樹脂透光混凝土制品的制備及其節能效果研究*

周　智，高錫鵬，申　娟，李忠華，陽環宇

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

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樹脂透光混凝土制品的制備及其節能效果研究*

周智1,2，高錫鵬1，申娟1，李忠華1，陽環宇1

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

新型建筑材料的發展是推動綠色節能建筑發展的重要引擎，本文根據樹脂材料的透光特性，設計了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閉時間進行了分析，以評估該型樹脂透光混凝土制品的節能效果。結果表明，使用該透光混凝土制品后，房間內平均采光系數可提升30%，采光均勻度提升51%，自然采光時間內人工照明裝置的關閉時間由23%增加至39%，節能效果明顯。

樹脂透光混凝土制品；透光性能；Autodesk Ecotect Analysis；節能效果

0　引　言

隨著我國城市化進程的推進，城市建設用地資源日益緊缺，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]。為了節約照明能耗，透光混凝土應運而生。

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，通過在傳統的鋼筋混凝土中加入導光的光纖束,實現了混凝土的透明特性，既節約電能又有裝飾效果[3]。然而，將光纖作為導光體的成本昂貴，且光纖的布設工藝復雜，阻礙了透明混凝土的規?；a及推廣制造應用。鑒于此，意大利水泥集團在2010年研發出了1種用透明樹脂做導光體的新型透光混凝土[4]，即將預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品化，并應用在了上海世博會上的意大利館中，受到國內外學者的廣泛關注[5]。相對而言，國內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，南昌大學的王信剛提出了1種先利用模具預制導光體，后將其埋置于混凝土中的方法[7]。上述方法均能實現樹脂透明混凝土的生產，但導光體的成型工藝較為粗糙，生產效率較低，且質量得不到保障，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構的應用，進而減少人工照明時間，有效節省電能。

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，進而根據其特性設計出具有合理結構形式的透明混凝土制品，同時應用AutodeskEcotect Analysis軟件對大連理工大學某實驗室的采光情況進行模擬，對比其外墻在應用樹脂透光混凝土制品前后的采光效果，分析了應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?，F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℃，導光體的成型對加工環境條件要求較高[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導光體，將導光單元設計為柱狀分支，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零設置。

(2)放置試件及探頭。將兩個探頭一前一后置于試件兩側，探頭感光面均朝向光源一側且感光面要與試件的前后兩平面(兩透光側面)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。

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，所測透光率趨于穩定，如圖2所示。因此，本文在后續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，其分布規律如圖3-5所示。由圖3和4可知，在400～1 000 nm波長范圍內，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，這與光量子假說結論是一致的。但在1 000～1 200 nm范圍內，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律一致性較好。此外，圖5更清晰地顯示：在可見光范圍內，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律

樹脂不同于光纖，光線在樹脂內不能實現全反射，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律，進而為導光分支長度的設計提供足夠參考，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)，并對所測數據進行線性擬合，得到圖6所示的結果。

圖6　試件透光率隨長度的衰減規律

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，當試件長度超過100 mm時，透光率將低于60%，因此，在應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律，但在制作試件過程中發現，截面尺寸越小，試件質量越不穩定，透光率波動較大，因此導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的特性，所設計的導光體分支長度為20 mm，導光分支直徑為15 mm。由圖6可知，該種尺寸的導光體透光率約為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制的樹脂類導光體埋置在水泥基體中而得到的，如圖7所示，其工藝流程包括導光體設計及母模制作、模具制作、導光體成形和埋入水泥基體4步，其中，樹脂導光體的預制是樹脂透明混凝土的核心環節。

