王信刚，王 凯，陈方斌，叶栩娜

(1.南昌大学建筑工程学院，江西南昌330031;2.华东交通大学土木建筑学院，江西南昌330013)

光纤导光混凝土(optical fiber light conductive concrete，OFLCC)是在水泥基体中植入光纤的先进建筑材料，具有透光显影效果和采光节能作用［1-3］.Losonczi Àron 等［4-5］、王信刚等［6］、Li Yue 等［7］在光纤导光混凝土的设计、制备、性能与微观结构方面进行了研究.但是，王燕谋等［8］认为高碱性的硅酸盐水泥对玻璃纤维具有强烈侵蚀作用，曹永康等［9］认为应采用低碱性的快硬硫铝酸盐水泥作基体来制备光纤导光混凝土.上述文献研究中，主要是集中于采用硅酸盐系列水泥作基体制备光纤导光混凝土进行的性能研究，也有部分采用快硬硫铝酸盐水泥作基体的，但缺乏两者抗侵蚀性能和微观结构等的对比研究.

本研究分别用普通硅酸盐(P·O)水泥和快硬硫铝酸盐(R·SAC)水泥作基体制备光纤导光混凝土，进行抗硫酸盐侵蚀和抗碱溶液侵蚀试验，采用X射线衍射仪和环境扫描电镜，研究不同品种水泥制备光纤导光混凝土的抗侵蚀性能及其微观结构.

1 试验

1.1 原材料

水泥:洋房P·O 42.5 MPa水泥(武汉亚东水泥有限公司)，世利R·SAC 42.5 MPa水泥(河南登电集团水泥有限公司);骨料:赣江河砂，采用震击式标准振筛机过筛，粒径为0.15 ～1.18 mm;高性能减水剂:聚羧酸高性能减水剂(南昌科创建材有限公司)，固含量为20%，减水率≥25%;光纤:塑料照明光纤(LD-500型，南京展瑞光电技术有限公司)，直径0.5 mm.

1.2 试样制备

首先借助光纤均布装置将光纤分别以3 mm×3 mm的间距进行预埋和固定;然后将拌好的自密实水泥砂浆分别浇入预埋光纤的光纤均布装置中［6，10］;浇注成型，1 d后拆模，浸水养护至龄期28 d;将试块按顺光纤方向切割成40 mm×40 mm×160 mm的试样.自密实水泥砂浆各成分质量见表1，其中，胶砂质量比为1 ∶1，水胶质量比为0.35 ∶1.

表1 自密实砂浆各成分质量 g

1.3 试验方法

1)抗侵蚀性能试验.将切割后的试样分别浸入自然水、质量分数为5%的Na2SO4盐溶液、质量分数为5%的NaOH碱溶液中继续养护130 d.测试在不同溶液中养护后试样的强度变化，观察其外观变化，以评价其抗侵蚀性能.采用电动抗折机(DKZ-5000型，浙江辰鑫机械设备有限公司)测试抗折强度.采用全自动压力试验机(YAW-4206型，上海新三思计量仪器制造有限公司)测试抗压强度.

2)微观结构试验.采用X射线衍射仪(RigakuD/Max-B型，日本)分析成分，采用环境扫描电子显微镜(Quanta200F型，美国FEI公司)观察微观形貌.

2 结果与分析

2.1 抗侵蚀性能

2.1.1 强度变化

图1a和b分别为以P·O和R·SAC水泥为基体的光纤导光混凝土，在自然水、质量分数5%Na2SO4盐溶液和质量分数5%NaOH碱溶液中养护130 d后的抗折强度、抗压强度.由图1可知:当养护龄期为130 d时，以P·O和R·SAC水泥为基体的光纤导光混凝土，在盐溶液中养护的抗折强度分别为在自然水中养护的131.8%和120.6%，在碱溶液中养护的抗折强度分别为在自然水中养护的98.8%和69.5%;在盐溶液中养护的抗压强度分别为在自然水中养护的101.5%和102.4%，在碱溶液中养护的抗压强度分别为在自然水中的92.9%和71.0%.

