透明混凝土的研究與應(yīng)用

謝 汩

華僑大學(xué)土木工程學(xué)院（361021）

0 引言

透明混凝土學(xué)名litracon光傳輸混凝土(Translucent Concrete),即通過(guò)在混凝土中混入數(shù)以千計(jì)可傳導(dǎo)光線的光學(xué)纖維，以使混凝土達(dá)到半透明的外觀效果。玻璃纖維等成分的加入不會(huì)對(duì)混凝土的結(jié)構(gòu)特性有明顯影響，并使透明混凝土具有良好的抗腐蝕、抗凍和防水性能，可廣泛地應(yīng)用于戶外和室內(nèi)的各種設(shè)施。

1 透明混凝土的應(yīng)用現(xiàn)狀

透明混凝土的性能遠(yuǎn)超出了混凝土和纖維各自特性的簡(jiǎn)單相加[1]。它是一種環(huán)保節(jié)能的新型材料，不僅具有透明的視覺效果，還可以向結(jié)構(gòu)內(nèi)部提供自然光，減少室內(nèi)照明能耗[2]。

實(shí)際上，從2002年至今，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有許多透明混凝土的工程應(yīng)用。例如，瑞典首都斯德哥爾摩有一條由透明混凝土鋪設(shè)的人行道，白天這條人行道看上去與普通的人行道沒有什么區(qū)別，但當(dāng)晚上開啟燈光時(shí)候，光線能從路面底部照射出來(lái)。柏林的一家服裝專賣店在就別具新意設(shè)置了透明混凝土建筑的試衣間。墻體的厚度不超過(guò)兩英寸，從外邊可以看見進(jìn)去換衣服的購(gòu)物者的身體曲線。

上海2010年世博會(huì)的意大利館也采用了透明混凝土建造而成。透明混凝土的應(yīng)用不僅能減少展館的照明能耗，還能使意大利館厚重的水泥墻產(chǎn)生了仿佛并不存在的效果，使得墻體能如玻璃幕墻一樣透過(guò)光線，觀眾可以透過(guò)外墻看見館內(nèi)外物體的輪廓，這使整個(gè)意大利館顯得明快而通透。白天時(shí)自然光會(huì)照射進(jìn)來(lái)，使得整個(gè)場(chǎng)館給人清新開闊的感覺，也減少了對(duì)室內(nèi)燈光的需求，降低展館的照明能耗。而到了晚上，場(chǎng)館內(nèi)部燈光則可穿越到場(chǎng)館外的街道,折射出正在涌入場(chǎng)館內(nèi)的人們的身影。

2 透明混凝土的組成成分及特性

2.1 透明混凝土的組成

透明混凝土的組成包括:環(huán)氧樹脂基質(zhì)(0～90%)或聚碳酸基質(zhì)(0～60%)，玻璃纖維(0～10%)，光學(xué)纖維(0～3%)，膠體二氧化硅溶膠(0.5%～5%)，二氧化硅(0.5%～10%)，二亞乙基三胺(10%～50%)和波特蘭水泥(0～15%)[3]。通過(guò)更改水灰比、聚合物基質(zhì)、及其它組分的比例可使得透明混凝土不僅具有比標(biāo)準(zhǔn)混凝土較低的密度和更好的力學(xué)性能，還可以使其獲得多樣的表觀顏色及漸變的透光度等特性。

2.2 透明混凝土的結(jié)構(gòu)特性

當(dāng)混凝土凝固時(shí)，具有半透明的光學(xué)性能，即允許光線通過(guò)凝固的混凝土，可透過(guò)混凝土看見物體的顏色和形狀?？箟簭?qiáng)度可達(dá)到50～250 MPa；可具有大于60 MPa的彈性極限；彈性模量可達(dá)到2 750～3 450 MPa；最大吸水率為0.35%左右；導(dǎo)熱率為0.21W/m℃；外觀顏色可為白、灰、黑等；體積密度約為 2 100～2 400 kg/m3。

