有机光纤透光混凝土的制备及试验研究

魏忠，张新胜，王宪国，吴跃辉，王占涛

（河南中建西部建设有限公司，河南 郑州 450100）

有机光纤透光混凝土的制备及试验研究

魏忠，张新胜，王宪国，吴跃辉，王占涛

（河南中建西部建设有限公司，河南 郑州 450100）

本文采用双向平行排布有机塑料光纤的方法，以水泥基砂浆作为基体材料制备出了透光混凝土制品，考察光纤体积掺量对透光混凝土力学性能及透光率的影响。结果表明：当光纤体积掺量为 3% 以内时，混凝土抗压强度未有明显变化，当光纤体积掺量超过 3% 时，混凝土抗压强度随着光纤体积掺量的增大而降低，透光率与光纤体积率的比值随着体积率的提高逐渐增大，波长大于 500nm 时，光纤透光率处于稳定状态。

透光混凝土；塑料光纤；光纤体积掺量；抗压强度

0 引言

随着科技的发展与进步，人们对混凝土的要求不再局限于承重和结构支撑作用，建筑装饰混凝土也成为一个重要的发展方向[1]。透光混凝土作为一种新型建筑装饰材料，是由大量的透光纤维以平行排列的方式与水泥基砂浆或混凝土复合而成。透光混凝土的应用可增加室内自然采光效果、降低能耗，通过调整光纤掺量及排布方式，可做成不同的形状及透光效果[2]，大大增加建筑美感。李悦[3]采用玻璃质多模纤维作为导光材料，改进现有光纤布置方法为平行排列法对光纤进行埋设与布置，使用紫外可见分光光度计测量基体的透光率，并按照 GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法》测定砂浆抗压强度，着重考察了光纤的掺入对透光混凝土强度及透光率的影响。

本文参考了已有的研究成果，采用光纤先植法和预制模具灌浆法两种工艺制作透光混凝土制品。考察了光纤体积掺量对透光混凝土力学性能的影响，为该类混凝土的设计与制备提供了参考。

1 试验材料与试验方法

1.1 塑料光纤

采用聚甲基丙烯酸甲酯 PMMA 塑料光纤丝，直径为 1mm，其导光原理与普通光纤相似，即利用光线在不同折射率的界面不断发生全反射以实现光线向前传导。与应用于通信及传感领域的石英光纤不同，聚甲基丙烯酸甲酯 PMMA 塑料光纤主要应用于光传导部件及光学元件中，具有高透光性、低损耗、高韧性、寿命周期长等诸多优点，能够完美满足透光混凝土追求低掺量、高透光率的特点。

1.2 水泥

透光混凝土中布置大量光纤，体积率最高接近10%，为保证基体在高掺量光纤下仍具有较好完整性与较高强度，采用河南孟电集团水泥有限公司生产的P·O42.5 级水泥，性能指标见表 1。

1.3 河砂

透光混凝土采用砂浆作为基体，南阳河砂，II 区中砂，筛除 4.5mm 以上颗粒，具体性能指标见表 2。

表 1 水泥性能指标

表 2 骨料性能指标

1.4 减水剂

减水剂采用科之杰生产的聚羧酸系减水剂，掺量为胶凝材料总用量的 1.6%，固含量 16%，净浆流动度230mm，减水率 26%。

2 试验方法

2.1 制模及光纤排布

本次透光混凝土制作采用先植法[4]进行光纤排布，以光纤在混凝土中的体积掺量（即体积占有率）作为变量指标分析。光纤体积掺量分别按 0%、1%、2%、3%、4%、6%、8%、10% 成型八组试块进行平行比对试验。

对光纤进行布置，将塑料板切割后制作底板1块、侧板 4 块，内部净空尺寸为 120mm×120mm×120mm，在侧板上根据体积掺量划定指定间距的布置线，并用直径 1.0mm 钻头进行打孔。进行光纤手工穿孔，逐层进行，适宜长度处打结固定于侧板外侧。

2.2 水泥基砂浆制备

由于光纤在模具中排布密集，间隙较小，为了降低砂浆在光纤中的通过不良产生孔洞并对混凝土强度造成不利影响，本次砂浆制备采用大流态自密实砂浆。水泥与河砂以质量比 1:2 进行掺配，外加剂掺量为水泥总用量的 1.5%，水灰比为 0.4。水泥基砂浆配合比如表 3 所示。

表 3 砂浆配合比及工作性能检测结果

2.3 浇筑及养护

采用引料器将砂浆沿侧壁缓缓倒入模具，并用橡皮锤轻轻敲打侧壁，使其密实。将光纤固定牢固，避免因砂浆自重使光纤出现弯折。基体表面覆盖薄膜养护 1d后拆模，随后放入标准养护室（温度为 (20±2)℃、湿度＞95%）中养护 28 天。

2.4 切割及打磨

养护至规定龄期后用切割机将制品切割成 100×100×100mm 立方体试块，并将表面磨平后以备进行抗压强度检测。

2.5 透光率测试方法

透光率反映水泥基体介质及光纤包层对光的损耗衰减作用，LS116 透光率测试仪通过感应入射光强与滤后光强，取其比值作为塑料光纤的透光率。T=I/I0，T为透光率，I 为滤后光强，I0为入射光强，当入射光强I0一定时，I 直接反映了传播介质对光的吸收能力，I 越小，说明基体及包层对光的损耗作用越强。

