透光混凝土的研究进展综述

透光混凝土的研究进展综述

杨育旺1，刘碧婷2，李婷3，*

1.棕榈生态城镇发展股份有限公司，广东 广州 510627；

2.仲恺农业工程学院，园艺园林学院，广东 广州 510225；

3.华南理工大学，建筑学院，广东 广州 510641

摘要：

随着城市建设的快速发展，全面绿色转型是发展的重点之一。传统的混凝土建筑和景观厚重且沉闷，新材料透光混凝土不仅环保节能，还具备良好的建筑装饰效果与艺术观赏价值。然而这种新材料还未广泛应用与推广，其生产工艺、各项性能和施工技术等仍需要改善提升。为了进一步促进透光混凝土的应用，本文探讨了两种不同导光材料的透光混凝土的发展、生产工艺、重要性能和应用进展。

关键词：透光混凝土 绿色发展 生产工艺 性能 应用发展

0前言

“十四五”时期，我国生态文明建设进入了以降碳为重点战略方向、推动减污降碳协同增效、促进经济社会发展全面绿色转型、实现生态环境质量改善由量变到质变的关键时期。透光混凝土（LTC）作为一种透光新型材料，其应用不仅能够满足绿色节能环保的需求，还具有减少照明、节约能源、降低碳排放的特点。在经济和科技的发展下，混凝土材料的性能逐渐优化，功能越来越丰富。国内外对于透光混凝土的研究都处于起步阶段，不少学者对透光混凝土的各项性能、生产工艺或施工技法等进行研究，但目前要推广透光混凝土的工业化大规模生产与应用，依旧还征途漫漫。基于此，本文对透光混凝土的生产工艺、性能的研究现状进行综述，探索透光混凝土大规模应用在“绿色发展”中的可能。

1数据来源与研究方法

作者简介：杨育旺，男，硕士，高级工程师，从事风景园林施工与研究工作；E-mail:420010188@qq.com；

通讯作者：李婷，女，在读博士，研究方向为城市与区域规划；E-mail:teenyliting@126.com

本研究数据来源于中国知网学术期刊数据库，检索主题词包括透光混凝土、导光混凝土或导光水泥基复合材料等，围绕透光混凝土的生产工艺中的材料研究、各项性能研究以及应用发展的文献，包括不局限于期刊、网站、学术论文或专利等。本文采用（1）文献统计分析，通过整理文献梳理透光混凝土的研究发展脉络；（2）内容分析法，对搜索的文献资料客观系统和定量描述；（3）对比分析法，对比不同导光材料的透光混凝土之间的优劣势和未来发展趋势。

2透光混凝土现状分析

2001年，匈牙利建筑师Aron Losonczi首次提出透光混凝土的概念，并在2003年将光学纤维和混凝土结合，制造出透光混凝土（Light Transmitting Concrete,简称LTC）新材料[1]；2004年《中国建材报》报道了国外研制出透明混凝土；2005年透光混凝土作为创新新材料获得了德国红点设计大奖；2008年，意大利水泥集团研发出树脂透光混凝土，其制造成本要大大低于光纤透光混凝土；2009年《混凝土世界》杂志报道了北京榆构公司研制成功，填补了国内的空白[2]；2010年透光混凝土成功应用案例——上海世博会意大利馆亮相，国内掀起了研究透光混凝土的热潮。

树脂透光混凝土的研究发展相比光纤透光混凝土起步较晚，国内对后者研究比较多，前者研究较少；而国外由于专利限制，树脂透光混凝土的研究仅有意大利水泥集团在研发与制备[3,4]。近十年来，国内外的学者们不断优化透光混凝土板的生产工艺（导光材料的定位、模具的制备等）以及各项重要性能，使得透光混凝土在各行业中的推广和应用有正向积极的效果。光纤和树脂作为透光混凝土研究常见的导光材料，两者各有优劣，由于透光混凝土的生产工艺复杂、成本偏高、力学性能和耐久性研究数据有待完善[5]，这种新材料在工业化大规模生产应用上依旧缺乏研究。此外，透光混凝土对景观友好的特点也非常值得研究和推广应用。

3主要研究内容

3.1透光混凝土的制备技术研究

透光混凝土由于导光材料的不同，其生产工艺也有所不同。目前常见的有光纤透光混凝土和树脂透光混凝土，光纤透光混凝土的配置方法有“先植法”和“后植法”两种；配置树脂混凝土的方式有“预制法”和“后浇筑法”。

3.1.1基于光导纤维的透光混凝土制备研究

光导纤维有无机光纤和有机光纤之分，无机光纤是玻璃光纤，又称作一代光纤；有机光纤（二代光纤）是塑料光纤。无机光纤的导光性能相对更好，但其在呈碱性的水泥基材料中不耐受，所以光纤透光混凝土常用综合性能较好的有机光纤——聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）作为导光材料。

