透明混凝土的透光性能研究＊

周 智,申 娟，焦思雨，楊明潔，陽(yáng)環(huán)宇

(大連理工大學(xué) 海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116024)

透明混凝土的透光性能研究＊

周 智,申 娟，焦思雨，楊明潔，陽(yáng)環(huán)宇

(大連理工大學(xué) 海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116024)

透明混凝土作為一種新型功能材料，是由大量的光纖或透明樹(shù)脂等透光材料與普通混凝土制成，具有高透明度，可透過(guò)太陽(yáng)光的特點(diǎn)，為了便于透明混凝土材料進(jìn)一步的推廣應(yīng)用，達(dá)到節(jié)省光纖和混凝土材料、提高分析效率、為其透光性能的分析提供可靠數(shù)據(jù)的目的，本文結(jié)合透明混凝土的透光性能實(shí)驗(yàn)，利用ZEMAX對(duì)透明混凝土透光實(shí)驗(yàn)進(jìn)行仿真模擬，建立了用于預(yù)測(cè)光纖透光效能的評(píng)估預(yù)測(cè)模型，通過(guò)分析總結(jié)出透明混凝土的透光性能評(píng)價(jià)指標(biāo)和計(jì)算方法以及透光率與光纖類(lèi)型和空間分布的關(guān)系，并得出結(jié)論，透明混凝土的透光性能與光纖排布密度、光纖的特性以及試塊端面的拋光程度有關(guān)，透光率與光纖間距是單調(diào)遞減的指數(shù)函數(shù)關(guān)系，與光纖半徑是單調(diào)遞增的指數(shù)函數(shù)關(guān)系。

透明混凝土；透光率；ZEMAX；光纖間距；光學(xué)實(shí)驗(yàn)

0 引 言

近年來(lái)，節(jié)能、降耗、綠色、健康成為人們對(duì)未來(lái)建筑的追求，建筑能耗降低，將對(duì)全社會(huì)節(jié)能減排以及人類(lèi)可持續(xù)發(fā)展起到重要的作用。透明混凝土作為一種各類(lèi)應(yīng)用廣泛的全新建筑功能材料，是由大量的光纖或透明樹(shù)脂等透光材料與普通混凝土制成，具有高透明度，可透過(guò)太陽(yáng)光的特點(diǎn)，利用具有良好導(dǎo)光性能的光纖在混凝土兩側(cè)傳輸光線(xiàn)，使得建筑物內(nèi)部獲得綠色環(huán)保的自然光，不僅大大提高了建筑的采光，降低了照明能耗，而且改變了建筑墻體密實(shí)陰暗、沉悶、龐大單調(diào)的傳統(tǒng)模式，使得建筑物具有良好的美觀性和裝飾性。

透明混凝土作為一種新型功能材料，憑借其良好的透光性能、感知、輕質(zhì)、絕熱特性以及多變的裝飾效果，得到了越來(lái)越多建筑學(xué)者和科研工作者的青睞。自2001年匈牙利建筑師Aron Losonczi發(fā)明透明混凝土以來(lái)，匈牙利、德國(guó)、美國(guó)、法國(guó)、日本、比利時(shí)等國(guó)家已經(jīng)開(kāi)展了相關(guān)研發(fā)工作并生產(chǎn)了各種產(chǎn)品，k值高達(dá)0.18 W/m2·K 的建筑模數(shù)產(chǎn)品已于2009年正式面世，并作為層高大模板建材投入使用。在實(shí)際應(yīng)用方面，透明混凝土已經(jīng)在藝術(shù)作品、博物館、歌劇院、圖書(shū)館、學(xué)校、室內(nèi)裝飾、室內(nèi)隔斷墻體、窗體日光遮射、城市夜景、夜間導(dǎo)向、街頭照明等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。目前，研究人員已對(duì)透光混凝土的構(gòu)成、制作工藝、透光性能、力學(xué)性能等進(jìn)行了初步的研究并取得了一定的成果，例如：2008年大連理工大學(xué)的周智教授[1-4]首先對(duì)智能透明混凝土的制備工藝、透光性能、感知性能、抗?jié)B性進(jìn)行了研究并發(fā)表相關(guān)專(zhuān)利；2009年，德國(guó)的Andreas Roye等[5]對(duì)透光混凝土進(jìn)行了相關(guān)研究，認(rèn)為透光混凝土的基本特征是透明、隔熱、輕質(zhì)的，具有顯著的藝術(shù)效果和建筑節(jié)能的特點(diǎn)；2011年，南京大學(xué)的馮金龍、陳瑤對(duì)透明混凝土在建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用進(jìn)行了研究；2012年，南昌大學(xué)的王信剛等對(duì)發(fā)光粉和光纖共同作用下的水泥基透光材料的透光性能和力學(xué)性能進(jìn)行了研究，并對(duì)制備工藝進(jìn)行了改進(jìn)，設(shè)計(jì)出了高效、快速布置光纖的裝置[7-8]；2013年，北京工業(yè)大學(xué)的李?lèi)偟妊邪l(fā)了一種對(duì)光纖進(jìn)行一定規(guī)則的紡織成型技術(shù)和光纖平行排列兩種方式；另外，尹衍樑、劉錫軍、陳蘇里、劉小琴等其它學(xué)者對(duì)透明混凝土的制備工藝、裝置設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入研究并發(fā)表了相關(guān)專(zhuān)利。

