树脂透光混凝土制品的制备及其节能效果研究*

周　智，高锡鹏，申　娟，李忠华，阳环宇

(1.大连理工大学 土木工程学院,辽宁 大连 116024; 2.大连理工大学 海岸和近海工程国家重点实验室,辽宁 大连 116024)



树脂透光混凝土制品的制备及其节能效果研究*

周智1,2，高锡鹏1，申娟1，李忠华1，阳环宇1

(1.大连理工大学 土木工程学院,辽宁 大连 116024; 2.大连理工大学 海岸和近海工程国家重点实验室,辽宁 大连 116024)

新型建筑材料的发展是推动绿色节能建筑发展的重要引擎，本文根据树脂材料的透光特性，设计了1种新型树脂透光混凝土制品，借助Autodesk Ecotect Analysis软件对使用该树脂透光混凝土制品的某实验室采光情况和光控照明装置的关闭时间进行了分析，以评估该型树脂透光混凝土制品的节能效果。结果表明，使用该透光混凝土制品后，房间内平均采光系数可提升30%，采光均匀度提升51%，自然采光时间内人工照明装置的关闭时间由23%增加至39%，节能效果明显。

树脂透光混凝土制品；透光性能；Autodesk Ecotect Analysis；节能效果

0　引　言

随着我国城市化进程的推进，城市建设用地资源日益紧缺，使得新生建筑物趋向于超高层和高密集度的方向发展[1]。重峦叠嶂的建筑群会影响建筑的自然采光，尤其对于进深很大的巨型建筑和不能朝阳的房间,即使天气晴朗,室内也昏暗阴沉,无形之中增加了人工照明的电能损耗[2]。为了节约照明能耗，透光混凝土应运而生。

最早的研究始于2003年，匈牙利建筑师AronLosonczi首次提出了光纤透光混凝土的概念，通过在传统的钢筋混凝土中加入导光的光纤束,实现了混凝土的透明特性，既节约电能又有装饰效果[3]。然而，将光纤作为导光体的成本昂贵，且光纤的布设工艺复杂，阻碍了透明混凝土的规模化生产及推广制造应用。鉴于此，意大利水泥集团在2010年研发出了1种用透明树脂做导光体的新型透光混凝土[4]，即将预先成型的树脂埋置在细石混凝土中，以达到透光效果。随后，意大利水泥集团将其产品化，并应用在了上海世博会上的意大利馆中，受到国内外学者的广泛关注[5]。相对而言，国内对树脂透明混凝土的研究较为迟缓。2011年，比亚迪股份有限公司提出了1种树脂透明混凝土的生产工艺[6]，即先在半硬化的混凝土中打孔，后浇筑树脂。2014年，南昌大学的王信刚提出了1种先利用模具预制导光体，后将其埋置于混凝土中的方法[7]。上述方法均能实现树脂透明混凝土的生产，但导光体的成型工艺较为粗糙，生产效率较低，且质量得不到保障，难以形成制品，从而不易对其透光性能做出较系统的评价。此外，从视觉角度，透明树脂具有与玻璃相同的透光效果，且相对于光纤透明混凝土能较容易地获得高感光面积比。如果能够高效地制得树脂透光混凝土制品且获悉其透光性能，将会推动树脂透光混凝土在建筑结构的应用，进而减少人工照明时间，有效节省电能。

鉴于此，本文通过透光率实验研究了透明树脂材料的透光特性，进而根据其特性设计出具有合理结构形式的透明混凝土制品，同时应用AutodeskEcotect Analysis软件对大连理工大学某实验室的采光情况进行模拟，对比其外墙在应用树脂透光混凝土制品前后的采光效果，分析了应用树脂透光混凝土制品对人工照明时间的影响。

1　透明树脂材料透光性能研究

树脂透光混凝土制品以透明树脂作为导光体，透明树脂的透光率直接决定树脂透光混凝土制品的透光性能。现有透光率较好的透明树脂包括不饱和聚酯树脂和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。其中，PMMA由于流动温度高于100℃，导光体的成型对加工环境条件要求较高[8]，而不饱和聚酯树脂在常温下即可成型，且成型后透光率与PMMA相近。因此，本文选用不饱和聚酯树脂生产导光体，将导光单元设计为柱状分支，并对柱状的透明树脂制品进行一系列透光性能测试。

