預制透光混凝土構件的制作工藝研究

王 宇 朱敏濤 周 強 范勝華

上海建工材料工程有限公司 上海 200086

1 透光混凝土概述

透光混凝土由匈牙利建筑師阿隆·羅索尼奇發(fā)明，他將光學纖維和混凝土結合在一起，利用貫穿混凝土的透光材料實現(xiàn)對光線的傳導，從而制造出一種半透明的混凝土材料，這種材料是一種全新的透光材料[1]。透光混凝土是由普通混凝土和光導纖維組成、具有高質(zhì)量的透明度、可以透過光線的一種混凝土制品。透明混凝土構件既可以呈現(xiàn)玻璃般透明的效果，也能表現(xiàn)不同顏色，還可以根據(jù)建筑師的要求，創(chuàng)造出彌漫型、柵格型等不同的視覺效果，甚至能顯現(xiàn)出固定的圖案。

研究表明，透光混凝土可以減少室內(nèi)人工照明的使用量。從本質(zhì)上來看，透光混凝土的性能遠超出了混凝土和纖維各自特性的簡單相加，其良好的觀賞性、多變的空間效果、節(jié)能環(huán)保的材料特性，以及將結構與圍護集于一身的力學性質(zhì)，使得透光混凝土完全可以作為多功能復合材料參與建筑的設計與建設。通過調(diào)研透光混凝土在上海世博會意大利館中的應用發(fā)現(xiàn)，對于建筑來講，透光混凝土帶來的不僅僅是視覺上的效果，還可以調(diào)節(jié)室內(nèi)的溫度和光線。

目前，透光混凝土制備技術還不成熟，透光混凝土中所用光纖價格比較高，對透光混凝土砌塊的各種力學性能仍在測試中。透光混凝土主要應用于表層設計中，研究逐漸也向承重結構件發(fā)展。透光混凝土與鋼筋結合后，如何使鋼筋和透光材料不發(fā)生未知位置上的沖突、怎樣完善混凝土的黏結性、如何突破現(xiàn)場施工的局限性等問題還有待研究。

本文針對透光混凝土性能和成套制備工藝及關鍵技術進行了相關研究，主要包括透光混凝土中的光導材料的選擇與定位、透光混凝土的澆筑振搗與養(yǎng)護、透光混凝土模板與表觀質(zhì)量控制、混凝土著色與混凝土表面造型等關鍵技術。

2 構件制作工藝及關鍵技術

2.1 構件制作工藝

透光混凝土構件制作工藝主要包括模板制作與拼裝、光導纖維的定位、鋼筋綁扎、混凝土的澆筑振搗及養(yǎng)護、混凝土脫模、混凝土表面打磨和根據(jù)設計要求進行著色等。

2.2 構件制作關鍵技術

2.2.1 光導材料選取

透光混凝土中光導材料的選擇以透光率為關鍵評價指標。目前建筑中應用較多的透光材料包括玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯（有機玻璃）以及不飽和聚酯樹脂。玻璃作為唯一在建筑中得到大規(guī)模應用的透光材料，其透光率可達80%以上，聚甲基丙烯酸甲酯（有機玻璃）透光率高達93%，不飽和聚酯樹脂高達92%[2]。

這3種材料的透光率都滿足透光混凝土的制作要求，但玻璃由于密度大，會導致制得的透光混凝土制品質(zhì)量較重，不符合建筑輕質(zhì)高強的要求，并且玻璃易碎、加工困難，所以透光混凝土制作所用的光導纖維一般選用樹脂類和有機玻璃。

樹脂類和有機玻璃這2種材料在透光率、密度、力學性能及導熱系數(shù)方面的性能差別不大，但就材料來源而言，目前市面上可根據(jù)需要直接購買到不同直徑及長度的光導纖維，而透光樹脂一般需要經(jīng)過配制、澆入模具成形后拆模制得，增加了制品制作流程，工藝復雜，因此一般會選用有機玻璃材質(zhì)的光導纖維作為預制透光混凝土制品的導光材料。

