基于光導纖維的透光混凝土的試驗研究

劉作為 宋軍超

（1 瑞金市京橋建材有限公司；2 深圳港創建材股份有限公司）

0 引言

近年來，隨著科技與社會的發展，混凝土行業也在不斷的進行著發展變化，一改以往灰暗、沉悶的形象，不僅向高強高性能方向發展，建筑裝飾混凝土也成為傳統混凝土的發展趨勢。2001 年匈牙利建筑師Aron Losconczi 將玻璃纖維或塑料細絲值入傳統水泥基混凝土中，發明了透光混凝土[1][2]，打破了傳統混凝土笨重單調的感覺，給人帶來一種透明度漸變、色彩絢麗的視覺震撼。

目前國內在透光混凝土的組成、光學性能、力學性能及制備工藝等方面的研究已取得相關研究成果[3][4]，但對光纖如何在混凝土中排布以制備不同圖案的透光混凝土還需進一步研究。本試驗通過將光導纖維與自密實活性粉末混凝土相結合，并將光纖按一定圖案進行分布排列以制備具有一定視覺及審美效果的透光混凝土。

1 透光原理、傳輸過程及光纖含量設計

1.1 透光混凝土的原理

透光混凝土是以混凝土為基體，將透明光纖按一定比例及圖案鋪設于混凝土模板中，充分利用幾何光學四大基本定律：直線傳播定律、獨立傳播定律、反射定律及折射定律，澆注混凝土，養護成型。

1.2 光在光纖中的傳輸過程

采用幾何光學基本定律分析光在光纖中的傳輸特性時，只有當光纖的幾何尺寸遠遠大于所傳輸的光波長λ 時，才能忽略波長長度，即光纖纖芯直徑是所傳播光波長λ 的幾十倍及以上時，其傳播對象采用幾何光學基本定律來研究。

光導纖維是由硅酸鹽玻璃纖維組成的纖芯和外包層的芯皮組成，如圖1 所示，纖芯的折射率（n1）＞芯皮的折射率（n2）。當光從光密介質（n1）入射到光疏介質（n2）的界面上時，如果入射角i 達到和超過臨界角i=arcsin(n2/n1)時，將無折射光產生全部被反射原介質的現象，稱為光的全反射。光導纖維正是利用光的全反射原理傳光的，如圖2 所示。因此，將光纖值入到混凝土基體中，大量的光纖穿透混凝土端面。此時，當光從混凝土一個端面照進，則可以通過光纖傳到另一端面。

圖1 光纖橫截面

圖2 光線在光纖中的傳播原理

1.3 光纖含量的設計

為保證混凝土較高的透光率，至少可以在混凝土墻體的一側看到另一側的輪廓，且不影響混凝土的力學基本性能，本試驗設計的混凝土光纖體積含量約4%，光纖采用G.6.52 光纖，相關性能參數如表1 所示。

