透光混凝土的制备研究
摘要: 传统混凝土给人的印象总是晦暗的, 但是这种颜色灰暗, 毫无生气的混凝土也许即将成为过去, 将传统混凝土和光导纤维结合, 可以制备出一种可以透光的混凝土. 试验将光纤和自密实活性粉末混凝土相结合，通过“平铺法”和“插秧法”制备出具有一定透光性能的透光混凝土。
关键词: 混凝土 光纤 透光混凝土
Abstract : The traditional concrete always gives us the impression of gloom, but the days of dull ,grey concrete could be about to end. Combine the traditional concrete with optical fibers could create a new type of concrete which was translucent concrete .In this experiment ,we have two ways ,one is that put thousands of optical fibers into reactive powder concrete and make the optical fibers run parallel to each other, and the other one is that insert thousands of optical fibers directly into the concrete .this two ways can make the concrete transmit light.
Key words: concrete optical fiber translucent concrete 1 引言
混凝土是现代建筑中用得最多的建筑材料之一, 在过去的几十年里, 混凝土不仅用作建筑材料 , 很多艺术家还利用混凝土来塑制作品. 然而传统混凝土总是一种暗灰色的材料. 有没有一种混凝土可以透光呢? 匈牙利的一位建筑师于2001年将成千上万根光纤并排埋入传统混凝土中，发明了透光混凝土。这些光纤把光从混凝土块的一端传到另一端, 当这些砌块置于光源之前, 或者在混凝土的一侧比较亮, 另一侧比较暗时, 砌块就能透光, 亮侧的阴影以鲜明的轮廓出现在混凝土暗侧, 譬如, 户外树木的影子可以呈现在墙的内侧, 让人感觉混凝土的厚度与重量不复存在，这种特殊的效果就如同一幅银幕或一个扫描机。然而目前国内在此领域的研究未见报道，本实验通过光纤与自密实活性粉末混凝土相结合，将光纤按一定图案排列，尝试制备具有一定视觉和审美效果的透光混凝土。
2、透光原理：
2.1、光的基本知识——几何光学的四大基本定律。
光的直线传播定律：在各向同性的均匀介质中，光是沿直线传播的。 光的独立传播定律：不同光源发出的光线从不同方向通过某点时，彼此不影响，各个光线的传播不受其它光线的影响。
光的反射定律：当一束光投射到某一介质光滑表面时，保存一部分光反射回原来的介质，这一光线称为反射光线。
光的折射定律：当一束光投射到某一介质光滑表面时，除了有部分光发生反射外，还有一部分光通过介质分界面入射到第二传输介质，这部分光称为折射光线。
2.2光在光纤中的传输过程
采用几何光学分析光在某一研究对象中的传输特性时，这一研究对象的几何尺寸必须远远大于所传输的光波长。这样才能忽略波长的长度，也即是光纤纤芯直径是所传播光波长的几十倍或几百倍的时，其传播对象用几何光学来研究。
图1:光纤横截面
图书2:光线在光纤中的传播原理
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（n 1）>芯皮的折射率（n 2）。
当光从光密介质（n 1）入射到光疏介质（n 2）的界面上时，如果入射角i 达到和超过临界角i=arcsin(n2/ n 1) 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.
因此，将光导纤维加入到混凝土中，成千根光纤穿透混凝土端面，若有光从混凝土一端面照进，则可以通过光纤传到另一端面，这就是混凝土透光的原理。
2.3、光纤含量设计
为使混凝土透光率较高，即至少可以在混凝土墙体的一侧看到另一侧物体的轮廓，且不影响混凝土的强度等性能，设计混凝土中光纤的体积含量约4%左右。
纤维用量计算：
若制备4×4×16cm 3的混凝土，则需光纤体积：
V f =V*4%=4×4×16×4%≈10cm 3
又V f = d2h n×π/4
式中N ——光纤根数
d-----光纤直径（包层）124≦d ≦126um
h---光纤长度h=16cm(即搞好穿过混凝土)
N=4 Vf /（πd 2h ）
取d=125um=0.0125cm
所以
2N=4×10/（π×16×0.0125）=5096根
n=N/A=3根
式中：A —模具横截面面积
n—每平方毫米所插光纤数。根/ cm2
即3根/ mm2
综上计算可知：将上述光纤以3根/ mm2的穿插密度平行并排于混凝土中，即光纤体积含量是4%左右。
3. 试验材料及仪器
3.1、试验材料
水泥：选用P.O42.5R 普通硅酸盐水泥，平均粒径为13.824um ，
石英砂：粒径范围为80~630um，平均粒径为250um ；其W （SiO 2）≧99% 硅灰SF ：贵州遵义铁合金（集团）有限责任公司生产的硅灰，灰白色球状
粉末，W （SiO 2）≈92%。平均粒径为0.2um ，比表面积为
1.8*104m 2/kg.
