透明混凝土的透光性能研究＊

周 智,申 娟，焦思雨，楊明潔，陽環宇

(大連理工大學 海岸和近海工程國家重點實驗室，遼寧 大連 116024)

透明混凝土的透光性能研究＊

周 智,申 娟，焦思雨，楊明潔，陽環宇

(大連理工大學 海岸和近海工程國家重點實驗室，遼寧 大連 116024)

透明混凝土作為一種新型功能材料，是由大量的光纖或透明樹脂等透光材料與普通混凝土制成，具有高透明度，可透過太陽光的特點，為了便于透明混凝土材料進一步的推廣應用，達到節省光纖和混凝土材料、提高分析效率、為其透光性能的分析提供可靠數據的目的，本文結合透明混凝土的透光性能實驗，利用ZEMAX對透明混凝土透光實驗進行仿真模擬，建立了用于預測光纖透光效能的評估預測模型，通過分析總結出透明混凝土的透光性能評價指標和計算方法以及透光率與光纖類型和空間分布的關系，并得出結論，透明混凝土的透光性能與光纖排布密度、光纖的特性以及試塊端面的拋光程度有關，透光率與光纖間距是單調遞減的指數函數關系，與光纖半徑是單調遞增的指數函數關系。

透明混凝土；透光率；ZEMAX；光纖間距；光學實驗

0 引 言

近年來，節能、降耗、綠色、健康成為人們對未來建筑的追求，建筑能耗降低，將對全社會節能減排以及人類可持續發展起到重要的作用。透明混凝土作為一種各類應用廣泛的全新建筑功能材料，是由大量的光纖或透明樹脂等透光材料與普通混凝土制成，具有高透明度，可透過太陽光的特點，利用具有良好導光性能的光纖在混凝土兩側傳輸光線，使得建筑物內部獲得綠色環保的自然光，不僅大大提高了建筑的采光，降低了照明能耗，而且改變了建筑墻體密實陰暗、沉悶、龐大單調的傳統模式，使得建筑物具有良好的美觀性和裝飾性。

透明混凝土作為一種新型功能材料，憑借其良好的透光性能、感知、輕質、絕熱特性以及多變的裝飾效果，得到了越來越多建筑學者和科研工作者的青睞。自2001年匈牙利建筑師Aron Losonczi發明透明混凝土以來，匈牙利、德國、美國、法國、日本、比利時等國家已經開展了相關研發工作并生產了各種產品，k值高達0.18 W/m2·K 的建筑模數產品已于2009年正式面世，并作為層高大模板建材投入使用。在實際應用方面，透明混凝土已經在藝術作品、博物館、歌劇院、圖書館、學校、室內裝飾、室內隔斷墻體、窗體日光遮射、城市夜景、夜間導向、街頭照明等領域得到廣泛的應用。目前，研究人員已對透光混凝土的構成、制作工藝、透光性能、力學性能等進行了初步的研究并取得了一定的成果，例如：2008年大連理工大學的周智教授[1-4]首先對智能透明混凝土的制備工藝、透光性能、感知性能、抗滲性進行了研究并發表相關專利；2009年，德國的Andreas Roye等[5]對透光混凝土進行了相關研究，認為透光混凝土的基本特征是透明、隔熱、輕質的，具有顯著的藝術效果和建筑節能的特點；2011年，南京大學的馮金龍、陳瑤對透明混凝土在建筑設計中的應用進行了研究；2012年，南昌大學的王信剛等對發光粉和光纖共同作用下的水泥基透光材料的透光性能和力學性能進行了研究，并對制備工藝進行了改進，設計出了高效、快速布置光纖的裝置[7-8]；2013年，北京工業大學的李悅等研發了一種對光纖進行一定規則的紡織成型技術和光纖平行排列兩種方式；另外，尹衍樑、劉錫軍、陳蘇里、劉小琴等其它學者對透明混凝土的制備工藝、裝置設計進行了深入研究并發表了相關專利。

圖1 透明混凝土的應用

上述研究主要側重于透明混凝土的制備工藝，而對透明混凝土非常關鍵的問題—透光性能研究，以及對于光纖如何快速規則均勻的排布在混凝土中，如何建立用于預測光纖透光效能的評估預測模型等方面缺乏相應的較為深入的研究。2014年，北京工業大學的萬玉紅等發表了關于透光混凝土材料的透射光場定量分析和測試方法的專利[12]，該方法能得到透射場強度分布，卻沒有得到透明混凝土透光性能與光纖間距、光纖空間分布的關系。針對上述問題，本文在總結已有的研究成果的基礎上，結合透明混凝土的透光實驗，并利用ZEMAX對透明混凝土透光性能進行仿真模擬，建立用于預測光纖透光效能的評估預測模型，通過分析總結出透明混凝土的透光性能評價指標和計算方法及其與光纖類型和空間分布的關系，以達到節省光纖和混凝土材料、提高分析效率、為其透光性能的分析提供可靠數據的目的。

