本發(fā)明涉及混凝土材料領域，特別是涉及一種活性粉末混凝土及其制備方法與用途。
背景技術：
活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete，以下簡稱RPC)是繼高強、高性能混凝土之后，出現(xiàn)的一種力學性能、耐久性能都非常優(yōu)越的新型建筑材料。它是由DSP(Densified System containing ultra-fine Particles)材料與纖維增強材料相復合的高技術混凝土?，F(xiàn)有RPC在使用過程中，存在鋼纖維與漿體結合欠佳；RPC構件雖然壓折比與普通混凝土相比有較大的提高，但RPC在水化后，界面微裂紋仍然大量存在，在漿體內部存在大量的微細晶格缺陷，嚴重影響RPC的強度發(fā)揮。
技術實現(xiàn)要素：
鑒于以上所述現(xiàn)有技術的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種活性粉末混凝土及其制備方法與用途，用于改善現(xiàn)有技術中活性粉末混凝土鋼纖維易拔出、斷裂能較低、強度增長不好、界面微裂紋、晶格缺陷等問題。
為實現(xiàn)上述目的及其他相關目的，本發(fā)明第一方面提供一種活性粉末混凝土，包括如下重量份的原料：水泥400～1000份、改性超微粉100～500份、改性鋼纖維50～200份、石英砂900～1300份、石英粉100-220份、外加劑10～30份、水100～250份。
優(yōu)選地，所述水泥為P.052.5、P.O42.5、P.I52.5、P.I42.5中的一種或幾種組合。
進一步地，所述石英砂的粒徑為40-200目，石英砂中SiO2的質量含量≥97％。
進一步地，所述石英粉的粒徑為400-1000目，石英粉中SiO2的質量含量≥97％。
進一步地，所述外加劑為聚羧酸減水劑，減水率≥30％。
進一步地，所述改性超微粉包括如下重量份的原料：礦渣粉0～30份、硅微粉10～30份、晶須1～5份、偶聯(lián)劑稀釋液0.2～0.6份。
優(yōu)選地，所述礦渣粉為S95級礦渣粉，符合《GB/T 18046-2008用于水泥和混凝土中的?；郀t礦渣粉》。
優(yōu)選地，所述硅微粉的比表面積≥20m2/kg。
優(yōu)選地，所述晶須為硫酸鈣晶須、碳酸鈣晶須、硼酸鋁晶須中的一種或幾種組合，其長徑比大于20。
優(yōu)選地，所述偶聯(lián)劑稀釋液為硅烷偶聯(lián)劑稀釋液或鈦酸酯偶聯(lián)劑稀釋液，硅烷偶聯(lián)劑稀釋液為硅烷偶聯(lián)劑與無水乙醇的混合液，鈦酸酯偶聯(lián)劑稀釋液為鈦酸酯偶聯(lián)劑與液體石蠟的混合液。
更優(yōu)選地，所述硅烷偶聯(lián)劑稀釋液中硅烷偶聯(lián)劑的含量為1-5wt％；所述鈦酸酯偶聯(lián)劑稀釋液中鈦酸酯偶聯(lián)劑的含量為10-50wt％。
更優(yōu)選地，所述硅烷偶聯(lián)劑為KH560等，所述鈦酸酯偶聯(lián)劑為TMS200等。
進一步地，所述改性鋼纖維包括如下重量份的原料：鋼纖維5～10份、硅烷偶聯(lián)劑稀釋液0.01～0.5份。
進一步地，所述鋼纖維為表面鍍銅鋼纖維、不銹鋼纖維中一種或兩種組合。
優(yōu)選地，所述鋼纖維直徑為0.1～0.25mm，長度為12～15mm。
優(yōu)選地，所述硅烷偶聯(lián)劑稀釋液為硅烷偶聯(lián)劑、無水乙醇的混合液，稀釋液中硅烷偶聯(lián)劑的質量濃度為1-5％。