圖1 透明混凝土的應(yīng)用

上述研究主要側(cè)重于透明混凝土的制備工藝，而對(duì)透明混凝土非常關(guān)鍵的問(wèn)題—透光性能研究，以及對(duì)于光纖如何快速規(guī)則均勻的排布在混凝土中，如何建立用于預(yù)測(cè)光纖透光效能的評(píng)估預(yù)測(cè)模型等方面缺乏相應(yīng)的較為深入的研究。2014年，北京工業(yè)大學(xué)的萬(wàn)玉紅等發(fā)表了關(guān)于透光混凝土材料的透射光場(chǎng)定量分析和測(cè)試方法的專(zhuān)利[12]，該方法能得到透射場(chǎng)強(qiáng)度分布，卻沒(méi)有得到透明混凝土透光性能與光纖間距、光纖空間分布的關(guān)系。針對(duì)上述問(wèn)題，本文在總結(jié)已有的研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合透明混凝土的透光實(shí)驗(yàn)，并利用ZEMAX對(duì)透明混凝土透光性能進(jìn)行仿真模擬，建立用于預(yù)測(cè)光纖透光效能的評(píng)估預(yù)測(cè)模型，通過(guò)分析總結(jié)出透明混凝土的透光性能評(píng)價(jià)指標(biāo)和計(jì)算方法及其與光纖類(lèi)型和空間分布的關(guān)系，以達(dá)到節(jié)省光纖和混凝土材料、提高分析效率、為其透光性能的分析提供可靠數(shù)據(jù)的目的。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 透明混凝土的制備

1.1.1 光纖的布設(shè)工藝

對(duì)于透明混凝土的制備，光纖的布設(shè)是最關(guān)鍵的，為了將光纖均勻布設(shè)于整個(gè)試件中(以免影響試塊強(qiáng)度)，以往采用的布設(shè)工藝是利用帶孔的擋板定位光纖(如圖2(a)所示)，具體操作步驟是：首先將兩塊擋板靠在一起，將長(zhǎng)度相同的光纖逐個(gè)穿入孔中，然后將兩板慢慢分離到所需要的間距，再將其安放在模具中，并壓緊模具固定模板。

圖2 塑料光纖的固定

此方法對(duì)于制作光纖體積比較小的試塊是很方便的，但對(duì)于需要制作高透光率光纖體積比較大的試塊來(lái)說(shuō)，將光纖逐個(gè)穿入孔中過(guò)程比較復(fù)雜緩慢，工程量比較大。為此，本實(shí)驗(yàn)中還采用了夾板固定光纖(如圖2(b)所示)的布設(shè)工藝，即：利用固定光纖間距的設(shè)備制造出光纖布置單元，用夾板將光纖兩端固定，然后將其按照所需要的形式疊放固定安裝在一起，再將其安放在模具中，并壓緊模具固定夾板，此種工藝是由單片到多片成塊的制作形式。 試件的制備。本實(shí)驗(yàn)采用的透光材料是塑料光纖(POF),半徑選取分別為1.0，1.5，2.0，2.5和3.0 mm，制作試塊的尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，砂漿級(jí)配為水泥∶砂∶水=1∶2∶0.44。考慮不同光纖間距對(duì)透光率的影響，制作了8種間距的試塊，同一間距制作3個(gè)試塊。

