着色。
2、按瓦的铺设部位分：混凝土屋面瓦（主瓦）、混凝土配件瓦（配件瓦）。
3、按瓦的搭接方式分：有筋槽屋面瓦：瓦的正面和背面搭接的侧边带有嵌合边筋和凹槽；可以有，也可以没有顶部的嵌合搭接；无筋槽屋面瓦：一般瓦的表面是平的，横向或纵向成拱型的屋面瓦，带有规则或不规则的前沿。
彩色混凝土面砖包括路面砖、人行道砖、车行道砖等，造型可分为普通型砖和异型砖，形状有方形、圆形、椭圆形、六角形等，表面可做成各种图案，又称花阶砖。
混凝土和水泥制品多数用于户外，要经历长期的风吹雨淋、暴晒、气温骤变，会遭遇大气以及水中的化学物质的侵蚀，其基料水泥为碱性，因此要求着色颜料不仅要有优良的着色装饰性能，还要有优良的耐抗碱性侵蚀、耐水性、耐热性、耐晒性、抗冻性、耐风化、耐候性、耐化学品性等性能，在遭受恶劣环境下而不褪色。另外混凝土和水泥制品的加工过程离不开水，因此用于其的着色颜料要亲水但不溶于水，才能使颜料稳定地结合到混凝土中。
适用于混凝土和水泥制品着色的氧化铁颜料产品除满足国家GB1863氧化铁颜料产品标准外，
在欧盟还需满足EN12878:2005/AC:2006-－基于水泥及石灰的建筑颜料的规定及测试方法，建筑产品颜料是包括氧化铁颜料、氧化铁红颜料、氧化铁黄颜料、氧化铁黑颜料、氧化铬颜料、氧化钛颜料、氧化锰颜料、氧化钴颜料、氧化镍颜料、氧化铝颜料、氧化锑颜料，群青颜料，钛白粉颜料等。2007年1月1日起，所有在欧盟市场销售的建筑颜料都必须经过CE认证，其产品加贴CE标识，才能在市场范围内销售。建筑颜料CE认证根据EN12878:2005/AC:2006标准进行认证。从2013年7月1日起，欧盟建筑产品法规305/2011/EU-CPR法规将取代建筑产品指令89/106/EEC-CPD指令，进入强制实施阶段。
在美国则还需满足ASTM C979/C979M-2016整体着色混凝土用颜料的标准规格
5.3.2.2混凝土和水泥制品中常用氧化铁颜料产品的规格及牌号
氧化铁颜料生产企业比较多并且综合利用型老企业占有一定数量，几十年生产经营根据客户不同需求产生了很多牌号和规格氧化铁颜料，各企业之间的产品其规格和标样也不尽相同。目前混凝土和水泥制品行业中使用典型的氧化铁颜料规格和牌号见表5-16。
表5-16 混凝土常用氧化铁颜料规格及牌号一览表
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品种 |
牌号 |
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氧化铁黑 |
DF320、DF330、DF353、DF370 |
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氧化铁红 |
DF110、DF120、DF130、DF190 |
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氧化铁黄 |
DF920、DF930、DF960 |
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氧化铁棕 |
DF610、DF660、DF686 |
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复合铁酞绿 |
DF5605 |
在混凝土和水泥制品中使用氧化铁颜料其唯一的作用就是着色，生产装饰混凝土，制造的彩瓦、彩砖等彩色水泥制品。增强混凝土的视觉美感，让建筑设计师可以用色彩、色调、质感等方法处理其混凝土作品。
氧化铁系列颜料色谱齐全、色调自然、着色力强、耐候性好特别适合混凝土和水泥制品的着色，在实际生产时通过加入颜料数量或水泥颜色和其它原材料的变化，使装饰混凝土和水泥制品的颜色丰富多彩，其颜色变化基本规律为：
