王偉偉 陳麗娟 張育新

摘要：隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展，龐大的建筑群落和建筑間距的減小使室內(nèi)采光變差，影響了人們的居住體驗。傳統(tǒng)的混凝土建筑逐漸不能滿足現(xiàn)代人的審美情趣。為此，研究者們積極探索新型建筑材料，將透光材料摻入普通混凝土，使光能通過混凝土，旨在實現(xiàn)建筑美。這種透光的混凝土可以改善照明條件，節(jié)約能源，裝飾建筑。一般透光混凝土可分為兩種類型：纖維型和樹脂型。透光混凝土的生產(chǎn)技術(shù)主要包括先植法、后植法。然而在制備透光混凝土的過程中，透光材料與水泥基材料的粘結(jié)問題，以及水泥基材料的基本特性仍需要改進(jìn)。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，透光混凝土的力學(xué)性能確有一定程度地降低，但透光率卻有很大的提高。令人驚訝的是，透明混凝土在建筑領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。為了進(jìn)一步促進(jìn)透明混凝土的應(yīng)用，本文探討了透光混凝土的進(jìn)展、應(yīng)用進(jìn)展、生產(chǎn)技術(shù)和功能特點。

關(guān)鍵詞：透光混凝土；制備工藝；透光性能；應(yīng)用前景

中圖分類號：TU528文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1673-7164（2021）05-0150-05

基金項目：本文系重慶大學(xué)科研費專項資金項目（NSFC-廣東聯(lián)合基金重點基金-U1801254）的階段性成果。

隨著時代的發(fā)展，人們對建筑裝飾的要求已不再局限于實用性，而越發(fā)關(guān)注裝飾美觀度，不得不說，這在一定程度上考驗了當(dāng)代建筑技術(shù)的發(fā)展水平[1-2]。傳統(tǒng)混凝土可通過對建筑物的形體外貌進(jìn)行設(shè)計與規(guī)劃，達(dá)到建筑物外形美觀，可混凝土建筑往往給人一種暗沉視覺。匈牙利建筑師阿隆·羅索尼奇（Aron Losonczi）于2002年發(fā)明的透光混凝土表現(xiàn)出優(yōu)良的透光特性[3]，光在其正面和背面形成不同的視覺效果，極大增強(qiáng)了室內(nèi)自然采光效果[4-5]。透光混凝土打破混凝土沉悶蒼白的傳統(tǒng)材料形象，成為一種全新的透光裝飾性材料，在材料組成、透光原理、材料性能等方面均相異于其他透光材料。不同于玻璃材料的組成，透光混凝土是混凝土基光纖復(fù)合材料，大量的光纖以一定空間排列形式嵌入混凝土基材料中，可根據(jù)自己的需求創(chuàng)建透光區(qū)域，形式靈活多變。透光原理異于有機(jī)復(fù)合材料的基體透光，而是通過光纖達(dá)到光線在基體中傳輸?shù)哪康模梢郧逦@示物體輪廓外形，起到透光顯影的藝術(shù)效果。透光混凝土可有效呈現(xiàn)出建筑物優(yōu)雅、溫馨、通透、奇特等美學(xué)特性[6]。除此之外，透光混凝土還可被制成形狀各異、五彩斑斕的材料板塊，使建筑物獲得新穎的裝飾效果。例如：最初的弗朗哥教堂競賽模型建立[7]，上海世博會意大利館的外立面[8]，更甚于室內(nèi)家具展品[9-10]、太陽能人行道[11-12]、博物館建設(shè)[13]等。

一、透光混凝土的發(fā)展進(jìn)程

透光混凝土的發(fā)展集中體現(xiàn)在透光材料的改進(jìn)，以提升混凝土強(qiáng)度，降低制造成本為初衷，并且向智能化方向過渡。起初，導(dǎo)光性能優(yōu)異的光纖材料給予研究者設(shè)計靈感[14]。Litracon公司最先使用光纖作為透光材料[15-16]，后采用有機(jī)玻璃替代光纖，所得透光混凝土透光效果優(yōu)異，然而強(qiáng)度一直困擾研究者。Soumyajit Paul和Avik Dutta通過研究含聚碳酸酯和環(huán)氧基體的混合物的硅酸鹽混凝土[17]，以配合比1.5：1將混合物基體與砂漿混合，得到的透光混凝土具有良好的導(dǎo)光性能，與標(biāo)準(zhǔn)混凝土相比，該材料具有更大的機(jī)械強(qiáng)度性能，更低的密度，能夠應(yīng)用在結(jié)構(gòu)和建筑裝飾的各方面。與常規(guī)混凝土相比，這種混凝土并不會失去強(qiáng)度參數(shù)，而且對美學(xué)具有非常重要的意義。