透明混凝土試件的制備主要包括以下步驟：1) 為了保證塑料光纖均勻地布設(shè)于整個(gè)試件中，按照前述的布設(shè)工藝進(jìn)行操作，利用帶孔的擋板定位光纖時(shí)，固定兩板間距為102～105 mm(如圖2(a)所示)；利用夾板固定光纖時(shí)，固定夾板間距為102～105 mm(如圖2(b)所示)。在將布設(shè)好的光纖安放在模具中之前，要給模具刷油，并用偶聯(lián)劑處理光纖，以增強(qiáng)光纖與砂漿的粘附性,然后將固定好的光纖小心安放于100 mm×100 mm×300 mm模具內(nèi)，夾緊模具；2)按水泥∶砂∶水=1∶2∶0.44拌制砂漿，并添加適量的減水劑，以保證其流動(dòng)性；3)將拌好的砂漿迅速澆入到模具內(nèi)，將其放在振動(dòng)臺(tái)上振動(dòng)1 min，以使模具內(nèi)砂漿全部填充光纖；4)將澆注完畢后的模具表面抹平，室溫養(yǎng)護(hù)1 d后拆模，然后將試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件(溫度(20±2) ℃，相對(duì)濕度(60±5)%)下養(yǎng)護(hù)28 d；5)用切割機(jī)切割試塊兩個(gè)透光表面并切割整齊,且保證切割后的試塊間距為100 mm，并用粗砂紙和細(xì)砂紙將表面打磨拋光，便得到不同光纖間距的100 mm×100 mm×100 mm的透明混凝土制品(見(jiàn)圖3)

圖3 不同光纖間距的透明混凝土制品

Fig 3 Different fiber spacing transparent concrete products

1.1.2 透光實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法

透明混凝土的透光性能主要以其透光率來(lái)評(píng)價(jià)，而研究表明，紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)或光功率計(jì)可以用來(lái)測(cè)透明混凝土的透光率，其中光功率計(jì)測(cè)透光率比較精確[9]。因此，本實(shí)驗(yàn)采用美國(guó)Newport.835光功率計(jì)(見(jiàn)圖4)，光源采用200 W白熾燈，試件采用上文中制備的標(biāo)準(zhǔn)試件，實(shí)驗(yàn)步驟如下：

1) 定位光源 首先將光源固定，由于新聞燈的光是以燈為圓心向外散射，而非平行光，因此光源必須離試件的距離足夠遠(yuǎn)，并左右移動(dòng)測(cè)試探頭，當(dāng)顯示功率誤差小于2%時(shí)，可視其為平行光；

2) 標(biāo)定探頭 由于兩個(gè)探頭之間的校準(zhǔn)系數(shù)不同，實(shí)驗(yàn)前必須標(biāo)定探頭。首先將兩個(gè)測(cè)試探頭平行放置，然后在同一光源和波長(zhǎng)的情況下同時(shí)記錄兩光功率計(jì)的讀數(shù)，波長(zhǎng)范圍為400～1 100 nm，步長(zhǎng)為20 nm，兩組測(cè)試數(shù)據(jù)的比值便是探頭在不同波長(zhǎng)下的校正系數(shù)；

3) 劃分測(cè)試區(qū)域 為降低光纖透光性能的離散性以及布設(shè)不均勻性對(duì)透光測(cè)試的影響，隨機(jī)選取透明混凝土3個(gè)區(qū)域進(jìn)行透光率的測(cè)試，每個(gè)劃分的區(qū)域要保證所覆蓋的光纖的根數(shù)是相同的；