超细粉煤灰UPFA ：四川省江油电厂分迭的III 级粉煤灰经振动磨磨80，平
均粒径6.34 um
原粉煤灰FA ：四川省江油电厂分选的III 级粉煤灰，经筛分得到，、粒径范
围80~45um.
高效减水剂（KS-JS50）：四川柯帅外加剂有限公司生产的KJ-JS 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
本实验采用活性粉末混凝土（Reactive powder concrete ,缩写RPC ）
其配合比为表1：其流动度为250mm 左右
3.2实验仪器
胶砂搅拌机、胶砂试模、刮刀
4制作过程
4.1 配制自流平混凝土
按表1所示的混凝土的配合比称取原料，将称好的水泥、硅灰、倒入砂浆搅拌锅中干拌1min ，再加入石英砂搅拌1min 后, 将用一半水溶解的高效减水剂倒入搅拌锅慢搅2min ，再加入另一半水搅拌2min ，最后快搅4min 。
4.2、制作方法
通过多次实验，得出了两种比较可行的方法，即“平铺法”和“插秧发”。 平铺法：（1）将光纤剪成比模具长稍短的长度，比如14～15cm 。
（2）制作光纤板，即在间隔13～14cm 的两块交窄的透明胶之间，将光纤从以间距
图3: “光纤板”光纤平行粘在两透明胶上
（3）取4×4×16cm 的胶砂模式，刷上机油（目的是混凝土成型后方便拆模）
（4）在模具底部先浇灌薄薄一层搅拌好的混凝土，用刮刀抹平，然后将制好的光纤板平铺于混凝土上，再在光纤板上浇制一层薄薄的混凝土，抹平后再铺上光纤板，如此重复，直到铺满整个模具。为使透光率较高，每层混凝土应尽可能薄。
（5）样品制成后，将其放在室温下养护一天，然后对样品进行拆模。
（6）等样品达到一定强度后，切去混凝土左右两端1～2cm ，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。
本次实验，用插秧法擦出了一个“☆”字型图案。
为做对比试验，用传统的浇灌方法在同样条件下浇制一个没有光纤的混凝
土。
5、性能检测
5.1 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，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.
a. 传统混凝土-----背面无光
b. 透光混凝土有光透光
c. 用光纤插出图案
图4 混凝土的透光检测示意图
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。
5.2、混凝土强度检测
拆模后, 在90℃热水中养护三天, 后标养三天, 然后对其进行强度测试. 测试结果如下表
从上表中可以看出:光纤对混凝土的抗压强度几乎没有影响, 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.
6、结论语
(1)将光纤与传统混凝土结合可以制备出一种新型材料----透光混凝土.
(2)由于混凝土中光纤的含量较少, 因此光纤的加入对混凝土的结构性能几乎没有影响.
(3)透光混凝土具有透光的特性, 突破了传统混凝土的晦暗, 因此为艺术家提供了更为广阔的设想空间.
由于透光混凝土保留了传统混凝土抗压, 抗折的特性, 增加传统混凝土所没有的透光性能, 因而为建筑师和艺术家们多种设想的实现提供了可能, 具有广阔的运用前景.
