有機光纖透光混凝土的制備及試驗研究

魏忠，張新勝，王憲國，吳躍輝，王占濤

（河南中建西部建設有限公司，河南 鄭州 450100）

有機光纖透光混凝土的制備及試驗研究

魏忠，張新勝，王憲國，吳躍輝，王占濤

（河南中建西部建設有限公司，河南 鄭州 450100）

本文采用雙向平行排布有機塑料光纖的方法，以水泥基砂漿作為基體材料制備出了透光混凝土制品，考察光纖體積摻量對透光混凝土力學性能及透光率的影響。結果表明：當光纖體積摻量為 3% 以內時，混凝土抗壓強度未有明顯變化，當光纖體積摻量超過 3% 時，混凝土抗壓強度隨著光纖體積摻量的增大而降低，透光率與光纖體積率的比值隨著體積率的提高逐漸增大，波長大于 500nm 時，光纖透光率處于穩定狀態。

透光混凝土；塑料光纖；光纖體積摻量；抗壓強度

0 引言

隨著科技的發展與進步，人們對混凝土的要求不再局限于承重和結構支撐作用，建筑裝飾混凝土也成為一個重要的發展方向[1]。透光混凝土作為一種新型建筑裝飾材料，是由大量的透光纖維以平行排列的方式與水泥基砂漿或混凝土復合而成。透光混凝土的應用可增加室內自然采光效果、降低能耗，通過調整光纖摻量及排布方式，可做成不同的形狀及透光效果[2]，大大增加建筑美感。李悅[3]采用玻璃質多模纖維作為導光材料，改進現有光纖布置方法為平行排列法對光纖進行埋設與布置，使用紫外可見分光光度計測量基體的透光率，并按照 GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法》測定砂漿抗壓強度，著重考察了光纖的摻入對透光混凝土強度及透光率的影響。

本文參考了已有的研究成果，采用光纖先植法和預制模具灌漿法兩種工藝制作透光混凝土制品。考察了光纖體積摻量對透光混凝土力學性能的影響，為該類混凝土的設計與制備提供了參考。

1 試驗材料與試驗方法

1.1 塑料光纖

采用聚甲基丙烯酸甲酯 PMMA 塑料光纖絲，直徑為 1mm，其導光原理與普通光纖相似，即利用光線在不同折射率的界面不斷發生全反射以實現光線向前傳導。與應用于通信及傳感領域的石英光纖不同，聚甲基丙烯酸甲酯 PMMA 塑料光纖主要應用于光傳導部件及光學元件中，具有高透光性、低損耗、高韌性、壽命周期長等諸多優點，能夠完美滿足透光混凝土追求低摻量、高透光率的特點。

1.2 水泥

透光混凝土中布置大量光纖，體積率最高接近10%，為保證基體在高摻量光纖下仍具有較好完整性與較高強度，采用河南孟電集團水泥有限公司生產的P·O42.5 級水泥，性能指標見表 1。

1.3 河砂

透光混凝土采用砂漿作為基體，南陽河砂，II 區中砂，篩除 4.5mm 以上顆粒，具體性能指標見表 2。

表 1 水泥性能指標

表 2 骨料性能指標

1.4 減水劑

減水劑采用科之杰生產的聚羧酸系減水劑，摻量為膠凝材料總用量的 1.6%，固含量 16%，凈漿流動度230mm，減水率 26%。

2 試驗方法

2.1 制模及光纖排布

本次透光混凝土制作采用先植法[4]進行光纖排布，以光纖在混凝土中的體積摻量（即體積占有率）作為變量指標分析。光纖體積摻量分別按 0%、1%、2%、3%、4%、6%、8%、10% 成型八組試塊進行平行比對試驗。

對光纖進行布置，將塑料板切割后制作底板1塊、側板 4 塊，內部凈空尺寸為 120mm×120mm×120mm，在側板上根據體積摻量劃定指定間距的布置線，并用直徑 1.0mm 鉆頭進行打孔。進行光纖手工穿孔，逐層進行，適宜長度處打結固定于側板外側。

2.2 水泥基砂漿制備

由于光纖在模具中排布密集，間隙較小，為了降低砂漿在光纖中的通過不良產生孔洞并對混凝土強度造成不利影響，本次砂漿制備采用大流態自密實砂漿。水泥與河砂以質量比 1:2 進行摻配，外加劑摻量為水泥總用量的 1.5%，水灰比為 0.4。水泥基砂漿配合比如表 3 所示。

