半透明的混凝土结构性能外观面板

文摘

节能是一个新兴的全球基础设施可持续发展问题。建筑部门能源需求约占世界上34%的能源需求,和人工照明消耗约19%的全球总电力交付。开发一种新型的建筑材料,可以减少对人工照明的能源的需求是至关重要的。本研究试图解决这些问题通过半透明的发展混凝土立面使用本地可用的材料可以作为节能建筑材料。体积密度、抗压强度和抗弯强度的半透明的混凝土含2%,4%和6%体积比率的塑料光纤(POF)进行了研究。此外,半透明的混凝土的弯曲韧性门面板集成6%体积比的POF也被调查。实验结果表明,使用体积比6%的塑料光纤没有任何负面影响半透明的混凝土的容重。半透明的混凝土样本表现出相对较低的抗压和抗弯强度相对于参考混凝土。然而,这显然是观察到半透明的混凝土的抗压强度随着POF的体积比的增加而增加。半透明的观察混凝土的抗弯强度下降与POF的体积比的增加。 Results demonstrated that translucent concrete panels have better flexural toughness, ductility, and energy absorption capacity than the reference concrete panel. The energy-saving, environmental conservation, and aesthetic and structural performance improvements stemming from the application of translucent concrete façade panel as architectural wall would foster the development of green and resilient buildings as well as contribute to sustainable construction.

1。介绍

可持续建筑正在成为一个主要问题在全球建筑行业和新兴问题。发展可持续建筑减少原材料和能源的消耗和保护环境中起着重要作用。它也促进的实践和设计结构以环保的方式(1]。混凝土是最重要和广泛使用的建筑材料在建筑业。混凝土的密度和不透明的自然成分阻碍了光的透射,因此结果不透明的材料。然而,具体可以从透明变成半透明的光纤与混凝土结合矩阵。半透明的混凝土(TC)是一种新型节能建筑材料,允许光的透射进室内环境通过嵌入式光纤。除了透光率,半透明的混凝土可以显示任何近端对象的轮廓位于光明的一面墙上;因此,它还可以用于应用程序架构的监狱,银行,和博物馆,以确保安全、监督、安全(2]。

住宅和商业建筑电气照明的能源消耗行业之一。建筑部门能源需求约占世界上34%的能源需求(3]。人工照明消耗约19%的全球总电力交付(4]。电气照明的需求不断增加,人口的增加,城市化和高层建筑的建设。当高层建筑建造接近对方,自然阳光是阻碍通过由于阻塞从附近的结构。白天,在建筑室内环境的亮度是完全由人造光,消耗了大量的电能。使用自然光在室内环境减少了需要人工照明和能源成本,促进更好的居住者的舒适环境。室内环境和充足的自然光线照明已经证明降低乘员的压力,改善视觉舒适,呈现更好的留住员工(5]。开发一种新型的建筑材料,可以减少对人工照明的能源的需求是至关重要的。本研究试图解决这些问题通过半透明的发展具体使用本地可用的材料,可以作为节能建筑材料在各种建筑墙的建筑物,在不影响材料的基本工程性质。半透明的混凝土是审美愉快的混凝土提供日光建筑方案和整体促进绿色建筑和可持续建筑的发展。

水泥基半透明的混凝土是传统混凝土的组合部件,如水泥、细骨料、水和2% -6%的光纤样品总量的百分比。承载和nonload轴承半透明的混凝土板或外墙应满足强度、适用性和耐久性要求承受预期与容许挠度极限载荷(6]。此外,透光率的性能足以满足旋光性的最低照度水平的人在室内环境和符合标准,如澳大利亚/新西兰标准(7]。

