自清潔樹脂透光水泥板的性能表征與效果評價

王信剛，張晨陽，扶興國

(南昌大學建筑工程學院，南昌 330031)

0 引 言

城市高層建筑的自然采光和照明能耗問題越來越被重視，而透光水泥基材料的透光特性可顯著提高建筑自然采光并降低建筑照明能耗[1-3]。透光水泥基材料需要長時間暴露在空氣中，其表面會附著大量灰塵、水跡和污跡，從而極大影響其透光性能。因此，透光水泥基材料的自清潔問題也廣受關注[4-5]。

目前解決水泥基材料自清潔問題的方法主要是在水泥基體表面噴涂自清潔涂層或在水泥基體中添加外加劑，而在對透光水泥基材料的采光節能分析方面，主要是采用軟件進行采光節能模擬。Carmona-Quiroga等[6]采用一種納米氮摻雜的銳鈦礦型的TiO2的水性溶膠透明自清潔涂層分別噴涂在混凝土，石灰石和砂巖上研究其自清潔效率、耐久性和光降解性能，得出噴涂在混凝土上的自清潔效率、耐久性和光降解性能最好。Gao等[7]將超疏水涂層噴涂在發光水泥路面上，發現該超疏水涂層具有自清潔性能，其表面接觸角高達152.2°。Zhu等[8]將納米TiO2和黑色紅外反射顏料與水泥砂漿混合，得出一種表面具有良好熱反射和超疏水的混凝土。Weisheit等[9]在混凝土表面摻入防水劑以提高混凝土的耐久性，通過測試滲透、疏水角來評估其效果。Ahuja等[10]采用Radiance軟件分析了光纖體積摻量對透光水泥基材料的熱節能和照明節能效果的影響，得出光纖的最佳摻量為5.6%，可減少18%的能量消耗。周智等[11]采用Autodesk Ecotect Analysis軟件分析了圓柱形透光單元樹脂透光水泥基材料作為墻體時的節能效果，結果表明自然采光時間內人工照明裝置的關閉時間由23%增加至39%，節能效果明顯。但是，對透光水泥基材料自清潔性能、梯度功能設計和效果評價方面鮮有研究。

本文基于功能設計、材料優化、結構設計和功能/結構一體化四個方面，設計制備了自清潔樹脂透光水泥板，采用強度試驗、ESEM和接觸角測量儀分別表征了SRTCB的力學性能、表面微觀形貌和疏水自潔特性，同時運用Radiance、Autodesk Ecotect Analysis對SRTCB進行了采光模擬和節能分析。

1 實 驗

1.1 原材料

水泥：進賢海螺水泥有限公司P·O 42.5 MPa水泥。

骨料：贛江河砂，采用震擊式標準振篩機過篩，粒徑為0.15～1.18 mm。

高性能減水劑：南昌科創建材有限公司生產的聚羧酸高性能減水劑，固含量為20%，減水率≥25%。

透光樹脂：南通玻璃鋼復合材料廠生產的透明樹脂，外觀為全透明液體，透光率≥95%。

固化劑：南通玻璃鋼復合材料廠生產。

促進劑：南通玻璃鋼復合材料廠生產。

自清潔涂料：萊陽子西萊環保科技公司生產的SS-02型疏水涂料，為單組份乳白色液體，主要成分為水性納米SiO2。

采用先植樹脂法制備SRTCB[5]，其中預制透光樹脂單元采用的原料占比為透光樹脂∶固化劑∶促進劑=100∶2∶0.4，自密實水泥砂漿的配合比為水泥 750 g，砂750 g，高性能減水劑5.0 g，水262.5 g。

5%硫酸鈉溶液：取9.5 L蒸餾水加入無水硫酸鈉(Na2SO4) 0.5 kg并加熱至40 ℃左右，用玻璃棒攪拌使其溶解，待溶液冷卻至25 ℃可制得5%硫酸鈉溶液。

1.2 試樣制備

ESEM試樣：采用直徑45 mm、高10 mm的圓筒形塑料模具澆筑水泥凈漿和透光樹脂，其中水泥凈漿水灰比為0.4。

測量疏水角試樣：采用普通40 mm×40 mm×160 mm的三聯模澆筑水泥砂漿，樹脂試塊選擇尺寸較大扁平狀塑料模具，澆筑具有較大平整表面、較小厚度的樹脂板。完成1～2 d后待樹脂和水泥砂漿硬化后即拆模取出，對水泥砂漿板和樹脂板的表面拋光打磨。打磨完成后，在打磨的表面噴涂疏水涂層，50 ℃ 烘烤1 h，清潔樹脂試塊即可成型。

