基于光导纤维的透光混凝土的试验研究

刘作为 宋军超

（1 瑞金市京桥建材有限公司；2 深圳港创建材股份有限公司）

0 引言

近年来，随着科技与社会的发展，混凝土行业也在不断的进行着发展变化，一改以往灰暗、沉闷的形象，不仅向高强高性能方向发展，建筑装饰混凝土也成为传统混凝土的发展趋势。2001 年匈牙利建筑师Aron Losconczi 将玻璃纤维或塑料细丝值入传统水泥基混凝土中，发明了透光混凝土[1][2]，打破了传统混凝土笨重单调的感觉，给人带来一种透明度渐变、色彩绚丽的视觉震撼。

目前国内在透光混凝土的组成、光学性能、力学性能及制备工艺等方面的研究已取得相关研究成果[3][4]，但对光纤如何在混凝土中排布以制备不同图案的透光混凝土还需进一步研究。本试验通过将光导纤维与自密实活性粉末混凝土相结合，并将光纤按一定图案进行分布排列以制备具有一定视觉及审美效果的透光混凝土。

1 透光原理、传输过程及光纤含量设计

1.1 透光混凝土的原理

透光混凝土是以混凝土为基体，将透明光纤按一定比例及图案铺设于混凝土模板中，充分利用几何光学四大基本定律：直线传播定律、独立传播定律、反射定律及折射定律，浇注混凝土，养护成型。

1.2 光在光纤中的传输过程

采用几何光学基本定律分析光在光纤中的传输特性时，只有当光纤的几何尺寸远远大于所传输的光波长λ 时，才能忽略波长长度，即光纤纤芯直径是所传播光波长λ 的几十倍及以上时，其传播对象采用几何光学基本定律来研究。

光导纤维是由硅酸盐玻璃纤维组成的纤芯和外包层的芯皮组成，如图1 所示，纤芯的折射率（n1）＞芯皮的折射率（n2）。当光从光密介质（n1）入射到光疏介质（n2）的界面上时，如果入射角i 达到和超过临界角i=arcsin(n2/n1)时，将无折射光产生全部被反射原介质的现象，称为光的全反射。光导纤维正是利用光的全反射原理传光的，如图2 所示。因此，将光纤值入到混凝土基体中，大量的光纤穿透混凝土端面。此时，当光从混凝土一个端面照进，则可以通过光纤传到另一端面。

图1 光纤横截面

图2 光线在光纤中的传播原理

1.3 光纤含量的设计

为保证混凝土较高的透光率，至少可以在混凝土墙体的一侧看到另一侧的轮廓，且不影响混凝土的力学基本性能，本试验设计的混凝土光纤体积含量约4%，光纤采用G.6.52 光纤，相关性能参数如表1 所示。

纤维用量计算：

若制备4×4×16cm3的混凝土，则需光纤体积：

表1 G.6.52 光纤性能参数

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——光纤根数；

d——光纤直径（包层）124≦d≦126μm；

h——光纤长度h=16cm(刚好穿过混凝土)；

A——模具横截面面积；

n——每平方毫米所插光纤数根数。

综上计算可知：将上述光纤以3 根/mm2的穿插密度平行并排植入混凝土中，即光纤体积含量是4%左右。

2 试验材料及仪器

2.1 试验材料

水泥：选用P.O42.5R 普通硅酸盐水泥；

石英砂：粒径范围为80～630μm，平均粒径为250μm，W（SiO2）≧99%；

超细粉煤灰：平均粒径6.30μm；

原粉煤灰：III 级粉煤灰，平均粒径范围80～45μm；

硅灰SF：W（SiO2）≈93%，平均粒径为0.2μm；

高效减水剂（KS-JS50）：聚羧酸型高效减水剂，固含量为50%，减水率＞30%；

光纤：G.6.52 光纤，光纤穿插密度3 根/mm2，体积含量约4%。

本实验采用活性粉末混凝土（Reactive powder concrete，缩写RPC）。

试验制备采用配合比如表2 所示：

表2 RPC 的配合比 （kg/m）3

2.2 实验仪器

胶砂搅拌机、胶砂试模等。

3 制备过程

3.1 制备自流平混凝土

按表2 所示混凝土的配合比准备原材料，将称好的水泥和硅灰等倒入砂浆搅拌机中干拌1min，然后加入石英砂并搅拌1min，随后将一半高效减水剂倒入搅拌锅慢搅2min，再加入另一半搅拌2min，最后快速搅拌4min 制备成型。

3.2 制备方法

通过多次实验，得出了两种比较可行的方法，即“平铺法”和“插秧法”。

平铺法：

⑴将光纤剪成比模具长稍短的长度，比如14～15cm；

⑵制作光纤板，即在间隔13～14cm 的两块较窄的透明胶之间，将光纤以间距1mm 左右平铺固定，如图3所示。

图3“光纤板”光纤平行粘在两透明胶上

⑶取4×4×16cm 的胶砂试模刷上脱模油；

⑷在模具底部先浇灌一层搅拌好的混凝土，并用刮刀抹平，然后将事先制好的光纤板平铺在混凝土上，再在光纤板上浇灌一层混凝土，抹平后再铺上光纤板，如此反复，直到铺满整个模具。为保证较高的透光率，每层混凝土应浇灌的尽可能单薄。

⑸样品制成后室温下养护一天，然后对样品进行拆模。

⑹样品养护达到一定强度后，切除混凝土两端1～2㎝，让光纤穿过混凝土两表面，可将混凝土切割成几小块。

插秧法：即先将混凝土浇灌于模具中，抹平后，将光纤一根一根紧密竖直插如混凝土中，故称之为插秧法。然后将样品在室温下养护一天，拆模，达到一定强度后，切去上下两表层，以便光纤全部穿透上下两个表面。

与平铺法不同的是，该方法可以插出图案，更具有艺术观赏价值，本试验用插秧法擦出了一个“☆”字型图案。为做空白对比性试验，采用传统浇灌方法在同样条件下制备一个没有光纤的混凝土。

4 性能检测

4.1 透光检验

将做好的三种混凝土模型之于黑暗环境中，在其一侧用手电筒照射，由于普通混凝土不具有透光性，没有光纤的混凝土无论怎样照射都不能透光，如图4（a)；将光纤平铺于混凝土中制作的混凝土模型，当用手电筒照射有光纤穿透的表面时，在光照射的另一面有光通过，如图4(b)；当用光照射用插秧法制成的有“☆”图形的混凝土时，在另一侧可以看到一个很亮的“☆”，如图4(c)。

图4

通过透光检测说明，传统混凝土不透光，然而光纤加入混凝土后却使混凝土具有透光的特性，主要原因是光纤贯通于混凝土中，当光从光纤的一侧照进，光在光纤中发生全反射，把一侧的光传到另一侧。

4.2 强度检测

拆模标养7 天后对其进行强度测试，测试结果如表3 所示。

表3 强度检测结果 （MPa）

从表3 可以看出：光纤对混凝土的抗压强度影响不大，但却可以增加混凝土的抗折强度，因为光纤可以起到纤维一样的作用。

5 结语

透光混凝土作为一种建筑装饰材料，现阶段国内外的主要制备方法主要采用的先植法，因为先植法能最大限度保持混凝土原有力学性能不受影响，而对光纤如何穿插、均布及精准定位的研究还比较缺乏，将成为透光混凝土日后的发展研究趋势。

此外，由于透光混凝土在不影响传统混凝土力学性能的基础上，增加了传统混凝土没有的透光性能，打破了传统混凝土笨重、灰暗、单调的感觉，给人带来一种色彩绚丽的视觉震撼，具有广阔的运用前景。