1 實 驗

1.1 透明混凝土的制備

1.1.1 光纖的布設工藝

對于透明混凝土的制備，光纖的布設是最關鍵的，為了將光纖均勻布設于整個試件中(以免影響試塊強度)，以往采用的布設工藝是利用帶孔的擋板定位光纖(如圖2(a)所示)，具體操作步驟是：首先將兩塊擋板靠在一起，將長度相同的光纖逐個穿入孔中，然后將兩板慢慢分離到所需要的間距，再將其安放在模具中，并壓緊模具固定模板。

圖2 塑料光纖的固定

此方法對于制作光纖體積比較小的試塊是很方便的，但對于需要制作高透光率光纖體積比較大的試塊來說，將光纖逐個穿入孔中過程比較復雜緩慢，工程量比較大。為此，本實驗中還采用了夾板固定光纖(如圖2(b)所示)的布設工藝，即：利用固定光纖間距的設備制造出光纖布置單元，用夾板將光纖兩端固定，然后將其按照所需要的形式疊放固定安裝在一起，再將其安放在模具中，并壓緊模具固定夾板，此種工藝是由單片到多片成塊的制作形式。 試件的制備。本實驗采用的透光材料是塑料光纖(POF),半徑選取分別為1.0，1.5，2.0，2.5和3.0 mm，制作試塊的尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，砂漿級配為水泥∶砂∶水=1∶2∶0.44?？紤]不同光纖間距對透光率的影響，制作了8種間距的試塊，同一間距制作3個試塊。

透明混凝土試件的制備主要包括以下步驟：1) 為了保證塑料光纖均勻地布設于整個試件中，按照前述的布設工藝進行操作，利用帶孔的擋板定位光纖時，固定兩板間距為102～105 mm(如圖2(a)所示)；利用夾板固定光纖時，固定夾板間距為102～105 mm(如圖2(b)所示)。在將布設好的光纖安放在模具中之前，要給模具刷油，并用偶聯劑處理光纖，以增強光纖與砂漿的粘附性,然后將固定好的光纖小心安放于100 mm×100 mm×300 mm模具內，夾緊模具；2)按水泥∶砂∶水=1∶2∶0.44拌制砂漿，并添加適量的減水劑，以保證其流動性；3)將拌好的砂漿迅速澆入到模具內，將其放在振動臺上振動1 min，以使模具內砂漿全部填充光纖；4)將澆注完畢后的模具表面抹平，室溫養護1 d后拆模，然后將試件在標準養護條件(溫度(20±2) ℃，相對濕度(60±5)%)下養護28 d；5)用切割機切割試塊兩個透光表面并切割整齊,且保證切割后的試塊間距為100 mm，并用粗砂紙和細砂紙將表面打磨拋光，便得到不同光纖間距的100 mm×100 mm×100 mm的透明混凝土制品(見圖3)

圖3 不同光纖間距的透明混凝土制品

Fig 3 Different fiber spacing transparent concrete products

1.1.2 透光實驗測試方法

透明混凝土的透光性能主要以其透光率來評價，而研究表明，紫外可見分光光度計或光功率計可以用來測透明混凝土的透光率，其中光功率計測透光率比較精確[9]。因此，本實驗采用美國Newport.835光功率計(見圖4)，光源采用200 W白熾燈，試件采用上文中制備的標準試件，實驗步驟如下：

1) 定位光源 首先將光源固定，由于新聞燈的光是以燈為圓心向外散射，而非平行光，因此光源必須離試件的距離足夠遠，并左右移動測試探頭，當顯示功率誤差小于2%時，可視其為平行光；

2) 標定探頭 由于兩個探頭之間的校準系數不同，實驗前必須標定探頭。首先將兩個測試探頭平行放置，然后在同一光源和波長的情況下同時記錄兩光功率計的讀數，波長范圍為400～1 100 nm，步長為20 nm，兩組測試數據的比值便是探頭在不同波長下的校正系數；

