透光混凝土的制备及其工程应用展望

2020-12-01谢国栋

四川建材 2020年11期

胡江，谢国栋，胡洋

(四川华西绿舍建材有限公司，四川成都 610051)

0 前言

混凝土是目前人类使用最大宗的人造材料，在资源消耗日益增长的背景下，现代混凝土产品开发理念开始注重于混凝土的功能化设计，并要求其走上绿色发展的道路。因此，透水混凝土、清水混凝土、泡沫混凝土等新型建筑材料应运而生，该类材料除了具有传统混凝土的特性外，还具有透水、装饰、隔音、保温隔热等功能化作用。透光混凝土作为一种新颖而且高端的功能化建筑材料，其主要的设计理念是在传统混凝土中加入具有导光作用的组分，使混凝土可以起到传输光线的作用。透光混凝土在使用时配合灯光艺术的设计，可以大大增加建筑的美观感，使沉闷单调的混凝土结构变得轻盈活泼，已经开始应用于展览馆以及艺术馆等建筑中[1]，例如：上海世博会的意大利馆就是透光混凝土一次成功的工程应用(见图1)。此外，更为重要的是，当透光混凝土应用于建筑物中后，由于其导光的特性可以很大程度地改善室内的采光程度，进而减少能源消耗，毫无疑问地符合混凝土绿色发展的要求[2]。

图1 上海世博会意大利馆

1 透光混凝土研究现状

1.1 原材料选择

1.1.1 导光材料

对于透光混凝土而言，其成本以及透光性能的优劣很大程度上与使用何种透光材料有关。结合目前国内外的研究现状，常用的透光材料主要有光学纤维以及透光树脂两种[3]。光纤按其组成可以分为无机光纤和有机光纤。相对于有机光纤来说，无机光纤成本更高且耐碱性较弱，所以一般选择塑料有机光纤作为导光材料用于透光混凝土中[4]。

近年来，越来越多的研究者开始关注将树脂作为一种透光材料应用于透光混凝土中。与光学纤维相比，树脂材料耐碱性强、韧性好、不易脆，并且具有十分明显的价格优势[5]。但是，同样值得关注的是，树脂材料具有化学性质不稳定，易老化的特点且其透光性能要弱于光学纤维，如图2所示，在波长为380～780 nm的可见光波长范围内，光对光学纤维的透过率要比树脂高10%左右。

(a)光学纤维[1]

(b)透光树脂[5]图2 不同导光材料透光率

1.1.2 水泥基材料

通过上文介绍可知，部分导光材料是不耐碱的。因此，尽量选择低碱性的胶凝材料用于制备透光混凝土。此外，在配制透光混凝土时，要避免使用较大的粗骨料且混凝土的流动度应当尽量的大，以接近自密实的状态为佳。这样可以免去混凝土振捣成型过程，进而避免了基体中预埋透光组件的移位或者损坏[6]。

1.2 制备方法

不同导光材料制备透光混凝土的工艺不同，光纤透光混凝土的制备方法主要有“先植法”和“后植法”两种[4]。“先植法”是将设计图案绘制或制作在半硬质或硬质材料上，按图形打孔，将光纤预先埋入后，再浇筑水泥基材料，养护一定龄期后切割打磨，得到透光混凝土的制备方法。而后植法是在已经浇筑成型的混凝土上绘制图案轮廓，然后打孔穿入光纤，最后灌浆固定制备出透光混凝土。以上两种方法各有其优缺点，“后植法”可以较好地控制光纤在混凝土基体中的位置，但是工序繁琐；“先植法”施工相对简单，但是如何高效准确地控制预埋光纤的位置是一个亟待解决的问题。

与光纤透光混凝土的制备方法相似，树脂透光混凝土的制备方法主要包括“预制法”和“后浇筑法”[7]。“预制法”即是先将透光树脂预制成型并切割成相应尺寸的树脂板，按照设计要求预先固定在模具底部，然后浇筑水泥基材料，待其硬化后切割抛光制备得到树脂透光混凝土；“后浇筑法”是指在预先浇筑好的水泥基材料半硬化状态下按照设计进行打孔，然后将液态树脂浇入孔中，待树脂和混凝土基体一起硬化后进行切割或者抛光处理，最后得到树脂透光混凝土。

目前，国内外对透光混凝土的研究还处于起步阶段，制备方法以及理论基础还需要进一步完善和讨论。此外，该类混凝土的市场应用前景同样也值得从业人员思考。本研究选用工艺相对简单的“先植法”分别制备了树脂和光纤透光混凝土，讨论了不同导光材料对制品的影响。考虑到工程应用中对透光材料的形状要求可能是复杂多变的，同时也制备出了透光材料为非规则形状的透光混凝土。最后，分析了透光混凝土的市场应用前景并且对亟待解决的问题进行了展望，以期望推进透光混凝土的规模化应用和生产。

