王偉偉 陳麗娟 張育新
摘要:隨著城市建設的快速發(fā)展,龐大的建筑群落和建筑間距的減小使室內采光變差,影響了人們的居住體驗。傳統(tǒng)的混凝土建筑逐漸不能滿足現(xiàn)代人的審美情趣。為此,研究者們積極探索新型建筑材料,將透光材料摻入普通混凝土,使光能通過混凝土,旨在實現(xiàn)建筑美。這種透光的混凝土可以改善照明條件,節(jié)約能源,裝飾建筑。一般透光混凝土可分為兩種類型:纖維型和樹脂型。透光混凝土的生產技術主要包括先植法、后植法。然而在制備透光混凝土的過程中,透光材料與水泥基材料的粘結問題,以及水泥基材料的基本特性仍需要改進。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),透光混凝土的力學性能確有一定程度地降低,但透光率卻有很大的提高。令人驚訝的是,透明混凝土在建筑領域得到了廣泛的應用。為了進一步促進透明混凝土的應用,本文探討了透光混凝土的進展、應用進展、生產技術和功能特點。
關鍵詞:透光混凝土;制備工藝;透光性能;應用前景
中圖分類號:TU528文獻標識碼:A文章編號:1673-7164(2021)05-0150-05
基金項目:本文系重慶大學科研費專項資金項目(NSFC-廣東聯(lián)合基金重點基金-U1801254)的階段性成果。
隨著時代的發(fā)展,人們對建筑裝飾的要求已不再局限于實用性,而越發(fā)關注裝飾美觀度,不得不說,這在一定程度上考驗了當代建筑技術的發(fā)展水平[1-2]。傳統(tǒng)混凝土可通過對建筑物的形體外貌進行設計與規(guī)劃,達到建筑物外形美觀,可混凝土建筑往往給人一種暗沉視覺。匈牙利建筑師阿隆·羅索尼奇(Aron Losonczi)于2002年發(fā)明的透光混凝土表現(xiàn)出優(yōu)良的透光特性[3],光在其正面和背面形成不同的視覺效果,極大增強了室內自然采光效果[4-5]。透光混凝土打破混凝土沉悶蒼白的傳統(tǒng)材料形象,成為一種全新的透光裝飾性材料,在材料組成、透光原理、材料性能等方面均相異于其他透光材料。不同于玻璃材料的組成,透光混凝土是混凝土基光纖復合材料,大量的光纖以一定空間排列形式嵌入混凝土基材料中,可根據(jù)自己的需求創(chuàng)建透光區(qū)域,形式靈活多變。透光原理異于有機復合材料的基體透光,而是通過光纖達到光線在基體中傳輸?shù)哪康?,可以清晰顯示物體輪廓外形,起到透光顯影的藝術效果。透光混凝土可有效呈現(xiàn)出建筑物優(yōu)雅、溫馨、通透、奇特等美學特性[6]。除此之外,透光混凝土還可被制成形狀各異、五彩斑斕的材料板塊,使建筑物獲得新穎的裝飾效果。例如:最初的弗朗哥教堂競賽模型建立[7],上海世博會意大利館的外立面[8],更甚于室內家具展品[9-10]、太陽能人行道[11-12]、博物館建設[13]等。
一、透光混凝土的發(fā)展進程
透光混凝土的發(fā)展集中體現(xiàn)在透光材料的改進,以提升混凝土強度,降低制造成本為初衷,并且向智能化方向過渡。起初,導光性能優(yōu)異的光纖材料給予研究者設計靈感[14]。Litracon公司最先使用光纖作為透光材料[15-16],后采用有機玻璃替代光纖,所得透光混凝土透光效果優(yōu)異,然而強度一直困擾研究者。Soumyajit Paul和Avik Dutta通過研究含聚碳酸酯和環(huán)氧基體的混合物的硅酸鹽混凝土[17],以配合比1.5:1將混合物基體與砂漿混合,得到的透光混凝土具有良好的導光性能,與標準混凝土相比,該材料具有更大的機械強度性能,更低的密度,能夠應用在結構和建筑裝飾的各方面。與常規(guī)混凝土相比,這種混凝土并不會失去強度參數(shù),而且對美學具有非常重要的意義。