包興雨等通過將亞克力生產(chǎn)廢料作為透光材料制備透光混凝土[17]，遵循節(jié)約成本，達(dá)到資源循環(huán)的目的。TRIZ提出的ENV模型[19]，用低成本透光材料取代現(xiàn)有昂貴的光纖來保證光傳輸，隨著可構(gòu)造性的提高，并通過改變現(xiàn)有的勞動密集型方法，將數(shù)以千計的光纖鋪設(shè)成一個省力的系統(tǒng)，采用一個大型的外部多孔模具實現(xiàn)批量生產(chǎn)的目標(biāo)。一般來說，光纖傳感器在平均應(yīng)變、應(yīng)力、溫度測量方面表現(xiàn)出較高的靈敏度和精度。此外，光纖傳感器是靈活可調(diào)的，可以設(shè)置為任何期望的方向[20]。高飛等研制出一種智能化的透光混凝土[21]，以塑料光纖（POF）和少量光纖光柵（FBG）為組成部分，實現(xiàn)基于塑料光纖（POF）的良好透光性能和基于光纖光柵的傳感特性的功能，在建筑物應(yīng)力傳感方面表現(xiàn)出優(yōu)良特性[22]。

意大利水泥集團(tuán)首次將樹脂摻入混凝土研制出“i.light”[23]，極大地改善了工藝成本高的問題，使量產(chǎn)成為可能；該產(chǎn)品導(dǎo)光視角開闊，從而擁有更大的光感面積[24]；Mainini等將PMMA樹脂纖維嵌入增強(qiáng)混凝土板中[24]，制得一種優(yōu)良裝飾節(jié)能效果的環(huán)保透光混凝土板。目前，耐磨性好，抗壓、抗拉伸強(qiáng)，具有抗凍性和抗熱性等特殊樹脂透光材料已成為研究者的重點研究方向[26-27]。

二、透光混凝土的性能研究

（一）力學(xué)性能及耐久性

相關(guān)實驗表明透光混凝土力學(xué)性能不及普通混凝土[28]。隨著光導(dǎo)纖維摻量的增多，透光混凝土的抗壓強(qiáng)度逐漸減小。通過大量實驗所測指出，當(dāng)光纖的摻量達(dá)4%時，透光混凝土擁有更小的質(zhì)量，且抗壓強(qiáng)度可達(dá)70MPa左右，該比例的光纖基本不影響混凝土的抗壓強(qiáng)度。因此，與普通混凝土相比，透光混凝土在低纖維含量較小下強(qiáng)度參數(shù)并不會有明顯下降，透光混凝土的透光性能和力學(xué)性能均衡達(dá)到最優(yōu)。Momin等人將透光混凝土與傳統(tǒng)混凝土進(jìn)行比較并得出結(jié)論[29]，光纖透光混凝土的抗壓強(qiáng)度在20～23N/mm2，玻璃棒的抗壓強(qiáng)度在24～26N/mm2之間，表明該透光混凝土可滿足M20級混凝土抗壓強(qiáng)度要求。Shanmugavadivu等人對透光混凝土的工作性能、抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度進(jìn)行了試驗[30]。試驗結(jié)果證明了透光混凝土的性能在各方面均優(yōu)于普通M20級混凝土。關(guān)于樹脂透光混凝土力學(xué)性能，葉栩娜以抗壓強(qiáng)度為主要指標(biāo)開展力學(xué)性能研究，確定了最佳自密實砂漿的膠砂比和水灰比。選用環(huán)氧樹脂作界面改良劑后，樹脂與混凝土界面的粘結(jié)性增強(qiáng)，力學(xué)性能也提高[31]。

KIM B通過發(fā)泡和輕質(zhì)集料來實現(xiàn)透光混凝土的可施工性和輕質(zhì)性[32]，并進(jìn)行實驗以提高其工作性能。優(yōu)化后的配合比在保證材料的優(yōu)良性能下，可以降低材料的單位重量。荷載傳遞系數(shù)分析多種材料的傳遞能力結(jié)果表明，混凝土對纖維的傳遞能力最高，其次是塑料棒。高錫鵬通過抗壓強(qiáng)度實驗[33]，發(fā)現(xiàn)樹脂透光混凝土的抗壓強(qiáng)度與導(dǎo)光分支數(shù)量呈負(fù)相關(guān)，且導(dǎo)光體對混凝土砂漿基體的彎曲強(qiáng)度有較大影響。

