劉作為 宋軍超

（1 瑞金市京橋建材有限公司；2 深圳港創(chuàng)建材股份有限公司）

0 引言

近年來，隨著科技與社會(huì)的發(fā)展，混凝土行業(yè)也在不斷的進(jìn)行著發(fā)展變化，一改以往灰暗、沉悶的形象，不僅向高強(qiáng)高性能方向發(fā)展，建筑裝飾混凝土也成為傳統(tǒng)混凝土的發(fā)展趨勢(shì)。2001 年匈牙利建筑師Aron Losconczi 將玻璃纖維或塑料細(xì)絲值入傳統(tǒng)水泥基混凝土中，發(fā)明了透光混凝土[1][2]，打破了傳統(tǒng)混凝土笨重單調(diào)的感覺，給人帶來一種透明度漸變、色彩絢麗的視覺震撼。

目前國內(nèi)在透光混凝土的組成、光學(xué)性能、力學(xué)性能及制備工藝等方面的研究已取得相關(guān)研究成果[3][4]，但對(duì)光纖如何在混凝土中排布以制備不同圖案的透光混凝土還需進(jìn)一步研究。本試驗(yàn)通過將光導(dǎo)纖維與自密實(shí)活性粉末混凝土相結(jié)合，并將光纖按一定圖案進(jìn)行分布排列以制備具有一定視覺及審美效果的透光混凝土。

1 透光原理、傳輸過程及光纖含量設(shè)計(jì)

1.1 透光混凝土的原理

透光混凝土是以混凝土為基體，將透明光纖按一定比例及圖案鋪設(shè)于混凝土模板中，充分利用幾何光學(xué)四大基本定律：直線傳播定律、獨(dú)立傳播定律、反射定律及折射定律，澆注混凝土，養(yǎng)護(hù)成型。

1.2 光在光纖中的傳輸過程

采用幾何光學(xué)基本定律分析光在光纖中的傳輸特性時(shí)，只有當(dāng)光纖的幾何尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于所傳輸?shù)墓獠ㄩLλ 時(shí)，才能忽略波長長度，即光纖纖芯直徑是所傳播光波長λ 的幾十倍及以上時(shí)，其傳播對(duì)象采用幾何光學(xué)基本定律來研究。

光導(dǎo)纖維是由硅酸鹽玻璃纖維組成的纖芯和外包層的芯皮組成，如圖1 所示，纖芯的折射率（n1）＞芯皮的折射率（n2）。當(dāng)光從光密介質(zhì)（n1）入射到光疏介質(zhì)（n2）的界面上時(shí)，如果入射角i 達(dá)到和超過臨界角i=arcsin(n2/n1)時(shí)，將無折射光產(chǎn)生全部被反射原介質(zhì)的現(xiàn)象，稱為光的全反射。光導(dǎo)纖維正是利用光的全反射原理傳光的，如圖2 所示。因此，將光纖值入到混凝土基體中，大量的光纖穿透混凝土端面。此時(shí)，當(dāng)光從混凝土一個(gè)端面照進(jìn)，則可以通過光纖傳到另一端面。

圖1 光纖橫截面

圖2 光線在光纖中的傳播原理

1.3 光纖含量的設(shè)計(jì)

為保證混凝土較高的透光率，至少可以在混凝土墻體的一側(cè)看到另一側(cè)的輪廓，且不影響混凝土的力學(xué)基本性能，本試驗(yàn)設(shè)計(jì)的混凝土光纖體積含量約4%，光纖采用G.6.52 光纖，相關(guān)性能參數(shù)如表1 所示。

纖維用量計(jì)算：

若制備4×4×16cm3的混凝土，則需光纖體積：

表1 G.6.52 光纖性能參數(shù)

