透光混凝土的力學性能、耐久性能和光學性能試驗研究

透光混凝土的力學性能、耐久性能和光學性能試驗研究

摘要：透光混凝土是一種新型建築材料。為滿足建築行業的需求，對透光混凝土製備工藝、性能進行深入透徹地研究已變得非常迫切。本文對透光混凝土的力學性能、耐久性能，以及其光學性能進行了研究，研究表明：透光混凝土的力學性能與摻入光纖的種類， 光纖的摻量密切相關。不論摻入有機玻璃（PMMA）或者聚苯乙稀（PS）光纖，光纖的摻入明顯提高體系的抗壓強度，隨著光纖摻量的增加，體系抗壓強度先增加后減少。光纖的摻入可以明顯提高體系的抗裂性能，且隨著光纖摻量的增加脆性係數降低。對於同一齡期，同種光纖摻量條件下，PS組的試件脆性係數大於PMMA組的試件。光纖的摻入降低了透光混凝土的抗硫酸侵蝕性能和抗氯離子滲透性能，隨著光纖摻量的增加，抗硫酸侵蝕性能和抗氯離子滲透性能降低。隨著光纖摻量的增加，透光率明顯增加。PS光纖的試件的透光率略低於PMMA試件，但相差不大。

1 前言

透光混凝土作為一種新型裝飾混凝土，打破了傳統混凝土給人沉悶的感覺，賦予混凝土美輪美奐的色彩，其多變的風格，賦予設計師更多的設計靈感，具有廣泛的應用空間和價值。

透光混凝土起源於是2002年，由一位匈牙利建築設計師所發明，並創造了透光混凝土的英文單詞「Litracon」[1]。目前為止，針對透光混凝土的研究不多，但是隨著科技水平的提高，越來越多的國家和研究機構都投入到透光混凝土材料的研究中。在國外，透光混凝土已經在建築領域、室內裝飾、雕塑、工藝品等領域得到了初步應用，並具有良好的效果[2]。但是總體上，國內外對透光混凝土的性能包括力學性能、耐久性能以及抗震性能等的研究極少。

普遍研究表明，光纖對透光混凝土的抗壓強度具有一定影響，光纖的摻入會提高體系的力學性能，但是隨著光纖體積摻量的增加，混凝土的抗壓強度逐漸降低，但不甚明顯[3-5]；在凍融循環的環境下，降低率較高[3]。也有學者研究認為，光纖的摻入對體系的抗壓強度影響可以忽略[6]。研究者[7-8]研究發現，光纖的摻入會在一定程度上提高水泥體系的力學性能，抗折強度的增加比較顯著，這可能與光纖增加了體系的韌性有關[8]，但對脆性影響不大。對透光混凝土耐久性能的研究很少，有學者[3]認為隨著光纖體積摻量的增加，混凝土的抗滲透性能逐漸降低，通過環氧樹脂增加光纖與混凝土之間的黏結性能可以有效提高體系的抗滲性能。另外，研究者[9]研究發現鹼性溶液對透光混凝土的侵蝕作用大於鹽溶液。

目前針對透光混凝土的研究還處理初級階段，對透光混凝土的性能高缺乏系統性地研究。本文對透光混凝土的力學性能、耐久性能和光學性能進行了系統的試驗研究。同時引入一種成本較低的光纖，通過對其製備的透光混凝土性能的研究，為降低透光混凝土成本，實現其應用提供支撐。

2原材料和試驗方法

2.1原材料

水泥：採用P·O42.5水泥，其化學成分含量如表1所示。

礦粉：亞東S95礦粉，礦粉的化學成分如表1所示，礦粉性能指標符合《用於水泥和混凝土中的粒化高爐礦渣》 GB/T18046-2008 要求。

粉煤灰：粉煤灰採用Ⅰ級粉煤灰，其化學成分含量如表1所示。

砂：細砂，細度模數1.6-2.0。

減水劑：自行配置的聚羧酸減水劑。

光纖：有機玻璃（PMMA）、聚苯乙稀（PS），其透光率對比如圖1。

2.2試驗方法和過程

利用自主研發的設備對透光混凝土光纖進行排布，將排布后的光纖塊放置於事先備好的模具中，按照表2中的配比澆築砂漿。採用切割機切割成4*4*16 cm3立方體塊用於抗折強度測試。