3 试验结果与分析

3.1 光纤体积掺量对抗压强度的影响

不同体积掺量下透光混凝土抗压强度及强度损失率测试结果见表 4 和图 1、2。

表 4 不同体积掺量下透光混凝土强度及强度损失率

透光混凝土多用于墙体装饰材料，因此本次试验主要研究透光混凝土承压能力。由于光纤品种不同，密度差异较大，从图 1 可知，砂浆抗压强度随着光纤体积掺量的增加而逐渐降低。当体积率低于 3% 时，强度随体积掺量的增加呈线性逐渐降低，当体积率超过 3%时，基体抗压强度快速下降，最低达 43MPa。由图 2可知，当光纤体积掺量在 3% 以内时砂浆强度损失率较小，当光纤体积掺量超过 3% 以后砂浆强度损失明显。经过对砂浆破型试验后内部断面分析，当光纤掺量超过3% 以后，由于内部光纤间隙较小，砂浆出现断层，砂浆与光纤表面附着力较小，导致砂浆强度降低明显。

图 1 混凝土抗压强度

图 2 混凝土强度损失率

3.2 光纤掺量对透光混凝土透光率的影响

图 3 不同光纤掺量下透光率变化规律

选取三个特征体积掺量 2%、6% 和 10%，对透光混凝土进行透光率测定（图 3），理论透光率应接近于光纤体积率，由图 3 可知，体积率从 2% 到 10% 其实际透光率与体积率差值较大。体积率为 2.0% 时，其实测最大透光率约 1.2%，达到体积率的 60%，体积率为6% 时，其实测最大透光率约为 3.8%，达到体积率的63%，体积率为 10% 时，其实测最大透光率为 7%，达到体积率的 70%。可见，随着体积率的增大，透光率达到预期理论值的比例在逐渐提高。究其原因，光纤体积率的提升使得光线传播途径更加多元化，各光纤间光导协同作用有所增强。透光率达到体积率的比例最高仅占70%，透光率的降低主要原因在于光纤出现弯曲线型及光纤出入端口受水泥基体遮掩。

不同体积率下，当波长在 200～260nm 之间时，几乎不透光，说明在此波长下光纤的传导效率非常低下，光全反射效应不明显。波长在 270nm 时，透光率迅速提高，曲线在此处发生突变，波长处于 320～380nm 之间时，透光率发生剧烈波动，此阶段光纤内全反射效应处于不稳定状态，波长 380nm 之后曲线基本趋于平缓上升状态，在波长为 500nm 处，曲线出现短暂波动，说明该光纤对于 500nm 波长的光敏感性较高。波长500nm 之后，透光率处于稳定阶段。

4 结论

（1）采用预制模具光纤先植法可制备出光纤排布均匀、透光性良好的透光混凝土。

（2）透光混凝土抗压强度随着光纤体积掺量的增大而逐渐降低。

（3）当光纤体积掺量在 3% 以内时透光混凝土强度损失率较小，当光纤体积掺量超过 3% 后混凝土强度损失明显，强度降低 10% 以上。

（4）透光率与光纤体积率的比值随着体积率的提高逐渐增大，波长大于 500nm 时，光纤透光率处于稳定状态。

[1]陈方斌．发光透光水泥基材料的制备与性能研究[D].南昌大学，2012．

[2]李悦，郭慧．透光混凝土的研究进展[J]．混凝土，2013(6): 5-8．

[3]李悦，许志远．应用玻璃质光纤制备透光混凝土的研究[J]．混凝土，2013 (4): 141-143．

[4]刘小琴，吴媛媛，程宝军，等．透光混凝土制备方法的研究进展[J]．商品混凝土，2013(9): 23-25．

The study on preparation and test of organic fiber light transmission concrete system

Wei Zhong, Zhang Xinsheng, Wang Xianguo, Wu Yuehui, Wang Zhantao
(Henan Zhongjian West Construction Co., Ltd., Henan Zhengzhou 450100)

In this paper, the method of two-way parallel arrangement of plastic optical fiber, cement-based mortar as a base material to prepare a light-tra-nsmitting concrete products, and analysis the effect of fiber volume fraction on properties and light tra-nsmittance of the light transmitting concrete mechanics. The results show that the compressive strength of concrete does not change obviously when the volume fraction of fiber is less than 3%. When the volume of fiber is more than 3%,the compressive strength of concrete decreases with the increase of fiber volume. The ratio of light transmittance to fiber volume ratio increases with the increase of volume ratio, and when the wavelength is greater than 500nm, the transmittance of optical fiber is in a stable state.

light transmission concrete; plastic optical fiber; fiber volume content; compressive strength

魏忠（1983—），男，工程师，河南中建西部建设有限公司总工程师，主要从事绿色建材高性能混凝土的生产管理与经营管理。

［通讯地址］河南省郑州市金水区经三北路 32 号 2 号楼 7 层（451450）