4) 測(cè)試數(shù)據(jù) 實(shí)驗(yàn)前首先將試件透光表面清潔干凈，然后固定探頭，為了保持光源的穩(wěn)定，在開(kāi)燈1 min之后開(kāi)始讀數(shù)，重復(fù)3個(gè)選擇區(qū)域?qū)嶒?yàn)，并同時(shí)記錄下同一波長(zhǎng)下的兩個(gè)光功率探頭的數(shù)據(jù)。

5) 透光率的計(jì)算方法 透明混凝土中導(dǎo)光的材料是光纖，而水泥、沙石不導(dǎo)光，因此其透光率即為透射面塑料光纖導(dǎo)出的總能量與入射面接收的總能量的比值,主要計(jì)算步驟如下：

① 單位面積入射光能量

(1)

其中，ρ0為單位面積入射光能量，W0為入射探頭光能量，A0為入射探頭感光面積。

② 混凝土截面入射總能量

(2)

其中，J0為混凝土截面入射總能量，A1為混凝土截面面積。

③ 單根塑料光纖透射光功率

(3)

其中，ρ1為單根塑料光纖透射光能量，W1為透射探頭光能量，n1為透射探頭覆蓋光纖數(shù)量。

④ 透明混凝土透射光能量

(4)

其中，J1為透明混凝土透射總能量，N為透明混凝土塑料光纖總數(shù)量。

由此可得，透明混凝土的透光率為

(5)

圖4 透明混凝土透光實(shí)驗(yàn)圖

2 模型建立

2.1 光纖間距的標(biāo)定

模型建立之前首先要標(biāo)定光纖間距，如圖5所示光纖圍成的面積固定為80 mm×80 mm，光纖半徑為R，光纖橫向間距為X，豎向間距為Y，關(guān)系式為

(N1-1)×X+2R=80

其中，N1代表橫向光纖數(shù)，且X≥2R；或(N2-1)×Y+2R=80，其中N2代表豎向光纖數(shù)，且Y≥2R。當(dāng)光纖數(shù)確定之后，光纖間距也隨之確定。

圖5 光纖分布圖

ZEMAX是將實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)概念，優(yōu)化，分析，公差以及報(bào)表集成在一起的一套綜合性的光學(xué)設(shè)計(jì)仿真軟件，可以在實(shí)踐中對(duì)所有光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，優(yōu)化，分析。本文采用ZEMAX建立了透明混凝土透光實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，建模過(guò)程如下：在ZEMAX軟件中打開(kāi)Non-Sequential Mode，建立“拋物面反射鏡”，根據(jù)類(lèi)型選項(xiàng)卡類(lèi)型設(shè)置為Standard Surface(標(biāo)準(zhǔn)表面)，輸入?yún)?shù)；選擇Source Filament(線(xiàn)光源)，建立Plano-convex Lens(普萊諾-凸透鏡)，建立Rectangular Volume(混凝土結(jié)構(gòu))；建立Cylinder Volume(光纖陣列)，包括纖芯和包層，利用Replicate Object功能復(fù)制光纖，自定義所需要的光纖數(shù)，利用上述公式計(jì)算出光纖間距；建立Detector Rec(探測(cè)整流器)，點(diǎn)擊Analysis>Detectors>Ray Trace/Detector Control(分析>探測(cè)器>"探測(cè)器"光纖跟蹤)，通過(guò)Detector Viewer 查看光強(qiáng)和透過(guò)光量。

圖6 ZEMAX構(gòu)建的透明混凝土透光實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

Fig 6 Transparent translucent concrete test model constructed by ZEMAX

圖7 ZEMAX模擬的光在透明混凝土光纖中的全反射路徑

Fig 7 ZEMAX simulation of total reflection path of light in optical fiber

ZEMAX建立的模型見(jiàn)圖6，圖7顯示的是ZEMAX軟件模擬光在透明混凝土光纖中的全反射路徑。

3 結(jié)果與討論

3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了研究透明混凝土的透光和傳熱效果，分別研究了可見(jiàn)光波段(400～800 nm)和紅外光波段(800～1 100 nm)的透光率效果，取測(cè)量波長(zhǎng)范圍為400～1 100 nm，步長(zhǎng)為20 nm，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1(以光纖間距7 mm為例)。