图1 光纤导光混凝土在不同溶液中养护130 d后强度变化

分析可知:与自然水养护相比，两种水泥制备的光纤导光混凝土在盐溶液养护的抗折、抗压强度增大，特别是其抗折强度增长显著，这与掺入光纤后起到的增韧作用有关;碱溶液养护的抗折、抗压强度减小，且碱溶液对以R·SAC水泥为基体的光纤导光混凝土的抗折、抗压强度具有更为明显的破坏作用.

2.1.2 外观变化

图2为不同光纤导光混凝土在不同溶液中养护130 d后外观变化.图3为不同光纤导光混凝土试样在盐、碱溶液中养护130 d后断面变化.

图2 不同混凝土在不同溶液中养护130 d后外观变化

图3 不同混凝土试样在盐、碱溶液中养护130 d后断面

由图2可知:经过自然水、盐溶液和碱溶液养护130 d后，以P·O水泥为基体的光纤导光混凝土，其外观颜色均呈灰色，且碱溶液养护的有些泛白;以R·SAC水泥为基体的光纤导光混凝土，其外观颜色均呈黄色，以碱溶液中养护的泛黄现象最为明显，其次为盐溶液养护试件.

由图3可知:在盐溶液和碱溶液中养护130 d后，以P·O水泥为基体的试件，断面周围几乎看不出腐蚀痕迹;以R·SAC水泥为基体的试件，断面周围出现了明显的腐蚀痕迹，且碱溶液的腐蚀程度远大于盐溶液的.外观观察与强度强化测试的结果是一致的.

2.2 微观结构

2.2.1 XRD

图4为不同光纤导光混凝土试样在盐溶液和碱溶液中养护130 d后XRD分析.其中，E为钙矾石，G为石膏，P为羟钙石，C为硫铝酸钙，A为β-三水铝石.由图4可知:两种水泥为基体的光纤导光混凝土，在盐溶液和碱溶液中养护130 d后，反应产物钙矾石、石膏、羟钙石均存在明显的特征峰，且在RSAC水泥为基体的光纤导光混凝土中还存在β-三水铝石、硫铝酸钙的明显特征峰.这主要是由于P·O和R·SAC水泥的主要成分不同，导致其水化产物不同;在Na2SO4盐溶液中，由于SO42-浓度较高，光纤导光混凝土受到硫酸盐侵蚀，反应生成了部分钙矾石和石膏［11］;在NaOH碱溶液中，由于OH-浓度较高，光纤导光混凝土受到碱腐蚀，与P·O水泥中铝酸三钙反应，生成了部分羟钙石和易溶的铝酸钠［12］.

图4 不同光纤导光混凝土试样在盐溶液和碱溶液中养护130 d后XRD分析

2.2.2 ESEM

图5为两种水泥为基体的光纤导光混凝土试样在碱溶液中养护130 d后的光纤与基体间界面的ESEM图.图6为两种水泥为基体的光纤导光混凝土试样在盐溶液、碱溶液中养护130 d后水化产物的ESEM图.

由图5可知:两种水泥为基体的光纤导光混凝土试样，在碱溶液中养护130 d后，其光纤与基体间界面处结合不够紧密，均出现比较明显的缝隙或微缺陷，可能导致光纤导光混凝土的力学性能下降.这与前述的光纤导光混凝土的抗侵蚀性能测试结果是一致的.

图6为试样养护130 d后水化产物ESEM图.图6a中存在丰富的团絮状C-S-H凝胶、柱状石膏;图6b中存在大量的等大粒子状C-S-H凝胶;图6c中存在针棒状钙矾石、柱状石膏;图6d中存在六方薄板状羟钙石、球状铝胶［12］(即 β-三水铝石)，上述水化产物相互交织，结合比较致密.

图5 不同光纤导光混凝土试样在碱溶液中养护130 d后光纤与基体间界面的ESEM图

图6 不同光纤导光混凝土试样在盐溶液和碱溶液中养护130 d后水化产物的ESEM图

3 结论

1)以P·O水泥和R·SAC水泥为基体的光纤导光混凝土，与自然水养护相比，盐溶液养护的抗折、抗压强度增大，而碱溶液养护的抗折、抗压强度减小，且碱溶液养护对R·SAC为基体的光纤导光混凝土的抗折、抗压强度有更明显的破坏作用.

