透光混凝土的研究进展综述

王伟伟 陈丽娟 张育新

摘要：随着城市建设的快速发展，庞大的建筑群落和建筑间距的减小使室内采光变差，影响了人们的居住体验。传统的混凝土建筑逐渐不能满足现代人的审美情趣。为此，研究者们积极探索新型建筑材料，将透光材料掺入普通混凝土，使光能通过混凝土，旨在实现建筑美。这种透光的混凝土可以改善照明条件，节约能源，装饰建筑。一般透光混凝土可分为两种类型：纤维型和树脂型。透光混凝土的生产技术主要包括先植法、后植法。然而在制备透光混凝土的过程中，透光材料与水泥基材料的粘结问题，以及水泥基材料的基本特性仍需要改进。经研究发现，透光混凝土的力学性能确有一定程度地降低，但透光率却有很大的提高。令人惊讶的是，透明混凝土在建筑领域得到了广泛的应用。为了进一步促进透明混凝土的应用，本文探讨了透光混凝土的进展、应用进展、生产技术和功能特点。

关键词：透光混凝土；制备工艺；透光性能；应用前景

中图分类号：TU528文献标识码：A文章编号：1673-7164（2021）05-0150-05

基金项目：本文系重庆大学科研费专项资金项目（NSFC-广东联合基金重点基金-U1801254）的阶段性成果。

随着时代的发展，人们对建筑装饰的要求已不再局限于实用性，而越发关注装饰美观度，不得不说，这在一定程度上考验了当代建筑技术的发展水平[1-2]。传统混凝土可通过对建筑物的形体外貌进行设计与规划，达到建筑物外形美观，可混凝土建筑往往给人一种暗沉视觉。匈牙利建筑师阿隆·罗索尼奇（Aron Losonczi）于2002年发明的透光混凝土表现出优良的透光特性[3]，光在其正面和背面形成不同的视觉效果，极大增强了室内自然采光效果[4-5]。透光混凝土打破混凝土沉闷苍白的传统材料形象，成为一种全新的透光装饰性材料，在材料组成、透光原理、材料性能等方面均相异于其他透光材料。不同于玻璃材料的组成，透光混凝土是混凝土基光纤复合材料，大量的光纤以一定空间排列形式嵌入混凝土基材料中，可根据自己的需求創建透光区域，形式灵活多变。透光原理异于有机复合材料的基体透光，而是通过光纤达到光线在基体中传输的目的，可以清晰显示物体轮廓外形，起到透光显影的艺术效果。透光混凝土可有效呈现出建筑物优雅、温馨、通透、奇特等美学特性[6]。除此之外，透光混凝土还可被制成形状各异、五彩斑斓的材料板块，使建筑物获得新颖的装饰效果。例如：最初的弗朗哥教堂竞赛模型建立[7]，上海世博会意大利馆的外立面[8]，更甚于室内家具展品[9-10]、太阳能人行道[11-12]、博物馆建设[13]等。

一、透光混凝土的发展进程

透光混凝土的发展集中体现在透光材料的改进，以提升混凝土强度，降低制造成本为初衷，并且向智能化方向过渡。起初，导光性能优异的光纤材料给予研究者设计灵感[14]。Litracon公司最先使用光纤作为透光材料[15-16]，后采用有机玻璃替代光纤，所得透光混凝土透光效果优异，然而强度一直困扰研究者。Soumyajit Paul和Avik Dutta通过研究含聚碳酸酯和环氧基体的混合物的硅酸盐混凝土[17]，以配合比1.5：1将混合物基体与砂浆混合，得到的透光混凝土具有良好的导光性能，与标准混凝土相比，该材料具有更大的机械强度性能，更低的密度，能够应用在结构和建筑装饰的各方面。与常规混凝土相比，这种混凝土并不会失去强度参数，而且对美学具有非常重要的意义。

包兴雨等通过将亚克力生产废料作为透光材料制备透光混凝土[17]，遵循节约成本，达到资源循环的目的。TRIZ提出的ENV模型[19]，用低成本透光材料取代现有昂贵的光纤来保证光传输，随着可构造性的提高，并通过改变现有的劳动密集型方法，将数以千计的光纤铺设成一个省力的系统，采用一个大型的外部多孔模具实现批量生产的目标。一般来说，光纤传感器在平均应变、应力、温度测量方面表现出较高的灵敏度和精度。此外，光纤传感器是灵活可调的，可以设置为任何期望的方向[20]。高飞等研制出一种智能化的透光混凝土[21]，以塑料光纤（POF）和少量光纤光栅（FBG）为组成部分，实现基于塑料光纤（POF）的良好透光性能和基于光纤光栅的传感特性的功能，在建筑物应力传感方面表现出优良特性[22]。

