胡 江，謝國(guó)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(lèi)使用最大宗的人造材料，在資源消耗日益增長(zhǎng)的背景下，現(xiàn)代混凝土產(chǎn)品開(kāi)發(fā)理念開(kāi)始注重于混凝土的功能化設(shè)計(jì)，并要求其走上綠色發(fā)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(yīng)運(yùn)而生，該類(lèi)材料除了具有傳統(tǒng)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(shè)計(jì)理念是在傳統(tǒng)混凝土中加入具有導(dǎo)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(shí)配合燈光藝術(shù)的設(shè)計(jì)，可以大大增加建筑的美觀感，使沉悶單調(diào)的混凝土結(jié)構(gòu)變得輕盈活潑，已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用于展覽館以及藝術(shù)館等建筑中[1]，例如：上海世博會(huì)的意大利館就是透光混凝土一次成功的工程應(yīng)用(見(jiàn)圖1)。此外，更為重要的是，當(dāng)透光混凝土應(yīng)用于建筑物中后，由于其導(dǎo)光的特性可以很大程度地改善室內(nèi)的采光程度，進(jìn)而減少能源消耗，毫無(wú)疑問(wèn)地符合混凝土綠色發(fā)展的要求[2]。

圖1 上海世博會(huì)意大利館

1 透光混凝土研究現(xiàn)狀

1.1 原材料選擇

1.1.1 導(dǎo)光材料

對(duì)于透光混凝土而言，其成本以及透光性能的優(yōu)劣很大程度上與使用何種透光材料有關(guān)。結(jié)合目前國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，常用的透光材料主要有光學(xué)纖維以及透光樹(shù)脂兩種[3]。光纖按其組成可以分為無(wú)機(jī)光纖和有機(jī)光纖。相對(duì)于有機(jī)光纖來(lái)說(shuō)，無(wú)機(jī)光纖成本更高且耐堿性較弱，所以一般選擇塑料有機(jī)光纖作為導(dǎo)光材料用于透光混凝土中[4]。

近年來(lái)，越來(lái)越多的研究者開(kāi)始關(guān)注將樹(shù)脂作為一種透光材料應(yīng)用于透光混凝土中。與光學(xué)纖維相比，樹(shù)脂材料耐堿性強(qiáng)、韌性好、不易脆，并且具有十分明顯的價(jià)格優(yōu)勢(shì)[5]。但是，同樣值得關(guān)注的是，樹(shù)脂材料具有化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定，易老化的特點(diǎn)且其透光性能要弱于光學(xué)纖維，如圖2所示，在波長(zhǎng)為380～780 nm的可見(jiàn)光波長(zhǎng)范圍內(nèi)，光對(duì)光學(xué)纖維的透過(guò)率要比樹(shù)脂高10%左右。

(a)光學(xué)纖維[1]

(b)透光樹(shù)脂[5]圖2 不同導(dǎo)光材料透光率

1.1.2 水泥基材料

通過(guò)上文介紹可知，部分導(dǎo)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?xí)r，要避免使用較大的粗骨料且混凝土的流動(dòng)度應(yīng)當(dāng)盡量的大，以接近自密實(shí)的狀態(tài)為佳。這樣可以免去混凝土振搗成型過(guò)程，進(jìn)而避免了基體中預(yù)埋透光組件的移位或者損壞[6]。

1.2 制備方法

不同導(dǎo)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]?！跋戎卜ā笔菍⒃O(shè)計(jì)圖案繪制或制作在半硬質(zhì)或硬質(zhì)材料上，按圖形打孔，將光纖預(yù)先埋入后，再澆筑水泥基材料，養(yǎng)護(hù)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(jīng)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(yōu)缺點(diǎn)，“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(duì)簡(jiǎn)單，但是如何高效準(zhǔn)確地控制預(yù)埋光纖的位置是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。

與光纖透光混凝土的制備方法相似，樹(shù)脂透光混凝土的制備方法主要包括“預(yù)制法”和“后澆筑法”[7]?！邦A(yù)制法”即是先將透光樹(shù)脂預(yù)制成型并切割成相應(yīng)尺寸的樹(shù)脂板，按照設(shè)計(jì)要求預(yù)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(shù)脂透光混凝土；“后澆筑法”是指在預(yù)先澆筑好的水泥基材料半硬化狀態(tài)下按照設(shè)計(jì)進(jìn)行打孔，然后將液態(tài)樹(shù)脂澆入孔中，待樹(shù)脂和混凝土基體一起硬化后進(jìn)行切割或者拋光處理，最后得到樹(shù)脂透光混凝土。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)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(chǔ)還需要進(jìn)一步完善和討論。此外，該類(lèi)混凝土的市場(chǎng)應(yīng)用前景同樣也值得從業(yè)人員思考。本研究選用工藝相對(duì)簡(jiǎn)單的“先植法”分別制備了樹(shù)脂和光纖透光混凝土，討論了不同導(dǎo)光材料對(duì)制品的影響?？紤]到工程應(yīng)用中對(duì)透光材料的形狀要求可能是復(fù)雜多變的，同時(shí)也制備出了透光材料為非規(guī)則形狀的透光混凝土。最后，分析了透光混凝土的市場(chǎng)應(yīng)用前景并且對(duì)亟待解決的問(wèn)題進(jìn)行了展望，以期望推進(jìn)透光混凝土的規(guī)?；瘧?yīng)用和生產(chǎn)。

