透明混凝土的透光性能研究＊

周 智,申 娟，焦思雨，杨明洁，阳环宇

(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)

透明混凝土的透光性能研究＊

周 智,申 娟，焦思雨，杨明洁，阳环宇

(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)

透明混凝土作为一种新型功能材料，是由大量的光纤或透明树脂等透光材料与普通混凝土制成，具有高透明度，可透过太阳光的特点，为了便于透明混凝土材料进一步的推广应用，达到节省光纤和混凝土材料、提高分析效率、为其透光性能的分析提供可靠数据的目的，本文结合透明混凝土的透光性能实验，利用ZEMAX对透明混凝土透光实验进行仿真模拟，建立了用于预测光纤透光效能的评估预测模型，通过分析总结出透明混凝土的透光性能评价指标和计算方法以及透光率与光纤类型和空间分布的关系，并得出结论，透明混凝土的透光性能与光纤排布密度、光纤的特性以及试块端面的抛光程度有关，透光率与光纤间距是单调递减的指数函数关系，与光纤半径是单调递增的指数函数关系。

透明混凝土；透光率；ZEMAX；光纤间距；光学实验

0 引 言

近年来，节能、降耗、绿色、健康成为人们对未来建筑的追求，建筑能耗降低，将对全社会节能减排以及人类可持续发展起到重要的作用。透明混凝土作为一种各类应用广泛的全新建筑功能材料，是由大量的光纤或透明树脂等透光材料与普通混凝土制成，具有高透明度，可透过太阳光的特点，利用具有良好导光性能的光纤在混凝土两侧传输光线，使得建筑物内部获得绿色环保的自然光，不仅大大提高了建筑的采光，降低了照明能耗，而且改变了建筑墙体密实阴暗、沉闷、庞大单调的传统模式，使得建筑物具有良好的美观性和装饰性。

透明混凝土作为一种新型功能材料，凭借其良好的透光性能、感知、轻质、绝热特性以及多变的装饰效果，得到了越来越多建筑学者和科研工作者的青睐。自2001年匈牙利建筑师Aron Losonczi发明透明混凝土以来，匈牙利、德国、美国、法国、日本、比利时等国家已经开展了相关研发工作并生产了各种产品，k值高达0.18 W/m2·K 的建筑模数产品已于2009年正式面世，并作为层高大模板建材投入使用。在实际应用方面，透明混凝土已经在艺术作品、博物馆、歌剧院、图书馆、学校、室内装饰、室内隔断墙体、窗体日光遮射、城市夜景、夜间导向、街头照明等领域得到广泛的应用。目前，研究人员已对透光混凝土的构成、制作工艺、透光性能、力学性能等进行了初步的研究并取得了一定的成果，例如：2008年大连理工大学的周智教授[1-4]首先对智能透明混凝土的制备工艺、透光性能、感知性能、抗渗性进行了研究并发表相关专利；2009年，德国的Andreas Roye等[5]对透光混凝土进行了相关研究，认为透光混凝土的基本特征是透明、隔热、轻质的，具有显著的艺术效果和建筑节能的特点；2011年，南京大学的冯金龙、陈瑶对透明混凝土在建筑设计中的应用进行了研究；2012年，南昌大学的王信刚等对发光粉和光纤共同作用下的水泥基透光材料的透光性能和力学性能进行了研究，并对制备工艺进行了改进，设计出了高效、快速布置光纤的装置[7-8]；2013年，北京工业大学的李悦等研发了一种对光纤进行一定规则的纺织成型技术和光纤平行排列两种方式；另外，尹衍樑、刘锡军、陈苏里、刘小琴等其它学者对透明混凝土的制备工艺、装置设计进行了深入研究并发表了相关专利。

图1 透明混凝土的应用

上述研究主要侧重于透明混凝土的制备工艺，而对透明混凝土非常关键的问题—透光性能研究，以及对于光纤如何快速规则均匀的排布在混凝土中，如何建立用于预测光纤透光效能的评估预测模型等方面缺乏相应的较为深入的研究。2014年，北京工业大学的万玉红等发表了关于透光混凝土材料的透射光场定量分析和测试方法的专利[12]，该方法能得到透射场强度分布，却没有得到透明混凝土透光性能与光纤间距、光纤空间分布的关系。针对上述问题，本文在总结已有的研究成果的基础上，结合透明混凝土的透光实验，并利用ZEMAX对透明混凝土透光性能进行仿真模拟，建立用于预测光纤透光效能的评估预测模型，通过分析总结出透明混凝土的透光性能评价指标和计算方法及其与光纤类型和空间分布的关系，以达到节省光纤和混凝土材料、提高分析效率、为其透光性能的分析提供可靠数据的目的。