表1 光纖間距7 mm的透光率實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，透明混凝土的透光性能與光纖排布密度、光纖的特性、以及試塊端面的拋光程度有關(guān)。圖8(a)顯示了實(shí)驗(yàn)測(cè)得光纖間距為6，7，8和9 mm透明混凝土試塊的透光率分別為2.36%，1.84%，1.42%，1.03%，由圖中可以看出，每一種光纖間距的透光率與波長(zhǎng)的關(guān)系幾乎是一條直線(xiàn)，不隨波長(zhǎng)變化，說(shuō)明試塊能很好的透過(guò)可見(jiàn)光和紅外光，由此說(shuō)明透明混凝土不僅在透過(guò)可見(jiàn)光方面能夠降低光能需求帶來(lái)的能源損耗，而且也能透過(guò)紅外光實(shí)現(xiàn)基于滿(mǎn)足熱能需求帶來(lái)的能源節(jié)約。由圖8(b)可以看出透光率隨光纖間距增大而降低，說(shuō)明光纖排布密度越高，透光率越高，透光率隨著光纖摻量的增大而增大；在光纖間距固定的情況下，光纖直徑大的透光率高，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示同是間距為5 mm的試件，光纖直徑為2 mm的透光率為0.98%，而光纖直徑為3 mm的透光率為1.14%，其主要原因是起傳輸光線(xiàn)作用的光纖纖芯體積增大的緣故，光纖的特性包括數(shù)值孔徑和傳輸損耗，數(shù)值孔徑越大，光纖端面接收光的能力越強(qiáng)，傳輸損耗越低，透光率就越大。

另外，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，試塊兩端的光纖在切割后會(huì)形成毛面，產(chǎn)生光損耗，為了提高透光率，需要對(duì)表面進(jìn)行研磨和拋光，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示打磨、拋光后的試塊透光率能提高2倍多，研磨、拋光程度越好，測(cè)得的透光率越高，越接近理論值。

圖8 透光率與光纖間距的關(guān)系

Fig 8 Transmittance spaced relationship with the fiber

將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與ZEMAX仿真得到的數(shù)據(jù)與進(jìn)行對(duì)比(如圖8(b)所示)，由圖中可以看出在同一光纖間距的情況下實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到的透光率比ZEMAX仿真得到的透光率小，且曲線(xiàn)沒(méi)有ZEMAX仿真得到的數(shù)據(jù)光滑，這是由于在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中光纖發(fā)生了彎曲損耗、拋面不夠光滑以及照射光強(qiáng)不夠均勻等原因?qū)е碌模莾煞N數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)大體上是一致的,說(shuō)明兩者的變化規(guī)律是相同的，而且都表明了透光率與光纖間距的關(guān)系是一條單調(diào)遞減的指數(shù)函數(shù)曲線(xiàn)，由此可見(jiàn)，本文建立預(yù)測(cè)光纖透光效能的評(píng)估預(yù)測(cè)模型的方法是可行的，能借助ZEMAX建立的模型對(duì)透明混凝土透光性能進(jìn)行分析。

3.2 ZEMAX仿真結(jié)果與分析

運(yùn)行ZEMAX軟件點(diǎn)擊Detector Viewer得到光場(chǎng)分布圖(如圖9所示)，圖9(a)光能量分布圖顯示了透明混凝的透光效果，表明透明混凝土中的光纖可以很好地把光線(xiàn)從試塊的一側(cè)傳輸?shù)搅硪粋?cè)，充分說(shuō)明透明混凝土作為建筑材料，能將室外的光線(xiàn)傳輸?shù)绞覂?nèi)，改善室內(nèi)采光，起到節(jié)約照明用電的作用；圖9(b)顯示了透明混凝土的光強(qiáng)分布，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程發(fā)現(xiàn)光纖越靠近探頭中心，收集的能量越大，越遠(yuǎn)離探頭中心，收集的能量越小，由此可以看出光源位置、光源強(qiáng)度以及光纖分布陣列對(duì)透射光場(chǎng)的分布產(chǎn)生直接的影響。