1.3 分析方法

采用深圳市蘭博三思材料檢測有限公司LD43.305抗壓抗折一體化試驗機來測試SRTCB的力學性能；采用FEI公司Quanta200型環境掃描電子顯微鏡(ESEM)觀測透光樹脂和水泥凈漿表面處的微觀形貌；采用德國KRUSS公司DSA100光學接觸角測量儀測量疏水表層的接觸角；采用美國勞倫斯伯克利國家實驗(LBNL)開發的Radiance軟件模擬SRTCB運用前后的房間視覺效果；采用英國Square One公司開發的Autodesk Ecotect Analysis軟件對SRTCB運用前后房間的光控照明節能分析。

2 SRTCB設計

基于功能設計、材料優化、結構設計和功能/結構一體化四個方面，設計制備SRTCB。

功能設計：SRTCB以自密實水泥砂漿為水泥基體，透光樹脂為導光組分，偶聯劑為界面增強組分，疏水清潔透明涂料為疏水自潔組分。圖1是SRTCB的構造圖，圖2是SRTCB的實體圖。

圖1 SRTCB的構造圖
Fig.1 Structural diagram of SRTCB

圖2 SRTCB的實物圖
Fig.2 Physical map of SRTCB

材料優化：透光樹脂由透光率≥90%的不飽和聚酯樹脂1.00份與0.01～0.03份的固化劑、0.003～0.005份促進劑經攪拌、澆注制備而成。自密實水泥砂漿的擴展度控制在(240±20) mm，抗壓強度≥75 MPa。偶聯劑選用拉伸粘結強度提高30%以上的硅烷偶聯劑。疏水透明涂料選用無色透明、不會影響到SRTCB的透明度，且疏水角能達到110°以上的涂料。

結構設計：預制透光樹脂單元進行導光結構設計以滿足不同透明度的要求，透光樹脂與水泥基體之間的界面進行改性以達到界面增強的目的。同時，采用預制先植法制備SRTCB以實現整體穩定性。

功能/結構一體化：采用預制先植法制備SRTCB實現結構整體穩定性，在SRTCB的結構設計中，引入梯度功能設計思路，以硅烷偶聯劑消除透光樹脂與自密實砂漿之間的復合界面，噴涂疏水清潔透明涂料實現疏水自潔功能，將材料的結構與功能設計統一起來，以實現SRTCB的功能/結構一體化。

3 結果與討論

3.1 力學性能

圖3 SRTCB的力學性能Fig.3 Mechanical properties of SRTCB

圖3是標養28 d和硫酸鈉溶液浸泡180 d的SRTCB抗折強度和抗壓強度。從圖3可以看出，標養28 d的SRTCB抗折強度和抗壓強度分別為10.8 MPa和75.4 MPa，滿足其強度設計要求(抗折強度≥10 MPa和抗壓強度≥70 MPa)。而在硫酸鈉溶液中浸泡180 d的SRTCB抗折強度和抗壓強度分別為10.4 MPa和72.5 MPa，下降幅度均在5%以內，說明其抗硫酸鹽侵蝕性能較好。

3.2 疏水自潔性能

3.2.1 水滴附著形貌

圖4是樹脂、水泥砂漿在噴涂疏水涂層前后其表面的水滴附著形貌，圖5是水滴沿樹脂、水泥砂漿在涂噴疏水層前后滑落水跡對比，為使水滴觀察效果更加直觀，水滴為稀釋過后的黑色墨水。從圖4(a)和圖5(a)可以看出，在未噴涂疏水層之前，水滴在樹脂表面處于完全潤濕的狀態，傾斜試塊后水滴很難滾動，傾斜角度達70°以上時水滴緩慢滑落，無處理的樹脂水滴滑落后有明顯水跡黏附在樹脂表面。噴涂疏水層后，水滴在樹脂表面團聚，試塊傾斜45°左右時水滴快速滑落且無滲入現象出現，無水跡殘留。從圖4(b)和圖5(b)可以看出，在未噴涂疏水層之前，水滴在水泥砂漿試塊表面處于完全潤濕的狀態，水滴部分滲入砂漿塊體內部，傾斜試塊后水滴很難滾動，傾斜角度達70°以上時水滴緩慢滑落，無處理的水泥砂漿表面水滴滑落后有明顯水跡黏附且會隨表面孔洞滲入砂漿內部。噴涂疏水層后，水滴在水泥砂漿塊體表面團聚，試塊傾斜45°左右時水滴快速滑落，處理的水泥砂漿表面水滴團聚滑落且無滲入現象出現，無水跡殘留。