匈牙利建筑师Aron Losonczi介绍了在2001年第一次光传输混凝土的概念,和半透明的第一个原型混凝土面板在2003年成功开发(8]。TC是一种新型环保建筑材料,存在一些以前的实验研究。Altlomate et al。9]研究TC的强度和透光率包含POF的直径0.3毫米,0.5毫米,0.75毫米和1.5毫米。结果表明,掺入POF变量影响抗压强度。直接超声脉冲传播速度(UPV)测试结果表明,TC的质量非常好,尽管POF的包容性。李等人。10]研究了水泥基的抗压和抗弯强度TC包含聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)纤维。抗压和抗弯强度的TC时纤维的体积的增加而减少。此外,所有TC标本的强度低于参考混凝土,因此,将甲基丙烯酸纤维导致减少抗压和抗弯强度尽管纤维的体积分数。李等人。11]报道,抗压强度sulfoaluminate水泥基TC线性下降随着光纤的体积增加在不同养护条件。萨利赫et al。12]研究TC准备使用自密实砂浆(SCM)和POF作为强化。POF的包含通常的抗压和抗弯强度降低TC。然而,直径和体积的变化POF TC的波动影响强度性质。发现2毫米直径PMMA纤维产生TC与更高的抗弯和抗压强度比1毫米和2毫米直径的纤维。另一个研究由Tutikian和Marquetto [6)的调查是半透明的混凝土墙壁产生随机排列的光纤用于巴西的预制施工。实验结果表明,抗压和抗拉强度弯曲的TC随着光纤的体积百分比的增加而减少。

没有科学的设计、建设和应用程序透明混凝土在东非和非洲。本研究打算添加认定半透明的混凝土在建筑业的非洲和洞察半透明的发展具体外观面板使用本地可用材料获得了很多动力近年来全球可持续建筑和建筑节能问题。此外,塑料光纤的影响在半透明的混凝土板的结构性能没有得到全面的研究。这项研究还调查了弯曲韧性的影响将塑料光纤在混凝土板。

2。材料和方法

2.1。材料

半透明的混凝土的组成材料用于生产包括水泥、石灰粉、细骨料,回收玻璃骨料、水、梅花鹿viscocrete - 3088强塑剂和塑料光纤。在这项研究中,普通硅酸盐水泥I型(CEM我42.5 n)符合EN 197量的要求(13使用的碱含量0.15%。石灰粉(LP) CaCO的85.5%₃内容的质量满足标准要求(≥75%)的EN 197量113)是用作填料。石灰粉的细度185年通过筛子μ米、75μ45米,μ米,2μm是100%,90.85%,75.77%,和10.60%,分别。河沙体积密度为1610公斤/米³# 8筛,筛分(2.36毫米)作为细骨料。此外,粉碎了钠钙硅酸盐玻璃废物符合ASTM C33的粒度分布要求(14)被用来替代天然细骨料混合。化学成分检测x射线荧光光谱仪和组成材料的物理属性详细表1。细集料的粒径分布曲线和回收玻璃总体呈现在图1。梅花鹿viscocrete - 3088, polycarboxylate-based高量程减强塑剂,用作化学掺合料改善和易性和保持新鲜的自密实砂浆流变学(SCM)混合。强塑剂的密度和pH值为1.06公斤/ l (+ 20°C)和5.5±0.5,分别。一个聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)制造塑料光纤(POF)有一个核心的折射率和数值孔径的1.49%和0.5,分别用作光传导媒介在测试标本。POF详细的规格表2。

2.2。半透明的混凝土的制备

自密实砂浆(SCM)混合使用原型的半透明的混凝土和半透明的混凝土外观板(15]。SCM混合合并石灰粉和回收玻璃骨料(RGA)作为替代水泥和细骨料30%和20%,分别。SCM组合设计和评估基于日本组合设计方法和EFNARC [16),分别为(表3- - - - - -5)。

半透明的混凝土的抗压强度是决定使用标本准备50×50×50毫米³模具在7天、28天的养护根据ASTM C109 [17]。平均三个测量报告为半透明的混凝土的抗压强度标本。加载的方向是垂直于光纤的安排和模式结合恒加载速率为0.25 MPa /秒。

半透明的混凝土试样的断裂模量是确定在7天和28天根据ASTM C348[中概述的程序16]。混凝土混合注入40×40×160毫米³triple-gang模具没有应用任何压实。铸造后24小时,demolded标本并治愈的水的温度20±1°C,直到测试的年龄。棱镜标本受到第三点加载破裂以恒定速率的50±10 N /秒。典型的半透明的混凝土标本和塑料光纤在图所示2。