“先植法”是先把导光材料定位在设计好图案文字的半硬质块体上，再浇注水泥基材料，养护一定龄期后切割打磨，便制成光纤混凝土的预制件。“后植法”则是先在硬化后的水泥制品上绘制图案文字，按照图案文字打孔植入导光材料，养护打磨制成预制件。

“先植法”工艺使得导光材料和水泥基材料结合效果较好，因此所制成的预制件相比“后植法”的预制件其力学性能影响较小。而“后植法”工艺操作更为简单，透光性更好

[6]。两种工艺制法的优缺点详见表1。

表1  光纤透光混凝土两种工艺制法的优缺点

3.1.2基于树脂的透光混凝土制备研究

由于光纤材料成本昂贵且工艺制作相对复杂，学者们逐渐开始研究成本更加低廉、有望大规模工业化生产的树脂透光混凝土。树脂透光混凝土与光纤透光混凝土生产工艺类似，其传统的制备方法是“预制法”和“浇注法”[7]。

“预制法”是先将导光材料制成尺寸与模具大小相匹配的树脂板，而后在其表面喷上反光油漆防止导光材料被碱性的水泥砂浆腐蚀，固定树脂板一端在模具底部再导入水泥基材料且露出树脂板另一端的表面，自然固化后便制成树脂透光混凝土。“浇注法”则是先在模具底部铺上一层可压缩材料，导入水泥基材料到模具中，将塑料板规则镶入水泥基材料，塑料板几乎埋入但露出一端表面，水泥基材料半固化时，抽出塑料板形成孔洞，并在孔内喷涂反光涂料，涂料固化后导入液态透明树脂，等待树脂和水泥基材料一起固化成型，便制成树脂透光混凝土。

由于树脂与水泥基体在固化时收缩程度差异较大，“浇注法”所得预制件中的树脂容易脱落；两种材料的热相容性差，在受热时会出现开裂现象[3]。国外意大利水泥集团不断对树脂透光混凝土制备方法进行改进，2011年的专利[8]中在水泥砂浆的配方中加入了聚合物纤维防止水泥固化时树脂和水泥接触位置发生开裂；2013年申请的专利[9]制备方法又进行改善:（1）预制所得的透明树脂板先浸泡在40~50℃水中，待其吸水至饱和再浇注水泥砂浆，避免树脂板吸收砂浆中的水分膨胀，影响制品结构的稳定性；（2）在砂浆配比上加入了不锈钢短纤维，可提高其抗撕裂性和弯曲强度。

生产透光混凝土的模具需要定制，且一个模具只能生产一种厚度的透光混凝土板，成本较高。2016年意大利水泥集团申请的专利[10]再次改善生产工艺，（1）在模具底部增加了树脂板定位卡槽，确保树脂板的排列平行整齐，因此提高成品的质量并降低废品率；（2）用廉价的玻璃板代替树脂板作为透光材料，且长度与模具高度匹配，确保浇注水泥砂浆时透光材料的一端露出表面；（3）增加了模具高度，半成品的透光混凝土可以垂直于高度方向切割不同厚度的多块透光混凝土板。改进后的工艺在不调整模具的情况下，所得的成品表观质量大为提升，不仅降低了成品成本，还提高了生产效率。此外，国内王信刚[11]等人通过把透光树脂制成一个单元整体，再浇注水泥砂浆的生产步骤，使得透光树脂均匀分布再水泥砂浆中，简化了生产流程减少了人工定位树脂板的成本，确保了成品的较高表现质量。以上树脂混凝土生产工艺的研究，为推行透光混凝土工业化大规模生产提供了可行性。

3.2透光混凝土性能研究

玻璃塑料和树脂等透明材料常被用于代替传统混凝土中的集料和胶结料，从而使得混凝土具有透光性。不同材料的参入使得透光混凝土的物理性能发生变化，一定程度上影响了透光混凝土的广泛应用与推广。

3.2.1光纤透光混凝土性能研究

研究[12-14]表明，透光混凝土的透光率与光纤的参入体积成正比；在水泥砂浆中掺入发光粉和透光粉可增加其初始发光亮度[15]。但随着掺入光纤体积掺量增加，透光混凝土的抗压强度和抗渗透性能降低，特别是在冻融循环的环境下抗压强度下降幅度更大。另一方面，正是由于光纤的参入，一定程度上提高了透光混凝土的抗折强度，而其抗压强度不太受影响，因此光纤透光混凝土更多应用在建筑小品承重结构中。通过涂抹界面改性剂增加光纤与水泥基体的粘结性，可提高整体的力学性能。即使与传统的混凝土的抗压强度对比，透光混凝土也可满足M20级混凝土抗压强度要求，甚至综合性能更优于普通M20级混凝土[16-17]。