更優(yōu)選地，所述硅烷偶聯(lián)劑稀釋液中硅烷偶聯(lián)劑的質量濃度為2.5％。
更優(yōu)選地，所述硅烷偶聯(lián)劑為氨丙基三乙氧基硅烷、縮水甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷、巰丙基三乙氧基硅烷中的一種或幾種組合。
本發(fā)明第二方面提供上述活性粉末混凝土的制備方法，包括如下步驟：
1)制備改性鋼纖維：按配方量將硅烷偶聯(lián)劑噴灑至鋼纖維表面，干燥，制得所述改性鋼纖維，備用；干燥的方式可以為晾曬或室內干燥，目的是使得鋼纖維表面干燥，讓羧基充分沉淀至鋼纖維表面，形成均勻硅烷膜。
2)制備改性超微粉：按配方量將礦渣粉、硅微粉、晶須混合，粉磨，加入偶聯(lián)劑稀釋液進行表面改性，制得所述改性超微粉。
3)制備活性粉末混凝土漿體：按配方量將石英砂、石英粉、步驟1)制得的改性鋼纖維、水泥、步驟2)制得的改性超微粉混合，攪拌混勻，備用；將外加劑加入水中形成外加劑水溶液，再將該外加劑的水溶液加入上述混合物中，制得所述活性粉末混凝土漿體。
4)入模：將步驟3)制得的活性粉末混凝土漿體放入模具，靜置使得漿體固化。
5)初養(yǎng)：將步驟4)中固化的活性粉末混凝土與模具一起放入養(yǎng)護室，進行養(yǎng)護，結束后冷卻至室溫。
6)脫模：將活性粉末混凝土及其模具移出養(yǎng)護室，脫模。
7)終養(yǎng)：將脫模后的活性粉末混凝土移至養(yǎng)護室中進行養(yǎng)護，結束后冷卻至室溫。
8)將步驟7)制得的活性粉末混凝土移至室內，在室溫下自然保濕養(yǎng)護7天以上，制得活性粉末混凝土成品。
進一步地，步驟4)中，靜置時間為4～8h。
進一步地，步驟5)和步驟7)中，養(yǎng)護方式為蒸汽養(yǎng)護或蒸壓養(yǎng)護。
進一步地，步驟5)和步驟7)中的養(yǎng)護方式為蒸汽養(yǎng)護時，步驟5)中升溫至40±5℃，步驟7)中升溫至70±5℃，升溫速度≤12℃/h，養(yǎng)護結束后冷卻至室溫，降溫速度≤15℃/h，控制其內應力的驟變。
本發(fā)明第三方面提供上述活性粉末混凝土在建筑工程中的用途。本發(fā)明活性粉末混凝土在預應力結構、預制構件、鋼管混凝土、大尺寸構件、耐磨耐腐蝕結構、抗輻射結構等中均有廣泛的用途。
如上所述，本發(fā)明的一種活性粉末混凝土及其制備方法與用途，具有以下有益效果：本發(fā)明將鋼纖維通過硅烷偶聯(lián)劑表面改性，增加漿體對鋼纖維的握裹力；將晶須摻入硅微粉中，并通過偶聯(lián)劑改性，改善混凝土界面，并利用晶須直徑非常小、無宏觀缺陷、原子排列高度有序、強度接近于完整晶體的理論值、機械強度高等優(yōu)點，改善RPC的強度、彈性模量等。
具體實施方式
以下通過特定的具體實例說明本發(fā)明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所揭露的內容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點與功效。本發(fā)明還可以通過另外不同的具體實施方式加以實施或應用，本說明書中的各項細節(jié)也可以基于不同觀點與應用，在沒有背離本發(fā)明的精神下進行各種修飾或改變。
實施例1
一種活性粉末混凝土，包括如下重量份的原料：
水泥460份、改性超微粉450份、改性鋼纖維128份、石英砂1180份、石英粉180份、外加劑23份、水167份。