包興雨等通過將亞克力生產廢料作為透光材料制備透光混凝土[17],遵循節(jié)約成本,達到資源循環(huán)的目的。TRIZ提出的ENV模型[19],用低成本透光材料取代現(xiàn)有昂貴的光纖來保證光傳輸,隨著可構造性的提高,并通過改變現(xiàn)有的勞動密集型方法,將數(shù)以千計的光纖鋪設成一個省力的系統(tǒng),采用一個大型的外部多孔模具實現(xiàn)批量生產的目標。一般來說,光纖傳感器在平均應變、應力、溫度測量方面表現(xiàn)出較高的靈敏度和精度。此外,光纖傳感器是靈活可調的,可以設置為任何期望的方向[20]。高飛等研制出一種智能化的透光混凝土[21],以塑料光纖(POF)和少量光纖光柵(FBG)為組成部分,實現(xiàn)基于塑料光纖(POF)的良好透光性能和基于光纖光柵的傳感特性的功能,在建筑物應力傳感方面表現(xiàn)出優(yōu)良特性[22]。
意大利水泥集團首次將樹脂摻入混凝土研制出“i.light”[23],極大地改善了工藝成本高的問題,使量產成為可能;該產品導光視角開闊,從而擁有更大的光感面積[24];Mainini等將PMMA樹脂纖維嵌入增強混凝土板中[24],制得一種優(yōu)良裝飾節(jié)能效果的環(huán)保透光混凝土板。目前,耐磨性好,抗壓、抗拉伸強,具有抗凍性和抗熱性等特殊樹脂透光材料已成為研究者的重點研究方向[26-27]。
二、透光混凝土的性能研究
(一)力學性能及耐久性
相關實驗表明透光混凝土力學性能不及普通混凝土[28]。隨著光導纖維摻量的增多,透光混凝土的抗壓強度逐漸減小。通過大量實驗所測指出,當光纖的摻量達4%時,透光混凝土擁有更小的質量,且抗壓強度可達70MPa左右,該比例的光纖基本不影響混凝土的抗壓強度。因此,與普通混凝土相比,透光混凝土在低纖維含量較小下強度參數(shù)并不會有明顯下降,透光混凝土的透光性能和力學性能均衡達到最優(yōu)。Momin等人將透光混凝土與傳統(tǒng)混凝土進行比較并得出結論[29],光纖透光混凝土的抗壓強度在20~23N/mm2,玻璃棒的抗壓強度在24~26N/mm2之間,表明該透光混凝土可滿足M20級混凝土抗壓強度要求。Shanmugavadivu等人對透光混凝土的工作性能、抗壓強度和抗彎強度進行了試驗[30]。試驗結果證明了透光混凝土的性能在各方面均優(yōu)于普通M20級混凝土。關于樹脂透光混凝土力學性能,葉栩娜以抗壓強度為主要指標開展力學性能研究,確定了最佳自密實砂漿的膠砂比和水灰比。選用環(huán)氧樹脂作界面改良劑后,樹脂與混凝土界面的粘結性增強,力學性能也提高[31]。
KIM B通過發(fā)泡和輕質集料來實現(xiàn)透光混凝土的可施工性和輕質性[32],并進行實驗以提高其工作性能。優(yōu)化后的配合比在保證材料的優(yōu)良性能下,可以降低材料的單位重量。荷載傳遞系數(shù)分析多種材料的傳遞能力結果表明,混凝土對纖維的傳遞能力最高,其次是塑料棒。高錫鵬通過抗壓強度實驗[33],發(fā)現(xiàn)樹脂透光混凝土的抗壓強度與導光分支數(shù)量呈負相關,且導光體對混凝土砂漿基體的彎曲強度有較大影響。