王信剛等采用X射線衍射儀和環(huán)境掃描電鏡研究透光混凝土[34]，實驗發(fā)現(xiàn)除了耐堿玻璃纖維（AR玻璃纖維），一般的玻璃纖維都不耐堿[35-36]。為了降低堿性混凝土對透光材料的腐蝕帶來的影響，他們選擇了低堿性的硫鋁酸鹽水泥作為基體材料。研究發(fā)現(xiàn)，透光混凝土界面處粘結(jié)不夠緊密，存在縫隙，導(dǎo)致透光混凝土力學(xué)性能下降。這是由于后植法弊端性問題，透光材料和混凝土基體粘結(jié)性差，界面處及其不穩(wěn)定，使得透光材料容易脫落，進(jìn)一步降低了透光混凝土的性能[37]。王信剛采用自密實混凝土砂漿（SCM）替代普通混凝土[38]，保證樹脂在硬化后準(zhǔn)確定位，不易發(fā)生移位。這種方法確保樹脂導(dǎo)光材料分布均勻，簡化了生產(chǎn)環(huán)節(jié)，提升產(chǎn)品的表面質(zhì)量。

（二）透光性能

光和透明度的控制一直是建筑設(shè)計和新立面解決方案創(chuàng)新的重要驅(qū)動因素。透光混凝土基于“納米透光”原理[39]，研究者發(fā)現(xiàn)[40-42]，透光混凝土的透光性與光纖摻量成正比，且透光性能受光纖的排布間距、直徑、數(shù)目等因素影響。關(guān)于透光性樹脂材料，實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，300～450 nm之間的光波[23]，其在樹脂材料中的透光率值在迅速增大，波長在500nm之后的波段，透光率值上升緩慢，800nm之后其值基本不再上升。Mainini等通過收集積分球測量來導(dǎo)出光譜光學(xué)面板的屬性[25]，測量了試樣在正常和60°之間入射角的光學(xué)性質(zhì)，并報告了光譜結(jié)果。在測量過程中收集的數(shù)據(jù)用于：創(chuàng)建和驗證面板的簡化輻射模型，并優(yōu)化仿真參數(shù)，以正確估計總內(nèi)部折射影響認(rèn)為PMMA樹脂插入使混凝土透射光顯著增強(qiáng)。

透光混凝土的理論透光性能理想，但是在實際成品中，樹脂透光混凝土的透光性能并沒有達(dá)到理論的數(shù)值。主要原因是制備樹脂塊攪拌時會產(chǎn)生大量的氣泡，干固成型后影響透光混凝土的透光性，目前較有效的方法是真空攪拌樹脂，但仍無法避免氣泡的產(chǎn)生[31]。在實際應(yīng)用方面，透光混凝土用作墻體材料，可顯著改善房間的采光。其平均采光可提升30%左右，采光均勻度提高50%左右[43-44]。

（三）熱工性能

通過對樹脂類透光混凝土熱工性能分析，高錫鵬等應(yīng)用ANSYS有限元分析軟件得出：樹脂透光混凝土基體部分邊緣區(qū)域熱流密度稍低，導(dǎo)光分支之間區(qū)域熱流密度均較高[33]。關(guān)于導(dǎo)光材料，導(dǎo)光分支內(nèi)熱流密度遠(yuǎn)低于連接部內(nèi)，而相比較連接部不同部位之間也存在一定差異。當(dāng)樹脂材料將混凝土砂漿完全隔開時，熱量傾向于匯集到樹脂層較薄處的區(qū)域?；炷粱w區(qū)域內(nèi)的熱流密度要明顯高于導(dǎo)光體區(qū)域，熱量在制品中傳遞時繞開樹脂材料后匯集在混凝土砂漿材料處。上述熱流密度所表現(xiàn)出的現(xiàn)象進(jìn)一步說明，樹脂材料的嵌入使透光混凝土制品的熱阻性相較混凝土砂漿制品有明顯的提高，而且樹脂材料的尺寸和外形的不同對成品熱阻提高幅度會產(chǎn)生影響，這也是透光混凝土相較于普通混凝土具備優(yōu)勢的進(jìn)一步表現(xiàn)。

