本發(fā)明涉及一種基于纖維素纖維內(nèi)養(yǎng)護(hù)的超高性能水泥基復(fù)合材料及其制備方法，屬于建筑材料或基礎(chǔ)工程建設(shè)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

超高性能水泥基復(fù)合材料有優(yōu)異的力學(xué)性能和耐久性能，可以用于嚴(yán)酷環(huán)境下的設(shè)施工程，軍事防御設(shè)施、大跨徑橋箱梁等領(lǐng)域。超高性能水泥基復(fù)合材料為了達(dá)到更加致密的基體結(jié)構(gòu)，水泥的需求量較大，同時要控制自由水的用量以減少孔隙結(jié)構(gòu)和內(nèi)部缺陷。大量的膠凝材料以及極低的水膠比，造成超高性能水泥基復(fù)合材料早期水化速率較快，伴隨著較為明顯的早期收縮變形；同時材料整體水化程度不高，在中后期齡期時，基體中仍然存在大量未水化水泥顆粒，遇水會迅速發(fā)生水化反應(yīng)，引起體積膨脹，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。因此，控制早期收縮變形，以及中后期的防水性能，是超高性能水泥基復(fù)合材料在實際應(yīng)用中急需解決的問題。

內(nèi)養(yǎng)護(hù)效應(yīng)通常指內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料通過自身特性吸收額外的自由水，并在水泥水化的過程中持續(xù)的提供反應(yīng)所需的自由水，形成從內(nèi)部進(jìn)行養(yǎng)護(hù)的效果。內(nèi)養(yǎng)護(hù)效應(yīng)能夠控制早期水化速率，延長膠凝材料的水化反應(yīng)時間，尤其在中后期齡期時促進(jìn)內(nèi)部水化反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行，優(yōu)化基體的微觀結(jié)構(gòu)和水化產(chǎn)物。超高性能水泥基復(fù)合材料利用內(nèi)養(yǎng)護(hù)效應(yīng)，可以減緩早期水化反應(yīng)速率，降低材料早期的收縮變形；同時延長膠凝材料的水化反應(yīng)時間，提高膠凝材料的整體水化程度，填充基體的微小孔隙和內(nèi)部缺陷，使基體的結(jié)構(gòu)更加密實，并提高基體的防水性能和耐久性能。

目前用于水泥基材料的內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料有很多種，其中應(yīng)用最廣的是超吸水樹脂(SAP)，其成本低，吸水率高，雖然用在普通水泥基材料中具有明顯的內(nèi)養(yǎng)護(hù)效應(yīng)，但SAP樹脂在失水后存在明顯的體積收縮，會在超高性能水泥基材料的基體中留下大量空隙，影響后期強度和耐久性能，因此在超高性能水泥基材料中較少使用。國外也有少數(shù)科研機構(gòu)采用造紙廢液中的微米級長度纖維素纖維作為內(nèi)養(yǎng)護(hù)組分摻入水泥基復(fù)合材料中的實驗室研究案例，但是由于該纖維素纖維的力學(xué)性能很低且尺度太小，雖然可以起到內(nèi)養(yǎng)護(hù)的作用，但是卻無法對超高性能水泥基復(fù)合材料基體的早期開裂和后期耐久性能發(fā)揮較大效果。此外，稻殼灰雖然表面多孔的結(jié)構(gòu)能夠吸附部分自由水，但是其吸水率不高，內(nèi)養(yǎng)護(hù)效應(yīng)不明顯，常作為礦物摻合料用于超高性能水泥基材料的制備當(dāng)中。因此，尋求一種適用于超高性能水泥基復(fù)合材料的內(nèi)養(yǎng)護(hù)組分，是無法參考或直接使用普通水泥基復(fù)合材料所用的一些現(xiàn)有內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料，要求這種內(nèi)養(yǎng)護(hù)組分必須吸水率高、具有毫米級長度、可以實現(xiàn)對長齡期時超高性能水泥基復(fù)合材料的內(nèi)養(yǎng)護(hù)效應(yīng)，而且更重要的是內(nèi)養(yǎng)護(hù)組分自身必須具有一定的力學(xué)性能，并必須保證該組分的摻入不但不會削弱超高性能水泥基復(fù)合材料原有的工作性能、力學(xué)性能和耐久性，還可以提升其早期抗裂和后期耐久性。如何科學(xué)設(shè)計滿足上述技術(shù)要求的內(nèi)養(yǎng)護(hù)超高性能水泥基復(fù)合材料及其制備工藝，是本專利的創(chuàng)新點所在，這是無法通過參考其他現(xiàn)有內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料和內(nèi)養(yǎng)護(hù)水泥基復(fù)合材料的設(shè)計方法與制備工藝進(jìn)行推演或試驗就可以達(dá)到的目標(biāo)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種基于纖維素纖維內(nèi)養(yǎng)護(hù)的超高性能水泥基復(fù)合材料及其制備方法，利用毫米級長度的中低彈模纖維素纖維作為內(nèi)養(yǎng)護(hù)纖維，制備內(nèi)養(yǎng)護(hù)超高性能水泥基復(fù)合材料，利用纖維素纖維的內(nèi)養(yǎng)護(hù)效應(yīng)降低超高性能水泥基復(fù)合材料的早期收縮變形，以提高基體水化程度和結(jié)構(gòu)密實程度，同時使基體的抗折力學(xué)性能和耐久性進(jìn)一步加強。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種基于纖維素纖維內(nèi)養(yǎng)護(hù)的超高性能水泥基復(fù)合材料，按照質(zhì)量百分比，由以下組分組成：