2.3 透明混凝土的功能特性

透明混凝土構(gòu)件可以呈現(xiàn)玻璃般透明的效果,也能表現(xiàn)不同顏色，還可以根據(jù)建筑師的要求,創(chuàng)造出彌漫型、柵格型等不同的視覺效果，甚至能顯現(xiàn)出固定的圖案。采用半透明混凝土材料能使得室內(nèi)變得輕盈、明快而通透，這種透明材料還可以應(yīng)用在室內(nèi)火災(zāi)逃生等特殊用途上。

研究表明,透明混凝土構(gòu)件中的光纖不但可以傳導(dǎo)可見光還可以傳導(dǎo)熱紅外線,即可以傳導(dǎo)熱能[4]。所以透明混凝土構(gòu)件既可以用來(lái)支撐結(jié)構(gòu)也可以用來(lái)架設(shè)并提供建筑結(jié)構(gòu)保溫等，這在提倡綠色節(jié)能的今天更具有重要意義。

加工完成后的透明混凝土（通常要在最后的工序中打磨拋光）,看上去幾乎和高品質(zhì)的天然大理石沒有區(qū)別。由于具有優(yōu)異的裝飾效果,可以用透明混凝土制件作為裝飾石材作內(nèi)外墻裝飾材料，這無(wú)疑是以相對(duì)于高品質(zhì)天然大理石較低的價(jià)格獲得同樣或更佳的視覺效果；加之具有良好的加工性能,可以加工成不同形狀,具有各種弧度的裝飾材料，這更是天然石材無(wú)法企及的。

3 結(jié)語(yǔ)

1）透明混凝土材料有著廣泛的用途，房間的分隔、臺(tái)階、家居和陳設(shè)裝飾、公共空間的受承載外墻，還可以用來(lái)制造樓梯、家具甚至是淋浴噴頭。

2）透明混凝土能在等同于或甚至超越常規(guī)混凝土的使用條件下采用,但是為獲得良好的導(dǎo)光性，需使光學(xué)纖維平行排列在混凝土構(gòu)件中，現(xiàn)場(chǎng)澆筑施工較復(fù)雜，因而大多工程應(yīng)用皆為透明混凝土預(yù)制構(gòu)件。在透明混凝土現(xiàn)澆工程中，可采用設(shè)置套管等方式以保護(hù)光纖在澆筑過(guò)程中不被破壞。此外，理論上在需受力的透明混凝土構(gòu)件中布置鋼筋對(duì)其透光性能沒有影響,但如果鋼筋布置較密，易與混凝土中光學(xué)纖維的布置發(fā)生沖突，并且影響混凝土的澆筑，所以應(yīng)盡量利用調(diào)節(jié)透明混凝土組成成分來(lái)增強(qiáng)其自身抗拉壓強(qiáng)度等機(jī)械性能，減少在其內(nèi)部布置鋼筋的情形。在不可避免的時(shí)候，宜用型鋼代替鋼筋使用。

3）由于玻璃纖維的彈性模量和延性較低，而玻璃纖維與混凝土之間的粘結(jié)性能也是制約構(gòu)件性能發(fā)揮的重要因素[5]，在需要較高機(jī)械性能的情況下,可采用少量鋼纖維代替部分玻璃纖維參入骨料。

[1] Andreasbittis.Translucent concrete[OL].Aachen,2008.www.andreasbittis.de.

[2] Abou-Zeid,Mohamed N.Propertiesof translucent concrete[C].Montreal:Canadian Society for Civil Engineering.2007:651～660.

[3] S·O·加爾瓦卡扎雷斯，J·索薩古鐵雷斯.獲得半透明混凝土混合物的配方[P].中華人民共和國(guó),CN 101309877A,2008,11,19.

[4] Zhi Zhou,Ge Ou.Research and Development of Plastic Optical Fiber Based Smart Transparent Concrete[J].Proceedingsof SPIE,2009,7293(72930F):1～6.

[5] 鄭俊杰,李志華,翟世鴻.玻璃纖維混凝土板的試驗(yàn)研究[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào),2009,26(1):19～21.