3) 劃分測試區域 為降低光纖透光性能的離散性以及布設不均勻性對透光測試的影響，隨機選取透明混凝土3個區域進行透光率的測試，每個劃分的區域要保證所覆蓋的光纖的根數是相同的；

4) 測試數據 實驗前首先將試件透光表面清潔干凈，然后固定探頭，為了保持光源的穩定，在開燈1 min之后開始讀數，重復3個選擇區域實驗，并同時記錄下同一波長下的兩個光功率探頭的數據。

5) 透光率的計算方法 透明混凝土中導光的材料是光纖，而水泥、沙石不導光，因此其透光率即為透射面塑料光纖導出的總能量與入射面接收的總能量的比值,主要計算步驟如下：

① 單位面積入射光能量

(1)

其中，ρ0為單位面積入射光能量，W0為入射探頭光能量，A0為入射探頭感光面積。

② 混凝土截面入射總能量

(2)

其中，J0為混凝土截面入射總能量，A1為混凝土截面面積。

③ 單根塑料光纖透射光功率

(3)

其中，ρ1為單根塑料光纖透射光能量，W1為透射探頭光能量，n1為透射探頭覆蓋光纖數量。

④ 透明混凝土透射光能量

(4)

其中，J1為透明混凝土透射總能量，N為透明混凝土塑料光纖總數量。

由此可得，透明混凝土的透光率為

(5)

圖4 透明混凝土透光實驗圖

2 模型建立

2.1 光纖間距的標定

模型建立之前首先要標定光纖間距，如圖5所示光纖圍成的面積固定為80 mm×80 mm，光纖半徑為R，光纖橫向間距為X，豎向間距為Y，關系式為

(N1-1)×X+2R=80

其中，N1代表橫向光纖數，且X≥2R；或(N2-1)×Y+2R=80，其中N2代表豎向光纖數，且Y≥2R。當光纖數確定之后，光纖間距也隨之確定。

圖5 光纖分布圖

ZEMAX是將實際光學系統的設計概念，優化，分析，公差以及報表集成在一起的一套綜合性的光學設計仿真軟件，可以在實踐中對所有光學系統進行設計，優化，分析。本文采用ZEMAX建立了透明混凝土透光實驗模型，建模過程如下：在ZEMAX軟件中打開Non-Sequential Mode，建立“拋物面反射鏡”，根據類型選項卡類型設置為Standard Surface(標準表面)，輸入參數；選擇Source Filament(線光源)，建立Plano-convex Lens(普萊諾-凸透鏡)，建立Rectangular Volume(混凝土結構)；建立Cylinder Volume(光纖陣列)，包括纖芯和包層，利用Replicate Object功能復制光纖，自定義所需要的光纖數，利用上述公式計算出光纖間距；建立Detector Rec(探測整流器)，點擊Analysis>Detectors>Ray Trace/Detector Control(分析>探測器>"探測器"光纖跟蹤)，通過Detector Viewer 查看光強和透過光量。

圖6 ZEMAX構建的透明混凝土透光實驗模型

Fig 6 Transparent translucent concrete test model constructed by ZEMAX

圖7 ZEMAX模擬的光在透明混凝土光纖中的全反射路徑

Fig 7 ZEMAX simulation of total reflection path of light in optical fiber

ZEMAX建立的模型見圖6，圖7顯示的是ZEMAX軟件模擬光在透明混凝土光纖中的全反射路徑。

3 結果與討論

3.1 實驗結果與分析

為了研究透明混凝土的透光和傳熱效果，分別研究了可見光波段(400～800 nm)和紅外光波段(800～1 100 nm)的透光率效果，取測量波長范圍為400～1 100 nm，步長為20 nm，實驗測得的部分實驗數據見表1(以光纖間距7 mm為例)。

表1 光纖間距7 mm的透光率實驗結果

實驗結果表明，透明混凝土的透光性能與光纖排布密度、光纖的特性、以及試塊端面的拋光程度有關。圖8(a)顯示了實驗測得光纖間距為6，7，8和9 mm透明混凝土試塊的透光率分別為2.36%，1.84%，1.42%，1.03%，由圖中可以看出，每一種光纖間距的透光率與波長的關系幾乎是一條直線，不隨波長變化，說明試塊能很好的透過可見光和紅外光，由此說明透明混凝土不僅在透過可見光方面能夠降低光能需求帶來的能源損耗，而且也能透過紅外光實現基于滿足熱能需求帶來的能源節約。由圖8(b)可以看出透光率隨光纖間距增大而降低，說明光纖排布密度越高，透光率越高，透光率隨著光纖摻量的增大而增大；在光纖間距固定的情況下，光纖直徑大的透光率高，實驗結果顯示同是間距為5 mm的試件，光纖直徑為2 mm的透光率為0.98%，而光纖直徑為3 mm的透光率為1.14%，其主要原因是起傳輸光線作用的光纖纖芯體積增大的緣故，光纖的特性包括數值孔徑和傳輸損耗，數值孔徑越大，光纖端面接收光的能力越強，傳輸損耗越低，透光率就越大。

