本發明涉及一種基于纖維素纖維內養護的超高性能水泥基復合材料及其制備方法，屬于建筑材料或基礎工程建設領域。
背景技術：
超高性能水泥基復合材料有優異的力學性能和耐久性能，可以用于嚴酷環境下的設施工程，軍事防御設施、大跨徑橋箱梁等領域。超高性能水泥基復合材料為了達到更加致密的基體結構，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構和內部缺陷。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，遇水會迅速發生水化反應，引起體積膨脹，導致結構破壞。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合材料在實際應用中急需解決的問題。
內養護效應通常指內養護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的提供反應所需的自由水，形成從內部進行養護的效果。內養護效應能夠控制早期水化速率，延長膠凝材料的水化反應時間，尤其在中后期齡期時促進內部水化反應的持續進行，優化基體的微觀結構和水化產物。超高性能水泥基復合材料利用內養護效應，可以減緩早期水化反應速率，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部缺陷，使基體的結構更加密實，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養護材料有很多種，其中應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養護效應，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。國外也有少數科研機構采用造紙廢液中的微米級長度纖維素纖維作為內養護組分摻入水泥基復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性能很低且尺度太小，雖然可以起到內養護的作用，但是卻無法對超高性能水泥基復合材料基體的早期開裂和后期耐久性能發揮較大效果。此外，稻殼灰雖然表面多孔的結構能夠吸附部分自由水，但是其吸水率不高，內養護效應不明顯，常作為礦物摻合料用于超高性能水泥基材料的制備當中。因此，尋求一種適用于超高性能水泥基復合材料的內養護組分，是無法參考或直接使用普通水泥基復合材料所用的一些現有內養護材料，要求這種內養護組分必須吸水率高、具有毫米級長度、可以實現對長齡期時超高性能水泥基復合材料的內養護效應，而且更重要的是內養護組分自身必須具有一定的力學性能，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合材料原有的工作性能、力學性能和耐久性，還可以提升其早期抗裂和后期耐久性。如何科學設計滿足上述技術要求的內養護超高性能水泥基復合材料及其制備工藝，是本專利的創新點所在，這是無法通過參考其他現有內養護材料和內養護水泥基復合材料的設計方法與制備工藝進行推演或試驗就可以達到的目標。
技術實現要素：
本發明的目的是提供一種基于纖維素纖維內養護的超高性能水泥基復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養護纖維，制備內養護超高性能水泥基復合材料，利用纖維素纖維的內養護效應降低超高性能水泥基復合材料的早期收縮變形，以提高基體水化程度和結構密實程度，同時使基體的抗折力學性能和耐久性進一步加強。
為實現上述目的，本發明采用的技術方案為：
一種基于纖維素纖維內養護的超高性能水泥基復合材料，按照質量百分比，由以下組分組成：
優選的，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。
優選的，所述的活性礦物摻合料具有火山灰反應活性，顆粒直徑尺寸在100μm以下。
優選的，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、磨細高爐礦渣、天然火山灰、輕質鈣粉中的其中兩種或三種組成的膠凝材料體系。
優選的，所述的細集料為最大粒徑不超過4.75mm的普通河砂，連續級配，細度模數為2.3～3。
優選的，所述的微細鋼纖維為平均當量直徑小于0.25mm，平均長度小于15mm，抗拉強度大于2000MPa的鍍銅微細鋼纖維。
優選的，所述的纖維素纖維為平均當量直徑小于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養護的超高性能水泥基復合材料的制備方法，包括以下步驟：
(1)先將水、細集料和纖維素纖維加入到攪拌機中，轉速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，轉速55～65rpm，攪拌3～5min，至形成漿體；
(3)向漿體中緩慢加入微細鋼纖維，在轉速55～65rpm下攪拌2～3min，再于轉速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，養護，得到所述超高性能水泥基復合材料。
有益效果：本發明于現有技術相比，具有以下優點：
(1)能夠改善超高性能水泥基復合材料的早期收縮變形，提高基體的水化程度，優化孔隙結構，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性能不會產生不良影響。與同配合比的素水泥基復合材料相比，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
本發明的一種基于纖維素纖維內養護效應的超高性能水泥基復合材料，按照質量百分比，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、磨細高爐礦渣、天然火山灰、輕質鈣粉等的其中兩種或三種組成的膠凝材料體系；
細集料為最大粒徑不超過4.75mm的普通河砂，連續級配，細度模數為3～2.3；
微細鋼纖維為平均當量直徑小于0.25mm，平均長度小于15mm，抗拉強度大于2000MPa的鍍銅微細鋼纖維。
纖維素纖維為平均當量直徑小于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養護的超高性能水泥基復合材料的制備方法，包括以下步驟：
(1)先將水、細集料和纖維素纖維加入到攪拌機中，轉速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，轉速55～65rpm，攪拌3～5min，至形成漿體；
(3)向漿體中緩慢加入微細鋼纖維，在轉速55～65rpm下攪拌2～3min，再于轉速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，養護，得到所述超高性能水泥基復合材料。
下面以下實施例，對本發明做進一步說明。
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％和輕質鈣粉4.3％；細集料為最大粒徑是2.36mm的普通河砂，連續級配，細度模數2.6；微細鋼纖維直徑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合材料，標準養護28d后的性能如下：
抗折強度47.8MPa，抗壓強度125.5MPa，自收縮應變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％；細集料為最大粒徑是2.50mm的普通河砂，連續級配，細度模數2.4；微細鋼纖維直徑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合材料，標準養護28d后的性能如下：
抗折強度46.7MPa，抗壓強度128.4MPa，自收縮應變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高爐礦渣10.3％、天然火山灰10％；細集料為最大粒徑是4.75mm的普通河砂，連續級配，細度模數2.8；微細鋼纖維直徑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％；細集料為最大粒徑是3.55mm的普通河砂，連續級配，細度模數2.6；微細鋼纖維直徑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％、磨細高爐礦渣10％；細集料為最大粒徑是2.55mm的普通河砂，連續級配，細度模數2.4；微細鋼纖維直徑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。
以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出：對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。