周　智，高錫鵬，申　娟，李忠華，陽環(huán)宇

(1.大連理工大學(xué) 土木工程學(xué)院,遼寧 大連 116024; 2.大連理工大學(xué) 海岸和近海工程國家重點實驗室,遼寧 大連 116024)

?

樹脂透光混凝土制品的制備及其節(jié)能效果研究*

周智1,2，高錫鵬1，申娟1，李忠華1，陽環(huán)宇1

(1.大連理工大學(xué) 土木工程學(xué)院,遼寧 大連 116024; 2.大連理工大學(xué) 海岸和近海工程國家重點實驗室,遼寧 大連 116024)

新型建筑材料的發(fā)展是推動綠色節(jié)能建筑發(fā)展的重要引擎，本文根據(jù)樹脂材料的透光特性，設(shè)計了1種新型樹脂透光混凝土制品，借助Autodesk Ecotect Analysis軟件對使用該樹脂透光混凝土制品的某實驗室采光情況和光控照明裝置的關(guān)閉時間進行了分析，以評估該型樹脂透光混凝土制品的節(jié)能效果。結(jié)果表明，使用該透光混凝土制品后，房間內(nèi)平均采光系數(shù)可提升30%，采光均勻度提升51%，自然采光時間內(nèi)人工照明裝置的關(guān)閉時間由23%增加至39%，節(jié)能效果明顯。

樹脂透光混凝土制品；透光性能；Autodesk Ecotect Analysis；節(jié)能效果

0　引　言

隨著我國城市化進程的推進，城市建設(shè)用地資源日益緊缺，使得新生建筑物趨向于超高層和高密集度的方向發(fā)展[1]。重巒疊嶂的建筑群會影響建筑的自然采光，尤其對于進深很大的巨型建筑和不能朝陽的房間,即使天氣晴朗,室內(nèi)也昏暗陰沉,無形之中增加了人工照明的電能損耗[2]。為了節(jié)約照明能耗，透光混凝土應(yīng)運而生。

最早的研究始于2003年，匈牙利建筑師AronLosonczi首次提出了光纖透光混凝土的概念，通過在傳統(tǒng)的鋼筋混凝土中加入導(dǎo)光的光纖束,實現(xiàn)了混凝土的透明特性，既節(jié)約電能又有裝飾效果[3]。然而，將光纖作為導(dǎo)光體的成本昂貴，且光纖的布設(shè)工藝復(fù)雜，阻礙了透明混凝土的規(guī)?；a(chǎn)及推廣制造應(yīng)用。鑒于此，意大利水泥集團在2010年研發(fā)出了1種用透明樹脂做導(dǎo)光體的新型透光混凝土[4]，即將預(yù)先成型的樹脂埋置在細石混凝土中，以達到透光效果。隨后，意大利水泥集團將其產(chǎn)品化，并應(yīng)用在了上海世博會上的意大利館中，受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[5]。相對而言，國內(nèi)對樹脂透明混凝土的研究較為遲緩。2011年，比亞迪股份有限公司提出了1種樹脂透明混凝土的生產(chǎn)工藝[6]，即先在半硬化的混凝土中打孔，后澆筑樹脂。2014年，南昌大學(xué)的王信剛提出了1種先利用模具預(yù)制導(dǎo)光體，后將其埋置于混凝土中的方法[7]。上述方法均能實現(xiàn)樹脂透明混凝土的生產(chǎn)，但導(dǎo)光體的成型工藝較為粗糙，生產(chǎn)效率較低，且質(zhì)量得不到保障，難以形成制品，從而不易對其透光性能做出較系統(tǒng)的評價。此外，從視覺角度，透明樹脂具有與玻璃相同的透光效果，且相對于光纖透明混凝土能較容易地獲得高感光面積比。如果能夠高效地制得樹脂透光混凝土制品且獲悉其透光性能，將會推動樹脂透光混凝土在建筑結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，進而減少人工照明時間，有效節(jié)省電能。