1 实 验

1.1 透明混凝土的制备

1.1.1 光纤的布设工艺

对于透明混凝土的制备，光纤的布设是最关键的，为了将光纤均匀布设于整个试件中(以免影响试块强度)，以往采用的布设工艺是利用带孔的挡板定位光纤(如图2(a)所示)，具体操作步骤是：首先将两块挡板靠在一起，将长度相同的光纤逐个穿入孔中，然后将两板慢慢分离到所需要的间距，再将其安放在模具中，并压紧模具固定模板。

图2 塑料光纤的固定

此方法对于制作光纤体积比较小的试块是很方便的，但对于需要制作高透光率光纤体积比较大的试块来说，将光纤逐个穿入孔中过程比较复杂缓慢，工程量比较大。为此，本实验中还采用了夹板固定光纤(如图2(b)所示)的布设工艺，即：利用固定光纤间距的设备制造出光纤布置单元，用夹板将光纤两端固定，然后将其按照所需要的形式叠放固定安装在一起，再将其安放在模具中，并压紧模具固定夹板，此种工艺是由单片到多片成块的制作形式。 试件的制备。本实验采用的透光材料是塑料光纤(POF),半径选取分别为1.0，1.5，2.0，2.5和3.0 mm，制作试块的尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，砂浆级配为水泥∶砂∶水=1∶2∶0.44。考虑不同光纤间距对透光率的影响，制作了8种间距的试块，同一间距制作3个试块。

透明混凝土试件的制备主要包括以下步骤：1) 为了保证塑料光纤均匀地布设于整个试件中，按照前述的布设工艺进行操作，利用带孔的挡板定位光纤时，固定两板间距为102～105 mm(如图2(a)所示)；利用夹板固定光纤时，固定夹板间距为102～105 mm(如图2(b)所示)。在将布设好的光纤安放在模具中之前，要给模具刷油，并用偶联剂处理光纤，以增强光纤与砂浆的粘附性,然后将固定好的光纤小心安放于100 mm×100 mm×300 mm模具内，夹紧模具；2)按水泥∶砂∶水=1∶2∶0.44拌制砂浆，并添加适量的减水剂，以保证其流动性；3)将拌好的砂浆迅速浇入到模具内，将其放在振动台上振动1 min，以使模具内砂浆全部填充光纤；4)将浇注完毕后的模具表面抹平，室温养护1 d后拆模，然后将试件在标准养护条件(温度(20±2) ℃，相对湿度(60±5)%)下养护28 d；5)用切割机切割试块两个透光表面并切割整齐,且保证切割后的试块间距为100 mm，并用粗砂纸和细砂纸将表面打磨抛光，便得到不同光纤间距的100 mm×100 mm×100 mm的透明混凝土制品(见图3)

图3 不同光纤间距的透明混凝土制品

Fig 3 Different fiber spacing transparent concrete products

1.1.2 透光实验测试方法

透明混凝土的透光性能主要以其透光率来评价，而研究表明，紫外可见分光光度计或光功率计可以用来测透明混凝土的透光率，其中光功率计测透光率比较精确[9]。因此，本实验采用美国Newport.835光功率计(见图4)，光源采用200 W白炽灯，试件采用上文中制备的标准试件，实验步骤如下：

1) 定位光源 首先将光源固定，由于新闻灯的光是以灯为圆心向外散射，而非平行光，因此光源必须离试件的距离足够远，并左右移动测试探头，当显示功率误差小于2%时，可视其为平行光；

2) 标定探头 由于两个探头之间的校准系数不同，实验前必须标定探头。首先将两个测试探头平行放置，然后在同一光源和波长的情况下同时记录两光功率计的读数，波长范围为400～1 100 nm，步长为20 nm，两组测试数据的比值便是探头在不同波长下的校正系数；

3) 划分测试区域 为降低光纤透光性能的离散性以及布设不均匀性对透光测试的影响，随机选取透明混凝土3个区域进行透光率的测试，每个划分的区域要保证所覆盖的光纤的根数是相同的；

