透光混凝土性能研究分析_李宁.pdf

综合论述115第1 期（总第261 期）透光混凝土性能研究分析李 宁，史嘉仪（商丘职业技术学院 建筑学院，河南 商丘 476100）摘 要 透光混凝土能够使光线透过传统混凝土，它的出现大大降低了建筑能耗，不仅如此，透光混凝土良好的装饰效果和透光率等特性也逐渐引起了国内外研究人员的关注。从透光混凝土的生产工艺、透光性能、力学性能、抗侵蚀性几个方面对透光混凝土进行了总结，并分析了透光混凝土的光纤掺入量、微观结构与力学性能之间的联系。关键词 透光混凝土；生产工艺；透光性能；力学性能；抗侵蚀性；微观结构0 引言混凝土因具备强度高、耐久性好和制造成本低等特点，已成为建筑行业常用的建筑材料之一，优异的性能使混凝土在高层建筑、隧道、水利、桥梁等许多建筑结构中得到广泛应用。但传统混凝土密实不透光，人们为了保持室内活动的亮度和能见度，不得不增加人工照明的使用，这也加剧了能源的消耗。有数据统计，人工照明在全球能源消耗中的占比约为19%，在我国建筑能源中大约13%用于照明1。为了减少能源消耗，科研人员做了大量研究工作，其中就包括开发新的建筑材料，透光混凝土应运而生。透光混凝土最早是2002年由匈牙利建筑师阿隆 罗索尼奇提出来的，2003年，他将光纤引入到混凝土中成功制备出透光混凝土，采光效果极佳，拥有优异的透光性能，并将它命名为“Litracon”2。少量导光材料（体积掺量通常4%）对混凝土整体的强度基本没有影响3，最重要的是，透光混凝土借助导光材料可以使自然光穿过墙体进入房间，自然光的使用在一定程度上减少了电能的消耗，因此从“节能减排”及“碳中和、碳达峰”等角度分析，透光混凝土会是将来非常有发展潜力的绿色建筑材料。1 透光混凝土分类及生产工艺1.1 透光混凝土的分类透光混凝土的制备是在传统混凝土的基础上引入导光材料，它的发展主要集中在透光材料的选择、改进及施工工艺等方面。结合导光材料种类的不同，目前科研人员所研究的透光混凝土包括纤维类和树脂类透光混凝土4。纤维类透光混凝土是将导光纤维引入混凝土中，二者复合形成一个整体，纤维在混凝土中的排布方式有特殊要求，一般是平行排布，这样铺设有助于光线透过墙体，但导光纤维对光的捕捉能力不高、铺设工艺复杂且生产成本较高。因此，研究人员将透光材料的选择聚焦到光捕捉能力更强、透光性能与纤维相当的树脂，研制出树脂类透光混凝土。2种不同导光材料的性能对比如表1所示5。表1 导光纤维与导光树脂性能对比材料种类透光率/%导热率/（W/m k）力学性能密度/（g/cm3）成本导光纤维930.19韧性好1.18高导光树脂920.16韧性好、更耐磨1.75低1.2 透光混凝土的生产工艺按照掺入导光材料的不同分为纤维类透光混凝土和树脂类透光混凝土，而根据制备工艺的不同，纤维类透光混凝土按制备方式分为先植和后植2种方法，树脂类透明混凝土按制备方式分为预制与浇筑2种方法6。先植法首先是将所需的文字或图案在EPS或XPS等发泡聚苯乙烯塑料上进行设计，然后按照设计位置进行打孔，穿入光纤棒之后将塑料样品放入模具并进行固定，再浇筑水泥砂浆或水泥净浆，养护一段时间后切割打磨即得到所需透光混凝土6-9。先植法具体操作流程如下：在硬质塑料上进行图案及文字设计按照设计位置打孔插入并固定导光纤维棒装模浇筑水泥净浆或水泥砂浆养护锯切成品。后植法与先植法的最大区别在于“先”与“后”的顺序问题，先植法首先固定导光纤维再浇筑砂浆，而后植作者简介：李宁（1992），男，工学硕士，助教，主要从事建筑材料性能研究工作。综合论述2023 年116法是先浇筑成型混凝土块再插入导光纤维。后植法具体操作流程如下7-8：浇筑混凝土基体在混凝土基体表面设计文字图案按照图案位置打孔插入并固定导光纤维棒成品。先植法与后植法相比各有利弊，先植法所制备的透光混凝土是一个整体，强度高，不存在后植法界面结合差等问题，因此先植法构件性能整体优于后植法7。但先植法的制备成本高、工艺复杂，尤其是导光纤维的铺设效率低下；后植法操作简便，导光纤维的位置更容易固定，而且不存在先植法中浇筑砂浆时对导光纤维位置排布的干扰，透光性能更高。对比2种制备方法发现，寻找便捷的纤维固定方法、解决导光纤维和混凝土基体的界面问题是透光混凝土研究的一个重要方向。