鑒于此，本文通過透光率實驗研究了透明樹脂材料的透光特性，進而根據(jù)其特性設(shè)計出具有合理結(jié)構(gòu)形式的透明混凝土制品，同時應(yīng)用AutodeskEcotect Analysis軟件對大連理工大學(xué)某實驗室的采光情況進行模擬，對比其外墻在應(yīng)用樹脂透光混凝土制品前后的采光效果，分析了應(yīng)用樹脂透光混凝土制品對人工照明時間的影響。

1　透明樹脂材料透光性能研究

樹脂透光混凝土制品以透明樹脂作為導(dǎo)光體，透明樹脂的透光率直接決定樹脂透光混凝土制品的透光性能。現(xiàn)有透光率較好的透明樹脂包括不飽和聚酯樹脂和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。其中，PMMA由于流動溫度高于100℃，導(dǎo)光體的成型對加工環(huán)境條件要求較高[8]，而不飽和聚酯樹脂在常溫下即可成型，且成型后透光率與PMMA相近。因此，本文選用不飽和聚酯樹脂生產(chǎn)導(dǎo)光體，將導(dǎo)光單元設(shè)計為柱狀分支，并對柱狀的透明樹脂制品進行一系列透光性能測試。

1.1實驗裝置介紹

如圖1所示，實驗以LED強光燈作為光源，采用Newport 2832-C雙通道光功率計以及兩個818-SL探頭分別測量試件的入射及透射光功率。其中，818-SL探頭感光面積為1 cm2，可以探測400～1 100 nm范圍的波長，通過計算透射光功率與入射光功率之比獲得材料的透光率。具體實驗步驟如下：

(1)探頭調(diào)零。利用雙通道光功率計所測得的光功率計算透光率的前提是兩個通道的初始狀態(tài)完全一致，因此需要在測試之前對兩個探頭在同等光源條件下進行調(diào)零設(shè)置。

(2)放置試件及探頭。將兩個探頭一前一后置于試件兩側(cè)，探頭感光面均朝向光源一側(cè)且感光面要與試件的前后兩平面(兩透光側(cè)面)平行，為了避免入射探頭遮擋光線，需將入射探頭置于入射面的一側(cè)。

圖1　透光率測試裝置

(3)定位光源。透光率的計算是通過透射光功率與入射光功率之比獲得的，而兩探頭沿光線入射方向不在同一直線上，因此需保證到達探頭的光線近似為平行光。前期測試表明，若光源置于兩探頭的垂直平分線上，且光源離探頭距離超過2 m時，所測透光率趨于穩(wěn)定，如圖2所示。因此，本文在后續(xù)實驗中將光源定位于兩探頭的垂直平分線上，距探頭約3 m處。

圖2　光源與探頭間距離對透光率的影響

Fig 2 Effect of distance between the light sources and the sensor on the transmission

1.2不同波長光線透光率研究

選取截面直徑為22 mm、長度分別為20，60和105 mm的圓柱棒，采用上述裝置及步驟分別測量不同波長下的入射功率及透射功率，進而求得不同波長條件下試件的透光率，其分布規(guī)律如圖3-5所示。由圖3和4可知，在400～1 000 nm波長范圍內(nèi)，隨著波長的增加(電磁波頻率減小)，入射及透射光功率值均呈減小趨勢，這與光量子假說結(jié)論是一致的。但在1 000～1 200 nm范圍內(nèi)，由于LED強光燈有近70%的輻射是紅外線，且波長為1 100 nm的波段處輻射能量最強[9]，光功率急劇增大。雖然各波長段光功率值有差異，但入射光與透射光的變化規(guī)律一致性較好。此外，圖5更清晰地顯示：在可見光范圍內(nèi)，各波長范圍透光率基本一致，而1 000 nm以外的紅外光透過率則明顯提高。

圖3　不同長度試件可見光入射光功率與波長的關(guān)系

Fig 3 Relationship between wavelength and incident optical power of specimens with different length

圖4　不同長度試件可見光透射功率與波長的關(guān)系

Fig 4 Relationship between wavelength and transmitted light power of specimens with different length