改性鋼纖維的原料及重量比為鍍銅鋼纖維：氨丙基三乙氧基硅烷偶聯(lián)劑稀釋液＝10：0.3，鋼纖維直徑為0.1～0.25mm，長度為12～15mm，改性超微粉的原料及重量比為礦渣粉：硅微粉：硫酸鈣晶須：氨丙基三乙氧基硅烷偶聯(lián)劑稀釋液＝10：10：2.5：0.4。水泥為普通硅酸鹽52.5級水泥(符合《GB175-2007通用硅酸鹽水泥》)；礦渣粉為S95級(符合《GB/T18046-2008用于水泥和混凝土中的?；郀t礦渣粉》)；外加劑為聚羧酸減水劑(減水率≥30％，符合《JG/T 223-2007聚羧酸系高性能減水劑》)。
上述活性粉末混凝土材料的制備方法包括如下步驟：
1)按配方量將表面清洗后的鋼纖維、硅烷偶聯(lián)劑稀釋液混合，具體地，將硅烷偶聯(lián)劑用無水乙醇稀釋至硅烷偶聯(lián)劑的濃度為2.5wt％的稀釋液，均勻噴灑至攤鋪開的鋼纖維表面，晾曬60分鐘，待表面干燥，讓羧基充分沉淀至鋼纖維表面，制得所述改性鋼纖維。
2)按配方量將礦渣粉、硅微粉、晶須混合，噴入硅烷偶聯(lián)劑KH560稀釋液(硅烷偶聯(lián)劑KH560與無水乙醇的混合液，稀釋液中硅烷偶聯(lián)劑KH560的含量為2.5wt％)，粉磨10-15min，使得各物料充分混合，制得所述改性超微粉。
3)按配方量將按配方量將石英砂、石英粉、步驟1)制得的改性鋼纖維、水泥、步驟2)制得的改性超微粉混合，攪拌3～8分鐘；按配方量將外加劑與水混合，使得外加劑被稀釋成水溶液，再將該水溶液加入上述混合物中，攪拌2～5分鐘，制得所述活性粉末混凝土漿體。
4)入模：將步驟3)制得的活性粉末混凝土漿體放入模具，靜置6h使得漿體固化。
5)初養(yǎng)：將步驟4)中固化的活性粉末混凝土按12℃/h的速率升溫至40±5℃，并保持該溫度蒸汽養(yǎng)護24h，再按15℃/h的速率降溫至室溫。
6)脫模：將活性粉末混凝土及其模具移出蒸汽養(yǎng)護室，脫模。
7)終養(yǎng)：將脫模后的活性粉末混凝土移至蒸汽養(yǎng)護室中，按12℃/h的速率升溫至70±5℃，蒸汽養(yǎng)護72h，再按15℃/h的速率降溫至室溫。
8)將步驟7)制得的活性粉末混凝土移至室內，在室溫下自然保濕養(yǎng)護7天以上，制得活性粉末混凝土成品。
所得活性粉末混凝土試件性能為：抗壓強度135.7MPa，抗折強度20.3MPa。
實施例2
一種活性粉末混凝土，包括如下重量份的原料：
水泥480份、改性超微粉400份、改性鋼纖維156份、石英砂1150份、石英粉200份、外加劑22份、水170份。
改性鋼纖維的原料及重量比為不銹鋼纖維：縮水甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷稀釋液＝10：0.25，鋼纖維直徑為0.1～0.25mm，長度為12～15mm；改性超微粉的原料及重量比為礦渣粉：硅微粉：硫酸鈣晶須：氨丙基三乙氧基硅烷偶聯(lián)劑稀釋液＝10：20：3：0.5。水泥為普通硅酸鹽42.5級水泥與52.5級水泥混合物(符合《GB175-2007通用硅酸鹽水泥》)；礦渣粉為S95級(符合《GB/T 18046-2008用于水泥和混凝土中的?；郀t礦渣粉》)；外加劑為聚羧酸減水劑(減水率≥30％，符合《JG/T 223-2007聚羧酸系高性能減水劑》)。
上述活性粉末混凝土材料的制備方法包括如下步驟：
1)按配方量將不銹鋼纖維、硅烷偶聯(lián)劑混合，具體地，將硅烷偶聯(lián)劑用無水乙醇稀釋至硅烷偶聯(lián)劑的濃度為2.5wt％的稀釋液，均勻噴灑至攤鋪開的鋼纖維表面，晾曬60分鐘，待表面干燥，讓羧基充分沉淀至鋼纖維表面，制得所述改性鋼纖維。