為了準(zhǔn)確刻畫(huà)透明混凝土的透光率與透光率與光纖數(shù)量、光纖半徑以及光纖布設(shè)方式的關(guān)系，利用ZEMAX軟件建立的透明混凝土光學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，在R=1 mm，X=Y的情況下，光纖數(shù)的范圍設(shè)定為5×5～27×27，代入公式(N-1)×X+2R=80，得到所對(duì)應(yīng)的光纖間距；利用Replicate Object功能復(fù)制光纖，輸入光纖數(shù)，光纖間距，運(yùn)行軟件，通過(guò)Detector Viewer 查看光強(qiáng)和透過(guò)光量，得到光纖半徑為1 mm的透明混凝土透光率，同樣方法得到光纖半徑為1.5，2.0，2.5和3.0 mm的變化曲線(xiàn)(如圖10所示)。

圖9 透明混凝土透射光場(chǎng)分布圖

Fig 9 Transparent concrete transmitted light field distribution

圖10 透光率與光纖間距的變化關(guān)系

Fig 10 The variation relationships between light transmittance and optical fiber span

圖10(a)是光纖半徑1 mm透明混凝土的透光率隨光纖間距的變化，從圖中可以看出變化曲線(xiàn)是一條單調(diào)遞減的指數(shù)函數(shù)曲線(xiàn)，表明透明混凝土透光率的大小與光纖間距有關(guān)，并且隨著間距的增大而減小，不同區(qū)間段的衰減程度不同，由圖中可以看出透光率在6 mm處出現(xiàn)拐點(diǎn)，在間距范圍3～6 mm內(nèi)，透光率的值較大，衰減較快，透光率隨間距的增大急劇下降，而且研究表明透明混凝土力學(xué)性能會(huì)有所降低，需要添加鋼纖維、玻璃纖維等提高其機(jī)械性能；在間距范圍6～13 mm內(nèi)，透光率的值較小，衰減較慢，而且由于光纖占得體積較小，試塊的力學(xué)性能基本不受影響。因此，對(duì)于需要將透明混凝土作為裝飾材料需要高透光率的設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)，可以選取光纖間距的范圍為3～6 mm，對(duì)于將透明混凝土構(gòu)件作為支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)著來(lái)說(shuō)可選取光纖間距的范圍為6～13 mm。

另外，從圖中還可以看出得到的回歸曲線(xiàn)與數(shù)據(jù)擬合度較高，說(shuō)明透光率與光纖間距的關(guān)系是條曲線(xiàn)，而過(guò)去得出的結(jié)論是線(xiàn)性的，主要原因是選取的范圍較小，此次研究范圍跨度較大，因而更能準(zhǔn)確得到透光率與光纖間距的關(guān)系。圖10(b)顯示了光纖半徑分別為1.0，1.5，2.0，2.5，3.0 mm的變化曲線(xiàn)，由圖中可以看出曲線(xiàn)隨著半徑的增大上移，而且曲線(xiàn)都是單調(diào)遞減的指數(shù)函數(shù)，每種曲線(xiàn)的拐點(diǎn)不同，說(shuō)明透光率還與光纖半徑有關(guān)。

圖11 透光率與光纖半徑的變化關(guān)系

Fig 11 The variation relationships between light transmittance and optical fiber radius

圖11顯示了透光率與光纖半徑的變化關(guān)系，由圖11(a)可以看出透明混凝土的透光率與光纖半徑的關(guān)系是單調(diào)遞增的指數(shù)函數(shù)關(guān)系，表明透光率隨著半徑的增大而增大，但是增長(zhǎng)的比較緩慢，說(shuō)明光纖半徑?jīng)]有光纖間距對(duì)透光率的影響大；由圖11(b)可以看出光纖陣列的排列間隔越小，透光率增長(zhǎng)得越快，表明光纖布置的越密集而且半徑越大透光率越大。

