题目

• 英文：Light-transmitting foamed concrete composites with tailored mechanical-optical-thermal functionality

• 中文：具有可调机械-光学-热功能性的透光泡沫混凝土复合材料

来源

• 期刊：Journal of Building Engineering

• 年份：2026

• 作者：Justin Mbabazi, Zhenhua Luo, Qianyi Du, Yalun Wang, Qifeng Lyu

• 单位：常州大学城市建设学院

研究背景

研究内容

本研究提出了一种透光泡沫混凝土（LTFC），通过在定制的泡沫混凝土基体中集成PMMA光学纤维制成。系统地制备和测试了具有不同泡沫含量（F1-F3）和光纤取向（水平/垂直）的试样，评估了其各项性能：

1. 力学性能：测试了不同方向（Y和Z方向）的抗压强度和抗弯强度。

2. 孔隙率与密度：采用水渗透法和X射线计算机断层扫描（X-CT）测量并分析孔隙结构。

3. 光学性能：通过照度计测量了单个光纤的透光率。

4. 热学性能：采用防护热板法测量了导热系数。

5. 微观结构：使用扫描电子显微镜（SEM）观察了纤维-水泥基体的界面结合情况。

主要图片

图1：透光混凝土的应用示例：上海世博会意大利馆

图2：水泥和河砂的粒度分布

图3：研究中使用的PMMA光纤

图4：LTFC试样中光纤放置方法的示意图：(a) 水平放置；(b) 垂直放置

图5：LTFC中光纤取向和加载方向的示意图

图6：基于水渗透法的孔隙率测量装置示意图

图7：X射线计算机断层扫描（X-CT）系统示意图

图8：透光率测量程序示意图：(a) 有光源和试样时的照度（L‘）；(b) 无光源、有试样时的环境背景照度（L0’）；(c) 无试样、有光源时的直接光源照度（L）；(d) 无试样、无光源时的环境照度（L0）

图9：防护热板法测量导热系数示意图

图10：Y方向加载下试样的抗弯强度

图11：Z方向加载下试样的抗弯强度

图12：Y方向加载下试样的抗压强度

图13：Z方向加载下试样的抗压强度

图14：基于水渗透法测量的孔隙率

图15：LTFC试样的密度

图16：基于X-CT测量的F2组试样孔隙率（平均值）

图17：F2组试样的X-CT图像和三维孔隙重建：(a) 无纤维试样；(b) 水平纤维试样；(c) 垂直纤维试样；(d) 显示边界区域的原始灰度图像（比例尺：10毫米）

图18：不同泡沫含量和纤维取向下LTFC的透光率

图19：透光混凝土的透光效果照片

图20：不同泡沫含量下试样的导热系数

图21：PMMA光纤与水泥基体界面区域的SEM图像（比例尺：100微米）：(a) 水平排列纤维；(b) 垂直排列纤维

主要结论

1. 力学性能的各向异性：光纤取向主导力学性能。垂直排列的光纤当其方向平行于加载方向（Y方向）时，抗压强度提升显著（最高达180.4%）；而水平排列的光纤当其方向与应力方向（Z方向）对齐时，抗弯强度提升最大（最高达71.4%）。

2. 孔隙率与结构关系：光纤的引入使孔隙率增加了17.6-75.6%，其中垂直放置会因破坏基体而产生优先定向的宏观孔隙（X-CT证实），这损害了力学性能但有利于隔热。

3. 光学与热学性能：水平光纤配置因界面缺陷较少而实现了更优的透光率（F1组达66.58%）。光纤的加入使导热系数平均降低了13%，这归因于其固有的低导热性（0.19 W/(m·K)）和界面空隙对热传导路径的破坏。

4. 微观结构验证：SEM分析证实，垂直排列的光纤试样存在弯曲的界面边界和超过5μm的间隙，这解释了其更高的孔隙率以及强度、透光率和导热系数的变化。

5. 综合性能：LTFC成功结合了光学纤维的透光性能和泡沫混凝土的轻质特性，实现了结构承载、日光传输和隔热性能的协同，为节能建筑围护结构提供了一种多功能解决方案。

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