树脂的预制法和浇筑法与光纤的先植法和后植法在操作上十分类似，均与导光材料与混凝土在制作过程中加入的先后顺序有关9。但树脂的定位要比导光纤维方便很多，而且由于树脂的捕光能力强、制作成本低，因此树脂类透光混凝土也成为继光纤类透光混凝土之后一个新的研究热点。2 透光混凝土性能研究2.1 透光性能研究对于透光材料来说，透光率（T）的高低是其性能好坏的关键体现，它是由透射光强（I）与入射光强（I0）之比计算得到4,10-11，计算公式如下：T=I/I0导光纤维的透光原理：以角度为max（max表示光线能够在光纤中传输的入射角极限值）入射的光线经空气和光纤芯层界面折射后（实线a表示）会在光纤芯层与光纤包层界面处发生二次折射，二次折射角刚好为90；而当入射光线小于max时，折射后的光线在导光纤维芯层内部可以全部反射（虚线b表示）12，以此来保证光线的高效传输（如图1所示）。图1 导光纤维的透光原理LI等13研究表明，光纤体积掺量一定、光纤的排列方式为平行排列时，透光率随着光纤掺量的增加而增大，并且使用的光纤直径越大透光率也越高。李悦等14通过研究发现，当光纤的体积掺量（保持在20%）和外芯尺寸相同时，对内芯直径分别为62.5m和50m的2种光纤进行透光率测试，对比发现，内芯直径越大透光率越高。这是因为光纤具有数值孔径和传输损耗两大特性：数值孔径越大，光纤端面接收光的能力越强；传输损耗越低，透光率就越大。王信刚等15通过添加水泥、骨料、减水剂、透光率95%的树脂、固化剂及促进剂制备的树脂导光水泥基材料透光性能良好，透明度可达22%，具有良好的采光及节能效果，实物如图2所示。图2 树脂导光水泥基材料除此之外，透光混凝土不仅可以透过波长为400800nm的可见光，还能够透过波长为8001100nm的红外光10。经测试发现，在2种不同光源的照射下，透光混凝土的透光率不随波长的改变而改变。这个规律变化说明，透光混凝土均可使可见光与红外光透过，进一步说明透光混凝土不仅能够利用自然光实现能源的节约，也能够利用红外光带来的热量交换减少能源的消耗。导光纤维优异的导光性能可保证光线在混凝土中的传输，增强建筑物室内的采光效果，大大降低能耗，使得建筑物具备良好的可装饰性和实用性。2.2 力学性能研究李悦16-18等利用光纤纺织技术成功制备出透光混凝土，力学性能试验研究表明，光纤的体积掺量直接影响透光混凝土的抗折和抗压强度，透光混凝土的抗折强度随着光纤的体积掺量增加而增加，而抗压强度随着光纤掺入量的增加而降低。王淑等19对制备的塑料光纤（PMMA或PS材质）透光混凝土进行了硫酸盐侵蚀后的力学性能测试，结果显示，随着光纤含量的增多，样品的抗压强度先升高后降低（如图3所示），而抗裂性能不断提高。这是因为掺入光纤使得混凝土的抗侵蚀性能降低，并且抗侵蚀性能随着光纤掺量的增加而降低。综合论述117第1 期（总第261 期）图3 塑料光纤掺入量与试件抗压强度关系Thiago等20研究表明，光纤透光混凝土的抗压强度随着光纤掺量增大而降低。这是由于光纤的粗糙度低、黏附性较差所引起的。经过分析发现，透光混凝土受光纤掺入量影响很大，这是因为光纤的掺入使得样品内部界面数量增多、光纤与混凝土黏结性变差，从而导致透光混凝土容易出现更多的缺陷和裂纹，对产品的力学性能产生一定的影响21。大量研究表明22，光纤体积掺入量为4%左右时，抗压强度值可以达到70MPa，与素混凝土抗压强度值十分接近，而随着光纤体积掺入量的增加、排布密度增大，裂纹可快速传播，光纤混凝土抗压性能逐渐降低，但抗折性能有所提高。2.3 抗侵蚀性能研究大多数无机玻璃纤维的抗碱性较差，硅酸盐水泥作为常用建筑水泥，pH值可达12.513.0，对玻璃纤维的侵蚀性非常大23。王信刚等15借助X射线衍射仪证实了玻璃纤维的不耐碱性。作为对比，他们分别用普通硅酸盐水泥和快硬硫铝酸盐水泥作基体制备出光纤透光混凝土，并进行了抗硫酸盐侵蚀和抗碱溶液侵蚀试验。结果表明，在碱液中养护的混凝土出现了光纤与基体剥离、裂缝及微裂纹等缺陷，力学性能严重下降，而在自然水中养护的透光混凝土基本不存在这种现象，说明碱液对透光混凝土的侵蚀性远大于自然水。不仅如此，从样品微观形貌的角度也可以解释说明用快硬硫铝酸盐制备的光纤导光混凝土耐久性降低的原因24。