以往對(duì)透光率的研究是在X=Y情況下，為了得到透光率與光纖間距(橫向X，豎向Y，且XY，XY)的關(guān)系，即透光率與光纖空間分布的關(guān)系，研究了間距范圍3～13 mm的透明混凝土的透光率，并得到相應(yīng)的預(yù)估模型擬合關(guān)系圖(見(jiàn)圖12)。由圖中可以看出光纖間距越小透光率越大，在X≤6，Y≤6的范圍內(nèi)，透光率隨間距的減小而增長(zhǎng)的越快，透光效果也越高，最大能達(dá)11%；在6≤X≤13，6≤Y≤13的范圍內(nèi)，透光率增長(zhǎng)的比較緩慢，透光率較小，最大能達(dá)3%。

圖12 預(yù)估模型擬合關(guān)系圖(3～13 mm)

4 結(jié) 論

(1) 利用單片到多片成塊的制作工藝，不僅能快速均勻規(guī)則的布置光纖，而且光纖利用率，可以根據(jù)需要制作出各種光纖間距的透明混凝土。

(2) 通過(guò)將透光率的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與ZEMAX仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，得到兩種曲線(xiàn)趨勢(shì)大體是一致的，說(shuō)明建立的預(yù)測(cè)光纖透光效能的評(píng)估預(yù)測(cè)模型是可行的，這將為透明混凝土透光效能的分析和預(yù)測(cè)提供有力的支撐作用。

(3) 透明混凝土能夠透過(guò)可見(jiàn)光和紅外光，不僅在透過(guò)可見(jiàn)光方面能夠降低光能需求帶來(lái)的能源損耗，而且也能透過(guò)紅外光實(shí)現(xiàn)基于滿(mǎn)足熱能需求帶來(lái)的能源節(jié)約。

(4) 透明混凝土的透光性能與光纖排布密度、光纖的特性、以及試塊端面的拋光程度有關(guān)。透明混凝土的透光率隨著光纖摻量的增大而增大，在光纖間距固定的情況下，光纖直徑大的透光率高，透光率與光纖間距是單調(diào)遞減的指數(shù)函數(shù)關(guān)系，與光纖半徑是單調(diào)遞增的指數(shù)函數(shù)關(guān)系；在間距范圍3～6 mm內(nèi)，透光率的值較大，衰減較快，而透明混凝土力學(xué)性能會(huì)有所降低，需要添加鋼纖維、玻璃纖維等提高其機(jī)械性能；在間距范圍6～13 mm內(nèi)，透光率的值較小，衰減較慢，而由于光纖占得體積較小，試塊的力學(xué)性能基本不受影響。

[1] He Jianping, Zhou Zhi, Ou Jinping. Study on smart transparent concrete product and its performances[J]. The 6th International Workshop on Advanced Smart Materials and Smart Structures Technology, 2011, 6:25-26.

[2] Zhou Zhi, Ou Ge, Hang Ying, et al. Research and development of plastic optical fiber based smart transparent concrete[J]. Proc of SPIE Vol,2009, 7293, 72930F-1.

[3] Wu Yuanhua. Intelligent transparent concrete product and its performance study [D]. Harbin: Institute of Technology, 2010.3. 吳源華.智能透明混凝土制品及其性能研究[D]．哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2010. 3．

[4] Zhou Zhi, Ou Ge, He Jianping. Optical fiber smart transparent concrete and its preparation method [P]. China, 200810209743.4, 2009.5.13 周 智,歐 歌,何建平,等. 光纖智能透明混凝土及其制備方法[P].中國(guó)，200810209743.4,2009.5.13.

[5] Roye A, Barie M, Janetzko S, et al. Faser-und textilbasierte Lichtleitung in Betonbauteilen-Lichtleitender Beton[J]. Beton-und Stahlbetonbau, 2009, 2(104):121-126.

[6] Chen Yao. The applide research of “transparent cement” in architectural design[D]. Nanjing: Nanjing Unicersity,2011. 陳 瑤．透明混凝土材料在建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究[D]．南京: 南京大學(xué),2011.