表 3 砂漿配合比及工作性能檢測結果

2.3 澆筑及養護

采用引料器將砂漿沿側壁緩緩倒入模具，并用橡皮錘輕輕敲打側壁，使其密實。將光纖固定牢固，避免因砂漿自重使光纖出現彎折。基體表面覆蓋薄膜養護 1d后拆模，隨后放入標準養護室（溫度為 (20±2)℃、濕度＞95%）中養護 28 天。

2.4 切割及打磨

養護至規定齡期后用切割機將制品切割成 100×100×100mm 立方體試塊，并將表面磨平后以備進行抗壓強度檢測。

2.5 透光率測試方法

透光率反映水泥基體介質及光纖包層對光的損耗衰減作用，LS116 透光率測試儀通過感應入射光強與濾后光強，取其比值作為塑料光纖的透光率。T=I/I0，T為透光率，I 為濾后光強，I0為入射光強，當入射光強I0一定時，I 直接反映了傳播介質對光的吸收能力，I 越小，說明基體及包層對光的損耗作用越強。

3 試驗結果與分析

3.1 光纖體積摻量對抗壓強度的影響

不同體積摻量下透光混凝土抗壓強度及強度損失率測試結果見表 4 和圖 1、2。

表 4 不同體積摻量下透光混凝土強度及強度損失率

透光混凝土多用于墻體裝飾材料，因此本次試驗主要研究透光混凝土承壓能力。由于光纖品種不同，密度差異較大，從圖 1 可知，砂漿抗壓強度隨著光纖體積摻量的增加而逐漸降低。當體積率低于 3% 時，強度隨體積摻量的增加呈線性逐漸降低，當體積率超過 3%時，基體抗壓強度快速下降，最低達 43MPa。由圖 2可知，當光纖體積摻量在 3% 以內時砂漿強度損失率較小，當光纖體積摻量超過 3% 以后砂漿強度損失明顯。經過對砂漿破型試驗后內部斷面分析，當光纖摻量超過3% 以后，由于內部光纖間隙較小，砂漿出現斷層，砂漿與光纖表面附著力較小，導致砂漿強度降低明顯。

圖 1 混凝土抗壓強度

圖 2 混凝土強度損失率

3.2 光纖摻量對透光混凝土透光率的影響

圖 3 不同光纖摻量下透光率變化規律

選取三個特征體積摻量 2%、6% 和 10%，對透光混凝土進行透光率測定（圖 3），理論透光率應接近于光纖體積率，由圖 3 可知，體積率從 2% 到 10% 其實際透光率與體積率差值較大。體積率為 2.0% 時，其實測最大透光率約 1.2%，達到體積率的 60%，體積率為6% 時，其實測最大透光率約為 3.8%，達到體積率的63%，體積率為 10% 時，其實測最大透光率為 7%，達到體積率的 70%。可見，隨著體積率的增大，透光率達到預期理論值的比例在逐漸提高。究其原因，光纖體積率的提升使得光線傳播途徑更加多元化，各光纖間光導協同作用有所增強。透光率達到體積率的比例最高僅占70%，透光率的降低主要原因在于光纖出現彎曲線型及光纖出入端口受水泥基體遮掩。

不同體積率下，當波長在 200～260nm 之間時，幾乎不透光，說明在此波長下光纖的傳導效率非常低下，光全反射效應不明顯。波長在 270nm 時，透光率迅速提高，曲線在此處發生突變，波長處于 320～380nm 之間時，透光率發生劇烈波動，此階段光纖內全反射效應處于不穩定狀態，波長 380nm 之后曲線基本趨于平緩上升狀態，在波長為 500nm 處，曲線出現短暫波動，說明該光纖對于 500nm 波長的光敏感性較高。波長500nm 之后，透光率處于穩定階段。

4 結論

（1）采用預制模具光纖先植法可制備出光纖排布均勻、透光性良好的透光混凝土。

（2）透光混凝土抗壓強度隨著光纖體積摻量的增大而逐漸降低。

（3）當光纖體積摻量在 3% 以內時透光混凝土強度損失率較小，當光纖體積摻量超過 3% 后混凝土強度損失明顯，強度降低 10% 以上。

（4）透光率與光纖體積率的比值隨著體積率的提高逐漸增大，波長大于 500nm 時，光纖透光率處于穩定狀態。

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

[2]李悅，郭慧．透光混凝土的研究進展[J]．混凝土，2013(6): 5-8．

[3]李悅，許志遠．應用玻璃質光纖制備透光混凝土的研究[J]．混凝土，2013 (4): 141-143．

[4]劉小琴，吳媛媛，程寶軍，等．透光混凝土制備方法的研究進展[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，工程師，河南中建西部建設有限公司總工程師，主要從事綠色建材高性能混凝土的生產管理與經營管理。

［通訊地址］河南省鄭州市金水區經三北路 32 號 2 號樓 7 層（451450）