優(yōu)選的，所述水泥為硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥，水泥的強度等級為P·II 52.5及以上。

優(yōu)選的，所述的活性礦物摻合料具有火山灰反應(yīng)活性，顆粒直徑尺寸在100μm以下。

優(yōu)選的，所述的活性礦物摻合料為F級粉煤灰、偏高嶺土、硅灰、稻殼灰、磨細(xì)高爐礦渣、天然火山灰、輕質(zhì)鈣粉中的其中兩種或三種組成的膠凝材料體系。

優(yōu)選的，所述的細(xì)集料為最大粒徑不超過4.75mm的普通河砂，連續(xù)級配，細(xì)度模數(shù)為2.3～3。

優(yōu)選的，所述的微細(xì)鋼纖維為平均當(dāng)量直徑小于0.25mm，平均長度小于15mm，抗拉強度大于2000MPa的鍍銅微細(xì)鋼纖維。

優(yōu)選的，所述的纖維素纖維為平均當(dāng)量直徑小于20μm，平均長度2.5mm，極限抗拉強度在600～900MPa的纖維素纖維。

優(yōu)選的，所述的高效外加劑為減水率在40％以上的聚羧酸系減水劑。

一種上述的基于纖維素纖維內(nèi)養(yǎng)護(hù)的超高性能水泥基復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：

(1)先將水、細(xì)集料和纖維素纖維加入到攪拌機中，轉(zhuǎn)速110～130rpm，攪拌20～35min；

(2)依次再向攪拌機中加入水泥、活性礦物摻合料、高效外加劑，轉(zhuǎn)速55～65rpm，攪拌3～5min，至形成漿體；

(3)向漿體中緩慢加入微細(xì)鋼纖維，在轉(zhuǎn)速55～65rpm下攪拌2～3min，再于轉(zhuǎn)速110～130rpm下攪拌1～2min；

(4)將砂漿倒入成型模具中，振動60～100次，靜置24h以后拆模，養(yǎng)護(hù)，得到所述超高性能水泥基復(fù)合材料。

有益效果：本發(fā)明于現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點：

(1)能夠改善超高性能水泥基復(fù)合材料的早期收縮變形，提高基體的水化程度，優(yōu)化孔隙結(jié)構(gòu)，增強基體的防水性能和耐久性能；

(2)使用的纖維素纖維成本低，易于獲得，且總體摻量不高；

(3)纖維素纖維對基體的力學(xué)性能不會產(chǎn)生不良影響。與同配合比的素水泥基復(fù)合材料相比，摻加了纖維素纖維后，基體的抗壓強度基本保持不變，抗折強度還有小幅度提升。

具體實施方式

本發(fā)明的一種基于纖維素纖維內(nèi)養(yǎng)護(hù)效應(yīng)的超高性能水泥基復(fù)合材料，按照質(zhì)量百分比，由以下組分組成：

其中，水泥為強度等級為P·II 52.5及其以上的硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥；

活性礦物摻合料具有火山灰反應(yīng)活性，顆粒尺寸在100μm以下，可以為F級粉煤灰、偏高嶺土、硅灰、稻殼灰、磨細(xì)高爐礦渣、天然火山灰、輕質(zhì)鈣粉等的其中兩種或三種組成的膠凝材料體系；