另外，在實驗過程中發現，試塊兩端的光纖在切割后會形成毛面，產生光損耗，為了提高透光率，需要對表面進行研磨和拋光，實驗結果顯示打磨、拋光后的試塊透光率能提高2倍多，研磨、拋光程度越好，測得的透光率越高，越接近理論值。

圖8 透光率與光纖間距的關系

Fig 8 Transmittance spaced relationship with the fiber

將實驗數據與ZEMAX仿真得到的數據與進行對比(如圖8(b)所示)，由圖中可以看出在同一光纖間距的情況下實驗測試得到的透光率比ZEMAX仿真得到的透光率小，且曲線沒有ZEMAX仿真得到的數據光滑，這是由于在實驗過程中光纖發生了彎曲損耗、拋面不夠光滑以及照射光強不夠均勻等原因導致的，但是兩種數據的變化趨勢大體上是一致的,說明兩者的變化規律是相同的，而且都表明了透光率與光纖間距的關系是一條單調遞減的指數函數曲線，由此可見，本文建立預測光纖透光效能的評估預測模型的方法是可行的，能借助ZEMAX建立的模型對透明混凝土透光性能進行分析。

3.2 ZEMAX仿真結果與分析

運行ZEMAX軟件點擊Detector Viewer得到光場分布圖(如圖9所示)，圖9(a)光能量分布圖顯示了透明混凝的透光效果，表明透明混凝土中的光纖可以很好地把光線從試塊的一側傳輸到另一側，充分說明透明混凝土作為建筑材料，能將室外的光線傳輸到室內，改善室內采光，起到節約照明用電的作用；圖9(b)顯示了透明混凝土的光強分布，在實驗過程發現光纖越靠近探頭中心，收集的能量越大，越遠離探頭中心，收集的能量越小，由此可以看出光源位置、光源強度以及光纖分布陣列對透射光場的分布產生直接的影響。

為了準確刻畫透明混凝土的透光率與透光率與光纖數量、光纖半徑以及光纖布設方式的關系，利用ZEMAX軟件建立的透明混凝土光學實驗模型，在R=1 mm，X=Y的情況下，光纖數的范圍設定為5×5～27×27，代入公式(N-1)×X+2R=80，得到所對應的光纖間距；利用Replicate Object功能復制光纖，輸入光纖數，光纖間距，運行軟件，通過Detector Viewer 查看光強和透過光量，得到光纖半徑為1 mm的透明混凝土透光率，同樣方法得到光纖半徑為1.5，2.0，2.5和3.0 mm的變化曲線(如圖10所示)。

圖9 透明混凝土透射光場分布圖

Fig 9 Transparent concrete transmitted light field distribution

圖10 透光率與光纖間距的變化關系

Fig 10 The variation relationships between light transmittance and optical fiber span

圖10(a)是光纖半徑1 mm透明混凝土的透光率隨光纖間距的變化，從圖中可以看出變化曲線是一條單調遞減的指數函數曲線，表明透明混凝土透光率的大小與光纖間距有關，并且隨著間距的增大而減小，不同區間段的衰減程度不同，由圖中可以看出透光率在6 mm處出現拐點，在間距范圍3～6 mm內，透光率的值較大，衰減較快，透光率隨間距的增大急劇下降，而且研究表明透明混凝土力學性能會有所降低，需要添加鋼纖維、玻璃纖維等提高其機械性能；在間距范圍6～13 mm內，透光率的值較小，衰減較慢，而且由于光纖占得體積較小，試塊的力學性能基本不受影響。因此，對于需要將透明混凝土作為裝飾材料需要高透光率的設計者來說，可以選取光纖間距的范圍為3～6 mm，對于將透明混凝土構件作為支撐結構的設計著來說可選取光纖間距的范圍為6～13 mm。