2.3。制造过程的半透明的混凝土板

调查半透明的混凝土板的结构性能,预制混凝土板准备POF体积比为6%。POF体积比6%被选为半透明的混凝土面板由于生产足够的透光率的能力从实验获得透光率测试(进行18]。

面板是装配式预制混凝土钢筋用塑料光纤。每个面板的尺寸是100×150×300毫米³。板的总长度是400毫米的有效跨度长度300毫米。正交阵列孔钻在低密度聚乙烯(LDPE)表根据光纤合并的体积比,光纤被安排在空间分布。然后,准备的LDPE夹板固定在模具。SCM混合注入模具没有应用任何外部振动。24±2小时后的铸造、标本demolded和治愈的水的温度20±1°C,直到测试的年龄。一般来说,三个样本准备三个不同的面板包括参考混凝土面板和半透明的混凝土面板包含2毫米,直径3毫米POF体积比为6%。半透明的混凝土板的细节展示在表6。专家组指定RCP是参考混凝土面板没有光纤,而TCP-2和TCP-3指半透明的混凝土板和2毫米3毫米光学纤维,分别。

2.4。测试设置和仪表的半透明的混凝土板

岁以下三点弯曲在每个面板测试28天根据研究[19]。两个钢柱框架的测试设置由螺栓反应层和水平钢梁作为加载框架固定两列。钢板放置在混凝土楼板中心加载框架。两个反应钢辊附着在钢板面板在哪里休息。一个液压千斤顶和负载细胞被放置在面板和加载框架。应用面板上的负载测量使用负载细胞直接放置在液压千斤顶。板的跨中挠度确定使用100毫米线性可变差动传感器(线性)放置在底部的脸。中跨应变测量与电阻应变计安装在面板的中跨。实验测试设置如图3。

2.5。负载分析的半透明的混凝土板

负载和承载能力,弯曲应力、剪应力和正应力的半透明的混凝土板进行了实验分析用三点弯曲加载的试验结果。该小组的支持条件被认为是一个简单的支持系统。基于这样的假设,由此产生的弯矩反应测定中跨和支持。弯曲应力,法向应力、剪切应力和弹性模量测定的实验测试结果。

3所示。结果与讨论

3.1。半透明的混凝土的力学性能

测试结果的力学性能(抗压和抗弯强度)的半透明的具体展示在表7。

3.1.1。体积密度

图4显示硬化透明混凝土的容重值在7天、28天的年龄。密度较低在半透明的混凝土(Ø2-TC和Ø3-TC)比参考混凝土(rc - 0%)。半透明的混凝土的密度下降与上升的POF的体积比,光纤的直径无关。这种衰退是由于光纤的低密度水泥矩阵。半透明的混凝土的密度下降了约0.22%,1.17%,2.33%,Ø2-TC和0.78%,2.17%,和3.39%相比Ø3-TC参考混凝土。密度值这一研究获得的同意的观测报告之前12]。一般来说,半透明的混凝土的密度值躺在2320 - 2400公斤/米的范围³。

3.1.2。抗压强度

相对半透明的混凝土的抗压强度测试结果(Ø2-TC和Ø3-TC)与参考各自的混凝土(rc - 0%)呈现在图5。这显然是观察到所有的半透明的混凝土标本展出的抗压强度低于参考混凝土,光纤的直径无关。平均而言,28天抗压强度降低了8% - -24%的半透明的混凝土比基准混凝土。这些结果由萨利赫同意报告的观察et al。12],他推断,半透明的混凝土28天抗压强度包含1.5毫米,直径2毫米,3毫米的清晰度高7.12% - -28.50%低于参考混凝土。同时,它也是明显观察到半透明的混凝土的抗压强度随着POF的体积比的增加而增加。相比,半透明的混凝土中加入2% POF卷(2毫米直径),半透明的混凝土的抗压强度包含4%和6%体积的比率POF的2毫米直径增加了11.21%和15.99%,分别。然而,半透明的混凝土的抗压强度标本与POF体积的4%和6%(3毫米直径)相对于标本含有2%的POF卷(3毫米直径)增加了1.56%和5.41%,分别。这些发现的影响POF符合进行的一项研究的结果Altlomate et al。9),报告包含POF可以提高混凝土的抗压强度。所有样品的抗压强度增加而增加固化的年龄。图5还描述了半透明的混凝土的抗压强度略低含POF的2毫米直径比相应的半透明的POF混凝土包含3毫米直径。效果似乎是重要的POF体积比为2%。2毫米的间距排列POF相对小于3毫米POF水泥可能导致一个较小的距离矩阵互连周围POF的表面,因此加快宏观裂纹的形成在压缩加载(9]。混凝土的抗压强度值参考和半透明的混凝土31-40 MPa范围内。