2.2.2 混凝土配制

透光混凝土制品主要是通過在混凝土中預埋光導材料實現(xiàn)混凝土的透光效果。光導材料在混凝土中密布對混凝土的澆筑和振搗造成一定的困難。密布的光導纖維易引起混凝土沿光纖分布路徑產(chǎn)生貫穿裂縫。另外，混凝土干縮也會加劇混凝土裂縫的產(chǎn)生，從而導致外觀質(zhì)量不佳。因此在制作透光混凝土制品時，需要配制出流動性能好且混凝土收縮小、抗裂性能較好的混凝土。混凝土干縮是由于硬化水泥漿體中水的損失而造成的體積減小現(xiàn)象。影響混凝土干縮的因素很多，主要有水泥品種、骨料、化學外加劑、礦物摻合料以及纖維等組成材料和摻量、水灰比、周圍環(huán)境等因素[3]。

本文通過水泥砂漿試驗，從調(diào)整砂漿配合比和摻加外加劑兩方面入手，研究適用于透光混凝土的配制方案，試驗復合膠凝材料配合比設計如表1所示。

試驗步驟如下：按表1配合比稱取硅酸鹽水泥、二級粉煤灰、硫鋁酸鹽水泥、無水硫酸鈉；將稱取的一定量的硅酸鹽水泥、二級粉煤灰、硫鋁酸鹽水泥、無水硫酸鈉依次投入攪拌機攪拌均勻，攪拌30 s，制得復合膠凝材料；稱取上述比例所得的膠凝材料450 g，然后按照表1配合比加入170 g水、1 350 g標準砂、2.9 g聚羧酸減水劑。根據(jù)GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO法）》進行攪拌并振實成形，進行1 d抗壓、抗折試驗。試驗結果見表1。

由A1—A7組砂漿試驗結果可以發(fā)現(xiàn)，砂漿1 d抗折強度隨硫鋁酸鹽水泥和硅酸鹽水泥的增加先提高后降低。由A1—A8組試驗結果發(fā)現(xiàn)，加入可再分散乳膠粉可較大程度地提高混凝土的早期抗折強度和抗壓強度，明顯提高混凝土的抗裂性能。由B1—B4組試驗結果發(fā)現(xiàn)，加入無水硫酸鈉后砂漿強度有所提高。

表1 試驗配合比及試驗結果

試驗結果表明：為保證混凝土具有良好的抗裂性能，從而保證制得的透光混凝土制品具有良好的表觀效果，用于透光混凝土制品制作的混凝土優(yōu)選配比為：水170份、硅酸鹽水泥364.5份、硫鋁酸鹽水泥13.5份、粉煤灰65.25份、無水硫酸鈉6.75份、聚羧酸減水劑2.9份、可再分散乳膠粉6.3份、中砂1 350份。

2.2.3 透光混凝土模板加工技術

透光混凝土一般要求具有較高的觀賞性，因此對模具加工要求較高。本項目采用激光切割技術，模具精度控制在1 mm內(nèi)。模具表面需涂刷專用脫模劑，以使混凝土與模板的黏結力減少而易于脫離，避免因混凝土早期強度過低而在脫模時受損，保持混凝土造型完整無損及表面色彩均勻，并保護模板，防止其變形或腐蝕以及便于清理和減少修理。

2.2.4 透光混凝土光纖定位技術

根據(jù)光導纖維規(guī)格研發(fā)了不同的定位方式。對于直徑較大的光導纖維，可通過在預制透光混凝土構件內(nèi)部預埋定位板并通過工裝和抗浮裝置進行定位（圖2）。而對于直徑較小的光導纖維，由于較細軟，故可采取兩端固定，將光導纖維一端按照設計透光圖案插入EPS泡沫板，然后將EPS泡沫板固定在構件底面上，另一端可利用工裝定位，待混凝土成形脫模后，將EPS定位板切掉，并打磨混凝土表面，使光纖露出來，實現(xiàn)透光效果。

