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硫铝酸盐水泥基材料透光性的制备与研究

李悦^a,b，李佳琦^c,*，郭辉^a,b

中国教育部城市安全与灾害工程重点实验室

北京工业大学地震工程与结构改造北京重点实验室

美国伯克利加利福尼亚大学土木与环境工程学院

关键词：硫铝酸盐水泥材料 PMMA纤维 电耦合器件 光功率 机械性能 微观结构

【摘要】 两种直径类型的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)光纤通过不同的方法均匀布置在硫铝酸盐砂浆。透光硫铝酸盐水泥基材料（LTSCM）已经制备出来，对LTSCM的光学和机械性质进行了研究，在LTSCM中抗压强度随光纤的体积分数线性减小，80℃水浴后试样抗压强度明显高于标准养护条件下试样的抗压强度。据CCD技术，在LTSCM光纤的不同位置的亮度可以清楚地展出。LTSCM的透光性能可以通过试样的光功率方法测试，试样的透过率随检测器和样品的间距增加而减小。光功率随纤维的数量和纤维的直径的增加而增加。在高温下的水浴中纤维的透射率将减弱。纤维和基体之间存在空隙。

1 介绍

透光水泥基材料(LTCM)一种新型的透光材料^[1,2],其透光特性取决于大量的通过水泥基产物传输光的纤维，它可以大大提高建筑物的照明效果，降低建筑照明的能源消耗，促进建筑节能。如今，LTCM通常被用来作为建筑围护结构，如博物馆和歌剧院的外墙，在2010年上海世博，透光水泥基材料被用来作为意大利馆的外墙。此外，LTCM还具有艺术价值，并且可以用作在展厅和博物馆装饰^[1]。

关于LTCM的成分，制备和性能的一些研究已有报道。（1）从材料组分的观点来看，LTCM的基质材料主要是波特兰水泥或砂浆^[3-8];该类型的光学纤维的主要是玻璃状纤维^[3-6]和有机纤维^[7,9,10]。（2）制备的角度，文献^{[ 6 ]}报道指出，平行光纤维排列基质；文献^{[ 7,9,10]}报道光纤技术在制备LTCM的应用。然而，上面描述的研究还没有解决在基体中纤维的排列不规则这个问题。文献^{[ 11，13]}介绍了模具制备LTCM，但是光纤埋设困难，工作量沉重。LTCM的性质，包括物理的、机械的，和光传输特性已经进行了研究。在以前文献^{[3-5 ]}的作者试验中，LTCM由是波特兰水泥砂浆和玻璃纤维组成。平行纤维在砂浆中排列一致。抗压强度进行了测试，用分光光度计测量光传输性能，用扫描电镜观察了LTCM的微观结构，结果显示完整的LTCM有高的透光率。LTCM的光透过率达到了520–630nm波长范围内，甚至超过70g A4打印纸。随着光纤的体积分数的增加，其透光率逐渐增大，但其抗压强度却降低。在28天的抗压强度小于25MPa。

以往的研究表明，LTCM的主要性能取决于基体材料的特性、光纤类型，及其排列。在现有的文献中，基体材料都是由波特兰水泥制成的，与波特兰水泥相比，硫铝酸盐水泥具有很多优点，如高的早期强度，高的极限强度、低碱度。此外，在以前的工作中，透光率的表现形式相对简单，其不同的测试方法需要改进。因此，本文的主要目的是研究LTSCM的制备，包括原材料的组成，光纤的排列方法、成型工艺和固化。此外，对LTSCM的物理，力学和光学性能进行了讨论，并对其微观结构进行分析。本研究旨在促进这一类型的材料的研究和工程应用。基质是由硫铝酸盐水泥组成，设计了2种光学纤维的空间形态的方法，对LTCM的强度性能进行了研究，并且这两种测试方法，为材料的设计与制备提供参考，是用来评估其传输性能。

2材料与方法

2.1 原材料

光纤：在这项研究中使用的光学纤维PMMA纤维（JT，南京，中国）直径分别是1mm和0.5mm。纤维直径为1mm的纤维的拉伸强度为65.73MPa，其伸长率为10%。0.5mm纤维的拉伸强度为78.47MPa，伸长率为20%。该光纤涂料为氟树脂。在650nm波长z中的损失率是小于350分贝/公里。其弯曲直径为八倍大于直径光导纤维。工作温度为20至70摄氏度。

偶联剂：A-151硅烷偶联剂，其成分是乙烯基三乙氧基硅烷。

减水剂：F0X-8H聚羧酸粉，其减水率为30%。

消泡剂：P764消泡剂粉末。外加剂来自中国建筑材料科学研究院。

表格1 水泥的物理性质

表2水泥的化学成分

2.2 测试方法

2.2.1 强度和微性能试验方法

按照中国国家标准GB175-2007（标题：普通波特兰水泥）进行了硬化的纯水泥砂浆和LTSCM的抗压和抗折强度试验，按照中国国家标准GB/T2419-2005（标题：水泥胶砂流动度试验方法）进行了高流动性水泥砂浆的稠度测试。在抗压强度试验中，光纤的方向与试样长度平行，并且垂直与压缩方向，在弯曲强度试验中，光纤与荷载平行。