3.1.3。抗弯强度

参考混凝土的抗弯强度测试结果(rc - 0%)和半透明的混凝土(Ø3-TC和Ø2-TC)图形如图6。结果显示,所有Ø3-TC和Ø2-TC标本的挠曲强度低于标本rc - 0%的力量。此外,它显然是观察到半透明的混凝土的抗弯强度随体积比增加POF不管POF直径的差异。这可能是由于水泥之间的附着力下降矩阵和POF在弯曲。挠曲是观察到骨折标本发生在沿POF表面和界面过渡区周围的水泥浆。这种现象可以解释为当标本被狂喜,微裂隙形成的界面过渡区,导致分裂的束缚和失败。这一研究获得的结果支持研究结果报道在10,12)报道,将POF抗弯强度降低。基于三个测量的平均值,28天抗折强度降低了9% - -24%的半透明的混凝土比基准混凝土。挠曲强度的相对百分比减少Ø3-TC标本用2%,4%,和6% POF体积比率为9.80%,14.71%,和24.02%,而对于Ø2-TC标本,它是11.76%,分别为16.67%和22.55%。类似的结果也报道了萨利赫et al。12),观察断裂模量的17%减少-40%包含1.5毫米的标本,2毫米,和直径3毫米POF体积比率2%,3%,4%。

3.2。抗弯韧性的半透明的混凝土板

简( )半透明的混凝土面板以及参考混凝土面板从实验获得如图7。从试验研究,观察到的极限载荷曲由TCP-2 TCP-3 11.38 kN, 11.69 kN,分别。最终的跨中挠度TCP-2 TCP-3 1.60毫米和1.84毫米,分别而对于RCP,极限荷载和极限跨距中点挠度23.23 kN, 1.43毫米,分别。结果表明,TCP-2和TCP-3携带更少的极限载荷,51.02%和49.66%,分别比RCP。然而,最终的跨中挠度在RCP相比减少了10.64%和22.22%,在TCP-2 TCP-3,分别。

弯曲韧性参数(抗弯韧性的因素和弯曲韧性)的测定图(图7)的基础上根据JSCE-SF4正常使用极限或故障判据。JSCE-SF4州钢筋混凝土的挠度δ_结核病=/ 150的考虑严重的可服务性的条件。基于这一理念,半透明的弯曲韧性和参考混凝土面板在表的确定,并给出细节8。显然是注意从TCP的实验测试结果表现出大变形没有显著的负载降低这表明更好的延性和能量吸收与RCP。这种下降在混凝土脆性的本质或改善延性是POF的包容的结果。弯曲韧性TCP-2和TCP-3高出11.01%和21.15%,分别比RCP。这一发现与研究的结果是一致的由萨利赫et al。20.)报道,POF改善混凝土的延性。结果还表明,面板包含POF表现出更高的抗弯韧性的因素相对于RCP。RCP是突然的失败条件一旦极限载荷承载能力超过没有显示任何裂缝和失败的警告,而维持一个重要负载的半透明的混凝土面板挠度增加时,弯曲裂纹垂直于光纤对准中性轴以下之前的失败。

3.3。试验载荷分析的半透明的混凝土板

实验结果半透明的载荷分析和参考混凝土面板展示在表9。POF-reinforced混凝土的弯曲应力-应变和正常应力-应变和RCP是如图8和9,分别。

结果表明,极限弯矩由TCP被RCP不到那一刻持续,TCP-3 TCP-2为51.02%和49.66%。类似的趋势也观察反应负荷的支持,弯曲应力,正常压力,参考面板进行和剪切应力,而且在结构上执行比与POF面板钢筋。然而,压力测量实验表明,板钢筋的应变与POF高于没有POF的面板。很明显,所有的面板展出的最大横向应变大小超过0.0030毫米/毫米。压力高出13% - -20%为半透明的面板比参考面板。这表明尽管负荷能力,提高了能量耗散,这允许将POF警告失败通过大型过度偏转。光纤的延性性质归因于安全和改善能量耗散。此外,板的失效模式和一般反应都依赖于纤维材料。面板的失败发生在到达正常使用极限跨距中点挠度之前,/ 150,通常用于建筑特色。