抗硫酸鹽侵蝕試驗參考《混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》GB/T50082-2009試驗標準中關於抗硫酸鹽侵蝕試驗的方法進行試驗。採用切割機進行切割成10*10*10cm3的透光混凝土塊，養護至28d，將其中一半試塊放置於5%的硫酸鹽溶液中開始乾濕循環試驗，另外一半在標準條件下養護，養護至30個循環分別測試其抗壓強度。

透光性能研究釆用紫外可見近紅外分光光度計測試，採用切割機進行切割成5*5*1 cm3的透光混凝土片用於透光率的檢測。

抗氯離子滲透性能按照《混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》GB/T50082-2009試驗標準中關於抗氯離子滲透試驗的電通量發方法進行試驗。打磨成直徑為10cm，高度5cm的圓柱體試樣。

由於透光混凝土的承重面是垂直於透光面，因此本文涉及的強度測試都是垂直於承重面，即平行於透光面施加壓力。由圖2看出，不論摻入PMMA 或者PS光纖，光纖的摻入明顯提高體系的抗壓強度，隨著光纖摻量的增加，體系抗壓強度先增加后減少。這是由於少量光纖的摻入會對試塊的抗折強度起到纖維增強的作用，提高試塊的抗拉強度和抗裂性能，但是隨著光纖體積摻量的增加，基體的不均勻性明顯增加，最終降低了試塊的抗折強度。

摻入PS光纖的試塊的強度稍微低於摻入PMMA光纖的強度，這是因為PS光纖比PMMA光纖脆，摻入后對體系強度的增加效果沒有PMMA明顯。

借鑒混凝土脆性係數概念[10]，本文在此處定義砂漿試件的脆性係數為其抗壓強度與其抗折強度之比。脆性係數越小，水泥基材料韌性越大，抗裂性越好。各個砂漿試件不同齡期的脆性係數關係圖3所示。不同體系的脆性係數隨齡期變化沒有什麼規律性。不論對於摻入PMMA或者PS光纖體系，脆性係數小於不摻光纖體系，光纖的摻入可以明顯提高體系的抗裂性能，且隨著光纖摻量的增加脆性係數降低。對於同一齡期，同種光纖摻量條件下，PS組的試件脆性係數大於PMMA組的試件。

3.2抗硫酸鹽侵蝕性能

硫酸鹽侵蝕試驗的試驗結果表明（圖5），摻入光纖后，試塊的抗壓強度明顯降低，光纖的體積摻量為2%時，降低率為13%左右；光纖的摻量為4%，降低率為23%。這可能因為，光纖的摻入導致界面的強度降低，硫酸鹽溶液的侵蝕作用更加迅速明顯。不摻光纖時，強度反而有所增加，這是因為侵蝕周期較短，硫酸鹽溶液提供了試塊強度發展所需要的充分的水分。所以透光混凝土不宜用於具有侵蝕作用的部件。

3.3抗氯離子滲透性能

抗氯離子滲透試驗的結果表明（圖6），摻入光纖后，試樣的電通量明顯增加，抗氯離子滲透性能明顯下降，這是因為光纖與水泥基材料的界面接觸不緊密，存在空隙，導致溶液比較容易通過。隨著光纖體積摻量的增加，電通量增加，抗滲性能降低，這是因為光纖的體積增加，界面的接觸面積增加，使通過的離子溶液的通道增加。對於摻PMMA光纖的試樣的電通量大於摻PS光纖的電通量，說明摻入PS光纖與水泥基體的界面性能要高於PMMA光纖。

