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光混凝土及其施工工艺
admin在2018-04-11发布 频道:行业资讯 标签:混凝土 工艺
     

一、概述

    导光混凝土是一种新型装饰功能混凝土,它的功能就是通过在混凝土中引入导光纤维,实现混凝土的导光性能,并保证结构强度不被削弱,且具有显著的建筑节能、装饰效果,本章综合介绍了国内外生产导光混凝土技术成果。还提供了两种导光混凝土的工业化生产工艺,导光混凝土与智能建筑相结合,可以促进建筑可持续发展,满足低碳生活的发展趋势。
    混凝土是现代社会的基础材料。它是由胶凝材料,粗集料、细集料和水按一定比例配制,经搅拌振捣成型,在一定条件下养护而成的人造石材。在过去的很长一段时间,混凝土不但作为结构材料,还用作维护材料、装饰材料等。然而混凝土本身不透光,所以在混凝土建筑里必须大量使用人造光源照明,加大了建筑能耗,并给使用者带来压抑、沉闷的感觉。在建筑人文关怀越来越受到关注的今天,改善混凝土的光线穿透能力被提上日程。
    在国内,1992年,本人在沈阳建筑工程学院读大学时,物理老师李保俊教授就地下隧道工程的采光问题进行了混凝土导光技术的研究并成功应用于军事工程,解决了长期在地下工作的技术人员由于没有接受阳光而引起的皮肤病问题,我很幸运地参与了本项工作,工程使用的导光混凝土采用预先埋设光导纤维的工艺,最大厚度为一米,透光率达到了90%,在李保俊教授的指导下我从事了导光混凝土透光系数的测试工作,在此期间我对混凝土的透光原理、施工工艺以及应用技术有了一个比较系统的认识,由于造价较高,透光混凝土只在军事掩体中使用,没有在民用项目中推广。2009年中国北京宝贵石艺科技有限公司、北京榆构有限公司、北京灵感科技发展有限公司等单位也生产出了导光混凝土产品。
    在国外,2007年德国BFT杂志介绍了这种产品,并在德国BAUMA展览展出,如图1所示,引起了世界各地建筑师、结构师的广泛关注。德国在亚琛建立了生产此类产品的工厂。利用塑料块或掺入镁的实验来达到混凝土导光的要求,到目前为止都没有成功。
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图1  导光混凝土砌块

二、导光混凝土组成

    导光混凝土是玻璃光导纤维和细集料混凝土结合的产物,导光混凝土采用上千根端光纤维在混凝土两导光面以矩阵的方式平行放置,埋入混凝土道床中,能让光线从混凝土的一端传入,从另一端传出,光线并不会损失,甚至光线的色彩也不会走样。当这些含有端光纤维的砌块置于光源之前,就能导光。导光混凝土不管在自然光还是人造光下,都能发挥作用。譬如树木的影子可以显现在墙的内侧,类似银幕或扫描器。当人站在这种混凝土墙壁前面,而光从他后面投射到墙上时,在另一侧就可以清晰的看到人影,这种特殊观感使混凝土墙体的厚度、重量消失了,而且让人们联想到空气和阳光。

(一)光纤

    端光纤维是是一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射原理而达成的光传导工具。前香港中文大学校长高锟和George A. Hockham首先提出光纤可以用于通讯传输的设想,高锟教授因此获得2009年诺贝尔物理学奖。后来又造出一种透明度很高、粗细像蜘蛛丝一样的玻璃丝──玻璃纤维,当光线以合适的角度射入玻璃纤维时,光就沿着弯弯曲曲的玻璃纤维前进。由于这种纤维能够用来传输光线,所以称它为光导纤维。光纤有无机的和有机的两类:无机的是由光学玻璃或高纯度石英玻璃制作的,透过率高,光的传输(传递)距离长;有机的是塑料光纤,价格便宜,但其透光率低,一般只能用在玩具上。
    导光混凝土采用的光纤是玻璃端光纤维。这种纤维与传统复合材料制作工艺不同,每根光纤由一根用氧化硅和锗原料通过蒸汽沉积工艺制成的预制棒拉成,棒径在1mm~7mm,按需要裁切成适当长度,光纤棒两端需打光磨平。然后在拉好的光纤上包覆涂层,以防漏光。光纤的直径范围在2μm~200μm,值得注意的是,应选择不同的直径的纤维搭配,才能创造更艺术的导光效果。

(二)胶凝材料

    普通纤维不具有耐碱性,而硅酸盐水泥的PH值在13左右,对光导纤维的侵蚀性很大。采用预埋法制作导光混凝土,建议选用低碱度的硫酸盐水泥。这种水泥早强快硬,降低对纤维的侵蚀。对于后挖法制作导光混凝土,混凝土与光纤不密切接触,对水泥种类可以放宽。导光混凝土墙能做到2m厚,理论上说,这种材料能使18m的光没有衰减,且其导光性能与30cm厚的普通混凝土墙不相上下。