弹性模量和剪切模量的RCP估计比安全和ACI 318高出9%。弹性模量和剪切模量范围内的GPa 29.2 - -32.2和14.3 - -15.8的绩点,分别。弹性模量和剪切模量是混凝土结构的基本参数设计。弹性模量越高表明,混凝土面板可以承受更高的压力,但它会变得脆弱和早出现裂缝,而弹性模量越低,表明混凝土面板很容易变形和弯曲。在地面上的弹性模量,参考混凝土面板比半透明的混凝土面板更脆弱。

4所示。结论

结论可以从测试结果在半透明的混凝土的力学性能和结构性能如下:(1)这显然是观察到所有的半透明的混凝土标本展出混凝土抗压强度低于参考。平均而言,28天抗压强度降低了8% - -24%的半透明的混凝土比基准混凝土。半透明的混凝土的抗压强度增加而增加的体积比塑料光纤(POF)。(2)POF纳入混凝土挠曲强度被发现显著减少。总的趋势观察表明减少挠曲强度提高POF体积比。28天抗折强度为9%低-24%的半透明的混凝土比基准混凝土。(3)它显然是观察到的实验测试结果表现出大变形的半透明的混凝土面板没有显著的负载降低这表明更好的延性和能量吸收相比,混凝土面板的引用。(4)半透明的混凝土的弯曲韧性高出11% - -22%比在参考混凝土面板面板。因此,包含POF提高混凝土的韧性行为。(5)极限荷载、弯矩、剪切应力、法向应力、弯曲应力半透明的混凝土板的承载能力低于参考面板的49% - -51%。(6)一般来说,在正常使用极限状态和延性的观点来看,半透明的混凝土面板执行比参考混凝土面板。(7)半透明的混凝土面板在这项研究中往往为应用程序开发绿色建筑建筑的墙壁,地铁站,在结构表面的银行、监狱的墙,和博物馆增加安全性和监督以及安全。也可以用于机场、地铁和道路标志添加可见性。

数据可用性

作者声明数据支持本研究的发现和补充信息文件中可用的文章。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项研究是由非洲联盟委员会(AUC)和日本国际协力机构(JICA) Africa-ai-Japan创新科研资助下2017/2018(项目参考:JKU / ADM / 10 b)通过Africa-ai-Japan项目(非洲Union-African Innovation-JKUAT和PAUSTI网络项目)。

补充材料

图1:设置细节半透明的混凝土面板的结构性能。图2:JSCE-SF4弯曲韧性和韧性的因素定义。图3:法向应力剖面结构面板/外观。图4:剪切应力剖面结构面板/外观。补充表1:POF计算半透明的混凝土标本(抗压强度测试数据集(Ø2毫米POF))。补充表2:POF计算半透明的混凝土标本(抗压强度测试数据集(Ø3毫米POF))。补充表3:POF计算半透明的混凝土标本(抗弯强度测试数据集(Ø2毫米POF))。补充表4:POF计算半透明的混凝土标本(抗弯强度测试数据集(Ø3毫米POF))。补充表5:POF为半透明的计算混凝土面板(6% v / v)。补充表6:实验负载的分析参考混凝土面板。 Supplementary Table 7: experimental load analysis of the translucent concrete panel (Ø2 mm, 6% POF). Supplementary Table 8: experimental load analysis of the translucent concrete panel (Ø3 mm, 6% POF). Supplementary Table 9: flexural toughness of the reference concrete panel. Supplementary Table 10: flexural toughness of the translucent concrete panel (Ø2 mm, 6% POF). Supplementary Table 11: flexural toughness of the translucent concrete panel (Ø3 mm, 6% POF).(补充材料)

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