意大利水泥集团首次将树脂掺入混凝土研制出“i.light”[23]，极大地改善了工艺成本高的问题，使量产成为可能；该产品导光视角开阔，从而拥有更大的光感面积[24]；Mainini等将PMMA树脂纤维嵌入增强混凝土板中[24]，制得一种优良装饰节能效果的环保透光混凝土板。目前，耐磨性好，抗压、抗拉伸强，具有抗冻性和抗热性等特殊树脂透光材料已成为研究者的重点研究方向[26-27]。

二、透光混凝土的性能研究

（一）力学性能及耐久性

相关实验表明透光混凝土力学性能不及普通混凝土[28]。随着光导纤维掺量的增多，透光混凝土的抗压强度逐渐减小。通过大量实验所测指出，当光纤的掺量达4%时，透光混凝土拥有更小的质量，且抗压强度可达70MPa左右，该比例的光纤基本不影响混凝土的抗压强度。因此，与普通混凝土相比，透光混凝土在低纤维含量较小下强度参数并不会有明显下降，透光混凝土的透光性能和力学性能均衡达到最优。Momin等人将透光混凝土与传统混凝土进行比较并得出结论[29]，光纤透光混凝土的抗压强度在20～23N/mm2，玻璃棒的抗压强度在24～26N/mm2之间，表明该透光混凝土可满足M20级混凝土抗压强度要求。Shanmugavadivu等人对透光混凝土的工作性能、抗压强度和抗弯强度进行了试验[30]。试验结果证明了透光混凝土的性能在各方面均优于普通M20级混凝土。关于树脂透光混凝土力学性能，叶栩娜以抗压强度为主要指标开展力学性能研究，确定了最佳自密实砂浆的胶砂比和水灰比。选用环氧树脂作界面改良剂后，树脂与混凝土界面的粘结性增强，力学性能也提高[31]。

KIM B通过发泡和轻质集料来实现透光混凝土的可施工性和轻质性[32]，并进行实验以提高其工作性能。优化后的配合比在保证材料的优良性能下，可以降低材料的单位重量。荷载传递系数分析多种材料的传递能力结果表明，混凝土对纤维的传递能力最高，其次是塑料棒。高锡鹏通过抗压强度实验[33]，发现树脂透光混凝土的抗压强度与导光分支数量呈负相关，且导光体对混凝土砂浆基体的弯曲强度有较大影响。

王信刚等采用X射线衍射仪和环境扫描电镜研究透光混凝土[34]，实验发现除了耐碱玻璃纤维（AR玻璃纤维），一般的玻璃纤维都不耐碱[35-36]。为了降低碱性混凝土对透光材料的腐蚀带来的影响，他们选择了低碱性的硫铝酸盐水泥作为基体材料。研究发现，透光混凝土界面处粘结不够紧密，存在缝隙，导致透光混凝土力学性能下降。这是由于后植法弊端性问题，透光材料和混凝土基体粘结性差，界面处及其不稳定，使得透光材料容易脱落，进一步降低了透光混凝土的性能[37]。王信刚采用自密实混凝土砂浆（SCM）替代普通混凝土[38]，保证树脂在硬化后准确定位，不易发生移位。这种方法确保树脂导光材料分布均匀，简化了生产环节，提升产品的表面质量。

（二）透光性能

光和透明度的控制一直是建筑设计和新立面解决方案创新的重要驱动因素。透光混凝土基于“纳米透光”原理[39]，研究者发现[40-42]，透光混凝土的透光性与光纤掺量成正比，且透光性能受光纤的排布间距、直径、数目等因素影响。关于透光性树脂材料，实验结果发现，300～450 nm之间的光波[23]，其在树脂材料中的透光率值在迅速增大，波长在500nm之后的波段，透光率值上升缓慢，800nm之后其值基本不再上升。Mainini等通过收集积分球测量来导出光谱光学面板的属性[25]，测量了试样在正常和60°之间入射角的光学性质，并报告了光谱结果。在测量过程中收集的数据用于：创建和验证面板的简化辐射模型，并优化仿真参数，以正确估计总内部折射影响认为PMMA树脂插入使混凝土透射光显著增强。