2)按配方量將礦渣粉、硅微粉、晶須混合，噴入氨丙基三乙氧基硅烷偶聯(lián)劑稀釋液(硅烷偶聯(lián)劑與無水乙醇的混合液，稀釋液中硅烷偶聯(lián)劑的含量為2.5wt％)，粉磨，制得所述改性超微粉。
3)按配方量將按配方量將石英砂、石英粉、步驟1)制得的改性鋼纖維、水泥、、步驟2)制得的改性超微粉混合，攪拌3～8分鐘；按配方量將外加劑與水混合，使得外加劑被稀釋成水溶液，再將該水溶液加入上述混合物中，攪拌2～5分鐘，制得所述活性粉末混凝土漿體。
4)入模：將步驟3)制得的活性粉末混凝土漿體放入模具，靜置8h使得漿體固化。
5)初養(yǎng)：將步驟4)中固化的活性粉末混凝土按12℃/h的速率升溫至40±5℃，并保持該溫度蒸汽養(yǎng)護24h，再按15℃/h的速率降溫至室溫。
6)脫模：將活性粉末混凝土及其模具移出蒸汽養(yǎng)護室，脫模。
7)終養(yǎng)：將脫模后的活性粉末混凝土移至蒸汽養(yǎng)護室中，按12℃/h的速率升溫至70±5℃，蒸壓養(yǎng)護96h，再按15℃/h的速率降溫至室溫。
8)將步驟7)制得的活性粉末混凝土移至室內，在室溫下自然保濕養(yǎng)護7天以上，制得活性粉末混凝土成品。
所得活性粉末混凝土試件性能為：抗壓強度131.4MPa，抗折強度23.1MPa。
實施例3
一種活性粉末混凝土，包括如下重量份的原料：
水泥450份、改性超微粉400份、改性鋼纖維165份、石英砂1160份、石英粉220份、外加劑30份、水165份。
改性鋼纖維的原料及重量比為鍍銅鋼纖維與不銹鋼纖維混合物：巰丙基三乙氧基硅烷稀釋液＝10：0.3，鋼纖維直徑為0.1～0.25mm，長度為12～15mm；改性超微粉的原料及重量比為礦渣粉：硅微粉：硫酸鈣晶須：氨丙基三乙氧基硅烷偶聯(lián)劑稀釋液＝15：25：3.5：0.5。水泥為普通硅酸鹽52.5級水泥(符合《GB175-2007通用硅酸鹽水泥》)；礦渣粉為S95級(符合《GB/T 18046-2008用于水泥和混凝土中的?；郀t礦渣粉》)；外加劑為聚羧酸減水劑(減水率≥30％，符合《JG/T 223-2007聚羧酸系高性能減水劑》)。
上述活性粉末混凝土材料的制備方法包括如下步驟：
1)按配方量將鋼纖維、硅烷偶聯(lián)劑混合，具體地，將硅烷偶聯(lián)劑用無水乙醇稀釋至硅烷偶聯(lián)劑的濃度為2.5wt％的稀釋液，均勻噴灑至攤鋪開的鋼纖維表面，晾曬60分鐘，待表面干燥，讓羧基充分沉淀至鋼纖維表面，制得所述改性鋼纖維。
2)按配方量將礦渣粉、硅微粉、晶須混合，噴入氨丙基三乙氧基硅烷偶聯(lián)劑稀釋液(氨丙基三乙氧基硅烷偶聯(lián)劑稀釋液為氨丙基三乙氧基硅烷偶聯(lián)劑與無水乙醇的混合液，稀釋液中氨丙基三乙氧基硅烷偶聯(lián)劑的含量為2.5wt％)，粉磨12min，制得所述改性超微粉。
3)按配方量將按配方量將石英砂、石英粉、水泥、步驟1)制得的改性鋼纖維、步驟2)制得的改性超微粉混合，攪拌3～8分鐘，將外加劑用適量水稀釋成水溶液，加入上述混合物中，攪拌2～5分鐘，最后加入剩余量的水，攪拌2～5分鐘，制得所述活性粉末混凝土漿體。
4)入模：將步驟3)制得的活性粉末混凝土漿體放入模具，靜置8h使得漿體固化。
5)初養(yǎng)：將步驟4)中固化的活性粉末混凝土按12℃/h的速率升溫至40±5℃，并保持該溫度蒸汽養(yǎng)護36h，再按12℃/h的速率降溫至室溫。