王信剛等采用X射線衍射儀和環(huán)境掃描電鏡研究透光混凝土[34],實驗發(fā)現(xiàn)除了耐堿玻璃纖維(AR玻璃纖維),一般的玻璃纖維都不耐堿[35-36]。為了降低堿性混凝土對透光材料的腐蝕帶來的影響,他們選擇了低堿性的硫鋁酸鹽水泥作為基體材料。研究發(fā)現(xiàn),透光混凝土界面處粘結不夠緊密,存在縫隙,導致透光混凝土力學性能下降。這是由于后植法弊端性問題,透光材料和混凝土基體粘結性差,界面處及其不穩(wěn)定,使得透光材料容易脫落,進一步降低了透光混凝土的性能[37]。王信剛采用自密實混凝土砂漿(SCM)替代普通混凝土[38],保證樹脂在硬化后準確定位,不易發(fā)生移位。這種方法確保樹脂導光材料分布均勻,簡化了生產環(huán)節(jié),提升產品的表面質量。
(二)透光性能
光和透明度的控制一直是建筑設計和新立面解決方案創(chuàng)新的重要驅動因素。透光混凝土基于“納米透光”原理[39],研究者發(fā)現(xiàn)[40-42],透光混凝土的透光性與光纖摻量成正比,且透光性能受光纖的排布間距、直徑、數(shù)目等因素影響。關于透光性樹脂材料,實驗結果發(fā)現(xiàn),300~450 nm之間的光波[23],其在樹脂材料中的透光率值在迅速增大,波長在500nm之后的波段,透光率值上升緩慢,800nm之后其值基本不再上升。Mainini等通過收集積分球測量來導出光譜光學面板的屬性[25],測量了試樣在正常和60°之間入射角的光學性質,并報告了光譜結果。在測量過程中收集的數(shù)據(jù)用于:創(chuàng)建和驗證面板的簡化輻射模型,并優(yōu)化仿真參數(shù),以正確估計總內部折射影響認為PMMA樹脂插入使混凝土透射光顯著增強。
透光混凝土的理論透光性能理想,但是在實際成品中,樹脂透光混凝土的透光性能并沒有達到理論的數(shù)值。主要原因是制備樹脂塊攪拌時會產生大量的氣泡,干固成型后影響透光混凝土的透光性,目前較有效的方法是真空攪拌樹脂,但仍無法避免氣泡的產生[31]。在實際應用方面,透光混凝土用作墻體材料,可顯著改善房間的采光。其平均采光可提升30%左右,采光均勻度提高50%左右[43-44]。
(三)熱工性能
通過對樹脂類透光混凝土熱工性能分析,高錫鵬等應用ANSYS有限元分析軟件得出:樹脂透光混凝土基體部分邊緣區(qū)域熱流密度稍低,導光分支之間區(qū)域熱流密度均較高[33]。關于導光材料,導光分支內熱流密度遠低于連接部內,而相比較連接部不同部位之間也存在一定差異。當樹脂材料將混凝土砂漿完全隔開時,熱量傾向于匯集到樹脂層較薄處的區(qū)域?;炷粱w區(qū)域內的熱流密度要明顯高于導光體區(qū)域,熱量在制品中傳遞時繞開樹脂材料后匯集在混凝土砂漿材料處。上述熱流密度所表現(xiàn)出的現(xiàn)象進一步說明,樹脂材料的嵌入使透光混凝土制品的熱阻性相較混凝土砂漿制品有明顯的提高,而且樹脂材料的尺寸和外形的不同對成品熱阻提高幅度會產生影響,這也是透光混凝土相較于普通混凝土具備優(yōu)勢的進一步表現(xiàn)。