2 制備透光混凝土

2.1 原材料

水泥：本實(shí)驗(yàn)采用P·O 42.5R級(jí)水泥，其基本物化指標(biāo)如表1所示。

表1 水泥基本物化指標(biāo)

礦物摻合料：采用S95級(jí)礦粉以及Ⅰ級(jí)粉煤灰作為試驗(yàn)用礦物摻合料。

砂：人工砂，細(xì)度模數(shù)為2.8。

減水劑：HLP復(fù)合型高效減水劑。

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

2.2 試驗(yàn)方法

首先，本實(shí)驗(yàn)通過(guò)自制模板預(yù)制出規(guī)則條狀以及樹(shù)脂狀不規(guī)則形狀透光樹(shù)脂備用。然后按照“先植法”的思路將有機(jī)光學(xué)纖維以及預(yù)制透光樹(shù)脂預(yù)埋入模具中，再澆筑砂漿。最后，將模具和試樣在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)2 d后拆模。實(shí)驗(yàn)配制的砂漿流動(dòng)度好，能夠在自身重力的作用下較好地自動(dòng)填充滿整個(gè)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(jié)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(jī)光學(xué)纖維、規(guī)則或者不規(guī)則形狀的透光樹(shù)脂為導(dǎo)光材料，利用預(yù)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(shù)脂作為透光材料對(duì)混凝土基體以及透光性有很大的影響。

首先，對(duì)比圖3(a)和圖3(b)可知，透光樹(shù)脂混凝土的基體出現(xiàn)了明顯的裂縫，并且樹(shù)脂與砂漿界面的結(jié)合作用較弱，而光纖透光混凝土的整體表現(xiàn)完好，光纖的植入沒(méi)有對(duì)混凝土基體造成明顯的缺陷。其可能原因如下：①相對(duì)于光纖，樹(shù)脂在混凝土中的植入量較大，很大程度上破壞了整個(gè)結(jié)構(gòu)的整體性；②由于樹(shù)脂材料和混凝土基體之間的熱膨脹系數(shù)不同，導(dǎo)致兩種材料在冷熱交替的條件下產(chǎn)生了不同程度的收縮或者膨脹，進(jìn)而造成了混凝土基體開(kāi)裂；③樹(shù)脂材料有一定的吸水作用，在水泥基材料水化的同時(shí)，一部分基體中的自由水被樹(shù)脂材料吸收導(dǎo)致混凝土基體水化作用不充分，而樹(shù)脂在吸水的同時(shí)會(huì)引起自身體積的膨脹。當(dāng)混凝土硬化后，其中的濕度減小。隨之，樹(shù)脂也會(huì)隨著濕度下降而收縮，在這雙重作用下造成了樹(shù)脂周?chē)幕炷粱w開(kāi)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(duì)光線的傳導(dǎo)能力要強(qiáng)于透光樹(shù)脂材料，這是其導(dǎo)光材料自身的特性導(dǎo)致的。最后，由圖3(c)可知，將非規(guī)則形狀的樹(shù)脂植入到混凝土中，可以制備得到較好的透光混凝土，這說(shuō)明無(wú)論樹(shù)脂材料的形狀是否復(fù)雜，在用量較少的情況下，其與混凝土的結(jié)合依然較好，不會(huì)對(duì)基體造成明顯的負(fù)面影響。

(a)樹(shù)脂透光混凝土

(b)光纖透光混凝土

(c)樹(shù)脂透光混凝土(樹(shù)脂為非規(guī)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(guò)程中透光材料存在上浮的現(xiàn)象，這對(duì)透光混凝土成品的質(zhì)量會(huì)造成一定的影響。

圖4和圖5分別表示在室內(nèi)條件下養(yǎng)護(hù)1年后，樹(shù)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(duì)比，樹(shù)脂混凝土中的樹(shù)脂表觀顏色稍微泛黃，說(shuō)明其已經(jīng)開(kāi)始老化。同樣從圖4中可以知，1年后的樹(shù)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(duì)于光纖透光混凝土而言，表觀上并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯老化的現(xiàn)象，其透光性能也與1年前相當(dāng)。說(shuō)明光纖透光混凝土的抗老化作用要強(qiáng)于樹(shù)脂透光混凝土。