2 制备透光混凝土

2.1 原材料

水泥：本实验采用P·O 42.5R级水泥，其基本物化指标如表1所示。

表1 水泥基本物化指标

矿物掺合料：采用S95级矿粉以及Ⅰ级粉煤灰作为试验用矿物掺合料。

砂：人工砂，细度模数为2.8。

减水剂：HLP复合型高效减水剂。

透光材料：试验用透光纤维为有机玻璃(聚甲基丙烯酸甲酯PMMA)；透光树脂为邻苯型不饱和聚酯树脂。

2.2 试验方法

首先，本实验通过自制模板预制出规则条状以及树脂状不规则形状透光树脂备用。然后按照“先植法”的思路将有机光学纤维以及预制透光树脂预埋入模具中，再浇筑砂浆。最后，将模具和试样在标准条件下养护2 d后拆模。实验配制的砂浆流动度好，能够在自身重力的作用下较好地自动填充满整个模具，其配合比如表2所示。其中，制备透光砂浆试样的尺寸为160×160×40(mm)。

表2 基体砂浆配合比单位：kg

3 结果分析

本研究制备的透光混凝土试样如图3所示，由图3可知，以有机光学纤维、规则或者不规则形状的透光树脂为导光材料，利用预埋的方法可以很好地制备出透光混凝土。但是，从图3可以看到，光纤以及树脂作为透光材料对混凝土基体以及透光性有很大的影响。

首先，对比图3(a)和图3(b)可知，透光树脂混凝土的基体出现了明显的裂缝，并且树脂与砂浆界面的结合作用较弱，而光纤透光混凝土的整体表现完好，光纤的植入没有对混凝土基体造成明显的缺陷。其可能原因如下：①相对于光纤，树脂在混凝土中的植入量较大，很大程度上破坏了整个结构的整体性；②由于树脂材料和混凝土基体之间的热膨胀系数不同，导致两种材料在冷热交替的条件下产生了不同程度的收缩或者膨胀，进而造成了混凝土基体开裂；③树脂材料有一定的吸水作用，在水泥基材料水化的同时，一部分基体中的自由水被树脂材料吸收导致混凝土基体水化作用不充分，而树脂在吸水的同时会引起自身体积的膨胀。当混凝土硬化后，其中的湿度减小。随之，树脂也会随着湿度下降而收缩，在这双重作用下造成了树脂周围的混凝土基体开裂。其次，从图3(a)和图3(b)中还可以看到，光纤在植入混凝土中后对光线的传导能力要强于透光树脂材料，这是其导光材料自身的特性导致的。最后，由图3(c)可知，将非规则形状的树脂植入到混凝土中，可以制备得到较好的透光混凝土，这说明无论树脂材料的形状是否复杂，在用量较少的情况下，其与混凝土的结合依然较好，不会对基体造成明显的负面影响。

(a)树脂透光混凝土

(b)光纤透光混凝土

(c)树脂透光混凝土(树脂为非规则形状)图3 透光混凝土样品

此外，值得注意的是，在砂浆浇筑过程中透光材料存在上浮的现象，这对透光混凝土成品的质量会造成一定的影响。

图4和图5分别表示在室内条件下养护1年后，树脂透光混凝土和光纤透光混凝土的变化情况。从图4中可以看到，与1年前的样品对比，树脂混凝土中的树脂表观颜色稍微泛黄，说明其已经开始老化。同样从图4中可以知，1年后的树脂透光混凝土的透光性能随着材料的老化也有所减弱。相反地，由图5中可以看到对于光纤透光混凝土而言，表观上并没有发现明显老化的现象，其透光性能也与1年前相当。说明光纤透光混凝土的抗老化作用要强于树脂透光混凝土。

(a)养护前

(b)养护后图4 室内条件养护1年后树脂透光混凝土的变化

(a)养护前

(b)养护后图5 室内条件养护1年后光纤透光混凝土的变化

4 应用展望

通过前文的介绍可知，透光混凝土是一种新型的建筑材料，围绕其展开的研究和应用还在刚刚起步。对于这样的一种材料,必须对其在未来市场中的定位以及急需解决的问题有一个清楚的认识，这样才能够充分发掘该材料的性能优势，达到物尽其用的目的。

从近年来工程实践中的经验看来，透光混凝土主要应用于艺术建筑物中。但是众所周知，该类建筑物数量较少，进而限制了透光混凝土的应用。目前，有研究者开始提出可以将预制透光混凝土作为普通建筑物的外装饰墙。也有研究人员认为其可以作为一种路面材料，配合灯光使用时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为艺术装饰品也值得思考，除了具有艺术性的同时，当实现批量化生产后，其成本价格以及产品质量也会成为吸引市场目光的优势。

目前，除了市场面还未被完全打开以外，生产成本和成品质量也是制约透光混凝土得到规模化应用的主要因素。从材料组成来看，透光混凝土属于无机-有机复合材料，这就决定其价格要高于普通混凝土，据报道，匈牙利Litracon公司的光纤透光混凝土产品价格高达2 000欧元/m3[9]。近年来，很多研究者将目光转向树脂透光混凝土，树脂价格相对光纤要低，能够有效地降低透光混凝土的成本。但是，通过上文的研究可知，树脂相对光纤导光性能偏弱、易老化，在成型时的吸水作用可能会对基体材料造成开裂等不利影响。透光混凝土的强度特别是耐久性能不佳使其不能够满足许多工程场合的应用要求。然而其强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体之间的界面结合不良导致的。因此，通过改善透光材料和混凝土之间的界面结合作用是提高其产品质量的一个重要思路[10]。此外，如何实现透光组分的高效预埋、以及标准化、规模化生产是提高产品质量、降低成本的有效方法，同样也是影响未来透光混凝土大量应用的关键因素。