圖4 疏水涂層處理前后水滴附著形貌
Fig.4 Attachment morphology of water droplets before and after hydrophobic coating treatment

圖5 水滴沿樹脂、水泥砂漿滑落水跡對比
Fig.5 Contrast of water droplets slipping along resin and cement mortar

3.2.2 表面微觀形貌

圖6、圖7分別是疏水涂層處理前后的樹脂和水泥凈漿經打磨后的表面微觀形貌。從圖6(a)、(b)可以看出，未噴涂疏水涂層的樹脂經打磨后表面呈現不規則粗糙狀，在噴涂疏水涂層后，樹脂粗糙表面上覆蓋了一層納米SiO2薄膜。從6(c)可以看出，納米SiO2凝膠體填充了樹脂表面的各種不規則凹陷，使其表面變得光滑。從圖7(a)、(b)可以看出，水泥凈漿經打磨后表面呈現不規則粗糙狀且存在很多微觀孔結構。在噴涂疏水涂層后，水泥凈漿粗糙表面上覆蓋了一層納米SiO2薄膜。從圖7(c)可以看出，納米SiO2凝膠體填充了水泥凈漿表面的各種不規則凹陷且大部分微觀孔結構，使水泥凈漿表面變得光滑。

圖6 疏水涂層處理前后的樹脂表面ESEM照片
Fig.6 ESEM images of resin surface before and after hydrophobic coating treatment

圖7 疏水涂層處理前后的水泥凈漿表面ESEM照片
Fig.7 ESEM images of cement paste surface before and after hydrophobic coating treatment

3.2.3 接觸角

圖8為經打磨的樹脂和水泥砂漿表面噴涂疏水涂層后在光學接觸角(CA)測量儀下拍攝的照片。從圖8(a)可以看出，在給SRTCB噴涂疏水層后，樹脂部分的CA達到114.6°，CA≥90°為疏水表面，即樹脂部分在噴涂后達到疏水要求。從圖8(b)看出，在給SRTCB噴涂疏水層后，水泥砂漿部分的CA達到104.4°，CA≥90°為疏水表面，即水泥砂漿基體部分在噴涂后達到疏水要求。

圖8 噴涂疏水層后的接觸角
Fig.8 CA after spraying hydrophobic layer

3.3 疏水自潔評價

圖9(a)為樹脂透光水泥板在噴涂疏水涂層前后其表面的水滴附著形貌(上部為噴涂前，下部為噴涂后)，為使水滴觀察效果更加直觀，水滴為稀釋過后的黑色墨水。圖9(b)、(c)為噴涂疏水涂層前后表面水滴滑落水跡對比。

圖9 SRTCB的水滴附著形貌及水滴滑落水跡對比
Fig.9 Comparison of droplet attachment morphology and droplet slipping trace of SRTCB

從圖9可以看出，在噴涂疏水涂層前，水滴在SRTCB上處于完全潤濕的狀態，且會滲入水泥砂漿基體內部。水滴粘附在SRTCB表面，水滴滑落后有明顯水跡黏附。噴涂疏水涂層的SRTCB表面的水滴都處于團聚狀態，在試塊傾斜45°左右時水滴快速滑落。其原因是SRTCB有良好的表面，均勻覆蓋了一層改性SiO2凝膠，SiO2本為親水材料，但是改性后的疏水涂層為低表面能物質，且均勻覆蓋的疏水涂層使SRTCB由粗糙表面變為光滑表面，使水滴能自由滑落。低表面能的改性SiO2賦予SRTCB以較強的疏水性能，減小各種空氣污染物的附著力，雨水沖刷可以輕易帶走SRTCB表面的污染物，起到自潔效果。

3.4 采光節能評價

3.4.1 模型的建立

圖10 安裝SRTCB的房間模型透視圖Fig.10 Installation of SRTCB room model perspective

圖10為Ecotect、Radiance軟件模擬采用的房間模型透視圖。圖10(a)、(b)模型均為一間進深3 m，橫寬2 m，高2.4 m的獨立房間模型透視圖，假定模型左右兩側銜接其他建筑，不考慮加設其他采光設施。圖10(a)模型房間單側設有800 mm×600 mm的窗口，在前后兩側墻面安裝SRTCB，而圖10(b)模型房間單側設有1 600 mm×1 600 mm的窗口，在房間進深1 m處設有寬度為1.5 m的不透光隔斷，高度與房間同。