1.1实验装置介绍

如图1所示，实验以LED强光灯作为光源，采用Newport 2832-C双通道光功率计以及两个818-SL探头分别测量试件的入射及透射光功率。其中，818-SL探头感光面积为1 cm2，可以探测400～1 100 nm范围的波长，通过计算透射光功率与入射光功率之比获得材料的透光率。具体实验步骤如下：

(1)探头调零。利用双通道光功率计所测得的光功率计算透光率的前提是两个通道的初始状态完全一致，因此需要在测试之前对两个探头在同等光源条件下进行调零设置。

(2)放置试件及探头。将两个探头一前一后置于试件两侧，探头感光面均朝向光源一侧且感光面要与试件的前后两平面(两透光侧面)平行，为了避免入射探头遮挡光线，需将入射探头置于入射面的一侧。

图1　透光率测试装置

(3)定位光源。透光率的计算是通过透射光功率与入射光功率之比获得的，而两探头沿光线入射方向不在同一直线上，因此需保证到达探头的光线近似为平行光。前期测试表明，若光源置于两探头的垂直平分线上，且光源离探头距离超过2 m时，所测透光率趋于稳定，如图2所示。因此，本文在后续实验中将光源定位于两探头的垂直平分线上，距探头约3 m处。

图2　光源与探头间距离对透光率的影响

Fig 2 Effect of distance between the light sources and the sensor on the transmission

1.2不同波长光线透光率研究

选取截面直径为22 mm、长度分别为20，60和105 mm的圆柱棒，采用上述装置及步骤分别测量不同波长下的入射功率及透射功率，进而求得不同波长条件下试件的透光率，其分布规律如图3-5所示。由图3和4可知，在400～1 000 nm波长范围内，随着波长的增加(电磁波频率减小)，入射及透射光功率值均呈减小趋势，这与光量子假说结论是一致的。但在1 000～1 200 nm范围内，由于LED强光灯有近70%的辐射是红外线，且波长为1 100 nm的波段处辐射能量最强[9]，光功率急剧增大。虽然各波长段光功率值有差异，但入射光与透射光的变化规律一致性较好。此外，图5更清晰地显示：在可见光范围内，各波长范围透光率基本一致，而1 000 nm以外的红外光透过率则明显提高。

图3　不同长度试件可见光入射光功率与波长的关系

Fig 3 Relationship between wavelength and incident optical power of specimens with different length

图4　不同长度试件可见光透射功率与波长的关系

Fig 4 Relationship between wavelength and transmitted light power of specimens with different length

图5　不同长度试件可见光透光率与波长的关系

Fig 5 Relationship between wavelength and light transmittance of specimens with different length

1.3柱状透明树脂制品透光率随长度的衰减规律

树脂不同于光纤，光线在树脂内不能实现全反射，因此透光率会随着制品长度(厚度)的增加而降低。为了探究这种衰减规律，进而为导光分支长度的设计提供足够参考，本文测量了一系列不同长度、不同截面尺寸的树脂棒的透光率(此处的透光率为各波长的总透光率，即试件不同波长透射光功率之和与入射光功率之和的比值)，并对所测数据进行线性拟合，得到图6所示的结果。

图6　试件透光率随长度的衰减规律

Fig 6 Effect of specimen length on the light transmittance

由图6可知，树脂棒的透光率最高可达93%，且随长度的增加而衰减，当试件长度超过100 mm时，透光率将低于60%，因此，在应用该类树脂制作透光混凝土制品时，制品不宜过厚。图6所示试件透光率与试件截面尺寸虽没有明显的规律，但在制作试件过程中发现，截面尺寸越小，试件质量越不稳定，透光率波动较大，因此导光分支截面不宜太小。本文中，为使透光混凝土制品有较高的透光率，同时尽可能地保证其材料均质的特性，所设计的导光体分支长度为20 mm，导光分支直径为15 mm。由图6可知，该种尺寸的导光体透光率约为87%。

2　树脂透光混凝土制品的研制

树脂透光混凝土是通过将预制的树脂类导光体埋置在水泥基体中而得到的，如图7所示，其工艺流程包括导光体设计及母模制作、模具制作、导光体成形和埋入水泥基体4步，其中，树脂导光体的预制是树脂透明混凝土的核心环节。