細(xì)集料為最大粒徑不超過4.75mm的普通河砂，連續(xù)級配，細(xì)度模數(shù)為3～2.3；

微細(xì)鋼纖維為平均當(dāng)量直徑小于0.25mm，平均長度小于15mm，抗拉強度大于2000MPa的鍍銅微細(xì)鋼纖維。

纖維素纖維為平均當(dāng)量直徑小于20μm，平均長度2.5mm，極限抗拉強度在600～900MPa的纖維素纖維。

高效外加劑為減水率在40％以上的聚羧酸系減水劑。

上述的基于纖維素纖維內(nèi)養(yǎng)護(hù)的超高性能水泥基復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：

(1)先將水、細(xì)集料和纖維素纖維加入到攪拌機中，轉(zhuǎn)速110～130rpm，攪拌20～35min；

(2)依次再向攪拌機中加入水泥、活性礦物摻合料、高效外加劑，轉(zhuǎn)速55～65rpm，攪拌3～5min，至形成漿體；

(3)向漿體中緩慢加入微細(xì)鋼纖維，在轉(zhuǎn)速55～65rpm下攪拌2～3min，再于轉(zhuǎn)速110～130rpm下攪拌1～2min；

(4)將砂漿倒入成型模具中，振動60～100次，靜置24h以后拆模，養(yǎng)護(hù)，得到所述超高性能水泥基復(fù)合材料。

下面以下實施例，對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。

實施例1：

其中，水泥為P·I 52.5硅酸鹽水泥；礦物摻合料包括F級粉煤灰13.1％，硅灰4.3％和輕質(zhì)鈣粉4.3％；細(xì)集料為最大粒徑是2.36mm的普通河砂，連續(xù)級配，細(xì)度模數(shù)2.6；微細(xì)鋼纖維直徑0.2mm，長度13mm，極限抗拉強度2850MPa；纖維素纖維單絲直徑18μm，平均長度2.1mm，極限抗拉強度800MPa；高效外加劑為減水率為40％的聚羧酸系減水劑。

上述組分按照前述工藝制備得到的超高性能水泥基復(fù)合材料，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d后的性能如下：

抗折強度47.8MPa，抗壓強度125.5MPa，自收縮應(yīng)變148.9×10^-6。

實施例2：

其中，水泥為P·I 52.5硅酸鹽水泥；礦物摻合料包括偏高嶺土12.0％，稻殼灰4.0％；細(xì)集料為最大粒徑是2.50mm的普通河砂，連續(xù)級配，細(xì)度模數(shù)2.4；微細(xì)鋼纖維直徑0.25mm，長度12mm，極限抗拉強度2380MPa；纖維素纖維單絲直徑10μm，平均長度1.8mm，極限抗拉強度900MPa；高效外加劑為減水率為40％的聚羧酸系減水劑。

上述組分按照前述工藝制備得到的超高性能水泥基復(fù)合材料，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d后的性能如下：

抗折強度46.7MPa，抗壓強度128.4MPa，自收縮應(yīng)變130×10^-6。

實施例3：

其中，水泥為P·I 52.5硅酸鹽水泥；礦物摻合料包括磨細(xì)高爐礦渣10.3％、天然火山灰10％；細(xì)集料為最大粒徑是4.75mm的普通河砂，連續(xù)級配，細(xì)度模數(shù)2.8；微細(xì)鋼纖維直徑0.2mm，長度14mm，極限抗拉強度27850MPa；纖維素纖維單絲直徑18μm，平均長度2.1mm，極限抗拉強度900MPa；高效外加劑為減水率為40％的聚羧酸系減水劑。

實施例4：

其中，水泥為P·I 52.5硅酸鹽水泥；礦物摻合料包括F級粉煤灰20.5％、天然火山灰20％；細(xì)集料為最大粒徑是3.55mm的普通河砂，連續(xù)級配，細(xì)度模數(shù)2.6；微細(xì)鋼纖維直徑0.2mm，長度13mm，極限抗拉強度2800MPa；纖維素纖維單絲直徑18μm，平均長度2.1mm，極限抗拉強度600MPa；高效外加劑為減水率為40％的聚羧酸系減水劑。

實施例5：

其中，水泥為P·I 52.5硅酸鹽水泥；礦物摻合料包括硅灰10.3％、磨細(xì)高爐礦渣10％；細(xì)集料為最大粒徑是2.55mm的普通河砂，連續(xù)級配，細(xì)度模數(shù)2.4；微細(xì)鋼纖維直徑0.2mm，長度13mm，極限抗拉強度2850MPa；纖維素纖維單絲直徑18μm，平均長度2.1mm，極限抗拉強度600MPa；高效外加劑為減水率為40％的聚羧酸系減水劑。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。