圖5　不同長度試件可見光透光率與波長的關(guān)系

Fig 5 Relationship between wavelength and light transmittance of specimens with different length

1.3柱狀透明樹脂制品透光率隨長度的衰減規(guī)律

樹脂不同于光纖，光線在樹脂內(nèi)不能實現(xiàn)全反射，因此透光率會隨著制品長度(厚度)的增加而降低。為了探究這種衰減規(guī)律，進而為導(dǎo)光分支長度的設(shè)計提供足夠參考，本文測量了一系列不同長度、不同截面尺寸的樹脂棒的透光率(此處的透光率為各波長的總透光率，即試件不同波長透射光功率之和與入射光功率之和的比值)，并對所測數(shù)據(jù)進行線性擬合，得到圖6所示的結(jié)果。

圖6　試件透光率隨長度的衰減規(guī)律

Fig 6 Effect of specimen length on the light transmittance

由圖6可知，樹脂棒的透光率最高可達93%，且隨長度的增加而衰減，當(dāng)試件長度超過100 mm時，透光率將低于60%，因此，在應(yīng)用該類樹脂制作透光混凝土制品時，制品不宜過厚。圖6所示試件透光率與試件截面尺寸雖沒有明顯的規(guī)律，但在制作試件過程中發(fā)現(xiàn)，截面尺寸越小，試件質(zhì)量越不穩(wěn)定，透光率波動較大，因此導(dǎo)光分支截面不宜太小。本文中，為使透光混凝土制品有較高的透光率，同時盡可能地保證其材料均質(zhì)的特性，所設(shè)計的導(dǎo)光體分支長度為20 mm，導(dǎo)光分支直徑為15 mm。由圖6可知，該種尺寸的導(dǎo)光體透光率約為87%。

2　樹脂透光混凝土制品的研制

樹脂透光混凝土是通過將預(yù)制的樹脂類導(dǎo)光體埋置在水泥基體中而得到的，如圖7所示，其工藝流程包括導(dǎo)光體設(shè)計及母模制作、模具制作、導(dǎo)光體成形和埋入水泥基體4步，其中，樹脂導(dǎo)光體的預(yù)制是樹脂透明混凝土的核心環(huán)節(jié)。

圖7　樹脂透光混凝土制品模型

2.1導(dǎo)光體設(shè)計

依據(jù)上述透明樹脂材料透光性能研究的結(jié)論，本文中所研制透光混凝土制品為200 mm×200 mm×20 mm的薄板，導(dǎo)光體的導(dǎo)光分支截面直徑為15 mm。同時，為了將各導(dǎo)光體分支連為一個整體，在中間設(shè)置了厚度為6 mm的連接部。由于該種透明樹脂的導(dǎo)熱系數(shù)低于0.2 W/(m·K)，可作保溫材料使用，連接部的存在可保證該混凝土良好的熱工性能。

2.2模具制作

硅膠模具具有耐腐蝕、抗撕拉性強、仿真精度高、便于樹脂類制品脫模等特點[10-11]，是制作樹脂導(dǎo)光體的首選。本文采用自主研發(fā)的裝置及方法，可在硅膠模具的任意位置設(shè)置分模線，即便是較復(fù)雜形式的導(dǎo)光體，脫模也極為方便。同時，硅膠模具韌性好，在脫模的過程中對模具損耗小，可重復(fù)使用，降低了樹脂導(dǎo)光體的生產(chǎn)成本。圖8為自主設(shè)計的裝置及制作完成的硅膠模具。

圖8　模具制作裝置及硅膠模具

2.3導(dǎo)光體成型

本例所選用樹脂需與固化劑和促進劑混合使用，而試劑配比會決定樹脂制品的透光效果、固化時間以及制品強度，因此需通過試配確定最佳配比。在硅膠模具制作完成后，只需將配制好的液態(tài)樹脂沿其中的一孔緩緩倒入，由于硅膠模具內(nèi)部為連通器構(gòu)造(上端開口，底部聯(lián)通)，在灌注樹脂時模具各孔樹脂液面會同步上升。待導(dǎo)光體完全固化后，將導(dǎo)光體置于混凝土模具中澆筑水泥砂漿，養(yǎng)護后將兩導(dǎo)光側(cè)面打磨光滑并拋光，樹脂透明混凝土便制作完成，該種透光混凝土制品整體透光率為25%左右，實體圖如圖9、10所示。

