透光混凝土的制备及性能研究

 

引言
透光混凝土是目前新兴的可持续和绿色建筑材料之一,其透光性能主要依靠水泥基中的透光纤维。透光混凝土集节能与装饰为一体,既可提高建筑的照明效果,降低建筑照明能耗,促进建筑节能,也能提升建筑的装饰性与美观性。

透光混凝土起源于2002年,由匈牙利建筑设计师Losonczi发明。德国亚琛的UCEM公司、匈牙利的LITRACON公司以及意大利水泥集团等多家公司已经实现了透光混凝土的批量生产。透光混凝土被制作为砌块与墙板,实现了地板、楼梯、隔断墙等其他各种建筑结构的应用。在国内,透光混凝土首次出现在2010年上海世博会的意大利展馆,随后,蓝宝、榆构、中建西部等公司相继进行了透光混凝土的研发。透光混凝土在建筑节能与装饰领域具有极大的发展前景。因此研究透光混凝土的制备与性能是有极大意义的。

 

目前针对透光混凝土的系统性研究相对较少。Bashbash等研究了在混凝土中添加塑料光纤(POF)对混凝土力学性能的影响,结果表明,随着纤维掺量的增加,透光混凝土的抗压强度增大,然而,随着纤维含量的增加,混凝土的抗弯强度降低。Sawant等研究了透光混凝土的抗压强度,结果表明,当纤维掺量为0.06%~1.59%时,透光混凝土的抗压强度低于未添加透光纤维的空白混凝土。Momin等[8]比较玻璃纤维与光导纤维对透光混凝土的影响,结果表明,光导纤维混凝土的透光率明显大于玻璃纤维透光混凝土。总的来说,不同透光纤维对混凝土的力学性能与透光性能具有较大差异。

本文通过研究透光材料的种类、体积分数、间距、直径、排列方式对透光混凝土的力学性能与透光性能的影响规律,探索透光混凝土的制备及其应用的可能性。

 

1材料及方法

1.1试验材料

水泥:P·O42.5R水泥。粉煤灰:一级风选粉煤灰。矿粉:S95矿粉。细集料:机制砂,其性能指标见表1。减水剂:江苏苏博特生产的聚羧酸高效减水剂,其固含量12%,减水率26%。透光材料:试验选取4种不同透光纤维作为透光材料,其中玻璃纤维的主要成分是二氧化硅,熔点1730℃,透光率在95%以上,其优点为耐高温、不易腐蚀、热稳定性好、透光性能好、强度高;有机玻璃纤维的成分有3种,一是PMMA(亚克力),透光率通常在92%以上,其易加工,耐磨,透光性能好;二是PC材料,主要成分是聚碳酸酯,具有极高的强度与抗冲击韧性,透光性能良好;三是PCTG材料,一种透明塑料,是一种非晶型共聚酯,坚韧性较好,易加工,经济性比亚克力好;透光材料的具体指标见表2。

1.2试验方法

透光混凝土的制备:采用激光加工技术或物理打孔技术,根据相应图像对定位模板进行打孔处理,其中定位模板主要选用硅胶或亚克力材料。根据相应图案将透光插入定位板上。将定位板放置于定制模具中,向模具中浇筑混凝土,然后抹平。养护至适当龄期后进行脱模,然后进行表面切割及打磨工艺。由于插纤法需将纤维稳定放置于定位板上,因此其直径不小于2mm。

透光混凝土抗压强度测试方法:试验样品尺寸为100mm×100mm×100mm,其中试块采用插纤式成型方式,因此透光混凝土所受力主要为竖向荷载,光纤垂直于压力荷载方向。

透光混凝土透光性能测试方法:对于透光性评估测试还没有特定标准。本试验通过参考文献,采用木质装置来评估不同透光混凝土样品的透光率,如图1所示。装置顶部由一个亚克力LED发光板作为固定光源,中间由一个矩形开口与支架组成,用于放置样品,下方预留一个测试光源强度的光度计,用于测试试样的样品为6个,采用其平均透光率作为试样透光率。

 