透光混凝土的理论透光性能理想，但是在实际成品中，树脂透光混凝土的透光性能并没有达到理论的数值。主要原因是制备树脂块搅拌时会产生大量的气泡，干固成型后影响透光混凝土的透光性，目前較有效的方法是真空搅拌树脂，但仍无法避免气泡的产生[31]。在实际应用方面，透光混凝土用作墙体材料，可显著改善房间的采光。其平均采光可提升30%左右，采光均匀度提高50%左右[43-44]。

（三）热工性能

通过对树脂类透光混凝土热工性能分析，高锡鹏等应用ANSYS有限元分析软件得出：树脂透光混凝土基体部分边缘区域热流密度稍低，导光分支之间区域热流密度均较高[33]。关于导光材料，导光分支内热流密度远低于连接部内，而相比较连接部不同部位之间也存在一定差异。当树脂材料将混凝土砂浆完全隔开时，热量倾向于汇集到树脂层较薄处的区域。混凝土基体区域内的热流密度要明显高于导光体区域，热量在制品中传递时绕开树脂材料后汇集在混凝土砂浆材料处。上述热流密度所表现出的现象进一步说明，树脂材料的嵌入使透光混凝土制品的热阻性相较混凝土砂浆制品有明显的提高，而且树脂材料的尺寸和外形的不同对成品热阻提高幅度会产生影响，这也是透光混凝土相较于普通混凝土具备优势的进一步表现。

按照国家规定标准[45]，树脂材料导热系数为0.1603W/（m·K），接近国家标准，可以作为保温材料。混凝土砂浆制品的导热系数达到0.8944W（/m·K），保温能力较差热阻过低，透光混凝土制品的平均导热系数可低至0.3815 W（/m·K），保温性能接近发泡混凝土。可以进一步说明透光混凝土具备较好的保温隔热效果，可作为今后建筑构件保温材料的研究方向。周智团队应用Ecotect模拟了对装有树脂透光混凝土幕墙的某试验室的热环境[45]，以评估该树脂透光混凝土制品的保温隔热性能。最终得出结论，其隔热保温效果接近双层中空Low-E非遮阳玻璃，相比单层玻璃能量损耗降低10%以上。

1.光纤类透光混凝土制备方法

透光混凝土的制备方法因材而异，就光纤的植入而言，可采取先植法和后植法[46]。研究者按照光纤的排布方式，将其粗略分为光纤平行排列法[47]、纺织光纤技术[48]、光纤模具法等[49]。李悦等人采用平行排列法制作透光混凝土，其基本操作主要分为四步[50]：将混凝土砂浆浇入预制模具中；按照一定比例平行埋入光纤；轻轻振捣试模，如此反复；养护硬化后，采用切割、打磨和抛光等工艺得到成品。

不久，李悦等人进一步对平行排布法进行改进，在其基础上实现按照一定的规则，采用纺织多轴向经编机将光纤编制成网状或是2D纤维织物形，再将其平铺在混凝土浆体中（需分层铺设）[51]。随后，提出了基于该方法的不同透光形式的透光混凝土制备方法。