图4（a）（b）（c）分别表示在自然水、盐溶液及碱溶液3种不同条件下进行养护130d的ESEM（环境扫描电子显微镜）图片，放大倍数分别为10000、12000、12000倍。对比发现，用自然水养护的透光混凝土微观表面更加致密，而用盐溶液及碱液养护后的透光混凝土表面疏松多孔，出现明显的裂纹及剥离脱落现象，这进一步说明盐溶液及碱液环境对透光混凝土力学性能会造成极为不利的影响。（a）自然水养护（10000）（b）盐溶液养护（12000）（c）碱溶液养护（12000）图4 光纤导光混凝土在不同溶液中养护130d后试样中水化产物的ESEM图片3 结语及展望透光混凝土虽然出现仅仅十几年，但良好的装饰性、透光性、节能性、强度及耐久性使它的应用越来越广泛，已成为科研人员研究的热点课题。与传统建筑混凝土相比，透光混凝土仍处于起步阶段，生产工艺、导光材料的选择、透光性、力学性能及抗侵蚀性等还需进一步提升。研究表明，透光混凝土的透光性能与掺入的导光纤维量成正比，但力学性能及抗侵蚀性却有所降低，主要是因为导光纤维的表面与混凝土黏结性差、孔隙率高，进而导致混凝土抗压强度降低、抗渗性变差。为解决这一问题，研究人员可以考虑将塑料导光纤维换成黏结性更好的玻璃纤维，同时将玻璃纤维加工成网状结构，有利于提升透光混凝土的整体性，从而增强其力学性能；除此之外，在纤维的表面涂抹环氧树脂等胶黏材料，还可以进一步提高纤维表面与混凝土的界面结合能力，有效减小孔隙率及裂纹的产生，使得透光混凝土的抗渗性增强，抗侵蚀能力大大提升。总而言之，要想寻找综合性能优异的透光混凝土还需要科研工作者不断的探索研究，相信这种绿色新型的透光混凝土建筑材料会更多的出现在生产生活中，推动建筑综合论述2023 年118（上接第 111 页）节能环保、功能性及艺术性的协同发展。参考文献1 Dutta M,Reeti R,Mandal S K.Light Transmitting and Self Cleansing Concrete as a Smart Building Material-a ReviewC.International Conference on Smart City and Emerging Technology,2018,25（13）:1-5.2 MAININI A G,POLI T,ZINZI M,et al.Spectral Light Transmission Measure and Radiance Model Validation of an innovative Transparent Concrete Panel for FaadesJ.En-ergy Procedia,2012,30（11）:1184-1194.3 姜志国,于丰,张均,等.树脂透光混凝土的制备方法及研究进展J.化工新型材料,2018,046（009）:238-241.4 邓友生,程志和,苏家琳,等.透光混凝土的研制与应用进展J.新型建筑材料,2019,46（7）:7-10.5 申娟.高透光混凝土及其节能与力学特性D.大连：大连理工大学，2021.6 魏忠,张新胜,王宪国,等.有机光纤透光混凝土的制备及试验研究J.商品混凝土,2017（12）:3-5.7 徐蕾,刘力.透明混凝土的发展与实践J.混凝土,2014,46（8）:115-118.8 李悦,许志远,李战国,等.应用纺织光纤技术制备透光混凝土方法:CN201110022019.2P.2011-01-19.9 王信刚,叶栩娜,王睿,等.树脂导光水泥基材料的设计与制备表征J.南昌大学学报：理科版,2014,38（1）:41-44.10 申娟,李忠华,焦思雨,等.透明混凝土性能研究J.建筑技术,2017,48（1）:6-9.11 赵亭亭.高散射透光聚合物的模拟分析与实验制备D.广州：暨南大学,2012.12 乔师帅.高性能透光水泥基复合材料制备及性能研究D.西安：西安建筑科技大学，2020.13 LI Y,XU Z Y,GU Z W,et al.Preparation of light transmit-ting cement-based material with optical fiber embedded by the means of parallel arrangeJ.Advanced Materials Re-search.2012,39（1）:677-682.14 李悦,郭慧.