摘要:透光混凝土是一种新型建筑材料。为满足建筑行业的需求，对透光混凝土制备工艺、性能进行深入透彻地研究已变得非常迫切。本文对透光混凝土的力学性能、混凝土耐久性能，以及其光学性能进行了研究，研究表明:透光混凝土的力学性能与掺入光纤的种类， 光纤的掺量密切相关。不论掺入有机玻璃(PMMA)或者聚苯乙稀(PS)光纤，光纤的掺入明显提高体系的抗压强度，随着光纤掺量的增加，体系抗压强度先增加后减少。光纤的掺入可以明显提高体系的抗裂性能，且随着光纤掺量的增加脆性系数降低。对于同一龄期，同种光纤掺量条件下，PS组的试件脆性系数大于PMMA组的试件。光纤的掺入降低了透光混凝土的抗硫酸侵蚀性能和抗氯离子渗透性能，随着光纤掺量的增加，抗硫酸侵蚀性能和抗氯离子渗透性能降低。随着光纤掺量的增加，透光率明显增加。PS光纤的试件的透光率略低于PMMA试件，但相差不大。
1 前言
透光混凝土作为一种新型装饰混凝土，打破了传统混凝土给人沉闷的感觉，赋予混凝土美轮美奂的色彩，其多变的风格，赋予设计师更多的设计灵感，具有广泛的应用空间和价值。
透光混凝土起源于是2002年，由一位匈牙利建筑设计师所发明，并创造了透光混凝土的英文单词"Litracon"[1]。目前为止，针对透光混凝土的研究不多，但是随着科技水平的提高，越来越多的国家和研究机构都投入到透光混凝土材料的研究中。在国外，透光混凝土已经在建筑领域、室内装饰、雕塑、工艺品等领域得到了初步应用，并具有良好的效果[2]。但是总体上，国内外对透光混凝土的性能包括力学性能、耐久性能以及抗震性能等的研究极少。
普遍研究表明，光纤对透光混凝土的抗压强度具有一定影响，光纤的掺入会提高体系的力学性能，但是随着光纤体积掺量的增加，混凝土的抗压强度逐渐降低，但不甚明显[3-5];在冻融循环的环境下，降低率较高[3]。也有学者研究认为，光纤的掺入对体系的抗压强度影响可以忽略[6]。研究者[7-8]研究发现，光纤的掺入会在一定程度上提高水泥体系的力学性能，抗折强度的增加比较显著，这可能与光纤增加了体系的韧性有关[8]，但对脆性影响不大。对透光混凝土耐久性能的研究很少，有学者[3]认为随着光纤体积掺量的增加，混凝土的抗渗透性能逐渐降低，通过环氧树脂增加光纤与混凝土之间的黏结性能可以有效提高体系的抗渗性能。另外，研究者[9]研究发现碱性溶液对透光混凝土的侵蚀作用大于盐溶液。
目前针对透光混凝土的研究还处理初级阶段，对透光混凝土的性能高缺乏系统性地研究。本文对透光混凝土的力学性能、耐久性能和光学性能进行了系统的试验研究。同时引入一种成本较低的光纤，通过对其制备的透光混凝土性能的研究，为降低透光混凝土成本，实现其应用提供支撑。
2原材料和试验方法
2.1原材料
水泥:采用P·O42.5水泥，其化学成分含量如表1所示。
矿粉:亚东S95矿粉，矿粉的化学成分如表1所示，矿粉性能指标符合《用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣》 GB/T18046-2008 要求。
粉煤灰:粉煤灰采用Ⅰ级粉煤灰，其化学成分含量如表1所示。
砂:细砂，细度模数1.6-2.0。
减水剂:自行配置的聚羧酸减水剂。
光纤:有机玻璃(PMMA)、聚苯乙稀(PS)，其透光率对比如图1。
2.2试验方法和过程
利用自主研发的设备对透光混凝土光纤进行排布，将排布后的光纤块放置于事先备好的模具中，按照表2中的配比浇筑砂浆。采用切割机切割成4*4*16 cm3立方体块用于抗折强度测试。
抗硫酸盐侵蚀试验参考《混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》GB/T50082-2009试验标准中关于抗硫酸盐侵蚀试验的方法进行试验。采用切割机进行切割成10*10*10cm3的透光混凝土块，养护至28d，将其中一半试块放置于5%的硫酸盐溶液中开始干湿循环试验，另外一半在标准条件下养护，养护至30个循环分别测试其抗压强度。
透光性能研究采用紫外可见近红外分光光度计测试，采用切割机进行切割成5*5*1 cm3的透光混凝土片用于透光率的检测。
抗氯离子渗透性能按照《混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》GB/T50082-2009试验标准中关于抗氯离子渗透试验的电通量发方法进行试验。打磨成直径为10cm，高度5cm的圆柱体试样。