按照國家規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)[45]，樹脂材料導(dǎo)熱系數(shù)為0.1603W/（m·K），接近國家標(biāo)準(zhǔn)，可以作為保溫材料?；炷辽皾{制品的導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到0.8944W（/m·K），保溫能力較差熱阻過低，透光混凝土制品的平均導(dǎo)熱系數(shù)可低至0.3815 W（/m·K），保溫性能接近發(fā)泡混凝土。可以進(jìn)一步說明透光混凝土具備較好的保溫隔熱效果，可作為今后建筑構(gòu)件保溫材料的研究方向。周智團(tuán)隊?wèi)?yīng)用Ecotect模擬了對裝有樹脂透光混凝土幕墻的某試驗室的熱環(huán)境[45]，以評估該樹脂透光混凝土制品的保溫隔熱性能。最終得出結(jié)論，其隔熱保溫效果接近雙層中空Low-E非遮陽玻璃，相比單層玻璃能量損耗降低10%以上。

1.光纖類透光混凝土制備方法

透光混凝土的制備方法因材而異，就光纖的植入而言，可采取先植法和后植法[46]。研究者按照光纖的排布方式，將其粗略分為光纖平行排列法[47]、紡織光纖技術(shù)[48]、光纖模具法等[49]。李悅等人采用平行排列法制作透光混凝土，其基本操作主要分為四步[50]：將混凝土砂漿澆入預(yù)制模具中；按照一定比例平行埋入光纖；輕輕振搗試模，如此反復(fù)；養(yǎng)護(hù)硬化后，采用切割、打磨和拋光等工藝得到成品。

不久，李悅等人進(jìn)一步對平行排布法進(jìn)行改進(jìn)，在其基礎(chǔ)上實現(xiàn)按照一定的規(guī)則，采用紡織多軸向經(jīng)編機(jī)將光纖編制成網(wǎng)狀或是2D纖維織物形，再將其平鋪在混凝土漿體中（需分層鋪設(shè)）[51]。隨后，提出了基于該方法的不同透光形式的透光混凝土制備方法。

2.樹脂類透光混凝土制備方法

選擇半透明樹脂作為透光材料植入混凝土所采取的方法主要是預(yù)制法和澆筑法。預(yù)制法通過將樹脂切成規(guī)則的樹脂塊，尺寸形狀與相應(yīng)模具的大小相匹配。在樹脂塊表面均勻噴涂以丙烯酸酯為基料配成的定向反光涂料，目的在于有效提高透光材料的透光率，可作為界面粘結(jié)材料間隔透光材料與混凝土基材料，達(dá)到防止混凝土砂漿對透光材料的腐蝕的效果。然后在模具底部嚴(yán)密固定好已制備的樹脂板，并緩慢澆筑預(yù)制砂漿，保證樹脂板完全嵌入混凝土砂漿中，且砂漿不能覆蓋板材表面。待砂漿固結(jié)硬化后，脫模取出樹脂透光混凝土板進(jìn)行拋光養(yǎng)護(hù)工藝，便可制成樹脂透光混凝土成品。相較于纖維類透光混凝土的生產(chǎn)工藝，預(yù)制法有效解決了導(dǎo)光材料位置不易固定帶來的影響，并且簡化了植入導(dǎo)光材料流程[36]。在該實驗中，選用環(huán)氧樹脂AB膠作為界面粘結(jié)劑，可提高樹脂材料與混凝土基體接觸界面的粘結(jié)效果，強(qiáng)度也隨之提升[38]。這種方法能夠有效地將樹脂嵌入混凝土中，確保樹脂導(dǎo)光材料分布均勻，簡化了生產(chǎn)環(huán)節(jié)，還可以保證產(chǎn)品的表面質(zhì)量。通過實驗發(fā)現(xiàn)樹脂硬化后收縮性大于水泥基體材料且易脫落，界面黏結(jié)性差、耐久性差等問題，嚴(yán)重影響了該材料的性能。其次，樹脂的粘結(jié)性很強(qiáng)，容易和很多種材質(zhì)的模具粘結(jié)，因此找到一種適合樹脂脫模的模具材料是制備透光樹脂的關(guān)鍵。由于硅膠特殊性，不易于樹脂粘結(jié)的特性，葉栩娜[23]用硅膠作為制備透明樹脂單元的模具材料，在使用時與硅膠脫模劑一起配合使用，達(dá)到較好的脫模效果。由于制備樹脂透光混凝土存在較多缺陷，隨后，研究者采用所謂“澆筑法”，類似于“后植法”：起初在模具底部加入可壓縮性材料，然后澆注配好的砂漿（添加了聚合物纖維，在砂漿配方中所用聚合物纖維是為了防止水泥固化收縮時透光樹脂和水泥接觸的位置發(fā)生開裂）；然后插入塑料片，等待其初步固化，取出塑料片，接著等待一段時間，形成孔；涂反光油漆，晾干后，將樹脂液體澆注孔中，使其和砂漿混合；固化后將透明混凝土板取出。