圖9　樹脂透光混凝土制品

圖10　光源下的樹脂透光混凝土制品

Fig 10 Resin translucent concrete product under the light

3　樹脂透光混凝土制品的節(jié)能效果研究

為了評估上述制品的節(jié)能效果，本文以大連理工大學(xué)某實驗室為研究對象，利用AutodeskEcotect Analysis軟件模擬該實驗室在采用該透光混凝土制品前后的采光情況，同時對兩者進行了光控照明節(jié)能分析。

3.1模型建立

該實驗室開間6.9 m、進深7.5 m、高3.6 m，位于整棟建筑的四樓東側(cè)，面朝東開有兩個2.1 m×2.1 m的鋁合金窗，窗臺高度0.9 m，窗距外墻面0.3 m，東側(cè)無遮擋建筑。

為了便于建模，本文做了如下3點簡化：

(1)因?qū)嶒炇覂?nèi)部布置較為簡潔，實驗儀器較少，因此不考慮室內(nèi)存放物的影響。

(2)在屋頂處設(shè)置一外伸0.3 m的坡屋頂，以模擬窗距外墻面0.3 m的效果。

(3)以窗的概念模擬混凝土制品的導(dǎo)光分支，相當(dāng)于每塊透光混凝土上裝有64扇透光率為87%的小窗戶，同時將圓形的導(dǎo)光分支按等面積轉(zhuǎn)化為方形，以便于建模。

圖11(a)和(b)分別為未使用和使用透光混凝土制品的模型。圖11(b)中使用了209塊樹脂透光混凝土制品，因此在該模型東側(cè)墻中插入2個鋁合金窗和13 376個樹脂窗。計算前在計算平面上劃分網(wǎng)格，本例中計算平面取室內(nèi)高0.8 m處，為避免墻面反射影響，網(wǎng)格四周距墻邊1 m。

圖11　實驗室模型

3.2數(shù)值求解

3.2.1模型有效性評估

為了研究利用該軟件求解結(jié)果的準確性，首先對比了該實驗室不同區(qū)域全陰天條件下[12]4個時間點的實測平均采光系數(shù)與軟件模擬計算系數(shù)，取樣點分布如圖12所示，位于房間東南角，共計32個點，4個時間點為10:00、11:00、14:00和15:00。圖13所示為計算結(jié)果曲線。由圖13可知，實測結(jié)果與模擬結(jié)果在部分取樣點上數(shù)值雖稍有差異，但總體變化規(guī)律一致，即這種誤差不會對分析結(jié)果產(chǎn)生質(zhì)的影響，因此可以用該軟件進行后續(xù)分析。

圖12　采光系數(shù)測點分布示意圖

Fig 12 Measuring points distribution diagram of daylight factor

圖13　實測采光系數(shù)與模擬采光系數(shù)對比圖

Fig 13 Comparison diagram of measuring daylight factor and simulated daylight factor

3.2.2改善采光效果分析

利用如圖11所示的模型分別模擬某實驗室在使用樹脂透光混凝土?xí)r與未使用時的采光情況，通過對比兩者的采光系數(shù)及采光均勻度來評估樹脂透光混凝土的節(jié)能效果，模擬結(jié)果如圖14所示。

圖14　某實驗室采光系數(shù)分布圖(%)

由圖14可知，未使用透光混凝土?xí)r，該實驗室內(nèi)采光系數(shù)>2%的節(jié)點占總節(jié)點數(shù)的7%，即在全陰天情況下有7%的區(qū)域可以不使用人工照明而能達到使用要求，最小采光系數(shù)為0.64%，平均值為1.31%，采光均勻度為0.49；而使用樹脂透光混凝土后，室內(nèi)采光系數(shù)>2%的節(jié)點占總節(jié)點數(shù)的21%，最小采光系數(shù)為1.26%，平均值提升至1.70%，采光均勻度為0.74。

