摘要:透光混凝土是一種新型建筑材料。為滿足建筑行業(yè)的需求，對透光混凝土制備工藝、性能進(jìn)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(xué)性能、混凝土耐久性能，以及其光學(xué)性能進(jìn)行了研究，研究表明:透光混凝土的力學(xué)性能與摻入光纖的種類， 光纖的摻量密切相關(guān)。不論摻入有機(jī)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(qiáng)度，隨著光纖摻量的增加，體系抗壓強(qiáng)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系數(shù)降低。對于同一齡期，同種光纖摻量條件下，PS組的試件脆性系數(shù)大于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于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(tǒng)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(fēng)格，賦予設(shè)計師更多的設(shè)計靈感，具有廣泛的應(yīng)用空間和價值。
透光混凝土起源于是2002年，由一位匈牙利建筑設(shè)計師所發(fā)明，并創(chuàng)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(jī)構(gòu)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(jīng)在建筑領(lǐng)域、室內(nèi)裝飾、雕塑、工藝品等領(lǐng)域得到了初步應(yīng)用，并具有良好的效果[2]。但是總體上，國內(nèi)外對透光混凝土的性能包括力學(xué)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(qiáng)度具有一定影響，光纖的摻入會提高體系的力學(xué)性能，但是隨著光纖體積摻量的增加，混凝土的抗壓強(qiáng)度逐漸降低，但不甚明顯[3-5];在凍融循環(huán)的環(huán)境下，降低率較高[3]。也有學(xué)者研究認(rèn)為，光纖的摻入對體系的抗壓強(qiáng)度影響可以忽略[6]。研究者[7-8]研究發(fā)現(xiàn)，光纖的摻入會在一定程度上提高水泥體系的力學(xué)性能，抗折強(qiáng)度的增加比較顯著，這可能與光纖增加了體系的韌性有關(guān)[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(xué)者[3]認(rèn)為隨著光纖體積摻量的增加，混凝土的抗?jié)B透性能逐漸降低，通過環(huán)氧樹脂增加光纖與混凝土之間的黏結(jié)性能可以有效提高體系的抗?jié)B性能。另外，研究者[9]研究發(fā)現(xiàn)堿性溶液對透光混凝土的侵蝕作用大于鹽溶液。
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(tǒng)性地研究。本文對透光混凝土的力學(xué)性能、耐久性能和光學(xué)性能進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗研究。同時引入一種成本較低的光纖，通過對其制備的透光混凝土性能的研究，為降低透光混凝土成本，實現(xiàn)其應(yīng)用提供支撐。
2原材料和試驗方法
2.1原材料
水泥:采用P·O42.5水泥，其化學(xué)成分含量如表1所示。
礦粉:亞東S95礦粉，礦粉的化學(xué)成分如表1所示，礦粉性能指標(biāo)符合《用于水泥和混凝土中的?；郀t礦渣》 GB/T18046-2008 要求。
粉煤灰:粉煤灰采用Ⅰ級粉煤灰，其化學(xué)成分含量如表1所示。
砂:細(xì)砂，細(xì)度模數(shù)1.6-2.0。
減水劑:自行配置的聚羧酸減水劑。
光纖:有機(jī)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(fā)的設(shè)備對透光混凝土光纖進(jìn)行排布，將排布后的光纖塊放置于事先備好的模具中，按照表2中的配比澆筑砂漿。采用切割機(jī)切割成4*4*16 cm3立方體塊用于抗折強(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)》GB/T50082-2009試驗標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于抗硫酸鹽侵蝕試驗的方法進(jìn)行試驗。采用切割機(jī)進(jìn)行切割成10*10*10cm3的透光混凝土塊，養(yǎng)護(hù)至28d，將其中一半試塊放置于5%的硫酸鹽溶液中開始干濕循環(huán)試驗，另外一半在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)至30個循環(huán)分別測試其抗壓強(qiáng)度。
透光性能研究采用紫外可見近紅外分光光度計測試，采用切割機(jī)進(jìn)行切割成5*5*1 cm3的透光混凝土片用于透光率的檢測。
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(biāo)準(zhǔn)》GB/T50082-2009試驗標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于抗氯離子滲透試驗的電通量發(fā)方法進(jìn)行試驗。打磨成直徑為10cm，高度5cm的圓柱體試樣。
由于透光混凝土的承重面是垂直于透光面，因此本文涉及的強(qiáng)度測試都是垂直于承重面，即平行于透光面施加壓力。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(qiáng)度，隨著光纖摻量的增加，體系抗壓強(qiáng)度先增加后減少。這是由于少量光纖的摻入會對試塊的抗折強(qiáng)度起到纖維增強(qiáng)的作用，提高試塊的抗拉強(qiáng)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(qiáng)度。
摻入PS光纖的試塊的強(qiáng)度稍微低于摻入PMMA光纖的強(qiáng)度，這是因為PS光纖比PMMA光纖脆，摻入后對體系強(qiáng)度的增加效果沒有PMMA明顯。
借鑒混凝土脆性系數(shù)概念[10]，本文在此處定義砂漿試件的脆性系數(shù)為其抗壓強(qiáng)度與其抗折強(qiáng)度之比。脆性系數(shù)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系數(shù)關(guān)系圖3所示。不同體系的脆性系數(shù)隨齡期變化沒有什么規(guī)律性。不論對于摻入PMMA或者PS光纖體系，脆性系數(shù)小于不摻光纖體系，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系數(shù)降低。對于同一齡期，同種光纖摻量條件下，PS組的試件脆性系數(shù)大于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(jié)果表明(圖5)，摻入光纖后，試塊的抗壓強(qiáng)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(dǎo)致界面的強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度發(fā)展所需要的充分的水分。所以透光混凝土不宜用于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(jié)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(dǎo)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?jié)B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。對于摻PMMA光纖的試樣的電通量大于摻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于PMMA光纖。
3.4透光性能
透光率的試驗結(jié)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%，前者略大于后者，但是相差很小 ，如圖7所示。可見光的波長范圍為400nm-750nm，在這個范圍內(nèi)，PMMA光纖試樣的透光率大于PS光纖試樣。這是因為PMMA光纖材料本身的透光率大于PS光纖。理論上透光試樣的透光率應(yīng)該接近于體積摻量，實際測試結(jié)果偏小，這是因為，光在傳輸過程出現(xiàn)了損失以及光纖斷面受到污染的原因[9]。
4 結(jié)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(qiáng)度，隨著光纖摻量的增加，體系抗壓強(qiáng)度先增加后減少。摻入PS光纖的試塊的強(qiáng)度稍微低于摻入PMMA光纖的強(qiáng)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系數(shù)降低。對于同一齡期，同種光纖摻量條件下，PS組的試件脆性系數(shù)大于PMMA組的試件。
(2)硫酸鹽侵蝕試驗的試驗結(jié)果表明，摻入光纖后，試塊的抗壓強(qiáng)度明顯降低。抗氯離子滲透試驗的結(jié)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?jié)B性能降低，對于摻PMMA光纖的試樣的電通量大于摻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于PMMA光纖。透光率的試驗結(jié)果表明，摻入PMMA光纖的試樣透光率為大于摻入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(xué)性能，抗硫酸鹽侵蝕性能低于摻入PMMA光纖的試樣，但是對透光率的影響差別不大，而且對抗?jié)B性能具有一定的改善。而且，PS光纖的成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于PMMA光纖。透光混凝土的成本主要來源于光纖，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，有利于實現(xiàn)透光混凝土的推廣應(yīng)用。
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