4) 测试数据 实验前首先将试件透光表面清洁干净，然后固定探头，为了保持光源的稳定，在开灯1 min之后开始读数，重复3个选择区域实验，并同时记录下同一波长下的两个光功率探头的数据。

5) 透光率的计算方法 透明混凝土中导光的材料是光纤，而水泥、沙石不导光，因此其透光率即为透射面塑料光纤导出的总能量与入射面接收的总能量的比值,主要计算步骤如下：

① 单位面积入射光能量

(1)

其中，ρ0为单位面积入射光能量，W0为入射探头光能量，A0为入射探头感光面积。

② 混凝土截面入射总能量

(2)

其中，J0为混凝土截面入射总能量，A1为混凝土截面面积。

③ 单根塑料光纤透射光功率

(3)

其中，ρ1为单根塑料光纤透射光能量，W1为透射探头光能量，n1为透射探头覆盖光纤数量。

④ 透明混凝土透射光能量

(4)

其中，J1为透明混凝土透射总能量，N为透明混凝土塑料光纤总数量。

由此可得，透明混凝土的透光率为

(5)

图4 透明混凝土透光实验图

2 模型建立

2.1 光纤间距的标定

模型建立之前首先要标定光纤间距，如图5所示光纤围成的面积固定为80 mm×80 mm，光纤半径为R，光纤横向间距为X，竖向间距为Y，关系式为

(N1-1)×X+2R=80

其中，N1代表横向光纤数，且X≥2R；或(N2-1)×Y+2R=80，其中N2代表竖向光纤数，且Y≥2R。当光纤数确定之后，光纤间距也随之确定。

图5 光纤分布图

ZEMAX是将实际光学系统的设计概念，优化，分析，公差以及报表集成在一起的一套综合性的光学设计仿真软件，可以在实践中对所有光学系统进行设计，优化，分析。本文采用ZEMAX建立了透明混凝土透光实验模型，建模过程如下：在ZEMAX软件中打开Non-Sequential Mode，建立“抛物面反射镜”，根据类型选项卡类型设置为Standard Surface(标准表面)，输入参数；选择Source Filament(线光源)，建立Plano-convex Lens(普莱诺-凸透镜)，建立Rectangular Volume(混凝土结构)；建立Cylinder Volume(光纤阵列)，包括纤芯和包层，利用Replicate Object功能复制光纤，自定义所需要的光纤数，利用上述公式计算出光纤间距；建立Detector Rec(探测整流器)，点击Analysis>Detectors>Ray Trace/Detector Control(分析>探测器>"探测器"光纤跟踪)，通过Detector Viewer 查看光强和透过光量。

图6 ZEMAX构建的透明混凝土透光实验模型

Fig 6 Transparent translucent concrete test model constructed by ZEMAX

图7 ZEMAX模拟的光在透明混凝土光纤中的全反射路径

Fig 7 ZEMAX simulation of total reflection path of light in optical fiber

ZEMAX建立的模型见图6，图7显示的是ZEMAX软件模拟光在透明混凝土光纤中的全反射路径。

3 结果与讨论

3.1 实验结果与分析

为了研究透明混凝土的透光和传热效果，分别研究了可见光波段(400～800 nm)和红外光波段(800～1 100 nm)的透光率效果，取测量波长范围为400～1 100 nm，步长为20 nm，实验测得的部分实验数据见表1(以光纤间距7 mm为例)。

表1 光纤间距7 mm的透光率实验结果

实验结果表明，透明混凝土的透光性能与光纤排布密度、光纤的特性、以及试块端面的抛光程度有关。图8(a)显示了实验测得光纤间距为6，7，8和9 mm透明混凝土试块的透光率分别为2.36%，1.84%，1.42%，1.03%，由图中可以看出，每一种光纤间距的透光率与波长的关系几乎是一条直线，不随波长变化，说明试块能很好的透过可见光和红外光，由此说明透明混凝土不仅在透过可见光方面能够降低光能需求带来的能源损耗，而且也能透过红外光实现基于满足热能需求带来的能源节约。由图8(b)可以看出透光率随光纤间距增大而降低，说明光纤排布密度越高，透光率越高，透光率随着光纤掺量的增大而增大；在光纤间距固定的情况下，光纤直径大的透光率高，实验结果显示同是间距为5 mm的试件，光纤直径为2 mm的透光率为0.98%，而光纤直径为3 mm的透光率为1.14%，其主要原因是起传输光线作用的光纤纤芯体积增大的缘故，光纤的特性包括数值孔径和传输损耗，数值孔径越大，光纤端面接收光的能力越强，传输损耗越低，透光率就越大。