氧化铁红颜料→浅粉红色到红紫色
氧化铁黄颜料→浅黄色到黄橙色
氧化铁棕颜料→浅桔黄色到深棕色
氧化铁黑颜料→浅灰色到深黑色
各色氧化铁颜料不仅可以相互混合配色，还可以同其他着色颜料混合配色。由其产生更多色彩，也使装饰混凝土和水泥制品的装饰功能得到极大提高。
5.3.3.2.1氧化铁颜料着色力对混凝土和水泥制品颜色的影响
从第二章的介绍我们知道颜料的着色力是某种颜料和另一种物料混合后形成颜色强弱的能力。颜料着色力越高、水泥制品的颜料用量越少，使用成本也就越低。
合成氧化铁颜料普遍有很高的着色力。通常氧化铁红的着色力大于氧化铁黄，氧化铁黑着色力最高。同样的氧化铁其制造工艺不同各自着色力差异也很大，合成氧化铁颜料着色力大于天然氧化铁颜料；铁盐溶液的沉淀和水解的氧化法制造的氧化铁颜料着色力大于用硝基苯的还原法的氧化铁颜料着色力并大于固相煅烧反应生产氧化铁颜料；同工艺生产的氧化铁颜料其色相不同，牌号不同各自着色力也不同。
用干粉状态时呈现的颜色相近但着色力不同二个颜料分别充分混合到混凝土中，制成的混凝土地面砖颜色的差异却很大。
例如，图5-8中，两个红粉末看起来十分接近。左边是添加了红砖粉铁红，右边是氧化铁红颜料。同样 6%的这些颜料混合在混凝土中，结果色差十分巨大。
图5-7 混凝土砖的着色对比
再举一个例子见图5-9，比较颜料 A 和颜料 B，做成三块不同的路面砖。左边两块使用颜料 A，一块使用 3%颜料含量，另一块使用 10%含量。右边用 3%颜料 B 做成的路面砖比较。3%含量的两种颜料做的地面砖，颜色完全不同。而用 10%的颜料 A 的地面砖，看起来类似用3%颜料 B 地面砖的颜色。可以认为颜料 B 着色力比颜料 A 高约 3 倍。尽管颜料 A 较便宜，但它使用起来不是最经济的。
氧化铁颜料投入量对混凝土和水泥制品的影响主要是水泥制品颜色和强度二个方面：
5.3.3.2.2.1氧化铁颜料的加入数量对混凝土颜色的影响
图5-9表明氧化铁颜料加到混凝土制品中颜色饱和度的变化和颜料加入量的关系曲线。使用合成氧化铁颜料从2%到6%时颜色饱和度变化比较大。在5%到6%范围内，颜色已达到它们最适宜的饱和度水平。更多颜料加入时，在路面砖中颜料加入量 6%到 8%差异比较小。因此加入过多的颜料是不必的，也是不经济的。对想达到的颜色不仅要有最合适的精确的颜料用量而且必须充分混合。
5.3.3.2.2.2氧化铁颜料的加入数量对混凝土质量的影响
人们在使用低着色力的颜料时，为了弥补其颜色饱和度便加大的颜料投加量。 然而氧化铁颜料投加量会影响水泥制品的强度，图5-10投加量－强度变化示意图表明：颜料投加量小于6%，对水泥制品强度变化不大；颜料投加量大于6%水泥制品强度随投加量增加强度下降。
根据美国ASTM C979/C979M-2016整体着色混凝土用颜料的标准规格标准，颜料加到混凝土中的数量不得超过10%。
5.3.3.2.3水泥的颜色和加入量对混凝土和水泥制品颜色的影响
水泥制造公司因原材料，设备和功能不同，生产了许多类型的水泥，最普遍颜色是灰色，从浅灰到深灰系列都有，白水泥主要用于装饰混凝土和彩色水泥制品。水泥的颜色主要是由其自身的氧化铁含量决定的，一般硅酸盐水泥含有较多的氧化铁（3%～4%）而呈睹灰色，氧化铁含量0.45%～0.7%时，呈淡绿色，白色硅酸盐水泥中由于氧化铁（0.35%～0.4%)、氧化锰、氧化钛、氧化铬、氧化钴等着色物质极少而呈白色。
水泥在混凝土中担当粘结砂、集料和颜料的作用，把所有的东西凝固在一起。加水后水泥产生粘结力，混合和凝固颜料到制品中防止被冲走。水泥的颜色影响水泥制品的最终颜色是必然的。不可能使用灰水泥生产鲜明的或浅淡的色调水泥制品。灰水泥最好调配成深颜色，如深棕色，黑色，灰色和许多红色。