纖維用量計算：

若制備4×4×16cm3的混凝土，則需光纖體積：

表1 G.6.52 光纖性能參數

Vf=V×4%=4×4×16×4%≈10cm3

又Vf=d2hn×π/4

N=4Vf/（πd2h）

取d=125μm=0.0125cm

所以：N=4×10/（π×16×0.01252）=5096 根

n=N/A=3 根式中，

N——光纖根數；

d——光纖直徑（包層）124≦d≦126μm；

h——光纖長度h=16cm(剛好穿過混凝土)；

A——模具橫截面面積；

n——每平方毫米所插光纖數根數。

綜上計算可知：將上述光纖以3 根/mm2的穿插密度平行并排植入混凝土中，即光纖體積含量是4%左右。

2 試驗材料及儀器

2.1 試驗材料

水泥：選用P.O42.5R 普通硅酸鹽水泥；

石英砂：粒徑范圍為80～630μm，平均粒徑為250μm，W（SiO2）≧99%；

超細粉煤灰：平均粒徑6.30μm；

原粉煤灰：III 級粉煤灰，平均粒徑范圍80～45μm；

硅灰SF：W（SiO2）≈93%，平均粒徑為0.2μm；

高效減水劑（KS-JS50）：聚羧酸型高效減水劑，固含量為50%，減水率＞30%；

光纖：G.6.52 光纖，光纖穿插密度3 根/mm2，體積含量約4%。

本實驗采用活性粉末混凝土（Reactive powder concrete，縮寫RPC）。

試驗制備采用配合比如表2 所示：

表2 RPC 的配合比 （kg/m）3

2.2 實驗儀器

膠砂攪拌機、膠砂試模等。

3 制備過程

3.1 制備自流平混凝土

按表2 所示混凝土的配合比準備原材料，將稱好的水泥和硅灰等倒入砂漿攪拌機中干拌1min，然后加入石英砂并攪拌1min，隨后將一半高效減水劑倒入攪拌鍋慢攪2min，再加入另一半攪拌2min，最后快速攪拌4min 制備成型。

3.2 制備方法

通過多次實驗，得出了兩種比較可行的方法，即“平鋪法”和“插秧法”。

平鋪法：

⑴將光纖剪成比模具長稍短的長度，比如14～15cm；

⑵制作光纖板，即在間隔13～14cm 的兩塊較窄的透明膠之間，將光纖以間距1mm 左右平鋪固定，如圖3所示。

圖3“光纖板”光纖平行粘在兩透明膠上

⑶取4×4×16cm 的膠砂試模刷上脫模油；

⑷在模具底部先澆灌一層攪拌好的混凝土，并用刮刀抹平，然后將事先制好的光纖板平鋪在混凝土上，再在光纖板上澆灌一層混凝土，抹平后再鋪上光纖板，如此反復，直到鋪滿整個模具。為保證較高的透光率，每層混凝土應澆灌的盡可能單薄。

⑸樣品制成后室溫下養護一天，然后對樣品進行拆模。

⑹樣品養護達到一定強度后，切除混凝土兩端1～2㎝，讓光纖穿過混凝土兩表面，可將混凝土切割成幾小塊。

插秧法：即先將混凝土澆灌于模具中，抹平后，將光纖一根一根緊密豎直插如混凝土中，故稱之為插秧法。然后將樣品在室溫下養護一天，拆模，達到一定強度后，切去上下兩表層，以便光纖全部穿透上下兩個表面。

與平鋪法不同的是，該方法可以插出圖案，更具有藝術觀賞價值，本試驗用插秧法擦出了一個“☆”字型圖案。為做空白對比性試驗，采用傳統澆灌方法在同樣條件下制備一個沒有光纖的混凝土。

4 性能檢測

4.1 透光檢驗

將做好的三種混凝土模型之于黑暗環境中，在其一側用手電筒照射，由于普通混凝土不具有透光性，沒有光纖的混凝土無論怎樣照射都不能透光，如圖4（a)；將光纖平鋪于混凝土中制作的混凝土模型，當用手電筒照射有光纖穿透的表面時，在光照射的另一面有光通過，如圖4(b)；當用光照射用插秧法制成的有“☆”圖形的混凝土時，在另一側可以看到一個很亮的“☆”，如圖4(c)。

圖4

通過透光檢測說明，傳統混凝土不透光，然而光纖加入混凝土后卻使混凝土具有透光的特性，主要原因是光纖貫通于混凝土中，當光從光纖的一側照進，光在光纖中發生全反射，把一側的光傳到另一側。

4.2 強度檢測

拆模標養7 天后對其進行強度測試，測試結果如表3 所示。

表3 強度檢測結果 （MPa）

從表3 可以看出：光纖對混凝土的抗壓強度影響不大，但卻可以增加混凝土的抗折強度，因為光纖可以起到纖維一樣的作用。

5 結語

透光混凝土作為一種建筑裝飾材料，現階段國內外的主要制備方法主要采用的先植法，因為先植法能最大限度保持混凝土原有力學性能不受影響，而對光纖如何穿插、均布及精準定位的研究還比較缺乏，將成為透光混凝土日后的發展研究趨勢。

此外，由于透光混凝土在不影響傳統混凝土力學性能的基礎上，增加了傳統混凝土沒有的透光性能，打破了傳統混凝土笨重、灰暗、單調的感覺，給人帶來一種色彩絢麗的視覺震撼，具有廣闊的運用前景。