透光混凝土的制備及其工程應用展望

胡 江，謝國棟，胡 洋

(四川華西綠舍建材有限公司，四川 成都 610051)

0 前 言

混凝土是目前人類使用最大宗的人造材料，在資源消耗日益增長的背景下，現代混凝土產品開發理念開始注重于混凝土的功能化設計，并要求其走上綠色發展的道路。因此，透水混凝土、清水混凝土、泡沫混凝土等新型建筑材料應運而生，該類材料除了具有傳統混凝土的特性外，還具有透水、裝飾、隔音、保溫隔熱等功能化作用。透光混凝土作為一種新穎而且高端的功能化建筑材料，其主要的設計理念是在傳統混凝土中加入具有導光作用的組分，使混凝土可以起到傳輸光線的作用。透光混凝土在使用時配合燈光藝術的設計，可以大大增加建筑的美觀感，使沉悶單調的混凝土結構變得輕盈活潑，已經開始應用于展覽館以及藝術館等建筑中[1]，例如：上海世博會的意大利館就是透光混凝土一次成功的工程應用(見圖1)。此外，更為重要的是，當透光混凝土應用于建筑物中后，由于其導光的特性可以很大程度地改善室內的采光程度，進而減少能源消耗，毫無疑問地符合混凝土綠色發展的要求[2]。

圖1 上海世博會意大利館

1 透光混凝土研究現狀

1.1 原材料選擇

1.1.1 導光材料

對于透光混凝土而言，其成本以及透光性能的優劣很大程度上與使用何種透光材料有關。結合目前國內外的研究現狀，常用的透光材料主要有光學纖維以及透光樹脂兩種[3]。光纖按其組成可以分為無機光纖和有機光纖。相對于有機光纖來說，無機光纖成本更高且耐堿性較弱，所以一般選擇塑料有機光纖作為導光材料用于透光混凝土中[4]。

近年來，越來越多的研究者開始關注將樹脂作為一種透光材料應用于透光混凝土中。與光學纖維相比，樹脂材料耐堿性強、韌性好、不易脆，并且具有十分明顯的價格優勢[5]。但是，同樣值得關注的是，樹脂材料具有化學性質不穩定，易老化的特點且其透光性能要弱于光學纖維，如圖2所示，在波長為380～780 nm的可見光波長范圍內，光對光學纖維的透過率要比樹脂高10%左右。

(a)光學纖維[1]

(b)透光樹脂[5]圖2 不同導光材料透光率

1.1.2 水泥基材料

通過上文介紹可知，部分導光材料是不耐堿的。因此，盡量選擇低堿性的膠凝材料用于制備透光混凝土。此外，在配制透光混凝土時，要避免使用較大的粗骨料且混凝土的流動度應當盡量的大，以接近自密實的狀態為佳。這樣可以免去混凝土振搗成型過程，進而避免了基體中預埋透光組件的移位或者損壞[6]。

1.2 制備方法

不同導光材料制備透光混凝土的工藝不同，光纖透光混凝土的制備方法主要有“先植法”和“后植法”兩種[4]。“先植法”是將設計圖案繪制或制作在半硬質或硬質材料上，按圖形打孔，將光纖預先埋入后，再澆筑水泥基材料，養護一定齡期后切割打磨，得到透光混凝土的制備方法。而后植法是在已經澆筑成型的混凝土上繪制圖案輪廓，然后打孔穿入光纖，最后灌漿固定制備出透光混凝土。以上兩種方法各有其優缺點，“后植法”可以較好地控制光纖在混凝土基體中的位置，但是工序繁瑣；“先植法”施工相對簡單，但是如何高效準確地控制預埋光纖的位置是一個亟待解決的問題。

與光纖透光混凝土的制備方法相似，樹脂透光混凝土的制備方法主要包括“預制法”和“后澆筑法”[7]。“預制法”即是先將透光樹脂預制成型并切割成相應尺寸的樹脂板，按照設計要求預先固定在模具底部，然后澆筑水泥基材料，待其硬化后切割拋光制備得到樹脂透光混凝土；“后澆筑法”是指在預先澆筑好的水泥基材料半硬化狀態下按照設計進行打孔，然后將液態樹脂澆入孔中，待樹脂和混凝土基體一起硬化后進行切割或者拋光處理，最后得到樹脂透光混凝土。