另外，在实验过程中发现，试块两端的光纤在切割后会形成毛面，产生光损耗，为了提高透光率，需要对表面进行研磨和抛光，实验结果显示打磨、抛光后的试块透光率能提高2倍多，研磨、抛光程度越好，测得的透光率越高，越接近理论值。

图8 透光率与光纤间距的关系

Fig 8 Transmittance spaced relationship with the fiber

将实验数据与ZEMAX仿真得到的数据与进行对比(如图8(b)所示)，由图中可以看出在同一光纤间距的情况下实验测试得到的透光率比ZEMAX仿真得到的透光率小，且曲线没有ZEMAX仿真得到的数据光滑，这是由于在实验过程中光纤发生了弯曲损耗、抛面不够光滑以及照射光强不够均匀等原因导致的，但是两种数据的变化趋势大体上是一致的,说明两者的变化规律是相同的，而且都表明了透光率与光纤间距的关系是一条单调递减的指数函数曲线，由此可见，本文建立预测光纤透光效能的评估预测模型的方法是可行的，能借助ZEMAX建立的模型对透明混凝土透光性能进行分析。

3.2 ZEMAX仿真结果与分析

运行ZEMAX软件点击Detector Viewer得到光场分布图(如图9所示)，图9(a)光能量分布图显示了透明混凝的透光效果，表明透明混凝土中的光纤可以很好地把光线从试块的一侧传输到另一侧，充分说明透明混凝土作为建筑材料，能将室外的光线传输到室内，改善室内采光，起到节约照明用电的作用；图9(b)显示了透明混凝土的光强分布，在实验过程发现光纤越靠近探头中心，收集的能量越大，越远离探头中心，收集的能量越小，由此可以看出光源位置、光源强度以及光纤分布阵列对透射光场的分布产生直接的影响。

为了准确刻画透明混凝土的透光率与透光率与光纤数量、光纤半径以及光纤布设方式的关系，利用ZEMAX软件建立的透明混凝土光学实验模型，在R=1 mm，X=Y的情况下，光纤数的范围设定为5×5～27×27，代入公式(N-1)×X+2R=80，得到所对应的光纤间距；利用Replicate Object功能复制光纤，输入光纤数，光纤间距，运行软件，通过Detector Viewer 查看光强和透过光量，得到光纤半径为1 mm的透明混凝土透光率，同样方法得到光纤半径为1.5，2.0，2.5和3.0 mm的变化曲线(如图10所示)。

图9 透明混凝土透射光场分布图

Fig 9 Transparent concrete transmitted light field distribution

图10 透光率与光纤间距的变化关系

Fig 10 The variation relationships between light transmittance and optical fiber span

图10(a)是光纤半径1 mm透明混凝土的透光率随光纤间距的变化，从图中可以看出变化曲线是一条单调递减的指数函数曲线，表明透明混凝土透光率的大小与光纤间距有关，并且随着间距的增大而减小，不同区间段的衰减程度不同，由图中可以看出透光率在6 mm处出现拐点，在间距范围3～6 mm内，透光率的值较大，衰减较快，透光率随间距的增大急剧下降，而且研究表明透明混凝土力学性能会有所降低，需要添加钢纤维、玻璃纤维等提高其机械性能；在间距范围6～13 mm内，透光率的值较小，衰减较慢，而且由于光纤占得体积较小，试块的力学性能基本不受影响。因此，对于需要将透明混凝土作为装饰材料需要高透光率的设计者来说，可以选取光纤间距的范围为3～6 mm，对于将透明混凝土构件作为支撑结构的设计着来说可选取光纤间距的范围为6～13 mm。

另外，从图中还可以看出得到的回归曲线与数据拟合度较高，说明透光率与光纤间距的关系是条曲线，而过去得出的结论是线性的，主要原因是选取的范围较小，此次研究范围跨度较大，因而更能准确得到透光率与光纤间距的关系。图10(b)显示了光纤半径分别为1.0，1.5，2.0，2.5，3.0 mm的变化曲线，由图中可以看出曲线随着半径的增大上移，而且曲线都是单调递减的指数函数，每种曲线的拐点不同，说明透光率还与光纤半径有关。