要想得到浅淡色调水泥制品，须使用白水泥制造。浅或亮丽的粉红色，茶色，蓝色，绿色和黄色尽可能用白水泥。使用白水泥替代灰水泥颜色差异是明显的见（图5-12）。
混凝土混合物中颜料加入的数量是由整个水泥基材料重量决定的。水泥数量的改变象颜料数量的改变一样最终也影响着混凝土制品的颜色。如果颜料的数量不变，但水泥的数量是变量，则高水泥含量将有一个低饱和度的颜色见（图5-13）。
通常仅比较干粉是不可能知道你水泥制品的最终颜色。在同一项目上应使用相同水泥供应商和相同型号水泥以减少色差的风险。只要改变供应商和水泥型号，水泥制品颜色都有可能改变。
除水泥之外混凝土制品包含集料并且是混凝土混合物最大的部分，它们的颜色也影响着水泥制品的最终颜色见（图5-14）。集料的自然颜色在低颜料用量中比高颜料用量对混凝土着色有更明显的影响。
水泥制品颜色还受水泥和集料的配合比的影响。如果水泥对集料的比例是小，集料颗粒将更多的暴露在混凝土的表面，颜料对水泥制品颜色影响就小。
加水量对混凝土制品颜色也是有影响的，控制水灰比仔细监控混合物中用水量，原材料中水分含量，尤其是砂的水分含量是十分重要的。高水灰比不仅对混凝土的强度是有害的，而且也使制品颜色出现浅颜色见（图15-15）。
这就象刚倒入啤酒的玻璃杯。玻璃杯的顶部是白色泡沫，一会儿静止下来玻璃杯充满金黄色或琥珀色啤酒。因为泡沫由许多微小的空气组成，散射光使它非常浅和明亮。同样，在混凝土制品中，过量的混合用水蒸发到表面留下许多细孔－象啤酒中的泡沫使颜。使水泥制品出现较浅的颜色。
水泥制品容易受泛碱影响。一次泛碱是水泥中的游离氧化钙被溶解在混合水中而产生影响的结果。当氢氧化钙与混凝土表面空气中的二氧化碳起反应便生成不能溶解的碳酸钙。二次泛碱是同样的现象，但它发生在混凝土固化以后当雨水或露水把氢氧化钙带到表面时。所以，混凝土的多孔性在泛碱中扮演了一个重要的角色。较少孔隙的混凝土有较低的泛碱发生率。
化学反应方程式是：
（R5-1）
（R5-2）
返碱在室外一定时间后会自然消失，那是因为不能溶解的碳酸钙在混凝土表面同含有二氧化碳的水反应后被溶解在水中，以碳酸氢钙形式逐渐溶解在水中。所以在泛碱的产生和消除过程中风化扮演了一个积极的角色。消除泛碱雨水是必须的，在干燥气候中这个过程时间会比较长。
化学反应方程式是：
（R5-3）
氧化铁颜料对泛碱既没有促进作用也没有抑制作用，当泛碱出现在着色水泥制品的时候，这个现象会明显体现见（图5-16）。
5.3.3.6 氧化铁颜料在水泥制品中的耐候性
水泥制品用颜料所需的耐抗碱性、耐水性、耐热性、耐光性、耐晒性、抗冻性、耐风化、耐候性、耐化学品性等性能氧化铁颜料在各类颜料中均是最好的。性能评价指标处于最优的8级、或5级，遭受恶劣环境不会褪色。
测评氧化铁颜料在水泥制品中的耐候性，最直观可靠的方法是将彩色水泥制品置于自然环境超过很长一段时间后，观察颜料的褪色情况。下图是德国朗盛公司的颜料耐候性检测场所，在那里对混凝土瓦和其它混凝土制品作褪色性测试评价。这种检测方法往往要经过好几年，但得出的结论是最直观有效的。行业内为了快速得到结论也用老化机等加速耐候试验来测评。
下面是德国朗盛公司1970年历经25年做的二个用氧化铁颜料生产的地面砖风化实验，见图5-18和图5-19。
图中小块是未经户外自然风化的参考样块，表明了用氧化铁颜料水泥砖历经25年户外自然风化颜色没有明显变化。
图中小块是未经户外自然风化的参考样块，表明了用氧化铁黑水泥砖历经25年户外自然风化颜色没有明显变化，而用碳黑的水泥砖颜色有明显的变化。
彩色混凝土制品的生产首先是根据使用的水泥、集料和颜料通过小样实验确定一份满意的生产配方，在大生产时如何准确保证配方实施是重要的环节，为避免明显地颜色波动，计量的精度应控制在±5%。氧化铁颜料通常是粉体状态，为了克服粉体产生的环境污染和流动性差带来自动计量困难，美国等国家的很多搅拌站、大型水泥瓦和地面砖工厂采用了液体颜料、颗粒颜料以及可降解定量包装来实现颜料准确投入和生产线的自动控制，保证所生产装饰混凝土和彩色水泥制品的颜色。