Vf=V×4%=4×4×16×4%≈10cm3

又Vf=d2hn×π/4

N=4Vf/（πd2h）

取d=125μm=0.0125cm

所以：N=4×10/（π×16×0.01252）=5096 根

n=N/A=3 根式中，

N——光纖根數(shù)；

d——光纖直徑（包層）124≦d≦126μm；

h——光纖長度h=16cm(剛好穿過混凝土)；

A——模具橫截面面積；

n——每平方毫米所插光纖數(shù)根數(shù)。

綜上計(jì)算可知：將上述光纖以3 根/mm2的穿插密度平行并排植入混凝土中，即光纖體積含量是4%左右。

2 試驗(yàn)材料及儀器

2.1 試驗(yàn)材料

水泥：選用P.O42.5R 普通硅酸鹽水泥；

石英砂：粒徑范圍為80～630μm，平均粒徑為250μm，W（SiO2）≧99%；

超細(xì)粉煤灰：平均粒徑6.30μm；

原粉煤灰：III 級(jí)粉煤灰，平均粒徑范圍80～45μm；

硅灰SF：W（SiO2）≈93%，平均粒徑為0.2μm；

高效減水劑（KS-JS50）：聚羧酸型高效減水劑，固含量為50%，減水率＞30%；

光纖：G.6.52 光纖，光纖穿插密度3 根/mm2，體積含量約4%。

本實(shí)驗(yàn)采用活性粉末混凝土（Reactive powder concrete，縮寫RPC）。

試驗(yàn)制備采用配合比如表2 所示：

表2 RPC 的配合比 （kg/m）3

2.2 實(shí)驗(yàn)儀器

膠砂攪拌機(jī)、膠砂試模等。

3 制備過程

3.1 制備自流平混凝土

按表2 所示混凝土的配合比準(zhǔn)備原材料，將稱好的水泥和硅灰等倒入砂漿攪拌機(jī)中干拌1min，然后加入石英砂并攪拌1min，隨后將一半高效減水劑倒入攪拌鍋慢攪2min，再加入另一半攪拌2min，最后快速攪拌4min 制備成型。

3.2 制備方法

通過多次實(shí)驗(yàn)，得出了兩種比較可行的方法，即“平鋪法”和“插秧法”。

平鋪法：

⑴將光纖剪成比模具長稍短的長度，比如14～15cm；

⑵制作光纖板，即在間隔13～14cm 的兩塊較窄的透明膠之間，將光纖以間距1mm 左右平鋪固定，如圖3所示。

圖3“光纖板”光纖平行粘在兩透明膠上

⑶取4×4×16cm 的膠砂試模刷上脫模油；

⑷在模具底部先澆灌一層攪拌好的混凝土，并用刮刀抹平，然后將事先制好的光纖板平鋪在混凝土上，再在光纖板上澆灌一層混凝土，抹平后再鋪上光纖板，如此反復(fù)，直到鋪滿整個(gè)模具。為保證較高的透光率，每層混凝土應(yīng)澆灌的盡可能單薄。

⑸樣品制成后室溫下養(yǎng)護(hù)一天，然后對(duì)樣品進(jìn)行拆模。

⑹樣品養(yǎng)護(hù)達(dá)到一定強(qiáng)度后，切除混凝土兩端1～2㎝，讓光纖穿過混凝土兩表面，可將混凝土切割成幾小塊。

插秧法：即先將混凝土澆灌于模具中，抹平后，將光纖一根一根緊密豎直插如混凝土中，故稱之為插秧法。然后將樣品在室溫下養(yǎng)護(hù)一天，拆模，達(dá)到一定強(qiáng)度后，切去上下兩表層，以便光纖全部穿透上下兩個(gè)表面。

與平鋪法不同的是，該方法可以插出圖案，更具有藝術(shù)觀賞價(jià)值，本試驗(yàn)用插秧法擦出了一個(gè)“☆”字型圖案。為做空白對(duì)比性試驗(yàn)，采用傳統(tǒng)澆灌方法在同樣條件下制備一個(gè)沒有光纖的混凝土。

4 性能檢測

4.1 透光檢驗(yàn)

將做好的三種混凝土模型之于黑暗環(huán)境中，在其一側(cè)用手電筒照射，由于普通混凝土不具有透光性，沒有光纖的混凝土無論怎樣照射都不能透光，如圖4（a)；將光纖平鋪于混凝土中制作的混凝土模型，當(dāng)用手電筒照射有光纖穿透的表面時(shí)，在光照射的另一面有光通過，如圖4(b)；當(dāng)用光照射用插秧法制成的有“☆”圖形的混凝土?xí)r，在另一側(cè)可以看到一個(gè)很亮的“☆”，如圖4(c)。

圖4

通過透光檢測說明，傳統(tǒng)混凝土不透光，然而光纖加入混凝土后卻使混凝土具有透光的特性，主要原因是光纖貫通于混凝土中，當(dāng)光從光纖的一側(cè)照進(jìn)，光在光纖中發(fā)生全反射，把一側(cè)的光傳到另一側(cè)。

4.2 強(qiáng)度檢測

拆模標(biāo)養(yǎng)7 天后對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度測試，測試結(jié)果如表3 所示。

表3 強(qiáng)度檢測結(jié)果 （MPa）

從表3 可以看出：光纖對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度影響不大，但卻可以增加混凝土的抗折強(qiáng)度，因?yàn)楣饫w可以起到纖維一樣的作用。

5 結(jié)語

透光混凝土作為一種建筑裝飾材料，現(xiàn)階段國內(nèi)外的主要制備方法主要采用的先植法，因?yàn)橄戎卜茏畲笙薅缺３只炷猎辛W(xué)性能不受影響，而對(duì)光纖如何穿插、均布及精準(zhǔn)定位的研究還比較缺乏，將成為透光混凝土日后的發(fā)展研究趨勢(shì)。

此外，由于透光混凝土在不影響傳統(tǒng)混凝土力學(xué)性能的基礎(chǔ)上，增加了傳統(tǒng)混凝土沒有的透光性能，打破了傳統(tǒng)混凝土笨重、灰暗、單調(diào)的感覺，給人帶來一種色彩絢麗的視覺震撼，具有廣闊的運(yùn)用前景。