目前，國內外對透光混凝土的研究還處于起步階段，制備方法以及理論基礎還需要進一步完善和討論。此外，該類混凝土的市場應用前景同樣也值得從業人員思考。本研究選用工藝相對簡單的“先植法”分別制備了樹脂和光纖透光混凝土，討論了不同導光材料對制品的影響。考慮到工程應用中對透光材料的形狀要求可能是復雜多變的，同時也制備出了透光材料為非規則形狀的透光混凝土。最后，分析了透光混凝土的市場應用前景并且對亟待解決的問題進行了展望，以期望推進透光混凝土的規模化應用和生產。

2 制備透光混凝土

2.1 原材料

水泥：本實驗采用P·O 42.5R級水泥，其基本物化指標如表1所示。

表1 水泥基本物化指標

礦物摻合料：采用S95級礦粉以及Ⅰ級粉煤灰作為試驗用礦物摻合料。

砂：人工砂，細度模數為2.8。

減水劑：HLP復合型高效減水劑。

透光材料：試驗用透光纖維為有機玻璃(聚甲基丙烯酸甲酯PMMA)；透光樹脂為鄰苯型不飽和聚酯樹脂。

2.2 試驗方法

首先，本實驗通過自制模板預制出規則條狀以及樹脂狀不規則形狀透光樹脂備用。然后按照“先植法”的思路將有機光學纖維以及預制透光樹脂預埋入模具中，再澆筑砂漿。最后，將模具和試樣在標準條件下養護2 d后拆模。實驗配制的砂漿流動度好，能夠在自身重力的作用下較好地自動填充滿整個模具，其配合比如表2所示。其中，制備透光砂漿試樣的尺寸為160×160×40(mm)。

表2 基體砂漿配合比 單位：kg

3 結果分析

本研究制備的透光混凝土試樣如圖3所示，由圖3可知，以有機光學纖維、規則或者不規則形狀的透光樹脂為導光材料，利用預埋的方法可以很好地制備出透光混凝土。但是，從圖3可以看到，光纖以及樹脂作為透光材料對混凝土基體以及透光性有很大的影響。

首先，對比圖3(a)和圖3(b)可知，透光樹脂混凝土的基體出現了明顯的裂縫，并且樹脂與砂漿界面的結合作用較弱，而光纖透光混凝土的整體表現完好，光纖的植入沒有對混凝土基體造成明顯的缺陷。其可能原因如下：①相對于光纖，樹脂在混凝土中的植入量較大，很大程度上破壞了整個結構的整體性；②由于樹脂材料和混凝土基體之間的熱膨脹系數不同，導致兩種材料在冷熱交替的條件下產生了不同程度的收縮或者膨脹，進而造成了混凝土基體開裂；③樹脂材料有一定的吸水作用，在水泥基材料水化的同時，一部分基體中的自由水被樹脂材料吸收導致混凝土基體水化作用不充分，而樹脂在吸水的同時會引起自身體積的膨脹。當混凝土硬化后，其中的濕度減小。隨之，樹脂也會隨著濕度下降而收縮，在這雙重作用下造成了樹脂周圍的混凝土基體開裂。其次，從圖3(a)和圖3(b)中還可以看到，光纖在植入混凝土中后對光線的傳導能力要強于透光樹脂材料，這是其導光材料自身的特性導致的。最后，由圖3(c)可知，將非規則形狀的樹脂植入到混凝土中，可以制備得到較好的透光混凝土，這說明無論樹脂材料的形狀是否復雜，在用量較少的情況下，其與混凝土的結合依然較好，不會對基體造成明顯的負面影響。