图7　树脂透光混凝土制品模型

2.1导光体设计

依据上述透明树脂材料透光性能研究的结论，本文中所研制透光混凝土制品为200 mm×200 mm×20 mm的薄板，导光体的导光分支截面直径为15 mm。同时，为了将各导光体分支连为一个整体，在中间设置了厚度为6 mm的连接部。由于该种透明树脂的导热系数低于0.2 W/(m·K)，可作保温材料使用，连接部的存在可保证该混凝土良好的热工性能。

2.2模具制作

硅胶模具具有耐腐蚀、抗撕拉性强、仿真精度高、便于树脂类制品脱模等特点[10-11]，是制作树脂导光体的首选。本文采用自主研发的装置及方法，可在硅胶模具的任意位置设置分模线，即便是较复杂形式的导光体，脱模也极为方便。同时，硅胶模具韧性好，在脱模的过程中对模具损耗小，可重复使用，降低了树脂导光体的生产成本。图8为自主设计的装置及制作完成的硅胶模具。

图8　模具制作装置及硅胶模具

2.3导光体成型

本例所选用树脂需与固化剂和促进剂混合使用，而试剂配比会决定树脂制品的透光效果、固化时间以及制品强度，因此需通过试配确定最佳配比。在硅胶模具制作完成后，只需将配制好的液态树脂沿其中的一孔缓缓倒入，由于硅胶模具内部为连通器构造(上端开口，底部联通)，在灌注树脂时模具各孔树脂液面会同步上升。待导光体完全固化后，将导光体置于混凝土模具中浇筑水泥砂浆，养护后将两导光侧面打磨光滑并抛光，树脂透明混凝土便制作完成，该种透光混凝土制品整体透光率为25%左右，实体图如图9、10所示。

图9　树脂透光混凝土制品

图10　光源下的树脂透光混凝土制品

Fig 10 Resin translucent concrete product under the light

3　树脂透光混凝土制品的节能效果研究

为了评估上述制品的节能效果，本文以大连理工大学某实验室为研究对象，利用AutodeskEcotect Analysis软件模拟该实验室在采用该透光混凝土制品前后的采光情况，同时对两者进行了光控照明节能分析。

3.1模型建立

该实验室开间6.9 m、进深7.5 m、高3.6 m，位于整栋建筑的四楼东侧，面朝东开有两个2.1 m×2.1 m的铝合金窗，窗台高度0.9 m，窗距外墙面0.3 m，东侧无遮挡建筑。

为了便于建模，本文做了如下3点简化：

(1)因实验室内部布置较为简洁，实验仪器较少，因此不考虑室内存放物的影响。

(2)在屋顶处设置一外伸0.3 m的坡屋顶，以模拟窗距外墙面0.3 m的效果。

(3)以窗的概念模拟混凝土制品的导光分支，相当于每块透光混凝土上装有64扇透光率为87%的小窗户，同时将圆形的导光分支按等面积转化为方形，以便于建模。

图11(a)和(b)分别为未使用和使用透光混凝土制品的模型。图11(b)中使用了209块树脂透光混凝土制品，因此在该模型东侧墙中插入2个铝合金窗和13 376个树脂窗。计算前在计算平面上划分网格，本例中计算平面取室内高0.8 m处，为避免墙面反射影响，网格四周距墙边1 m。

图11　实验室模型

3.2数值求解

3.2.1模型有效性评估

为了研究利用该软件求解结果的准确性，首先对比了该实验室不同区域全阴天条件下[12]4个时间点的实测平均采光系数与软件模拟计算系数，取样点分布如图12所示，位于房间东南角，共计32个点，4个时间点为10:00、11:00、14:00和15:00。图13所示为计算结果曲线。由图13可知，实测结果与模拟结果在部分取样点上数值虽稍有差异，但总体变化规律一致，即这种误差不会对分析结果产生质的影响，因此可以用该软件进行后续分析。

图12　采光系数测点分布示意图

Fig 12 Measuring points distribution diagram of daylight factor

图13　实测采光系数与模拟采光系数对比图

Fig 13 Comparison diagram of measuring daylight factor and simulated daylight factor

3.2.2改善采光效果分析

利用如图11所示的模型分别模拟某实验室在使用树脂透光混凝土时与未使用时的采光情况，通过对比两者的采光系数及采光均匀度来评估树脂透光混凝土的节能效果，模拟结果如图14所示。

图14　某实验室采光系数分布图(%)

