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(shí)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(shí)材料整體水化程度不高，在中后期齡期時(shí)，基體中仍然存在大量未水化水泥顆粒，遇水會(huì)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(shí)際應(yīng)用中急需解決的問(wèn)題。
內(nèi)養(yǎng)護(hù)效應(yīng)通常指內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料通過(guò)自身特性吸收額外的自由水，并在水泥水化的過(guò)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(zhǎng)膠凝材料的水化反應(yīng)時(shí)間，尤其在中后期齡期時(shí)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(shí)延長(zhǎng)膠凝材料的水化反應(yīng)時(shí)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(shí)，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(shù)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(shù)脂在失水后存在明顯的體積收縮，會(huì)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(qiáng)度和耐久性能，因此在超高性能水泥基材料中較少使用。國(guó)外也有少數(shù)科研機(jī)構(gòu)采用造紙廢液中的微米級(jí)長(zhǎng)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(shí)驗(yàn)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(wú)法對(duì)超高性能水泥基復(fù)合材料基體的早期開(kāi)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(wú)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(jí)長(zhǎng)度、可以實(shí)現(xiàn)對(duì)長(zhǎng)齡期時(shí)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(huì)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(jì)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(diǎn)所在，這是無(wú)法通過(guò)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(jì)方法與制備工藝進(jìn)行推演或試驗(yàn)就可以達(dá)到的目標(biāo)。
技術(shù)實(shí)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(jí)長(zhǎng)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(shí)程度，同時(shí)使基體的抗折力學(xué)性能和耐久性進(jìn)一步加強(qiáng)。
為實(shí)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(qiáng)度等級(jí)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(jí)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(guò)4.75mm的普通河砂，連續(xù)級(jí)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(zhǎng)度小于15mm，抗拉強(qiáng)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(zhǎng)度2.5mm，極限抗拉強(qiáng)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(jī)中，轉(zhuǎn)速110～130rpm，攪拌20～35min；
(2)依次再向攪拌機(jī)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(dòng)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(diǎn)：
(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(qiáng)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(duì)基體的力學(xué)性能不會(huì)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(qiáng)度基本保持不變，抗折強(qiáng)度還有小幅度提升。
具體實(shí)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(qiáng)度等級(jí)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(jí)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(guò)4.75mm的普通河砂，連續(xù)級(jí)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(zhǎng)度小于15mm，抗拉強(qiáng)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(zhǎng)度2.5mm，極限抗拉強(qiáng)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(jī)中，轉(zhuǎn)速110～130rpm，攪拌20～35min；
(2)依次再向攪拌機(jī)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(dòng)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(shí)施例，對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。
實(shí)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(jí)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(jí)配，細(xì)度模數(shù)2.6；微細(xì)鋼纖維直徑0.2mm，長(zhǎng)度13mm，極限抗拉強(qiáng)度2850MPa；纖維素纖維單絲直徑18μm，平均長(zhǎng)度2.1mm，極限抗拉強(qiáng)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(qiáng)度47.8MPa，抗壓強(qiáng)度125.5MPa，自收縮應(yīng)變148.9×10-6。
實(shí)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(jí)配，細(xì)度模數(shù)2.4；微細(xì)鋼纖維直徑0.25mm，長(zhǎng)度12mm，極限抗拉強(qiáng)度2380MPa；纖維素纖維單絲直徑10μm，平均長(zhǎng)度1.8mm，極限抗拉強(qiáng)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(qiáng)度46.7MPa，抗壓強(qiáng)度128.4MPa，自收縮應(yīng)變130×10-6。
實(shí)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(jí)配，細(xì)度模數(shù)2.8；微細(xì)鋼纖維直徑0.2mm，長(zhǎng)度14mm，極限抗拉強(qiáng)度27850MPa；纖維素纖維單絲直徑18μm，平均長(zhǎng)度2.1mm，極限抗拉強(qiáng)度900MPa；高效外加劑為減水率為40％的聚羧酸系減水劑。
實(shí)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(jí)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(jí)配，細(xì)度模數(shù)2.6；微細(xì)鋼纖維直徑0.2mm，長(zhǎng)度13mm，極限抗拉強(qiáng)度2800MPa；纖維素纖維單絲直徑18μm，平均長(zhǎng)度2.1mm，極限抗拉強(qiáng)度600MPa；高效外加劑為減水率為40％的聚羧酸系減水劑。
實(shí)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(jí)配，細(xì)度模數(shù)2.4；微細(xì)鋼纖維直徑0.2mm，長(zhǎng)度13mm，極限抗拉強(qiáng)度2850MPa；纖維素纖維單絲直徑18μm，平均長(zhǎng)度2.1mm，極限抗拉強(qiáng)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(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，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(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。