創(chuàng)新研發(fā)了預制夾心保溫透光混凝土墻板（圖3）。在墻板生產(chǎn)過程中，將夾心保溫層按光導纖維布置圖案預留孔洞，作為光導纖維的定位板，而光導纖維又兼作了透光區(qū)域的夾心保溫板的連接件，起到連接上下內(nèi)外葉混凝土墻板和中間夾心保溫板的作用。

圖2 定位板定位光導纖維

圖3 預制夾心保溫墻板EPS定位光導纖維

2.2.5 透光混凝土澆筑、振搗及養(yǎng)護技術

由于透光混凝土構件內(nèi)部預埋了大量密布的光導纖維，光纖間的間距比較小，對混凝土澆筑、振搗密實造成很大的影響，因此采用了自主研發(fā)配制的流動度高、黏聚性好的自密實砂漿，利用振動模臺進行振搗。預制構件混凝土澆筑完畢后應及時養(yǎng)護，可采用自然養(yǎng)護或蒸汽養(yǎng)護。

2.2.6 透光混凝土表觀質(zhì)量控制技術

透光混凝土表面要平整，構件內(nèi)鋼筋不能有露筋現(xiàn)象，混凝土不允許有孔洞以及連接部位缺陷，盡量控制混凝土裂縫。構件表面不允許有缺棱掉角、棱角不直、翹曲不平、位置偏差等現(xiàn)象，且不應有麻面、掉皮、起砂、沾污等現(xiàn)象。

3 透光混凝土試件制作

通過將透光混凝土與預制夾心保溫墻板結合，研發(fā)制作了預制夾心保溫透光混凝土墻板，如圖4所示。

圖4 預制夾心保溫透光混凝土墻板施工圖紙示意

按第2節(jié)所述施工工藝和關鍵技術進行模具加工與拼裝、光導纖維固定、鋼筋綁扎、預埋件定位、混凝土澆筑振搗、混凝土養(yǎng)護、構件脫模起吊及構件表面打磨后，透光混凝土構件的最終效果如圖5所示。

圖5 預制透光夾心保溫墻板

4 結語

本文通過對透光混凝土光導材料選擇與定位、混凝土配制、混凝土澆筑振搗養(yǎng)護、混凝土模板與表觀質(zhì)量控制、混凝土著色與表面造型等方面的技術研究，研發(fā)了預制透光混凝土構件成套制備工藝及關鍵技術，得出如下結論：

1）玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯（有機玻璃）以及不飽和聚酯樹脂這3種透光材料的透光率均能達到透光混凝土制作要求，但玻璃由于密度大、質(zhì)量重、易碎、加工困難，所以不適合用來制作透光混凝土；透光樹脂制品制作流程、工藝復雜，有機玻璃光導纖維可直接根據(jù)透光需求購買成品，工藝簡單、性能良好，適合作為預制透光混凝土制品的導光材料。

2）試驗結果表明：加入可再分散乳膠粉可較大程度地提高混凝土的早期抗折強度和抗壓強度，明顯提高混凝土的抗裂性能；加入無水硫酸鈉后砂漿強度有所提高；為保證混凝土具有良好的抗裂性能和透光混凝土制品的良好表觀效果，用于透光混凝土制品制作的混凝土優(yōu)選配比為：水170份、硅酸鹽水泥364.5份、硫鋁酸鹽水泥13.5份、粉煤灰65.25份、無水硫酸鈉6.75份、聚羧酸減水劑2.9份、可再分散乳膠粉6.3份、中砂1 350份。

3）光導纖維應根據(jù)光導纖維規(guī)格采用不同的定位方式。對于直徑較大的光導纖維，可通過在預制透光混凝土構件內(nèi)部預埋定位板并通過工裝和抗浮裝置進行定位；對于直徑較小的光導纖維，可采取EPS泡沫板兩端固定的方式；對于預制透光夾心保溫墻板，可將中間EPS夾心保溫層打孔兼作光導纖維固定板，一材兩用，所得制品的質(zhì)量及表觀效果良好。