6)脫模：將活性粉末混凝土及其模具移出蒸汽養(yǎng)護室，脫模。
7)終養(yǎng)：將脫模后的活性粉末混凝土移至蒸汽養(yǎng)護室中，按12℃/h的速率升溫至70±5℃，蒸汽養(yǎng)護96h，再按12℃/h的速率降溫至室溫。
8)將步驟7)制得的活性粉末混凝土移至室內，在室溫下自然保濕養(yǎng)護7天以上，制得活性粉末混凝土成品。
所得活性粉末混凝土試件性能為：抗壓強度137.4MPa，抗折強度23.9MPa。
實施例4
一種活性粉末混凝土，包括如下重量份的原料：
水泥600份、改性超微粉270份、改性鋼纖維170份、石英砂1160份、石英粉210份、外加劑26份、水170份。
改性鋼纖維的原料及重量比為鍍銅鋼纖維與不銹鋼纖維混合物：巰丙基三乙氧基硅烷與縮水甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷的混合稀釋液＝10：0.3，鋼纖維直徑為0.1～0.25mm，長度為12～15mm；改性超微粉的原料及重量比為礦渣粉：硅微粉：硫酸鈣晶須：鈦酸酯偶聯(lián)劑TMS200的稀釋液＝15：30：4：0.5。水泥為普通硅酸鹽42.5級水泥(符合《GB175-2007通用硅酸鹽水泥》)；礦渣粉為S95級(符合《GB/T 18046-2008用于水泥和混凝土中的粒化高爐礦渣粉》)；外加劑為聚羧酸減水劑(減水率≥30％，符合《JG/T 223-2007聚羧酸系高性能減水劑》)。
上述活性粉末混凝土材料的制備方法包括如下步驟：
1)按配方量將鋼纖維、硅烷偶聯(lián)劑稀釋液混合，具體地，將硅烷偶聯(lián)劑用無水乙醇稀釋至硅烷偶聯(lián)劑的濃度為2.5wt％的稀釋液，均勻噴灑至攤鋪開的鋼纖維表面，晾曬60分鐘，待表面干燥，讓羧基充分沉淀至鋼纖維表面形成均勻硅烷膜，制得所述改性鋼纖維。
2)按配方量將礦渣粉、硅微粉、晶須混合，噴入鈦酸酯偶聯(lián)劑TMS200的稀釋液(鈦酸酯偶聯(lián)劑TMS200的稀釋液為鈦酸酯偶聯(lián)劑TMS200與液體石蠟的混合液，稀釋液中鈦酸酯偶聯(lián)劑TMS200的含量為50wt％)，粉磨12min，制得所述改性超微粉。
3)按配方量將按配方量將石英砂、石英粉、水泥、步驟1)制得的改性鋼纖維、步驟2)制得的改性超微粉混合，攪拌3～8分鐘；將外加劑用適量水稀釋成水溶液，加入上述混合物中，攪拌2～5分鐘，最后加入剩余量的水，攪拌2～5分鐘，制得所述活性粉末混凝土漿體。
4)入模：將步驟3)制得的活性粉末混凝土漿體放入模具，靜置8h使得漿體固化。
5)初養(yǎng)：將步驟4)中固化的活性粉末混凝土按12℃/h的速率升溫至40±5℃，并保持該溫度蒸汽養(yǎng)護36h，再按12℃/h的速率降溫至室溫。
6)脫模：將活性粉末混凝土及其模具移出養(yǎng)護室，脫模。
7)終養(yǎng)：將脫模后的活性粉末混凝土移至蒸汽養(yǎng)護室中，按12℃/h的速率升溫至70±5℃，蒸汽養(yǎng)護96h，再按12℃/h的速率降溫至室溫。
8)將步驟7)制得的活性粉末混凝土移至室內，在室溫下自然保濕養(yǎng)護7天以上，制得活性粉末混凝土成品。
所得活性粉末混凝土試件性能為：抗壓強度130.6MPa，抗折強度26.3MPa。
實施例5
一種活性粉末混凝土，包括如下重量份的原料：
水泥620份、改性超微粉250份、改性鋼纖維175份、石英砂1150份、石英粉210份、外加劑28份、水168份。