三、导光混凝土的制作工艺

    导光混凝土有两条卓有成效的施工方法,即后挖法和预埋法。

(一)后挖法

    先制作导光混凝土构件,再将文字或图形绘制在水泥混凝土制品上,也可在水泥混凝土制品上已模塑出需要的文字、图形;然后按所需的文字图形打孔,再植入已准备好的光纤棒,即可制作成带有光亮图形的导光的水泥混凝土制品,这就是“后挖法”的施工要点如图7-2所示。北京灵感科技发展有限公司在2010年制作了1000mm ×1000mm×10mm的广告牌代替LED,将传统的混凝土与现代电子技术紧密结合,以后挖法在混凝土中植入了光纤棒。由于该水泥混凝土内置LED的彩灯,将不同色彩的灯光从光纤棒的入射端射入,经高折射率的光纤棒的反复折射至光的出射端射出,从而使该水泥混凝土装饰制品成为彩色光的显示器。后挖法工序简便,光纤棒位置能够得到保证,保证光点在混凝土中的期望分布。在导光混凝土经工业化生产后,打孔工艺的成本将显著得到降低。
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图2  导光混凝土后挖法施工流程图

(二)预埋法

    预埋法类似于钢筋混凝土施工,施工时在块体上预先绘制好文字、图案位置,将复板贴在块体后,通过钻孔设备按图案打孔。再将复板定位到已组装好的模板上,穿入已准备的光纤棒,见图3,将带着光纤棒的块体放入成型模内,再浇注免振捣的水泥净浆或水泥细砂浆,待其硬化具有一定强度后,再经锯切露出光纤棒的光点形成的图形,就成为导光的装饰水泥混凝土制品。2010年北京灵感科技发展有限公司以及沈阳荣威科技有限公司即采用此方法生产导光混凝土,生产的产品规格有1000mm ×1000mm×10mm、1000mm ×1000mm×20mm、1000mm ×1000mm×50mm,在产品投产验收现场,得到以中国工程院院士孙伟教授为组长的专家的高度赞扬。
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图3  导光混凝土生产模具
    如果进入工厂化批量生产导光,需要采用导光混凝土快速生产模块,以一透光混凝土单元为例,包含:光传导单元,每一光传导单元具有入光端及出光端;一个侧模,直立设置并具有复数个定位部彼此间隔成于该侧模;复数个底模,彼此平行并列设置,其中每一个底模具有复数个孔洞,供光传导单元穿过孔洞后布设于相邻的二底模间,底模具有一翼部架设于定位部;以及至少一个边模,沿光传导单元环绕设置于底模的周边,与底模共同形成灌浆槽,其中,当混凝土浆料充填于灌浆槽并待之干燥,透光混凝土单元成形于灌浆槽,且入光端及出光端分别暴露于透光混凝土单元之外。
    也有学者将导光混凝土与建筑智能化相结合,比如大连理工大学欧进萍团队2009年申请了此方面的专利——光纤智能透明混凝土及其制备方法,并对其物理力学性能测试做了系统的工作,如图4所示。基于大直径塑料光纤良好的透光性能、延性以及柔韧性和光纤传感器良好的感知特性等优点,将一定量的大直径塑料光纤和光纤传感探头(光纤光栅或光纤)布设于普通混凝土结构中实现混凝土的透光性和感知性。他的实验中采用预埋大直径塑料光纤和传感元件,实现导光性、智能化的目的。
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图4  导光混凝土及其压碎形态

四、导光混凝土的应用前景

    将这种能传输光线的光纤铺在混凝土基体内制成砌块,光纤在砌块内体积占4%,所以它的价格和普通混凝土相差不多。目前上海世博园意大利馆、匈牙利佩齐大学展览厅门厅(图5)、美国华盛顿国家建筑博物馆、科威特警察学院、瑞典斯德哥尔摩Stureplan广场等工程已经采用了此项技术。
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图5  匈牙利佩齐大学展览厅门厅
    端光纤维能很好的透射不同波段的可见光和红外光,大大节约了普通照明损耗。这种墙体本身具有很高的欣赏价值,在旅馆、饭店、别墅等有装饰要求的建筑中具有很大的应用潜力,可用于园林装饰、曲面波浪形材,为建筑师的艺术想象和创作提供了可能性。光纤可以随机分布,可铺成某种格栅状,构成不同纹理和色彩的几何图案。
    导光混凝土可以根据各种装饰结构要求制成各种砌块,墙板、预制砖、地下照明的透光地板石材。同时光纤对混凝土强度无显著影响,也可用于结构材料中;导光混凝土具有良好的绝热性,如附加了隔热材料,也可用于室内火灾逃生、夜间导向等特殊领域。

作者:朱效荣          
信息来源:混凝土第一视频网    
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