（二）透光混凝土性能提升探索

陳芳斌等人通過兩代共六型均布裝置[52]，改進(jìn)光纖排布工藝，通過一種光纖布置效率更高、安裝更加簡單的均布裝置，使光纖材料能均勻排布在混凝土基體中，從而更好地表現(xiàn)透光混凝土的透光性能。尋找合適的界面黏結(jié)劑，如水性丙烯酸環(huán)氧樹脂等，以提高界面粘結(jié)性。從已有的環(huán)氧樹脂得出其具有高強(qiáng)度，高韌性，固化時間短的特性，與金屬以及非金屬材料的粘結(jié)度均較高，增強(qiáng)透光材料與混凝土基體的粘附性，可極大提升混凝土抗拉強(qiáng)度和抗裂性。對樹脂類混凝土預(yù)制法而言，沒有完全解決制備過程中混凝土固化收縮差的問題。如果能在透光混凝土中摻入具有粘結(jié)性建筑功能材料，或者在生產(chǎn)工藝中加入優(yōu)于環(huán)氧樹脂AB膠的界面黏結(jié)劑，是否能有效解決硬化后樹脂塊易脫落以及抗拉強(qiáng)度低的問題呢？在材料形成時，組合物中引入的聚合物樹脂與混凝土混合物相互作用，形成致密的固化接觸區(qū)的化合物和混凝土層[53-60]。此外，可在復(fù)合黏結(jié)劑中引入有機(jī)械和化學(xué)活化的粉碎混凝土細(xì)粉和硅灰，改善混凝土配合比的硬化過程，物理性能得到保留，進(jìn)一步降低透光混凝土的成本[61]。通過計算仿真模擬，改變樹脂塊的形態(tài)或結(jié)構(gòu)，保證其各項功能特性基本不變，并且對界面黏結(jié)劑積極探索，對光纖布置和光纖定位的精細(xì)化、機(jī)械化[62]，透光混凝土的生產(chǎn)效率問題將得到極大改善。相信不久，透光混凝土的應(yīng)用必將隨生產(chǎn)效率的提高而得到大幅度的提升。目前，透光混凝土制品承載力較低，可作為圍護(hù)構(gòu)件，滿足裝飾材料力學(xué)要求，不能滿足承重構(gòu)件要求[63]。實驗得知加入纖維能明顯提高混凝土的強(qiáng)度，最高可達(dá)10%以上?；炷林屑尤脘摾w維和骨料均可成為增強(qiáng)相，特別是高強(qiáng)度鋼纖維在基體中呈現(xiàn)均勻三維亂向分布，對裂紋擴(kuò)展起著良好的阻礙作用[64-65]。如能找到其他強(qiáng)度更高的透光材料或者混凝土基體，或是將某種試劑、材料與其混合，提高骨料和導(dǎo)光體的強(qiáng)度，如在混凝土基體中摻入微細(xì)的鋼筋、燒結(jié)磚粉末等強(qiáng)度較大的建筑材料，或是某種高強(qiáng)度，顏色較淺的金屬材料，能否有效提升透光混凝土的力學(xué)性能？研究者應(yīng)繼續(xù)尋找適合的材料，應(yīng)用到透光混凝土的生產(chǎn)工藝中，以優(yōu)化透光混凝土的相關(guān)力學(xué)性能。

四、結(jié)語

隨著透光混凝土研究的進(jìn)一步發(fā)展，其在各種場景的需求將日益增加，發(fā)展前景可觀。根據(jù)目前測試所得，透光混凝土材料的透光性并不理想，透光性能表現(xiàn)不穩(wěn)定，無法保證量產(chǎn)后的產(chǎn)品透光性達(dá)到預(yù)期效果。透光混凝土的生產(chǎn)工藝存在諸多問題，生產(chǎn)方案尚未完善，生產(chǎn)效率低，產(chǎn)品多樣化較難實現(xiàn)。因此，今后需選擇優(yōu)良的透光材料，降低混凝土對透光材料強(qiáng)度的負(fù)面影響，解決透光混凝土制備工藝的缺陷，尋求更加完善的生產(chǎn)工藝，盡快解決量產(chǎn)的問題。隨著光纖技術(shù)的發(fā)展，相信透光混凝土一定會有更加廣泛的應(yīng)用。

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（責(zé)任編輯：鄒宇銘）