2)经过自然水、盐溶液和碱溶液养护130 d后，以P·O水泥为基体的光纤导光混凝土，其外观颜色均呈灰色，而以R·SAC水泥为基体的光纤导光混凝土，其外观颜色均呈黄色，以碱溶液养护的泛黄现象最为明显;以P·O水泥为基体的试件，断面周围几乎看不出腐蚀痕迹，而以R·SAC水泥为基体的试件，断面周围出现了明显腐蚀痕迹，且碱溶液对光纤导光混凝土的腐蚀程度远大于盐溶液.

3)碱溶液养护130 d后，光纤导光混凝土中光纤与基体间界面处结合不够紧密，均出现比较明显的缝隙或微缺陷，可能导致光纤导光混凝土的力学性能下降.

4)以P·O水泥和R·SAC水泥为基体的光纤导光混凝土，在盐溶液和碱溶液中养护130 d后，反应产物钙矾石、石膏、羟钙石均存在明显的特征峰，且在R·SAC水泥为基体的光纤导光混凝土中还存在β-三水铝石、硫铝酸钙的明显特征峰;光纤导光混凝土水化产物中，存在团絮状C-S-H凝胶、针棒状钙矾石、柱状石膏、六方薄板状羟钙石和球状铝胶(即 β-三水铝石)，它们相互交织，结合比较致密.

References)

［1］Nampoothiri A V V，Jones A M，Fourcade D C，et al.Hollow-core optical fiber gas lasers(HOFGLAS):a review［Invited］［J］.Optical Materials Express，2012，2(7):948-961.

［2］Jennifer F.Incredible new feats of concrete［J/OL］.Business Week Online，2007-11-13:17.

［3］周建军，杨卫国.光纤非线性Schrödinger方程新的解析解［J］.江苏大学学报:自然科学版，2013，34(4):486-491.Zhou Jianjun，Yang Weiguo.New analytic solutions of nonlinear Schrödinger equation for optic fiber［J］.Journal of Jiangsu University:Natural Science Edition，2013，34(4):486-491.(in Chinese)

［4］Àron Losonczi.Building block comprising light transmitting fibres and a method for producing the same:WO，097954 A1［P］.2003-05-16.

［5］ Àron Losonczi，Architec M Sc.LiTraConTMlight-transmitting concrete［EB/OL］.(2010-02-18)［2013-05-08］.http:∥www.litracon.hu/.

［6］王信刚，陈方斌，章未琴，等.发光透光水泥基材料的力学性能与光学特性［J］.中国矿业大学学报，2013，42(2):195-199.Wang Xingang，Chen Fangbin，Zhang Weiqin，et al.Mechanical and optical properties of luminescent and transparent cementitious materials［J］.Journal of China University of Mining＆Technology，2013，42(2):195-199.(in Chinese)

［7］Li Yue，Xu Zhiyuan，Gu Zhongwei.Preparation of light transmitting cement-based material with optical fiber embedded by the means of parallel arrange［J］.Advanced Materials Research，2012，391/392:677-682.

［8］王燕谋，苏慕珍，张 量.硫铝酸盐水泥［M］.北京:北京工业大学出版社，1999.

［9］曹永康，蔡国章.导光混凝土称呼、译名及制作工艺［J］.混凝土世界，2010(3):16-18.Cao Yongkang，Cai Guozhang.Appellation，translation and production process of light transmitting concrete［J］.China Concrete，2010(3):16-18.(in Chinese)

［10］陈方斌.发光透光水泥基材料的制备与性能研究［D］.南昌:南昌大学建筑工程学院，2012.

［11］Al-Amoudi O S B.Attack on plain and blended cements exposed to aggressive sulfate environments［J］.Cement and Concrete Composites，2002，24(3/4):305-316.

［12］吴宗道.硫铝酸盐水泥的水化产物—铝胶［J］.中国建材科技，1995，4(1):7-10.Wu Zongdao.Hydration products of sulphur aluminate cement-aluminum adhesive［J］.China Building Materials Science and Technology，1995，4(1):7-10.(in Chinese)