在颜料形态和合适的计量方法确定后，加颜料到水泥、集料和水中去混合。加入的颜料无论是液体、颗粒还是粉末最后都是以一种小微粒尺寸材料体现在水泥的集合材料里，必须确保均匀分散在混合物中，保持一定混合时间直到颜色均匀一致是有效方法。5.3.4.3 养护温度对混凝土制品的影响
养护温度不仅影响素混凝土的颜色，也影响彩色混凝土的颜色。这是由于养护改变了水泥晶体的尺寸和形状。硬化水泥制品是水和水泥混合反应后成型的，产生各种尺寸的硅酸钙晶体依靠混凝土的养护温度。晶体的尺寸和不规则形状影响光线散射，当养护温度提高时，混凝土的晶体结构变得更不规则。结果产生更多孔的混凝土，增加光线散射并且使混凝土的外观较浅，见图5-20。
外加剂是除了普通水泥，集料和水之外在混凝土中的另一成分，在混合之前或混合时加到混合物里。最普通的外加剂是引气剂、减水剂、速凝剂、矿粉（火山灰）、防水剂。每种类型的外加剂对混凝土制品的颜色和外观都有不同的影响。
引气剂是产生微小气泡用来改善抗冻性。这些小气泡允许冰水扩张和收缩，从而减少收缩值。这些小气泡分布于混凝土。在混凝土的表面，气泡引起散射光增加，这是出现浅颜色的原因。
减水剂是用来减少在混凝土混合时维持高水平工作性所需的用水量。水的减少增加了混凝土强度。这也减少了表面的孔隙。减少了孔隙便产生较低的散射光，出现深颜色的结果。
混凝土混合时加入速凝剂是为了减少凝结时间和增加早期强度。速凝剂的加入通常产生深颜色的结果，因为混凝土的凝结时间较早，泛碱的形成有些减少。 火山灰用来增加工作性并替代部分水泥。一般，火山灰比普通水泥轻和细，可以形成较浅颜色的混凝土。某些火山灰能表现出一定的可塑性。这种可塑性能减少用水量并产生深颜色。
防水剂减少混凝土的渗水性。可能变暗色。列表见表5-18。
表5-18 外加剂应用和颜色影响情况表
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外加剂类型 |
材料 |
预期效果 |
对颜色的影响 |
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引气剂（ASTM C260） |
松香树脂 松香皂 木质素磺酸盐 萘磺酸盐类 脂肪酸和脂肪酸树脂及盐类 烷基苯磺酸盐 |
改善耐久性 提高抗冻性 |
通常使颜色变浅 |
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可塑剂（ASTM C494，Type A） |
木质素磺酸盐 羟基化羧酸 |
减少需水量，增加混和性 |
最初暗色调，在后期 减少颜色影响 |
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速凝剂（ASTM C494，Type C） |
氯化钙（ASTM D98） 三乙醇胺 |
加速凝结时间，提高 早期强度 |
使颜色变暗 |
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火山灰（ASTM C618） |
天然火山灰（N 等级） 粉煤灰（F 和 G 等级） 其它材料（S 等级） |
降低成本 改善工作性和可塑性 |
典型的消色材料，但 由于塑化效果可使颜 色变暗。最终颜色具 有固有颜色效果 |
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防水剂 |
硬脂酸钙，硬脂酸铝 丁基合成橡胶 油膏 可溶性氯化物 |
减少渗透性 减少泛碱 |
可能变暗色 |