3.2.2树脂透光混凝土性能研究

周智[18]等发现不饱和聚酯树脂在常温下即可成型且透光率良好，树脂的透光率最高可达到93%，与树脂板长度呈负相关。若当树脂板长度超过100毫米，透光率会下降到低于60%。由于透光混凝土的厚度会影响树脂板的长度范围，在不减少树脂板长度的情况下，增大其半径可以一定程度上提升透光率[19]。一般情况下，普通的混凝土采用硅酸盐水泥基材料，而硅酸盐水泥本身具有收缩性且与树脂结合能力较差，导致透光混凝土的界面强度较低[20]。谢涛[21]采用偶联剂和膨胀剂增强了树脂与水泥基体的界面强度，但成本高工艺复杂。黄泓萍[22]等人在研究中发现碱式硫酸镁水泥砂浆基体与树脂的界面粘结能力优于硅酸盐水泥砂浆基体。叶栩娜[23]研究发现透光混凝土的强度较普通水泥或沥青混凝土高，韧性和耐老化性能优。

3.2.3小结

降低生产成本和提升生产效率是推进透光混凝土的进一步发展的要素之一。目前，树脂透光混凝土的弯曲强度太低，只能用作非承重结构，提高弯曲强度和抗压强度是今后树脂混凝土的研究发展方向。而光纤透光混凝土由于导光材料难以在内部分布均匀，并且光纤造价昂贵，透光混凝土的研究往造价相对低廉的树脂透光混凝土发展。

3.3透光混凝土的应用发展研究

目前透光混凝土的应用场景多元丰富，如建筑领域、园林景观领域、道路铺设与引导标识物领域[24,25]以及光伏发电技术领域等等。上海世博会意大利馆作为国内透光混凝土应用的成功案例之一，建筑外侧大面积的透光混凝土挂板结合内侧特殊的透明膜材料，建筑墙面像一扇巨大的窗户。白天的自然光线穿过透光混凝土，降低馆内的灯光使用，减少能源消耗。夜晚，馆内灯光由内向外透出，建筑外立面伴随灯光和人影变得活泼与神秘[26]。透光混凝土的应用打破了传统混凝土的厚实笨重感，在艺术表现力上更具有活力和想象。国内蓝宝公司股份有限公司设计了透光混凝土景观户外座凳，实用和景观美化二合一。扬州万科城市之光的路面采用透光混凝土和预埋LED灯，使得路面更具指向性，五彩斑斓乐趣无穷。透光混凝土在光伏发电技术中的应用也非常具有前景，将其应用于光伏发电路面结构的透光表层，以路面为载体实现太阳能在中层发电，下层保护连接的结构形式。其中透光混凝土保证了承载交通的荷载、结构发电效能，为光伏道路的多场景应用提供科学依据和理论支撑[27]。

4总结与研究展望

随着“绿色发展”理念的的提出，透光混凝土作为是“绿色发展”的新材料之一，其制备可从工业废料中回收大量的导光材料，从循环利用的城市固体废物减少碳排放；另一方面，透光混凝土与其他绿色产业的良性结合也能发挥其优势，如与新型光伏路面结合，为融雪化冰和无线电等智慧道路提供技术支持和绿色供能[27]。在近十几年的发展中，透光混凝土生产工艺不断优化。不仅在制作中注重回收循环、低碳生产，而且其应用降低了很多能耗。混凝土本身就是很大容量的“碳汇”材料，透光混凝土在未来“绿色发展”中一定是广泛应用的节能材料之一。现阶段透光混凝土发展还没广泛应用，出于很多因素：

（1）光彩的艺术表现力和透光的节能效果，前者面临较成熟的玻璃塑料等制品市场，后者在成本较高的现阶段下效益不明显[7]。（2）树脂透光混凝土的研究主要集中在国外的混凝土集团公司，国内的研究以提升透光混凝土的生产工艺为主。（3）透光混凝土的应用更趋向于现场浇注生产，而现在的生产工艺普遍还是在工厂做好预制件，再到现场安装。（4）对于透光混凝土的宣传力度不够大，国内对透光混凝土的发展热潮始于上海世博会意大利展馆，所以其良好的节能效果还需要广泛推行。因此，希望相关研究人员可以继续深入研究，寻求更完善的生产工艺，加大透光混凝土的推广，解决透光混凝土制备的缺陷，进而解决其工业化大规模生产的问题。

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