2.树脂类透光混凝土制备方法

选择半透明树脂作为透光材料植入混凝土所采取的方法主要是预制法和浇筑法。预制法通过将树脂切成规则的树脂块，尺寸形状与相应模具的大小相匹配。在树脂块表面均匀喷涂以丙烯酸酯为基料配成的定向反光涂料，目的在于有效提高透光材料的透光率，可作为界面粘结材料间隔透光材料与混凝土基材料，达到防止混凝土砂浆对透光材料的腐蚀的效果。然后在模具底部严密固定好已制备的树脂板，并缓慢浇筑预制砂浆，保证树脂板完全嵌入混凝土砂浆中，且砂浆不能覆盖板材表面。待砂浆固结硬化后，脱模取出树脂透光混凝土板进行抛光养护工艺，便可制成树脂透光混凝土成品。相较于纤维类透光混凝土的生产工艺，预制法有效解决了导光材料位置不易固定带来的影响，并且简化了植入导光材料流程[36]。在该实验中，选用环氧树脂AB胶作为界面粘结剂，可提高树脂材料与混凝土基体接触界面的粘结效果，强度也随之提升[38]。这种方法能够有效地将树脂嵌入混凝土中，确保树脂导光材料分布均匀，简化了生产环节，还可以保证产品的表面质量。通过实验发现树脂硬化后收缩性大于水泥基体材料且易脱落，界面黏结性差、耐久性差等问题，严重影响了该材料的性能。其次，树脂的粘结性很强，容易和很多种材质的模具粘结，因此找到一种适合树脂脱模的模具材料是制备透光树脂的关键。由于硅胶特殊性，不易于树脂粘结的特性，叶栩娜[23]用硅胶作为制备透明树脂单元的模具材料，在使用时与硅胶脱模剂一起配合使用，达到较好的脱模效果。由于制备树脂透光混凝土存在较多缺陷，随后，研究者采用所谓“浇筑法”，类似于“后植法”：起初在模具底部加入可压缩性材料，然后浇注配好的砂浆（添加了聚合物纤维，在砂浆配方中所用聚合物纤维是为了防止水泥固化收缩时透光树脂和水泥接触的位置发生开裂）；然后插入塑料片，等待其初步固化，取出塑料片，接着等待一段时间，形成孔；涂反光油漆，晾干后，将树脂液体浇注孔中，使其和砂浆混合；固化后将透明混凝土板取出。

（二）透光混凝土性能提升探索

陈芳斌等人通过两代共六型均布装置[52]，改进光纤排布工艺，通过一种光纤布置效率更高、安装更加简单的均布装置，使光纤材料能均匀排布在混凝土基体中，从而更好地表现透光混凝土的透光性能。寻找合适的界面黏结剂，如水性丙烯酸环氧树脂等，以提高界面粘结性。从已有的环氧树脂得出其具有高强度，高韧性，固化时间短的特性，与金属以及非金属材料的粘结度均较高，增强透光材料与混凝土基体的粘附性，可极大提升混凝土抗拉强度和抗裂性。对树脂类混凝土预制法而言，没有完全解决制备过程中混凝土固化收缩差的问题。如果能在透光混凝土中掺入具有粘结性建筑功能材料，或者在生产工艺中加入优于环氧树脂AB胶的界面黏结剂，是否能有效解决硬化后树脂块易脱落以及抗拉强度低的问题呢？在材料形成时，组合物中引入的聚合物树脂与混凝土混合物相互作用，形成致密的固化接触区的化合物和混凝土层[53-60]。此外，可在复合黏结剂中引入有机械和化学活化的粉碎混凝土细粉和硅灰，改善混凝土配合比的硬化过程，物理性能得到保留，进一步降低透光混凝土的成本[61]。通过计算仿真模拟，改变树脂块的形态或结构，保证其各项功能特性基本不变，并且对界面黏结剂积极探索，对光纤布置和光纤定位的精细化、机械化[62]，透光混凝土的生产效率问题将得到极大改善。相信不久，透光混凝土的应用必将随生产效率的提高而得到大幅度的提升。目前，透光混凝土制品承载力较低，可作为围护构件，满足装饰材料力学要求，不能满足承重构件要求[63]。实验得知加入纤维能明显提高混凝土的强度，最高可达10%以上。混凝土中加入钢纤维和骨料均可成为增强相，特别是高强度钢纤维在基体中呈现均匀三维乱向分布，对裂纹扩展起着良好的阻碍作用[64-65]。如能找到其他强度更高的透光材料或者混凝土基体，或是将某种试剂、材料与其混合，提高骨料和导光体的强度，如在混凝土基体中掺入微细的钢筋、烧结砖粉末等强度较大的建筑材料，或是某种高强度，颜色较浅的金属材料，能否有效提升透光混凝土的力学性能？研究者应继续寻找适合的材料，应用到透光混凝土的生产工艺中，以优化透光混凝土的相关力学性能。

四、结语

随着透光混凝土研究的进一步发展，其在各种场景的需求将日益增加，发展前景可观。根据目前测试所得，透光混凝土材料的透光性并不理想，透光性能表现不稳定，无法保证量产后的产品透光性达到预期效果。透光混凝土的生产工艺存在诸多问题，生产方案尚未完善，生产效率低，产品多样化较难实现。因此，今后需选择优良的透光材料，降低混凝土对透光材料强度的负面影响，解决透光混凝土制备工艺的缺陷，寻求更加完善的生产工艺，尽快解决量产的问题。随着光纤技术的发展，相信透光混凝土一定会有更加广泛的应用。

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（责任编辑：邹宇铭）