图11 透光率与光纤半径的变化关系

Fig 11 The variation relationships between light transmittance and optical fiber radius

图11显示了透光率与光纤半径的变化关系，由图11(a)可以看出透明混凝土的透光率与光纤半径的关系是单调递增的指数函数关系，表明透光率随着半径的增大而增大，但是增长的比较缓慢，说明光纤半径没有光纤间距对透光率的影响大；由图11(b)可以看出光纤阵列的排列间隔越小，透光率增长得越快，表明光纤布置的越密集而且半径越大透光率越大。

以往对透光率的研究是在X=Y情况下，为了得到透光率与光纤间距(横向X，竖向Y，且XY，XY)的关系，即透光率与光纤空间分布的关系，研究了间距范围3～13 mm的透明混凝土的透光率，并得到相应的预估模型拟合关系图(见图12)。由图中可以看出光纤间距越小透光率越大，在X≤6，Y≤6的范围内，透光率随间距的减小而增长的越快，透光效果也越高，最大能达11%；在6≤X≤13，6≤Y≤13的范围内，透光率增长的比较缓慢，透光率较小，最大能达3%。

图12 预估模型拟合关系图(3～13 mm)

4 结 论

(1) 利用单片到多片成块的制作工艺，不仅能快速均匀规则的布置光纤，而且光纤利用率，可以根据需要制作出各种光纤间距的透明混凝土。

(2) 通过将透光率的实验数据与ZEMAX仿真数据进行对比分析，得到两种曲线趋势大体是一致的，说明建立的预测光纤透光效能的评估预测模型是可行的，这将为透明混凝土透光效能的分析和预测提供有力的支撑作用。

(3) 透明混凝土能够透过可见光和红外光，不仅在透过可见光方面能够降低光能需求带来的能源损耗，而且也能透过红外光实现基于满足热能需求带来的能源节约。

(4) 透明混凝土的透光性能与光纤排布密度、光纤的特性、以及试块端面的抛光程度有关。透明混凝土的透光率随着光纤掺量的增大而增大，在光纤间距固定的情况下，光纤直径大的透光率高，透光率与光纤间距是单调递减的指数函数关系，与光纤半径是单调递增的指数函数关系；在间距范围3～6 mm内，透光率的值较大，衰减较快，而透明混凝土力学性能会有所降低，需要添加钢纤维、玻璃纤维等提高其机械性能；在间距范围6～13 mm内，透光率的值较小，衰减较慢，而由于光纤占得体积较小，试块的力学性能基本不受影响。

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Study on transmission performance of transparent concrete

ZHOU Zhi, SHEN Juan, JIAO Siyu, YANG Mingjie, YANG Huanyu

(The State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering, Dalian University of Technology,Dalian 116024, China)

Transparent concrete, as a new style functional material, is made of a large number of fibers or transparent resin with ordinary concrete, with the characteristics of high transparency thus allowing the sunlight to penetrate through. In order to facilitate further application of transparency concrete materials and achieve the purpose of saving the fiber and concrete materials, improving the efficiency of the analysis and providing light performance analysis of reliable data, the paper established a evaluation and forecast model to assess transparent performance of transparent concrete by means of combining with the light performance test of transparent concrete and using ZEMAX for simulation of the test. It was found that light transmittance had the relationship with optical fiber type and its spatial distribution and the evaluation index and calculation method of light performance were summed up. Besides, the results show that the light performance has the relationship with the density of optical fiber configuration, fiber properties as well as the block surface polishing degree. Light transmittance through the fiber spacing span is monotonically decreasing exponential function, and the fiber radius is monotonically increasing exponential function.

transparent concrete；transmittance；ZEMAX；fiber spacing；optical test

1001-9731(2016)12-12007-07

国家重点基础研究发展计划(973计划)资助项目(2011CB013705)

2015-11-03

2016-03-30 通讯作者：周 智，E-mail: zhouzhi@dlut.edu.cn

周 智 (1973-)，男，湖南道县人，教授，主要从事智能传感器与结构健康监测研究。

TU528.38

A

10.3969/j.issn.1001-9731.2016.12.002