按照國家規(guī)定標準[45],樹脂材料導熱系數(shù)為0.1603W/(m·K),接近國家標準,可以作為保溫材料?;炷辽皾{制品的導熱系數(shù)達到0.8944W(/m·K),保溫能力較差熱阻過低,透光混凝土制品的平均導熱系數(shù)可低至0.3815 W(/m·K),保溫性能接近發(fā)泡混凝土。可以進一步說明透光混凝土具備較好的保溫隔熱效果,可作為今后建筑構件保溫材料的研究方向。周智團隊應用Ecotect模擬了對裝有樹脂透光混凝土幕墻的某試驗室的熱環(huán)境[45],以評估該樹脂透光混凝土制品的保溫隔熱性能。最終得出結論,其隔熱保溫效果接近雙層中空Low-E非遮陽玻璃,相比單層玻璃能量損耗降低10%以上。
1.光纖類透光混凝土制備方法
透光混凝土的制備方法因材而異,就光纖的植入而言,可采取先植法和后植法[46]。研究者按照光纖的排布方式,將其粗略分為光纖平行排列法[47]、紡織光纖技術[48]、光纖模具法等[49]。李悅等人采用平行排列法制作透光混凝土,其基本操作主要分為四步[50]:將混凝土砂漿澆入預制模具中;按照一定比例平行埋入光纖;輕輕振搗試模,如此反復;養(yǎng)護硬化后,采用切割、打磨和拋光等工藝得到成品。
不久,李悅等人進一步對平行排布法進行改進,在其基礎上實現(xiàn)按照一定的規(guī)則,采用紡織多軸向經(jīng)編機將光纖編制成網(wǎng)狀或是2D纖維織物形,再將其平鋪在混凝土漿體中(需分層鋪設)[51]。隨后,提出了基于該方法的不同透光形式的透光混凝土制備方法。
2.樹脂類透光混凝土制備方法
選擇半透明樹脂作為透光材料植入混凝土所采取的方法主要是預制法和澆筑法。預制法通過將樹脂切成規(guī)則的樹脂塊,尺寸形狀與相應模具的大小相匹配。在樹脂塊表面均勻噴涂以丙烯酸酯為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,可作為界面粘結材料間隔透光材料與混凝土基材料,達到防止混凝土砂漿對透光材料的腐蝕的效果。然后在模具底部嚴密固定好已制備的樹脂板,并緩慢澆筑預制砂漿,保證樹脂板完全嵌入混凝土砂漿中,且砂漿不能覆蓋板材表面。待砂漿固結硬化后,脫模取出樹脂透光混凝土板進行拋光養(yǎng)護工藝,便可制成樹脂透光混凝土成品。相較于纖維類透光混凝土的生產工藝,預制法有效解決了導光材料位置不易固定帶來的影響,并且簡化了植入導光材料流程[36]。在該實驗中,選用環(huán)氧樹脂AB膠作為界面粘結劑,可提高樹脂材料與混凝土基體接觸界面的粘結效果,強度也隨之提升[38]。這種方法能夠有效地將樹脂嵌入混凝土中,確保樹脂導光材料分布均勻,簡化了生產環(huán)節(jié),還可以保證產品的表面質量。通過實驗發(fā)現(xiàn)樹脂硬化后收縮性大于水泥基體材料且易脫落,界面黏結性差、耐久性差等問題,嚴重影響了該材料的性能。其次,樹脂的粘結性很強,容易和很多種材質的模具粘結,因此找到一種適合樹脂脫模的模具材料是制備透光樹脂的關鍵。由于硅膠特殊性,不易于樹脂粘結的特性,葉栩娜[23]用硅膠作為制備透明樹脂單元的模具材料,在使用時與硅膠脫模劑一起配合使用,達到較好的脫模效果。由于制備樹脂透光混凝土存在較多缺陷,隨后,研究者采用所謂“澆筑法”,類似于“后植法”:起初在模具底部加入可壓縮性材料,然后澆注配好的砂漿(添加了聚合物纖維,在砂漿配方中所用聚合物纖維是為了防止水泥固化收縮時透光樹脂和水泥接觸的位置發(fā)生開裂);然后插入塑料片,等待其初步固化,取出塑料片,接著等待一段時間,形成孔;涂反光油漆,晾干后,將樹脂液體澆注孔中,使其和砂漿混合;固化后將透明混凝土板取出。