(a)養(yǎng)護(hù)前

(b)養(yǎng)護(hù)后圖4 室內(nèi)條件養(yǎng)護(hù)1年后樹(shù)脂透光混凝土的變化

(a)養(yǎng)護(hù)前

(b)養(yǎng)護(hù)后圖5 室內(nèi)條件養(yǎng)護(hù)1年后光纖透光混凝土的變化

4 應(yīng)用展望

通過(guò)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(kāi)的研究和應(yīng)用還在剛剛起步。對(duì)于這樣的一種材料,必須對(duì)其在未來(lái)市場(chǎng)中的定位以及急需解決的問(wèn)題有一個(gè)清楚的認(rèn)識(shí)，這樣才能夠充分發(fā)掘該材料的性能優(yōu)勢(shì)，達(dá)到物盡其用的目的。

從近年來(lái)工程實(shí)踐中的經(jīng)驗(yàn)看來(lái)，透光混凝土主要應(yīng)用于藝術(shù)建筑物中。但是眾所周知，該類(lèi)建筑物數(shù)量較少，進(jìn)而限制了透光混凝土的應(yīng)用。目前，有研究者開(kāi)始提出可以將預(yù)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(rèn)為其可以作為一種路面材料，配合燈光使用時(shí)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(shù)裝飾品也值得思考，除了具有藝術(shù)性的同時(shí)，當(dāng)實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)后，其成本價(jià)格以及產(chǎn)品質(zhì)量也會(huì)成為吸引市場(chǎng)目光的優(yōu)勢(shì)。

目前，除了市場(chǎng)面還未被完全打開(kāi)以外，生產(chǎn)成本和成品質(zhì)量也是制約透光混凝土得到規(guī)?；瘧?yīng)用的主要因素。從材料組成來(lái)看，透光混凝土屬于無(wú)機(jī)-有機(jī)復(fù)合材料，這就決定其價(jià)格要高于普通混凝土，據(jù)報(bào)道，匈牙利Litracon公司的光纖透光混凝土產(chǎn)品價(jià)格高達(dá)2 000歐元/m3[9]。近年來(lái)，很多研究者將目光轉(zhuǎn)向樹(shù)脂透光混凝土，樹(shù)脂價(jià)格相對(duì)光纖要低，能夠有效地降低透光混凝土的成本。但是，通過(guò)上文的研究可知，樹(shù)脂相對(duì)光纖導(dǎo)光性能偏弱、易老化，在成型時(shí)的吸水作用可能會(huì)對(duì)基體材料造成開(kāi)裂等不利影響。透光混凝土的強(qiáng)度特別是耐久性能不佳使其不能夠滿足許多工程場(chǎng)合的應(yīng)用要求。然而其強(qiáng)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(jié)合不良導(dǎo)致的。因此，通過(guò)改善透光材料和混凝土之間的界面結(jié)合作用是提高其產(chǎn)品質(zhì)量的一個(gè)重要思路[10]。此外，如何實(shí)現(xiàn)透光組分的高效預(yù)埋、以及標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)?；a(chǎn)是提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本的有效方法，同樣也是影響未來(lái)透光混凝土大量應(yīng)用的關(guān)鍵因素。

5 結(jié) 語(yǔ)

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(shù)脂透光混凝土和光纖透光混凝土，對(duì)比了兩種透光材料對(duì)透光混凝土的影響。最后，針對(duì)透光混凝土的應(yīng)用和技術(shù)現(xiàn)狀，對(duì)其未來(lái)的發(fā)展進(jìn)行了展望。

1)透光混凝土是一種新型建筑材料，其導(dǎo)光組分主要有光纖和樹(shù)脂兩種材料，制備方法有“先植法”和“后植法”兩種。一般來(lái)說(shuō)，“先植法”應(yīng)用較為廣泛。

2)光纖透光混凝土的透光性能較好，而樹(shù)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(shù)脂摻量較大時(shí)有可能對(duì)混凝土基體造成裂縫等不良影響。盡管樹(shù)脂材料可能存在一些不足。但是，其巨大的成本優(yōu)勢(shì)使其具有更好的應(yīng)用前景。

3)目前，透光混凝土的市場(chǎng)應(yīng)用潛力還有待于進(jìn)一步開(kāi)發(fā)，與此同時(shí)，如何降低產(chǎn)品價(jià)格、控制以及提升產(chǎn)品質(zhì)量將成為所有研究和從業(yè)人員亟需解決的問(wèn)題。

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