2结果与讨论

2.1透光材料对透光混凝土性能的影响

图2为透光混凝土受压断裂图,图3为不同种类透光材料对透光混凝土抗压强度与透光率的影响。

由图3可知,透光材料的掺入,降低了混凝土的28d抗压强度。不同种类透光材料对混凝土的28d抗压强度具有明显的区别,其中,PMMA与PCTG材料对混凝土抗压强度的影响相对较小,而PC与SiO2材料对混凝土抗压强度降低幅度较大。其中,SiO2材料虽然本身强度较高,但是由于其表面较为光滑,与浆体接触面连接薄弱,且本身的硬度强,导致其掺入混凝土后,降低了抗压强度。相对于抗压强度,透光材料对混凝土透光率的影响略有区别,相对于PC材料,其余透光材料的透光混凝土的透光率均较高。这是由于不同透光材料本身的透光率有所区别,因此导致其透光性能有所差异。透光混凝土的透光率明显低于其理论透光率,这是因为透光材料掺入混凝土中,其本身表面存在磨损,因此导致透光性能下降,并且由于其截面光滑度的影响,其透光性能下降,其中SiO2材料虽然本身透光率最高,但是由于SiO2材料自身硬度较强,截面打磨难度大,导致透光性能下降,因此其透光率与其他透光材料一致。综合比较,后续试验采用PMMA作为透光材料。

2.2不同体积分数透光材料对透光混凝土性能的影响

图4为体积分数为1%、2%、3%、4%、5%的透光材料对透光混凝土抗压强度和透光率的影响,试验中所采用的透光材料为PMMA透光纤维。由图4可知,随着透光混凝土中透光纤维体积分数的增加,其28d抗压强度下降,透光率增加。体积分数1%~3%时,混凝土28d抗压强度的下降幅度为4%~7%左右,而当体积分数达到5%,其28d抗压强度下降幅度为17%。

2.3不同间距透光材料对透光混凝土性能的影响

图5为间距为10mm、15mm与20mm的透光纤维对透光混凝土抗压强度与透光率的影响。由图5可知,随着透光纤维之间间距的增加,透光混凝土的抗压强度与透光率随之减小。当间距从10mm增加到15mm时,混凝土抗压强度与透光率下降程度较大,而当间距从15mm增加到20mm时,混凝土抗压强度与透光率下降幅度减小。这是因为当间距较小时,光源相对比较集中,不同光线叠加形成增强效应,而当间距增大时,穿过混凝土的光源较为发散,部分光源损失,因此造成透光率减小。透光纤维与混凝土界面形成薄弱区域,在受力状态下易产生微裂纹,当间距较小时,混凝土中不同的薄弱区域的微裂纹易产生扩展。间距越大微裂纹的扩展速度越低,间距越小微裂纹的扩展速度越快,从而造成混凝土抗压强度下降。

2.4不同直径透光材料对透光混凝土性能的影响

图6为2mm、3mm与4mm直径的透光材料对透光混凝土抗压强度与透光率的影响。由图6可知,随着透光材料直径的提高,透光混凝土的28d抗压强度减小,但是其透光率增加。这是因为透光材料高度光滑的表面导致其与基体界面存在薄弱界面区域,当纤维直径提高时,界面区域相对较大,而界面区域易产生微裂纹,因此透光混凝土28d抗压强度下降。由于透光纤维的折射率呈梯度分度,其折射率由芯到外逐渐降低。并且光线在透光纤维表面易发生损耗,当透光材料的直径越大时,传输的光量越大,因此透光混凝土的透光率增加。

2.5排列方式对透光混凝土性能的影响

图7为不同排列方式透光混凝土的透光性能与受压断裂图,图8为透光纤维有序排列与无序排列对透光混凝土抗压强度与透光率的影响。由图8可知,相较于有序排列,无序排列的透光混凝土28d抗压强度与透光率均较高。这是由于当透光材料有序排列时,其裂缝易沿着透光材料逐步扩展,从而导致混凝土抗压强度下降。

结论

本文采用透光纤维制备装饰性透光混凝土,并研究透光混凝土力学与透光性能变化规律,得出以下结论:

(1)透光材料的掺入降低了混凝土的抗压强度,其中,SiO2混凝土抗压强度下降幅度最大,但是其透光率相对较高;相比之下,PMMA纤维对混凝土抗压强度影响较小,并具有较高的透光率。

(2)随着透光混凝土中PMMA纤维的体积分数增加,其28d抗压强度下降,透光率增加;随着PMMA纤维之间的间距增加,透光混凝土的抗压强度与透光率随之减小;随着PMMA纤维直径的提高,透光混凝土的28d抗压强度减小,但是其透光率增加。

(3)相较于有序排列,无序排列的透光混凝土28d抗压强度与透光率均较高。(来源:《混凝土世界》2022.09

 


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