参考文献:
[1]刘景生 《功能混凝土》 广东建材2007年第4期
[2]叶鼎铨 《含光纤的透光混凝土》 中国建材2006年第2期
[3] 吴中伟 《中国水泥与混凝土工业的现状与问题》[J]．硅酸盐学报，1999，27(6) 734．737．
[4]刘数华 冷发光 李丽华 《混凝土新技术》中国建材工业出版社
[5]《光纤技术——理论基础与应用 》 北京理工大学
[6]《水泥混凝土配合比设计》
[7]《混凝土与水泥制品》1981年02期
[8]《纤维混凝土应用技术规程》 建设部
透光混凝土的制备研究
摘要: 传统混凝土给人的印象总是晦暗的, 但是这种颜色灰暗, 毫无生气的混凝土也许即将成为过去, 将传统混凝土和光导纤维结合, 可以制备出一种可以透光的混凝土. 试验将光纤和自密实活性粉末混凝土相结合，通过“平铺法”和“插秧法”制备出具有一定透光性能的透光混凝土。
关键词: 混凝土 光纤 透光混凝土
Abstract : The traditional concrete always gives us the impression of gloom, but the days of dull ,grey concrete could be about to end. Combine the traditional concrete with optical fibers could create a new type of concrete which was translucent concrete .In this experiment ,we have two ways ,one is that put thousands of optical fibers into reactive powder concrete and make the optical fibers run parallel to each other, and the other one is that insert thousands of optical fibers directly into the concrete .this two ways can make the concrete transmit light.
Key words: concrete optical fiber translucent concrete 1 引言
混凝土是现代建筑中用得最多的建筑材料之一, 在过去的几十年里, 混凝土不仅用作建筑材料 , 很多艺术家还利用混凝土来塑制作品. 然而传统混凝土总是一种暗灰色的材料. 有没有一种混凝土可以透光呢? 匈牙利的一位建筑师于2001年将成千上万根光纤并排埋入传统混凝土中，发明了透光混凝土。这些光纤把光从混凝土块的一端传到另一端, 当这些砌块置于光源之前, 或者在混凝土的一侧比较亮, 另一侧比较暗时, 砌块就能透光, 亮侧的阴影以鲜明的轮廓出现在混凝土暗侧, 譬如, 户外树木的影子可以呈现在墙的内侧, 让人感觉混凝土的厚度与重量不复存在，这种特殊的效果就如同一幅银幕或一个扫描机。然而目前国内在此领域的研究未见报道，本实验通过光纤与自密实活性粉末混凝土相结合，将光纤按一定图案排列，尝试制备具有一定视觉和审美效果的透光混凝土。
2、透光原理：
2.1、光的基本知识——几何光学的四大基本定律。
光的直线传播定律：在各向同性的均匀介质中，光是沿直线传播的。 光的独立传播定律：不同光源发出的光线从不同方向通过某点时，彼此不影响，各个光线的传播不受其它光线的影响。
光的反射定律：当一束光投射到某一介质光滑表面时，保存一部分光反射回原来的介质，这一光线称为反射光线。
光的折射定律：当一束光投射到某一介质光滑表面时，除了有部分光发生反射外，还有一部分光通过介质分界面入射到第二传输介质，这部分光称为折射光线。
2.2光在光纤中的传输过程
采用几何光学分析光在某一研究对象中的传输特性时，这一研究对象的几何尺寸必须远远大于所传输的光波长。这样才能忽略波长的长度，也即是光纤纤芯直径是所传播光波长的几十倍或几百倍的时，其传播对象用几何光学来研究。
图1:光纤横截面
图书2:光线在光纤中的传播原理
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（n 1）>芯皮的折射率（n 2）。
当光从光密介质（n 1）入射到光疏介质（n 2）的界面上时，如果入射角i 达到和超过临界角i=arcsin(n2/ n 1) 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.
因此，将光导纤维加入到混凝土中，成千根光纤穿透混凝土端面，若有光从混凝土一端面照进，则可以通过光纤传到另一端面，这就是混凝土透光的原理。
2.3、光纤含量设计
为使混凝土透光率较高，即至少可以在混凝土墙体的一侧看到另一侧物体的轮廓，且不影响混凝土的强度等性能，设计混凝土中光纤的体积含量约4%左右。
纤维用量计算：
若制备4×4×16cm 3的混凝土，则需光纤体积：
V f =V*4%=4×4×16×4%≈10cm 3
又V f = d2h n×π/4
式中N ——光纤根数
d-----光纤直径（包层）124≦d ≦126um
h---光纤长度h=16cm(即搞好穿过混凝土)
N=4 Vf /（πd 2h ）
取d=125um=0.0125cm
所以
2N=4×10/（π×16×0.0125）=5096根
n=N/A=3根
式中：A —模具横截面面积
n—每平方毫米所插光纤数。根/ cm2
即3根/ mm2
综上计算可知：将上述光纤以3根/ mm2的穿插密度平行并排于混凝土中，即光纤体积含量是4%左右。
3. 试验材料及仪器
3.1、试验材料
水泥：选用P.O42.5R 普通硅酸盐水泥，平均粒径为13.824um ，
石英砂：粒径范围为80~630um，平均粒径为250um ；其W （SiO 2）≧99% 硅灰SF ：贵州遵义铁合金（集团）有限责任公司生产的硅灰，灰白色球状
粉末，W （SiO 2）≈92%。平均粒径为0.2um ，比表面积为
1.8*104m 2/kg.