[7] Wang Xingang, Chen Fangbin,Zhang Weiqin. Cement based translucent material and its preparation method[P]. China, 201110316717.3, 2012-06-20. 王信剛,陳方斌,章未琴．水泥基透光材料及其制備方法[P]. 中國(guó),201110316717.3,2012-06-20．

[8] Chen Fangbin. Preparation and performance of luminescent and transparent cementitious materials[D]. Nanchang: Nanchang Unicersity,2012. 陳方斌．發(fā)光透光水泥基材料的制備與性能研究[D]．南昌: 南昌大學(xué),2012．

[9] Li Yue, Xu, Gu Zhongwei. Research on the light transmitting cement mortar[J]. Advanced Materials Research, 2012,(450-451).

[10] Li Yue,Xu,Gu Zhongwei. Preparation of light transmitting cement-based material with optical fiber embedded by the means if parallel arrange[J]. Advanced Materials Research, 2012,(391-392).

[11] Alejandro Fastag. Desing and manufacture of translucent architectural precast panels[J]. Symposium PRAGUE, 2011, 1053-1056.

[12] Wan Yuhong, Wu Fan, Man Tianlong. A quantitative analysis and testing method for transmission light field of transparent concrete materials[P]. China,201310432307.4, 2014-01-29. 萬(wàn)玉紅,吳 凡,滿(mǎn)天龍．一種用于透光混凝土材料的透射光場(chǎng)定量分析和測(cè)試方法[P]．中國(guó):201310432307.4，2014-01-29．

[13] Zhou Zhi, Shen Juan, He Jianping, et al. Engineering construction method and construction equipment of transparent concrete[P]. China, 201310567561.5, 2013-11-14. 周 智，申 娟，何建平，等. 透明混凝土工程化施工方法及施工設(shè)備[P]．中國(guó):201310567561.5, 2013-11-14．

[14] Padma Bhushan M N V, Johnson D, Afzal Basheer Pasha Md,et al. Optical fibres in the modeling of translucent concrete blocks[J]. International Journal of Engineering Research and Applications, 2013, May 013-017.

[15] Bhavin K Kashiyani, Varsha Raina, Jayeshkumar Pitroda, et al. A study on transparent concrete: a novel architectural material to explore construction sector[J]. International Journal of Engineering and Innovative Technology, 2013, 2:83-87.

[16] Andrea Giovanni Mainini, Tiziana Poli, Michele Zinzi, et al. Spectral light transmission measure and radiance model validation of an innovative transparent concrete panel for fa?ades[J]. Energy Procedia, 2012, 1184-1194.

[17] Kuang K S C, Maalej M, Quek S T. Hybrid optical fiber sensor system based on fiber Bragg gratings and plastic optical fibers for health monitoring of engineering structures[J]. Proc of SPIE,2006, 6174(61742P) 1-12.

Study on transmission performance of transparent concrete

ZHOU Zhi, SHEN Juan, JIAO Siyu, YANG Mingjie, YANG Huanyu

(The State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering, Dalian University of Technology,Dalian 116024, China)

Transparent concrete, as a new style functional material, is made of a large number of fibers or transparent resin with ordinary concrete, with the characteristics of high transparency thus allowing the sunlight to penetrate through. In order to facilitate further application of transparency concrete materials and achieve the purpose of saving the fiber and concrete materials, improving the efficiency of the analysis and providing light performance analysis of reliable data, the paper established a evaluation and forecast model to assess transparent performance of transparent concrete by means of combining with the light performance test of transparent concrete and using ZEMAX for simulation of the test. It was found that light transmittance had the relationship with optical fiber type and its spatial distribution and the evaluation index and calculation method of light performance were summed up. Besides, the results show that the light performance has the relationship with the density of optical fiber configuration, fiber properties as well as the block surface polishing degree. Light transmittance through the fiber spacing span is monotonically decreasing exponential function, and the fiber radius is monotonically increasing exponential function.

transparent concrete；transmittance；ZEMAX；fiber spacing；optical test

1001-9731(2016)12-12007-07

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2011CB013705)

2015-11-03

2016-03-30 通訊作者：周 智，E-mail: zhouzhi@dlut.edu.cn

周 智 (1973-)，男，湖南道縣人，教授，主要從事智能傳感器與結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)研究。

TU528.38

A

10.3969/j.issn.1001-9731.2016.12.002