(二)透光混凝土性能提升探索
陳芳斌等人通過兩代共六型均布裝置[52],改進光纖排布工藝,通過一種光纖布置效率更高、安裝更加簡單的均布裝置,使光纖材料能均勻排布在混凝土基體中,從而更好地表現(xiàn)透光混凝土的透光性能。尋找合適的界面黏結劑,如水性丙烯酸環(huán)氧樹脂等,以提高界面粘結性。從已有的環(huán)氧樹脂得出其具有高強度,高韌性,固化時間短的特性,與金屬以及非金屬材料的粘結度均較高,增強透光材料與混凝土基體的粘附性,可極大提升混凝土抗拉強度和抗裂性。對樹脂類混凝土預制法而言,沒有完全解決制備過程中混凝土固化收縮差的問題。如果能在透光混凝土中摻入具有粘結性建筑功能材料,或者在生產工藝中加入優(yōu)于環(huán)氧樹脂AB膠的界面黏結劑,是否能有效解決硬化后樹脂塊易脫落以及抗拉強度低的問題呢?在材料形成時,組合物中引入的聚合物樹脂與混凝土混合物相互作用,形成致密的固化接觸區(qū)的化合物和混凝土層[53-60]。此外,可在復合黏結劑中引入有機械和化學活化的粉碎混凝土細粉和硅灰,改善混凝土配合比的硬化過程,物理性能得到保留,進一步降低透光混凝土的成本[61]。通過計算仿真模擬,改變樹脂塊的形態(tài)或結構,保證其各項功能特性基本不變,并且對界面黏結劑積極探索,對光纖布置和光纖定位的精細化、機械化[62],透光混凝土的生產效率問題將得到極大改善。相信不久,透光混凝土的應用必將隨生產效率的提高而得到大幅度的提升。目前,透光混凝土制品承載力較低,可作為圍護構件,滿足裝飾材料力學要求,不能滿足承重構件要求[63]。實驗得知加入纖維能明顯提高混凝土的強度,最高可達10%以上?;炷林屑尤脘摾w維和骨料均可成為增強相,特別是高強度鋼纖維在基體中呈現(xiàn)均勻三維亂向分布,對裂紋擴展起著良好的阻礙作用[64-65]。如能找到其他強度更高的透光材料或者混凝土基體,或是將某種試劑、材料與其混合,提高骨料和導光體的強度,如在混凝土基體中摻入微細的鋼筋、燒結磚粉末等強度較大的建筑材料,或是某種高強度,顏色較淺的金屬材料,能否有效提升透光混凝土的力學性能?研究者應繼續(xù)尋找適合的材料,應用到透光混凝土的生產工藝中,以優(yōu)化透光混凝土的相關力學性能。
四、結語
隨著透光混凝土研究的進一步發(fā)展,其在各種場景的需求將日益增加,發(fā)展前景可觀。根據(jù)目前測試所得,透光混凝土材料的透光性并不理想,透光性能表現(xiàn)不穩(wěn)定,無法保證量產后的產品透光性達到預期效果。透光混凝土的生產工藝存在諸多問題,生產方案尚未完善,生產效率低,產品多樣化較難實現(xiàn)。因此,今后需選擇優(yōu)良的透光材料,降低混凝土對透光材料強度的負面影響,解決透光混凝土制備工藝的缺陷,尋求更加完善的生產工藝,盡快解決量產的問題。隨著光纖技術的發(fā)展,相信透光混凝土一定會有更加廣泛的應用。
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(責任編輯:鄒宇銘)