3.4.2 采光評價

圖11、圖12分別為SRTCB室外墻體運用前后和SRTCB隔斷運用前后的Radiance模擬視覺效果圖，其中圖11(a)、(b)、(c)輸出的Radiance模擬視角為無窗口側墻壁視角。圖12(a)室內隔斷模擬效果圖輸出的Radiance視角為無窗口側墻壁視角，圖12(b)、(c)輸出的Radiance視角為天花板視角。

圖11 SRTCB室外墻體運用效果對比圖
Fig.11 Contrast chart of SRTCB outdoor wall application effect

圖12 SRTCB隔斷運用效果對比圖
Fig.12 Contrast chart of SRTCB partition effect

通過對比圖11(b)與圖11(c)，能觀測出安裝SRTCB后，室內整體亮度有明顯的提高。同時，室內光線均勻度也有明顯的改善。圖12(b)室內隔斷未安裝SRTCB與圖12(c)室內隔斷安裝SRTCB對比，能明顯觀測到安裝SRTCB后，室內隔斷背面采光效果得到了改善，基本消除光線暗角。由圖11(a)與圖12(a)可以看出SRTCB不僅能滿足采光和自潔需求，而且也提升了建筑藝術效果。作為建筑圍護材料和家庭裝飾材料都能滿足大眾的審美要求。

3.4.3 節能評價

圖13(a)、(b)分別為Autodesk Ecotect Analysis中載入南昌地區所在Ⅳ類光氣候的氣象數據，SRTCB室外墻體運用前后房間內光控照明節能分析和SRTCB隔斷運用前后隔斷后部分房間區域光控照明節能分析。其中橫坐標為采光系數，縱坐標為人工照明關閉的時間。最小照度設置為300 lx，當低于300 lx時程序自動開啟人工照明。

圖13 SRTCB在不同區域運用前后光控照明節能分析
Fig.13 Energy-saving analysis of light-controlled lighting before and after SRTCB application in different areas

從圖13(a)可以看出，未安裝SRTCB的墻體可不使用人工照明的自然采光時間占58%，而安裝SRTCB后，可不使用人工照明的自然采光時間提升至87%。從圖13(b)可以看出，在未安裝SRTCB的隔斷時，隔斷后部分房間區域要滿足300 lx照度要求需要全天開啟照明設備，即關閉人工照明的時間為0%，在安裝SRTCB的隔斷后，可關閉人工照明的自然采光時間提升至61%。假定房間使用一盞功率為18 W節能燈提供照明，若每年按365 d計，每天有效晝光利用時段為9∶00至17∶00。未安裝SRTCB的墻體和隔斷區域年用電量分別為22.08 kW·h和52.56 kW·h，安裝SRTCB的墻體和隔斷區域年用電量分別為6.83 kW·h和20.50 kW·h，則SRTCB的墻體和隔斷區域年節電量分別為15.25 kW·h和32.06 kW·h，分別節約69%和61%的電量。

4 結 論

(1)SRTCB具有良好的力學性能。標準養護28 d的抗折強度和抗壓強度分別為10.8 MPa和75.4 MPa，5%硫酸鈉溶液中浸泡180 d的抗折強度和抗壓強度分別為10.4 MPa和72.5 MPa，強度下降幅度均在5%以內。

(2)SRTCB具有良好的疏水自潔效果。樹脂部分和水泥砂漿部分在噴涂疏水層后疏水角分別達到114.6°和104.4°，水滴在SRTCB上能夠自由滑落。

(3)未安裝SRTCB的墻體和隔斷區域年用電量分別為22.08 kW·h和52.56 kW·h，安裝SRTCB的墻體和隔斷區域年用電量分別為6.83 kW·h和20.50 kW·h，則SRTCB的墻體和隔斷區域年節電量分別為15.25 kW·h和32.06 kW·h，分別節約69%和61%的電量。

(4)基于功能設計、材料優化、結構設計和功能/結構一體化四個方面制備兼具透光顯影、采光節能、疏水自潔功能的SRTCB。SRTCB不僅能滿足采光和自潔需求，而且也提升了建筑藝術效果。