綜上所述，樹脂透光混凝土制品的使用不僅可以大幅提升室內(nèi)采光系數(shù)，而且對采光均勻度也有明顯改善。因此，該型樹脂透光混凝土制品可以顯著改善室內(nèi)采光水平。

3.2.3光控照明節(jié)能分析

根據(jù)我國最新頒布的建筑采光設(shè)計標準規(guī)定，教育類建筑的側(cè)面采光系數(shù)不應(yīng)低于3%，照明度不低于450Lux[13]，高于該實驗室天然光采光能力，因此需要安裝人工輔助照明設(shè)施。透光混凝土制品的使用雖然不能使該實驗室在正常采光時間段內(nèi)完全脫離人工照明，但可以有效縮短照明裝置的開啟時間，從而實現(xiàn)其節(jié)能作用。

光控照明節(jié)能分析是通過比較照明裝置關(guān)閉時間占自然采光時間的比率大小來評估節(jié)能效果[14]，可方便地利用Autodesk Ecotect Analysis的高級采光分析功能實現(xiàn)。本節(jié)即通過對比使用樹脂透光混凝土前后該實驗室的光控照明節(jié)能分析結(jié)果來評估樹脂透光混凝土的節(jié)能效果。

如圖15(a)所示，在未使用透光混凝土?xí)r，如果采用開關(guān)式光控照明設(shè)備，在計算照度450Lux的情況下，將會有23%左右的自然采光時間可以關(guān)閉人工照明設(shè)備；使用透光混凝土后，自然采光時間內(nèi)關(guān)閉照明設(shè)備的時間可以提升至39%，節(jié)能效果明顯。

圖15　光控照明節(jié)能分析圖

Fig 15 Optical control of lighting energy-saving analysis diagram

4　結(jié)　論

本文首先研究了不飽和聚酯樹脂材料固化后的透光特性，同時根據(jù)其特性設(shè)計了具有特定形式的導(dǎo)光體，其次應(yīng)用自主設(shè)計的裝置和方法制備出了樹脂透光混凝土制品，最后應(yīng)用AutodeskEcotect Analysis軟件分析了該型混凝土制品的節(jié)能效果。在此過程中，得到如下結(jié)論：

(1)不飽和聚酯樹脂材料在100 mm厚度以內(nèi)具有優(yōu)異的透光性能，透光率可高達93%，當(dāng)厚度超過100 mm時，透光率低于60%，因此，不飽和聚酯樹脂可用于生產(chǎn)透光混凝土的導(dǎo)光體，但制品厚度不宜超過100 mm。

(2)硅膠模具具有耐腐蝕，抗撕拉性強，仿真精細高，便于樹脂類制品脫模等特點，因此在選用樹脂材料生產(chǎn)導(dǎo)光體時，優(yōu)選硅膠模具。

(3)樹脂透光混凝土制品的節(jié)能效果可借助AutodeskEcotect Analysis軟件模擬實現(xiàn)，借用窗的定義將每個導(dǎo)光單元嵌入進模型中，可實現(xiàn)對使用樹脂透光混凝土制品的房間建模。

(4)樹脂透光混凝土制品的使用可顯著改善房間的采光情況。以本文為例，使用透光混凝土制品代替普通外墻后，房間內(nèi)平均采光系數(shù)可提升30%，采光均勻度提升51%，進而可縮短人工照明裝置的啟用時間。

[1]Zhou Z,Ou G,Hang Y,et al.Research and development of plastic optical fibre based smart transparent concrete[A].Norbert G.smart sensor phenomena,technology,networks,and systems 2009[C]//San Diego:Proc of SPIE,2009,72930F-1-72930F-6.