试样的孔隙结构是由全自动压汞仪测试。试样在28天标准养化条件下，用锋利的刀切成了2.5-5mm的颗粒。颗粒被分为2组样品A是没有纤维的颗粒；样品B是有一根纤维的颗粒。样品A和B经过28天的标准养护条件后用扫描电镜观察其微观结构。

2.2.2 LTSCM的制备

2.2.2.1硫铝酸盐水泥砂浆的制备。通过大量实验，确定了高密度、高强度、高密实度的硫铝酸盐水泥砂浆的配合比。水灰比为0.35。减水剂的用量和消泡剂的水泥含量分别为0.7%和0.2%，砂对水泥的质量比为0.8。砂浆的一致性为150mm，其抗压强度在3天和28天分别为54.2MPa和69.8MPa。

2.2.2.2 光纤和铸造的嵌入。光导纤维浸入体积浓度为20％（与水的体积比率）的硅烷偶联剂溶液， 2分钟后，在空气中干燥。然后，这两种方法可用于固定光纤。方法1（图1）：纤维被切成相同的长度。2mm厚的带是用来固定平行光丝的两端。纤维的质心距离为4毫米。然后，平行纤维集被其他的形式覆盖设置成一个高3厘米左右的块。碎片分别放入模具中，并通过硫铝酸盐浆液浇铸。方法2（图2）：光纤缠绕旋转钢筒口周围，以及两个钢棒被用来固定各平行光纤上的模具组的两端。最后，将模具放入模具中，并用泥浆浇铸成块体。

图2。紧固方法和铸造模具（方法2）

2.2.2.3 固化与切片。水泥砂浆含有经过28天标准养护（温度为20、2、95、5%）的纤维被切成两类试样，如示于图3。4cmtimes;4cmtimes;16cm的尺寸的快被用来测试抗压强度；4cmtimes;8cmtimes;1cm大小的切片被抛光用于测量光学性能。此外，这2种类型的试样将浸渍在80℃的水中3天，然后进行了测试机械和光学性能。本试验的目的是通过加速试验检测光纤老化现象。

2.2.3 光传输特性试验方法

2.2.3.1 CCD测试。CCD（电荷耦合器件）是一种半导体装置，它可以将光学图像传输到数字信号。CCD格，即组平面图像通过X和Y方向，通常用于数码相机。在这个测试中，从DCU224M–CCD摄像机获得了在LTSCM光纤CCD图像。实际测试设备如图4所示，模拟光路图5给出。LTSCM是由波长390-780nm的平行的白色光源照射，通过凸透镜收集发送的光，然后由CCD相机所形成的图像，直接显示在电脑上。

图3 切块LTSCM试样 图4 CCD测试光路

图5 模拟CCD测试光路

2.2.3.2。光功率测试方法。LTCM的透光性能通过光功率计测量，它是用来测量光能沿光纤传送的光功率，来测量绝对光功率，并评价光纤的传输质量测量。该设备包括一个稳定的光源、检测器和显示器。该探测器的有效表面的直径为1cm。在这项研究中，光功率计是用来测量在LTCM和光源之间的不同距离LTCM的光功率。模拟和实际测试的光路分别在图6和7中所示，光源是白光。

图6 模拟光路 图7 实际光路

3 结果与讨论

3.1 强度结果与分析

如2.2.2节中所描述的，光纤的紧固方法和砂浆的配合比，用于制备LTSCM。在单位面积上的光纤的数量是一致的。在10cmtimes;10cm处有大约625根纤维，试样的强度和纤维的体积分数在表3中的进行了说明。

从表3中，可以看出：（1）是否引入纤维不，LTSCM的强度都比较高，抗压强度大于60MPa，与抗弯强度均大于9MPa。这是远高于含有平行玻璃纤维的波特兰水泥基透光材料的研究价值[ 3-5 ]。标准养护试件，LTSCM的抗压强度低于光纤缺失的标本。试件抗压强度随着光学纤维体积分数的增加呈线性下降。例如，含有1.23%的纤维和4.91%的纤维的试样的抗压强度分别下降了5.6%和9.4%。含有1.23%纤维的试样的抗弯强度下降很小，而含有4.91%纤维的试样的抗弯强度下降了21.2%，这是因为光纤是由低弹性模量的软塑料制成的。对于抗压强度试验，纤维可以看成是一种缺陷，如在水泥砂浆中的气孔。纤维的加入会导致强度较大的下降。对于弯曲试验，基质和1.0mm直径的纤维之间的界面的粘合性能比基质和0.5mm纤维之间界面的粘合性能更差，纤维的大的体积分数和它的平行排列导致弯曲强度大幅度降低。在老化试验中，经80℃的水浴后的试样的抗压强度和抗弯强度均大于标准养护条件下的试件的抗压强度和抗弯强度。主要原因是，高温水浴加速硫铝酸盐水泥的水化，提高了基体强度的发展。

表3 含有不同直径的光纤样品的强度