3.4透光性能

透光率的試驗結果表明，體積摻量為2%的透光試樣，摻入PMMA光纖的試樣的最大透光率為0.63%，摻入PS光纖試樣的最大透光率0.47%，前者略大於後者，但是相差很小 ，如圖7所示。可見光的波長範圍為400nm-750nm，在這個範圍內，PMMA光纖試樣的透光率大於PS光纖試樣。這是因為PMMA光纖材料本身的透光率大於PS光纖。理論上透光試樣的透光率應該接近於體積摻量，實際測試結果偏小，這是因為，光在傳輸過程出現了損失以及光纖斷面受到污染的原因[9]。

4 結論與展望

（1）不論摻入PMMA 或者PS光纖，光纖的摻入明顯提高體系的抗壓強度，隨著光纖摻量的增加，體系抗壓強度先增加后減少。摻入PS光纖的試塊的強度稍微低於摻入PMMA光纖的強度。光纖的摻入可以明顯提高體系的抗裂性能，且隨著光纖摻量的增加脆性係數降低。對於同一齡期，同種光纖摻量條件下，PS組的試件脆性係數大於PMMA組的試件。

（2）硫酸鹽侵蝕試驗的試驗結果表明，摻入光纖后，試塊的抗壓強度明顯降低。抗氯離子滲透試驗的結果表明，摻入光纖后，試樣的電通量明顯增加，抗氯離子滲透性能明顯下降，隨著光纖體積摻量的增加，電通量增加，抗滲性能降低，對於摻PMMA光纖的試樣的電通量大於摻PS光纖的電通量，說明摻入PS光纖與水泥基體的界面性能要高於PMMA光纖。透光率的試驗結果表明，摻入PMMA光纖的試樣透光率為大於摻入PS光纖試樣，隨著光纖體積的增加，透光率明顯增加。

（3）雖然摻入PS光纖后，試樣的力學性能，抗硫酸鹽侵蝕性能低於摻入PMMA光纖的試樣，但是對透光率的影響差別不大，而且對抗滲性能具有一定的改善。而且，PS光纖的成本遠遠低於PMMA光纖。透光混凝土的成本主要來源於光纖，因此，在滿足性能要求的前提下，選擇PS光纖將大大降低透光混凝土的成本，有利於實現透光混凝土的推廣應用。

參考文獻

1葉鼎銓.含光纖的透光混凝土[J].中國建材,2006，2: 86.

2 Bhavin K. Kashiyani, Varsha R, Jayeshkumar P , Bhavnaben K. International Journal of Engineering and Innovative Technology[J], 2013, 2(8): 83-86.

3 He J P, Zhou Z, Ou J P, Huang M H. Study on Smart Transparent Concrete Product and Its Performances[C], The 6th International Workshop on Advanced Smart Materials and Smart Structures Technology, Dalian, China, 2011.

4 Zhou Z, Ou G, Hang Y, et al. Research and development of plastic optical fiber based smart transparent concrete[J]. Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering, 2009, 7293:72930F-72930F-6.

5 McKinley, B, and Boswell, L F. Optical fiber systems for bridge monitoring[C]. Proceedings of First International Conference on Bridge Maintenance, Safety and Management, Barcelona, Spain.2002

6 P. Siddartha Reddy, Shaik. J and Neeraja D. Light Transmitting Concrete Using Plastic Optical Fibers[J]. International Journal of Applied Engineering Research, 2013, 8(19): 2504-2710.

7王信剛，陳方斌，章未琴，葉栩娜. 發光透光水泥基材料的力學性能與光學特性[J]. 中國礦業大學學報，2013，42(2): 195-199.

8陳方斌. 發光透光水泥基材料的製備與性能研究[D]. 南昌大學,2012.

9 王信剛, 王凱, 陳方斌等. 不同品種水泥的光纖導光混凝土抗侵蝕性能[J]. 江蘇大學學報, 2014, 4:470-473.

10吳科如. 混凝土在壓力荷載下彈性變形和殘餘變形的變化及其脆性係數[J]. 同濟大學學報:自然科學版, 1983(1).

11 Mr. A. B. Sawant1, Mr. R. V. Jugdar, Ms. V. P. ChouguleExperimental work on light transmitting concrete by using optical fiber[J]. International Journal of Advanced Technology in Engineering and Science, 2014, 2(12):2348 -7550.