透光混凝土的研究进展J.混凝土,2013,28（6）:5-8.15 王信刚,王凯,陈方斌,等.不同品种水泥的光纤导光混凝土抗侵蚀性能J.江苏大学学报：自然科学版,2014,35（4）:470-473.16 LI Y,XU Z Y,GU Z W,et al.Research on the light trans-mitting cement mortar.In:Advanced Materials Research.Trans Tech Publications Ltd,2012,36（7）:397-401.17 李悦,许志远.应用玻璃质光纤制备透光混凝土的研究J.混凝土,2013.25（4）:141-143.18 LI Y,LI J Q,GUO H.Preparation and study of light trans-mitting properties of sulfoaluminate cement-based materi-alsJ.Materials&Design,2015,83（15）:185-192.19 王淑,杨文,吴雄,等.透光混凝土的力学性能、耐久性能和光学性能试验研究J.混凝土,2017,（9）:150-153.20 HENRIQUES T D S,DAL MOLIN D C,MASUERO B.Study of the influence of sorted polymeric optical fibers（POFs）in samples of a light-transmitting cement-based material（LTCM）J.Construction and Building Materials,2018,16（10）:305-315.21 邓友生,程志和,苏家琳,等.透光混凝土的研制与应用进展J.新型建筑材料,2019,46（7）:7-10.22 王伟伟,陈丽娟,张育新.透光混凝土的研究进展综述J.大学：社会科学,2021,26（2）:150-154.23 曹永康,蔡国章.导光混凝土称呼、译名及制作工艺J.混凝土世界,2010,45（3）:16-18.24 王睿,王信刚,谢涛,等.利用R SAC制备光纤导光混凝土的抗侵蚀性能与微观结构J.混凝土,2016,16（1）:13-19.3 结语随着新工科建设的不断发展，对人才创新意识和创新应用能力的要求也日渐提升。土木工程材料实验作为“新工科”智能建造专业的专业必修课，是培养学生创新意识与创新应用能力的重要环节。基于新工科建设理念，探讨了改革土木工程材料实验教学的可行路径，创新了以培养学生自主创新实验能力为目的的实验教学模式，更新补充了问题解决型的实验内容，提出了多元化改革考核评价方法，建立了实验室开放制度，为学生自主开展创新实验提供硬件保障。以上举措将为创新应用型人才的培养提供借鉴。参考文献1 安俊健,张光彦,王鹏.“新工科”理念下轻化工程专业人才培养探索J.教学研究,2019,42（5）:74-81.2 曹际玲,黄华军,喻成龙,等.新工科背景下专业选修课程的教学改革与探索以“水土保持工程学”课程为例J.教育教学论坛,2022（21）:65-68.3 徐向伟,姚建涛,金淼,等.工程教育认证背景下机械类专业项目式实践教学体系的构建与实践J.教学研究,2020,43（6）:83-87.4 郭亚坤,杨冬,曹全全,等.新工科背景下环境类生化实验创新教学改革与探索J.山东化工,2020,49（18）:205-206,208.5 王玮,刘天宇,张金涛.地方应用型本科院校物理化学实验教学改革探索J.化工时刊,2022,36（1）:39-40.6 许映杰.互联网时代地方应用型本科院校物理化学实验教学手段的探索与改革J.广东化工,2019,46（20）:191-192.7 袁贤,何玉平,聂招秀,等.基于“新工科”建设的大学物理实验教学改革思考J.教育教学论坛,2019（18）:144-145.8 邹友琴,李群,王毛兰,等.基于成果导向理念的环境工程专业实验教学改革J.高教学刊,2022,8（10）:124-126,130.