圖7　樹脂透光混凝土制品模型

2.1導光體設計

依據上述透明樹脂材料透光性能研究的結論，本文中所研制透光混凝土制品為200 mm×200 mm×20 mm的薄板，導光體的導光分支截面直徑為15 mm。同時，為了將各導光體分支連為一個整體，在中間設置了厚度為6 mm的連接部。由于該種透明樹脂的導熱系數低于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]，是制作樹脂導光體的首選。本文采用自主研發的裝置及方法，可在硅膠模具的任意位置設置分模線，即便是較復雜形式的導光體，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，可重復使用，降低了樹脂導光體的生產成本。圖8為自主設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樹脂沿其中的一孔緩緩倒入，由于硅膠模具內部為連通器構造(上端開口，底部聯通)，在灌注樹脂時模具各孔樹脂液面會同步上升。待導光體完全固化后，將導光體置于混凝土模具中澆筑水泥砂漿，養護后將兩導光側面打磨光滑并拋光，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能效果研究

為了評估上述制品的節能效果，本文以大連理工大學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，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，東側無遮擋建筑。

為了便于建模，本文做了如下3點簡化：

(1)因實驗室內部布置較為簡潔，實驗儀器較少，因此不考慮室內存放物的影響。

(2)在屋頂處設置一外伸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光分支，相當于每塊透光混凝土上裝有64扇透光率為87%的小窗戶，同時將圓形的導光分支按等面積轉化為方形，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格，本例中計算平面取室內高0.8 m處，為避免墻面反射影響，網格四周距墻邊1 m。

圖11　實驗室模型

3.2數值求解

3.2.1模型有效性評估

為了研究利用該軟件求解結果的準確性，首先對比了該實驗室不同區域全陰天條件下[12]4個時間點的實測平均采光系數與軟件模擬計算系數，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所示為計算結果曲線。由圖13可知，實測結果與模擬結果在部分取樣點上數值雖稍有差異，但總體變化規律一致，即這種誤差不會對分析結果產生質的影響，因此可以用該軟件進行后續分析。

圖12　采光系數測點分布示意圖

Fig 12 Measuring points distribution diagram of daylight factor

圖13　實測采光系數與模擬采光系數對比圖

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時與未使用時的采光情況，通過對比兩者的采光系數及采光均勻度來評估樹脂透光混凝土的節能效果，模擬結果如圖14所示。

圖14　某實驗室采光系數分布圖(%)

由圖14可知，未使用透光混凝土時，該實驗室內采光系數>2%的節點占總節點數的7%，即在全陰天情況下有7%的區域可以不使用人工照明而能達到使用要求，最小采光系數為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，室內采光系數>2%的節點占總節點數的21%，最小采光系數為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采光系數，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采光水平。

3.2.3光控照明節能分析

根據我國最新頒布的建筑采光設計標準規定，教育類建筑的側面采光系數不應低于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，從而實現其節能作用。

光控照明節能分析是通過比較照明裝置關閉時間占自然采光時間的比率大小來評估節能效果[14]，可方便地利用Autodesk Ecotect Analysis的高級采光分析功能實現。本節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能分析結果來評估樹脂透光混凝土的節能效果。

如圖15(a)所示，在未使用透光混凝土時，如果采用開關式光控照明設備，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閉人工照明設備；使用透光混凝土后，自然采光時間內關閉照明設備的時間可以提升至39%，節能效果明顯。

圖15　光控照明節能分析圖

Fig 15 Optical control of lighting energy-saving analysis diagram

4　結　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，同時根據其特性設計了具有特定形式的導光體，其次應用自主設計的裝置和方法制備出了樹脂透光混凝土制品，最后應用AutodeskEcotect Analysis軟件分析了該型混凝土制品的節能效果。在此過程中，得到如下結論：

(1)不飽和聚酯樹脂材料在100 mm厚度以內具有優異的透光性能，透光率可高達93%，當厚度超過100 mm時，透光率低于60%，因此，不飽和聚酯樹脂可用于生產透光混凝土的導光體，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導光體時，優選硅膠模具。

(3)樹脂透光混凝土制品的節能效果可借助AutodeskEcotect Analysis軟件模擬實現，借用窗的定義將每個導光單元嵌入進模型中，可實現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，房間內平均采光系數可提升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。

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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

國家重點基礎研究發展計劃(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，從事結構健康監測、FRP工程加固及綠色建筑等研究。

TU528

ADOI:10.3969/j.issn.1001-9731.2016.09.004