[2]He J,Zhou Z,Ou J,et al.Study on smart transparent concrete product and its performances [A].The 6th int.workshop on advanced smart materials and smart structures technology[C]//Harbin:Harbin Institute of Technology,2011.

[3]Losonczi A.Building block comprising light transmitting fibres and a method for producing the same [P].US Patent:8091315,2012-01-10.

[4]Cangiano S,Carminati A.Composite panel based on cementitious mortar with properties of transparency [P].US Patent:13702178,2013-04-17.

[5]Mainini A G.Spectral light transmission measure and radiance model validation of an innovative transparent concrete panel for fa?ades [J].Energy Procedia,2012,30:1184-1194.

[6]Chen S.Preparation of a light-transmitting concrete and translucent concrete [P].CN:103085154,2013-05-08.

陳蘇里.1種透光混凝土的制備方法及透光混凝土[P].中國專利:103085154,2013-05-08.

[7]Ye X.Preparation method and mechanical property of resin light conduction concrete[D].Nanchang:Nanchang University,2014.

葉栩娜.樹脂導(dǎo)光混凝土的制備方法與力學(xué)性能研究[D].南昌:南昌大學(xué),2014.

[8]Zhang Z.Study on the mechanical properties and thermal stability of PMMA[D].Changchun:Changchun University of Technology,2012.

張子健.PMMA 樹脂的力學(xué)性能及熱穩(wěn)定性研究[D].長春:長春工業(yè)大學(xué),2012.

[9]Wu Y H.Study on smart transparent concrete product and its performance[D].Dalian:Dalian University of Technology,2010.

吳源華.智能透明混凝土制品及其性能研究[D].大連：大連理工大學(xué),2010.

[10]Zuo X.Silicone mold and its applications in rapid tooling[J].Foundry Technology,2010,(6):784-787.

左曉明.硅膠模及其在快速制模中的應(yīng)用[J].鑄造技術(shù),2010,(6):784-787.

[11]Ma Cui,Ao Xiang,Pang Jianfei,et al.Optimization model of the building outside surface of photovoltaic cells laying based on the priority[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science),2014,(9):112-116.

[12]GB/T 5699-2008.Method of daylighting measurement [S].

GB/T 5699-2008.采光測量方法[S].

[13]GB/T 50033-2013.Standard for daylighting design of buildings [S].

GB/T 50033-2013.建筑采光設(shè)計標準[S].

[14]Autodesk,lnc.The application of Autodesk Ecotect Analysis on green building[M].Beijing:Publishing House of Electronics Industry,2011:200-228.

Autodesk,lnc.Autodesk Ecotect Analysis綠色建筑分析應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社,2011:200-228.

Preparation and energy-saving effect evaluation of resin translucent concrete product

ZHOU Zhi1,2,GAO Xipeng1,SHEN Juan1,LI Zhonghua1,YANG Huanyu1

(1.School of Civil Engineering,Dalian University of Technology,Dalian 116024,China; 2.State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering,Dalian University of Technology, Dalian 116024,China)

Development of new building materials is an important engine to promote the development of green energy efficient building.Based on the light transmission properties of the resin material,we designed a new type of resin translucent concrete products.In order to evaluate the energy saving effect of this type of resin translucent concrete products,we analyzed the lighting conditions and turn-off time of illumination devices of a laboratory that used the resin translucent concrete products with the help of Autodesk Ecotect Analysis software.The results show that after using the light-transmitting concrete products,the average daylight factor of the room can be increased by 30%; lighting uniformity upgrade 51%; the close time of artificial lighting devices within the natural light service period increased from 23% to 39%.

resin translucent concrete products; transmittance properties; Autodesk Ecotect Analysis; energy saving effect

1001-9731(2016)09-09017-06

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)資助項目(2011CB013705)

2015-08-05

2016-03-11 通訊作者：周智，E-mail:zhouzhi@dlut.edu.cn

周智(1973-)，男，湖南道縣人，教授，從事結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、FRP工程加固及綠色建筑等研究。

TU528

ADOI:10.3969/j.issn.1001-9731.2016.09.004