改性鋼纖維的原料及重量比為鍍銅鋼纖維與不銹鋼纖維混合物：巰丙基三乙氧基硅烷和縮水甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷的混合稀釋液＝10：0.3，鋼纖維直徑為0.1～0.25mm，長度為12～15mm；改性超微粉的原料及重量比為礦渣粉：硅微粉：硫酸鈣晶須：鈦酸酯偶聯(lián)劑TMS200的稀釋液＝15：35：4：0.4。水泥為普通硅酸鹽42.5級水泥(符合《GB175-2007通用硅酸鹽水泥》)；礦渣粉為S95級(符合《GB/T 18046-2008用于水泥和混凝土中的粒化高爐礦渣粉》)；外加劑為聚羧酸減水劑(減水率≥30％，符合《JG/T 223-2007聚羧酸系高性能減水劑》)。
上述活性粉末混凝土材料的制備方法包括如下步驟：
1)按配方量將鋼纖維、硅烷偶聯(lián)劑稀釋液混合，具體地，將硅烷偶聯(lián)劑用無水乙醇水解、稀釋至硅烷偶聯(lián)劑的濃度為2.5wt％的稀釋液，均勻噴灑至攤鋪開的鋼纖維表面，晾曬60分鐘，待表面干燥，讓羧基充分沉淀至鋼纖維表面形成均勻硅烷膜，制得所述改性鋼纖維。
2)按配方量將磨細礦渣粉、硅微粉、晶須混合，噴入鈦酸酯偶聯(lián)劑TMS200的稀釋液(鈦酸酯偶聯(lián)劑TMS200的稀釋液為鈦酸酯偶聯(lián)劑TMS200與液體石蠟的混合液，稀釋液中鈦酸酯偶聯(lián)劑TMS200的含量為50wt％)，粉磨12min，制得所述改性超微粉。
3)按配方量將石英砂、石英粉、水泥、步驟1)制得的改性鋼纖維、步驟2)制得的改性超微粉混合，攪拌3～8分鐘；將外加劑用適量水稀釋成水溶液，加入上述混合物中，攪拌2～5分鐘，最后加入剩余量的水，攪拌2～5分鐘，制得所述活性粉末混凝土漿體。
4)入模：將步驟3)制得的活性粉末混凝土漿體放入模具，靜置8h使得漿體固化。
5)初養(yǎng)：將步驟4)中固化的活性粉末混凝土按12℃/h的速率升溫至40±5℃，并保持該溫度蒸汽養(yǎng)護36h，再按12℃/h的速率降溫至室溫。
6)脫模：將活性粉末混凝土及其模具移出蒸汽養(yǎng)護室，脫模。
7)蒸壓養(yǎng)護：將脫模后的活性粉末混凝土移至蒸汽養(yǎng)護室中，按12℃/h的速率升溫至70±5℃，蒸汽養(yǎng)護96h，再按12℃/h的速率降溫至室溫。
8)將步驟7)制得的活性粉末混凝土移至室內，在室溫下自然保濕養(yǎng)護7天以上，制得活性粉末混凝土成品。
所得活性粉末混凝土試件性能為：抗壓強度131.1MPa，抗折強度27.5MPa。
綜上所述，本發(fā)明通過偶聯(lián)劑對鋼纖維表面改性后，大量的羧基沉積在鋼纖維表面，進一步增加漿體對鋼纖維的包裹力，改善鋼纖維與漿體的微觀界面。利用晶須有一定的長徑比、其強度接近理論晶格強度的優(yōu)勢，并通過偶聯(lián)劑對超微粉體表面改性，增加其分散性及分子間互穿性。
本發(fā)明根據(jù)無機晶須無宏觀缺陷、晶體強度接近完整晶體的理論值、機械強度等于鄰近原子間力的特性，通過晶須的加入，改善RPC的相關性能，提高抗壓強度和抗折強度以滿足不同的施工要求，鋼纖維與漿體包裹性好，斷裂能較高，強度增長好，界面微裂紋減少。
上述實施例僅例示性說明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術領域中具有通常知識者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應由本發(fā)明的權利要求所涵蓋。