由于透光混凝土的承重面是垂直于透光面，因此本文涉及的强度测试都是垂直于承重面，即平行于透光面施加压力。由图2看出，不论掺入PMMA 或者PS光纤，光纤的掺入明显提高体系的抗压强度，随着光纤掺量的增加，体系抗压强度先增加后减少。这是由于少量光纤的掺入会对试块的抗折强度起到纤维增强的作用，提高试块的抗拉强度和抗裂性能，但是随着光纤体积掺量的增加，基体的不均匀性明显增加，最终降低了试块的抗折强度。
掺入PS光纤的试块的强度稍微低于掺入PMMA光纤的强度，这是因为PS光纤比PMMA光纤脆，掺入后对体系强度的增加效果没有PMMA明显。
借鉴混凝土脆性系数概念[10]，本文在此处定义砂浆试件的脆性系数为其抗压强度与其抗折强度之比。脆性系数越小，水泥基材料韧性越大，抗裂性越好。各个砂浆试件不同龄期的脆性系数关系图3所示。不同体系的脆性系数随龄期变化没有什么规律性。不论对于掺入PMMA或者PS光纤体系，脆性系数小于不掺光纤体系，光纤的掺入可以明显提高体系的抗裂性能，且随着光纤掺量的增加脆性系数降低。对于同一龄期，同种光纤掺量条件下，PS组的试件脆性系数大于PMMA组的试件。
3.2抗硫酸盐侵蚀性能
硫酸盐侵蚀试验的试验结果表明(图5)，掺入光纤后，试块的抗压强度明显降低，光纤的体积掺量为2%时，降低率为13%左右;光纤的掺量为4%，降低率为23%。这可能因为，光纤的掺入导致界面的强度降低，硫酸盐溶液的侵蚀作用更加迅速明显。不掺光纤时，强度反而有所增加，这是因为侵蚀周期较短，硫酸盐溶液提供了试块强度发展所需要的充分的水分。所以透光混凝土不宜用于具有侵蚀作用的部件。
3.3抗氯离子渗透性能
抗氯离子渗透试验的结果表明(图6)，掺入光纤后，试样的电通量明显增加，抗氯离子渗透性能明显下降，这是因为光纤与水泥基材料的界面接触不紧密，存在空隙，导致溶液比较容易通过。随着光纤体积掺量的增加，电通量增加，抗渗性能降低，这是因为光纤的体积增加，界面的接触面积增加，使通过的离子溶液的通道增加。对于掺PMMA光纤的试样的电通量大于掺PS光纤的电通量，说明掺入PS光纤与水泥基体的界面性能要高于PMMA光纤。
3.4透光性能
透光率的试验结果表明，体积掺量为2%的透光试样，掺入PMMA光纤的试样的最大透光率为0.63%，掺入PS光纤试样的最大透光率0.47%，前者略大于后者，但是相差很小 ，如图7所示。可见光的波长范围为400nm-750nm，在这个范围内，PMMA光纤试样的透光率大于PS光纤试样。这是因为PMMA光纤材料本身的透光率大于PS光纤。理论上透光试样的透光率应该接近于体积掺量，实际测试结果偏小，这是因为，光在传输过程出现了损失以及光纤断面受到污染的原因[9]。
4 结论与展望
(1)不论掺入PMMA 或者PS光纤，光纤的掺入明显提高体系的抗压强度，随着光纤掺量的增加，体系抗压强度先增加后减少。掺入PS光纤的试块的强度稍微低于掺入PMMA光纤的强度。光纤的掺入可以明显提高体系的抗裂性能，且随着光纤掺量的增加脆性系数降低。对于同一龄期，同种光纤掺量条件下，PS组的试件脆性系数大于PMMA组的试件。
(2)硫酸盐侵蚀试验的试验结果表明，掺入光纤后，试块的抗压强度明显降低。抗氯离子渗透试验的结果表明，掺入光纤后，试样的电通量明显增加，抗氯离子渗透性能明显下降，随着光纤体积掺量的增加，电通量增加，抗渗性能降低，对于掺PMMA光纤的试样的电通量大于掺PS光纤的电通量，说明掺入PS光纤与水泥基体的界面性能要高于PMMA光纤。透光率的试验结果表明，掺入PMMA光纤的试样透光率为大于掺入PS光纤试样，随着光纤体积的增加，透光率明显增加。
(3)虽然掺入PS光纤后，试样的力学性能，抗硫酸盐侵蚀性能低于掺入PMMA光纤的试样，但是对透光率的影响差别不大，而且对抗渗性能具有一定的改善。而且，PS光纤的成本远远低于PMMA光纤。透光混凝土的成本主要来源于光纤，因此，在满足性能要求的前提下，选择PS光纤将大大降低透光混凝土的成本，有利于实现透光混凝土的推广应用。
参考文献
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