由图14可知，未使用透光混凝土时，该实验室内采光系数>2%的节点占总节点数的7%，即在全阴天情况下有7%的区域可以不使用人工照明而能达到使用要求，最小采光系数为0.64%，平均值为1.31%，采光均匀度为0.49；而使用树脂透光混凝土后，室内采光系数>2%的节点占总节点数的21%，最小采光系数为1.26%，平均值提升至1.70%，采光均匀度为0.74。

综上所述，树脂透光混凝土制品的使用不仅可以大幅提升室内采光系数，而且对采光均匀度也有明显改善。因此，该型树脂透光混凝土制品可以显著改善室内采光水平。

3.2.3光控照明节能分析

根据我国最新颁布的建筑采光设计标准规定，教育类建筑的侧面采光系数不应低于3%，照明度不低于450Lux[13]，高于该实验室天然光采光能力，因此需要安装人工辅助照明设施。透光混凝土制品的使用虽然不能使该实验室在正常采光时间段内完全脱离人工照明，但可以有效缩短照明装置的开启时间，从而实现其节能作用。

光控照明节能分析是通过比较照明装置关闭时间占自然采光时间的比率大小来评估节能效果[14]，可方便地利用Autodesk Ecotect Analysis的高级采光分析功能实现。本节即通过对比使用树脂透光混凝土前后该实验室的光控照明节能分析结果来评估树脂透光混凝土的节能效果。

如图15(a)所示，在未使用透光混凝土时，如果采用开关式光控照明设备，在计算照度450Lux的情况下，将会有23%左右的自然采光时间可以关闭人工照明设备；使用透光混凝土后，自然采光时间内关闭照明设备的时间可以提升至39%，节能效果明显。

图15　光控照明节能分析图

Fig 15 Optical control of lighting energy-saving analysis diagram

4　结　论

本文首先研究了不饱和聚酯树脂材料固化后的透光特性，同时根据其特性设计了具有特定形式的导光体，其次应用自主设计的装置和方法制备出了树脂透光混凝土制品，最后应用AutodeskEcotect Analysis软件分析了该型混凝土制品的节能效果。在此过程中，得到如下结论：

(1)不饱和聚酯树脂材料在100 mm厚度以内具有优异的透光性能，透光率可高达93%，当厚度超过100 mm时，透光率低于60%，因此，不饱和聚酯树脂可用于生产透光混凝土的导光体，但制品厚度不宜超过100 mm。

(2)硅胶模具具有耐腐蚀，抗撕拉性强，仿真精细高，便于树脂类制品脱模等特点，因此在选用树脂材料生产导光体时，优选硅胶模具。

(3)树脂透光混凝土制品的节能效果可借助AutodeskEcotect Analysis软件模拟实现，借用窗的定义将每个导光单元嵌入进模型中，可实现对使用树脂透光混凝土制品的房间建模。

(4)树脂透光混凝土制品的使用可显著改善房间的采光情况。以本文为例，使用透光混凝土制品代替普通外墙后，房间内平均采光系数可提升30%，采光均匀度提升51%，进而可缩短人工照明装置的启用时间。

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Preparation and energy-saving effect evaluation of resin translucent concrete product

ZHOU Zhi1,2,GAO Xipeng1,SHEN Juan1,LI Zhonghua1,YANG Huanyu1

(1.School of Civil Engineering,Dalian University of Technology,Dalian 116024,China; 2.State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering,Dalian University of Technology, Dalian 116024,China)

Development of new building materials is an important engine to promote the development of green energy efficient building.Based on the light transmission properties of the resin material,we designed a new type of resin translucent concrete products.In order to evaluate the energy saving effect of this type of resin translucent concrete products,we analyzed the lighting conditions and turn-off time of illumination devices of a laboratory that used the resin translucent concrete products with the help of Autodesk Ecotect Analysis software.The results show that after using the light-transmitting concrete products,the average daylight factor of the room can be increased by 30%; lighting uniformity upgrade 51%; the close time of artificial lighting devices within the natural light service period increased from 23% to 39%.

resin translucent concrete products; transmittance properties; Autodesk Ecotect Analysis; energy saving effect

1001-9731(2016)09-09017-06

国家重点基础研究发展计划(973计划)资助项目(2011CB013705)

2015-08-05

2016-03-11 通讯作者：周智，E-mail:zhouzhi@dlut.edu.cn

周智(1973-)，男，湖南道县人，教授，从事结构健康监测、FRP工程加固及绿色建筑等研究。

TU528

ADOI:10.3969/j.issn.1001-9731.2016.09.004