另外，從圖中還可以看出得到的回歸曲線與數據擬合度較高，說明透光率與光纖間距的關系是條曲線，而過去得出的結論是線性的，主要原因是選取的范圍較小，此次研究范圍跨度較大，因而更能準確得到透光率與光纖間距的關系。圖10(b)顯示了光纖半徑分別為1.0，1.5，2.0，2.5，3.0 mm的變化曲線，由圖中可以看出曲線隨著半徑的增大上移，而且曲線都是單調遞減的指數函數，每種曲線的拐點不同，說明透光率還與光纖半徑有關。

圖11 透光率與光纖半徑的變化關系

Fig 11 The variation relationships between light transmittance and optical fiber radius

圖11顯示了透光率與光纖半徑的變化關系，由圖11(a)可以看出透明混凝土的透光率與光纖半徑的關系是單調遞增的指數函數關系，表明透光率隨著半徑的增大而增大，但是增長的比較緩慢，說明光纖半徑沒有光纖間距對透光率的影響大；由圖11(b)可以看出光纖陣列的排列間隔越小，透光率增長得越快，表明光纖布置的越密集而且半徑越大透光率越大。

以往對透光率的研究是在X=Y情況下，為了得到透光率與光纖間距(橫向X，豎向Y，且XY，XY)的關系，即透光率與光纖空間分布的關系，研究了間距范圍3～13 mm的透明混凝土的透光率，并得到相應的預估模型擬合關系圖(見圖12)。由圖中可以看出光纖間距越小透光率越大，在X≤6，Y≤6的范圍內，透光率隨間距的減小而增長的越快，透光效果也越高，最大能達11%；在6≤X≤13，6≤Y≤13的范圍內，透光率增長的比較緩慢，透光率較小，最大能達3%。

圖12 預估模型擬合關系圖(3～13 mm)

4 結 論

(1) 利用單片到多片成塊的制作工藝，不僅能快速均勻規則的布置光纖，而且光纖利用率，可以根據需要制作出各種光纖間距的透明混凝土。

(2) 通過將透光率的實驗數據與ZEMAX仿真數據進行對比分析，得到兩種曲線趨勢大體是一致的，說明建立的預測光纖透光效能的評估預測模型是可行的，這將為透明混凝土透光效能的分析和預測提供有力的支撐作用。

(3) 透明混凝土能夠透過可見光和紅外光，不僅在透過可見光方面能夠降低光能需求帶來的能源損耗，而且也能透過紅外光實現基于滿足熱能需求帶來的能源節約。

(4) 透明混凝土的透光性能與光纖排布密度、光纖的特性、以及試塊端面的拋光程度有關。透明混凝土的透光率隨著光纖摻量的增大而增大，在光纖間距固定的情況下，光纖直徑大的透光率高，透光率與光纖間距是單調遞減的指數函數關系，與光纖半徑是單調遞增的指數函數關系；在間距范圍3～6 mm內，透光率的值較大，衰減較快，而透明混凝土力學性能會有所降低，需要添加鋼纖維、玻璃纖維等提高其機械性能；在間距范圍6～13 mm內，透光率的值較小，衰減較慢，而由于光纖占得體積較小，試塊的力學性能基本不受影響。

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Study on transmission performance of transparent concrete

ZHOU Zhi, SHEN Juan, JIAO Siyu, YANG Mingjie, YANG Huanyu

(The State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering, Dalian University of Technology,Dalian 116024, China)

Transparent concrete, as a new style functional material, is made of a large number of fibers or transparent resin with ordinary concrete, with the characteristics of high transparency thus allowing the sunlight to penetrate through. In order to facilitate further application of transparency concrete materials and achieve the purpose of saving the fiber and concrete materials, improving the efficiency of the analysis and providing light performance analysis of reliable data, the paper established a evaluation and forecast model to assess transparent performance of transparent concrete by means of combining with the light performance test of transparent concrete and using ZEMAX for simulation of the test. It was found that light transmittance had the relationship with optical fiber type and its spatial distribution and the evaluation index and calculation method of light performance were summed up. Besides, the results show that the light performance has the relationship with the density of optical fiber configuration, fiber properties as well as the block surface polishing degree. Light transmittance through the fiber spacing span is monotonically decreasing exponential function, and the fiber radius is monotonically increasing exponential function.

transparent concrete；transmittance；ZEMAX；fiber spacing；optical test

1001-9731(2016)12-12007-07

國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)資助項目(2011CB013705)

2015-11-03

2016-03-30 通訊作者：周 智，E-mail: zhouzhi@dlut.edu.cn

周 智 (1973-)，男，湖南道縣人，教授，主要從事智能傳感器與結構健康監測研究。

TU528.38

A

10.3969/j.issn.1001-9731.2016.12.002