(a)樹脂透光混凝土

(b)光纖透光混凝土

(c)樹脂透光混凝土(樹脂為非規則形狀)圖3 透光混凝土樣品

此外，值得注意的是，在砂漿澆筑過程中透光材料存在上浮的現象，這對透光混凝土成品的質量會造成一定的影響。

圖4和圖5分別表示在室內條件下養護1年后，樹脂透光混凝土和光纖透光混凝土的變化情況。從圖4中可以看到，與1年前的樣品對比，樹脂混凝土中的樹脂表觀顏色稍微泛黃，說明其已經開始老化。同樣從圖4中可以知，1年后的樹脂透光混凝土的透光性能隨著材料的老化也有所減弱。相反地，由圖5中可以看到對于光纖透光混凝土而言，表觀上并沒有發現明顯老化的現象，其透光性能也與1年前相當。說明光纖透光混凝土的抗老化作用要強于樹脂透光混凝土。

(a)養護前

(b)養護后圖4 室內條件養護1年后樹脂透光混凝土的變化

(a)養護前

(b)養護后圖5 室內條件養護1年后光纖透光混凝土的變化

4 應用展望

通過前文的介紹可知，透光混凝土是一種新型的建筑材料，圍繞其展開的研究和應用還在剛剛起步。對于這樣的一種材料,必須對其在未來市場中的定位以及急需解決的問題有一個清楚的認識，這樣才能夠充分發掘該材料的性能優勢，達到物盡其用的目的。

從近年來工程實踐中的經驗看來，透光混凝土主要應用于藝術建筑物中。但是眾所周知，該類建筑物數量較少，進而限制了透光混凝土的應用。目前，有研究者開始提出可以將預制透光混凝土作為普通建筑物的外裝飾墻。也有研究人員認為其可以作為一種路面材料，配合燈光使用時可以起到路面指示的作用[7-8]。除此之外，基于其特殊的性能，透光混凝土是否可以作為藝術裝飾品也值得思考，除了具有藝術性的同時，當實現批量化生產后，其成本價格以及產品質量也會成為吸引市場目光的優勢。

目前，除了市場面還未被完全打開以外，生產成本和成品質量也是制約透光混凝土得到規模化應用的主要因素。從材料組成來看，透光混凝土屬于無機-有機復合材料，這就決定其價格要高于普通混凝土，據報道，匈牙利Litracon公司的光纖透光混凝土產品價格高達2 000歐元/m3[9]。近年來，很多研究者將目光轉向樹脂透光混凝土，樹脂價格相對光纖要低，能夠有效地降低透光混凝土的成本。但是，通過上文的研究可知，樹脂相對光纖導光性能偏弱、易老化，在成型時的吸水作用可能會對基體材料造成開裂等不利影響。透光混凝土的強度特別是耐久性能不佳使其不能夠滿足許多工程場合的應用要求。然而其強度和耐久性能的劣化很大程度是由于透光材料和混凝土基體之間的界面結合不良導致的。因此，通過改善透光材料和混凝土之間的界面結合作用是提高其產品質量的一個重要思路[10]。此外，如何實現透光組分的高效預埋、以及標準化、規模化生產是提高產品質量、降低成本的有效方法，同樣也是影響未來透光混凝土大量應用的關鍵因素。

5 結 語

本文主要介紹了透光混凝土及其制備方法，并且利用“先植法”制備出了樹脂透光混凝土和光纖透光混凝土，對比了兩種透光材料對透光混凝土的影響。最后，針對透光混凝土的應用和技術現狀，對其未來的發展進行了展望。

1)透光混凝土是一種新型建筑材料，其導光組分主要有光纖和樹脂兩種材料，制備方法有“先植法”和“后植法”兩種。一般來說，“先植法”應用較為廣泛。

2)光纖透光混凝土的透光性能較好，而樹脂透光混凝土的透光性能要比光纖混凝土弱，透光材料易老化，在樹脂摻量較大時有可能對混凝土基體造成裂縫等不良影響。盡管樹脂材料可能存在一些不足。但是，其巨大的成本優勢使其具有更好的應用前景。

3)目前，透光混凝土的市場應用潛力還有待于進一步開發，與此同時，如何降低產品價格、控制以及提升產品質量將成為所有研究和從業人員亟需解決的問題。

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