超细粉煤灰UPFA ：四川省江油电厂分迭的III 级粉煤灰经振动磨磨80，平
均粒径6.34 um
原粉煤灰FA ：四川省江油电厂分选的III 级粉煤灰，经筛分得到，、粒径范
围80~45um.
高效减水剂（KS-JS50）：四川柯帅外加剂有限公司生产的KJ-JS 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
本实验采用活性粉末混凝土（Reactive powder concrete ,缩写RPC ）
其配合比为表1：其流动度为250mm 左右
3.2实验仪器
胶砂搅拌机、胶砂试模、刮刀
4制作过程
4.1 配制自流平混凝土
按表1所示的混凝土的配合比称取原料，将称好的水泥、硅灰、倒入砂浆搅拌锅中干拌1min ，再加入石英砂搅拌1min 后, 将用一半水溶解的高效减水剂倒入搅拌锅慢搅2min ，再加入另一半水搅拌2min ，最后快搅4min 。
4.2、制作方法
通过多次实验，得出了两种比较可行的方法，即“平铺法”和“插秧发”。 平铺法：（1）将光纤剪成比模具长稍短的长度，比如14～15cm 。
（2）制作光纤板，即在间隔13～14cm 的两块交窄的透明胶之间，将光纤从以间距
图3: “光纤板”光纤平行粘在两透明胶上
（3）取4×4×16cm 的胶砂模式，刷上机油（目的是混凝土成型后方便拆模）
（4）在模具底部先浇灌薄薄一层搅拌好的混凝土，用刮刀抹平，然后将制好的光纤板平铺于混凝土上，再在光纤板上浇制一层薄薄的混凝土，抹平后再铺上光纤板，如此重复，直到铺满整个模具。为使透光率较高，每层混凝土应尽可能薄。
（5）样品制成后，将其放在室温下养护一天，然后对样品进行拆模。
（6）等样品达到一定强度后，切去混凝土左右两端1～2cm ，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。
本次实验，用插秧法擦出了一个“☆”字型图案。
为做对比试验，用传统的浇灌方法在同样条件下浇制一个没有光纤的混凝
土。
5、性能检测
5.1 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，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.
a. 传统混凝土-----背面无光
b. 透光混凝土有光透光
c. 用光纤插出图案
图4 混凝土的透光检测示意图
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。
5.2、混凝土强度检测
拆模后, 在90℃热水中养护三天, 后标养三天, 然后对其进行强度测试. 测试结果如下表
从上表中可以看出:光纤对混凝土的抗压强度几乎没有影响, 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.
6、结论语
(1)将光纤与传统混凝土结合可以制备出一种新型材料----透光混凝土.
(2)由于混凝土中光纤的含量较少, 因此光纤的加入对混凝土的结构性能几乎没有影响.
(3)透光混凝土具有透光的特性, 突破了传统混凝土的晦暗, 因此为艺术家提供了更为广阔的设想空间.
由于透光混凝土保留了传统混凝土抗压, 抗折的特性, 增加传统混凝土所没有的透光性能, 因而为建筑师和艺术家们多种设想的实现提供了可能, 具有广阔的运用前景.
参考文献:
[1]刘景生 《功能混凝土》 广东建材2007年第4期
[2]叶鼎铨 《含光纤的透光混凝土》 中国建材2006年第2期
[3] 吴中伟 《中国水泥与混凝土工业的现状与问题》[J]．硅酸盐学报，1999，27(6) 734．737．
[4]刘数华 冷发光 李丽华 《混凝土新技术》中国建材工业出版社
[5]《光纤技术——理论基础与应用 》 北京理工大学
[6]《水泥混凝土配合比设计》
[7]《混凝土与水泥制品》1981年02期
[8]《纤维混凝土应用技术规程》 建设部