本发明涉及混凝土材料领域，特别是涉及一种活性粉末混凝土及其制备方法与用途。
背景技术：
活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete，以下简称RPC)是继高强、高性能混凝土之后，出现的一种力学性能、耐久性能都非常优越的新型建筑材料。它是由DSP(Densified System containing ultra-fine Particles)材料与纤维增强材料相复合的高技术混凝土。现有RPC在使用过程中，存在钢纤维与浆体结合欠佳；RPC构件虽然压折比与普通混凝土相比有较大的提高，但RPC在水化后，界面微裂纹仍然大量存在，在浆体内部存在大量的微细晶格缺陷，严重影响RPC的强度发挥。
技术实现要素：
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种活性粉末混凝土及其制备方法与用途，用于改善现有技术中活性粉末混凝土钢纤维易拔出、断裂能较低、强度增长不好、界面微裂纹、晶格缺陷等问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明第一方面提供一种活性粉末混凝土，包括如下重量份的原料：水泥400～1000份、改性超微粉100～500份、改性钢纤维50～200份、石英砂900～1300份、石英粉100-220份、外加剂10～30份、水100～250份。
优选地，所述水泥为P.052.5、P.O42.5、P.I52.5、P.I42.5中的一种或几种组合。
进一步地，所述石英砂的粒径为40-200目，石英砂中SiO2的质量含量≥97％。
进一步地，所述石英粉的粒径为400-1000目，石英粉中SiO2的质量含量≥97％。
进一步地，所述外加剂为聚羧酸减水剂，减水率≥30％。
进一步地，所述改性超微粉包括如下重量份的原料：矿渣粉0～30份、硅微粉10～30份、晶须1～5份、偶联剂稀释液0.2～0.6份。
优选地，所述矿渣粉为S95级矿渣粉，符合《GB/T 18046-2008用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》。
优选地，所述硅微粉的比表面积≥20m2/kg。
优选地，所述晶须为硫酸钙晶须、碳酸钙晶须、硼酸铝晶须中的一种或几种组合，其长径比大于20。
优选地，所述偶联剂稀释液为硅烷偶联剂稀释液或钛酸酯偶联剂稀释液，硅烷偶联剂稀释液为硅烷偶联剂与无水乙醇的混合液，钛酸酯偶联剂稀释液为钛酸酯偶联剂与液体石蜡的混合液。
更优选地，所述硅烷偶联剂稀释液中硅烷偶联剂的含量为1-5wt％；所述钛酸酯偶联剂稀释液中钛酸酯偶联剂的含量为10-50wt％。
更优选地，所述硅烷偶联剂为KH560等，所述钛酸酯偶联剂为TMS200等。
进一步地，所述改性钢纤维包括如下重量份的原料：钢纤维5～10份、硅烷偶联剂稀释液0.01～0.5份。
进一步地，所述钢纤维为表面镀铜钢纤维、不锈钢纤维中一种或两种组合。
优选地，所述钢纤维直径为0.1～0.25mm，长度为12～15mm。
优选地，所述硅烷偶联剂稀释液为硅烷偶联剂、无水乙醇的混合液，稀释液中硅烷偶联剂的质量浓度为1-5％。
更优选地，所述硅烷偶联剂稀释液中硅烷偶联剂的质量浓度为2.5％。
更优选地，所述硅烷偶联剂为氨丙基三乙氧基硅烷、缩水甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷、巯丙基三乙氧基硅烷中的一种或几种组合。
本发明第二方面提供上述活性粉末混凝土的制备方法，包括如下步骤：
1)制备改性钢纤维：按配方量将硅烷偶联剂喷洒至钢纤维表面，干燥，制得所述改性钢纤维，备用；干燥的方式可以为晾晒或室内干燥，目的是使得钢纤维表面干燥，让羧基充分沉淀至钢纤维表面，形成均匀硅烷膜。
2)制备改性超微粉：按配方量将矿渣粉、硅微粉、晶须混合，粉磨，加入偶联剂稀释液进行表面改性，制得所述改性超微粉。
3)制备活性粉末混凝土浆体：按配方量将石英砂、石英粉、步骤1)制得的改性钢纤维、水泥、步骤2)制得的改性超微粉混合，搅拌混匀，备用；将外加剂加入水中形成外加剂水溶液，再将该外加剂的水溶液加入上述混合物中，制得所述活性粉末混凝土浆体。
4)入模：将步骤3)制得的活性粉末混凝土浆体放入模具，静置使得浆体固化。
5)初养：将步骤4)中固化的活性粉末混凝土与模具一起放入养护室，进行养护，结束后冷却至室温。
6)脱模：将活性粉末混凝土及其模具移出养护室，脱模。
7)终养：将脱模后的活性粉末混凝土移至养护室中进行养护，结束后冷却至室温。
8)将步骤7)制得的活性粉末混凝土移至室内，在室温下自然保湿养护7天以上，制得活性粉末混凝土成品。
进一步地，步骤4)中，静置时间为4～8h。
进一步地，步骤5)和步骤7)中，养护方式为蒸汽养护或蒸压养护。
进一步地，步骤5)和步骤7)中的养护方式为蒸汽养护时，步骤5)中升温至40±5℃，步骤7)中升温至70±5℃，升温速度≤12℃/h，养护结束后冷却至室温，降温速度≤15℃/h，控制其内应力的骤变。
本发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。本发明活性粉末混凝土在预应力结构、预制构件、钢管混凝土、大尺寸构件、耐磨耐腐蚀结构、抗辐射结构等中均有广泛的用途。
如上所述，本发明的一种活性粉末混凝土及其制备方法与用途，具有以下有益效果：本发明将钢纤维通过硅烷偶联剂表面改性，增加浆体对钢纤维的握裹力；将晶须掺入硅微粉中，并通过偶联剂改性，改善混凝土界面，并利用晶须直径非常小、无宏观缺陷、原子排列高度有序、强度接近于完整晶体的理论值、机械强度高等优点，改善RPC的强度、弹性模量等。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
实施例1
一种活性粉末混凝土，包括如下重量份的原料：
水泥460份、改性超微粉450份、改性钢纤维128份、石英砂1180份、石英粉180份、外加剂23份、水167份。
改性钢纤维的原料及重量比为镀铜钢纤维：氨丙基三乙氧基硅烷偶联剂稀释液＝10：0.3，钢纤维直径为0.1～0.25mm，长度为12～15mm，改性超微粉的原料及重量比为矿渣粉：硅微粉：硫酸钙晶须：氨丙基三乙氧基硅烷偶联剂稀释液＝10：10：2.5：0.4。水泥为普通硅酸盐52.5级水泥(符合《GB175-2007通用硅酸盐水泥》)；矿渣粉为S95级(符合《GB/T18046-2008用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》)；外加剂为聚羧酸减水剂(减水率≥30％，符合《JG/T 223-2007聚羧酸系高性能减水剂》)。
上述活性粉末混凝土材料的制备方法包括如下步骤：
1)按配方量将表面清洗后的钢纤维、硅烷偶联剂稀释液混合，具体地，将硅烷偶联剂用无水乙醇稀释至硅烷偶联剂的浓度为2.5wt％的稀释液，均匀喷洒至摊铺开的钢纤维表面，晾晒60分钟，待表面干燥，让羧基充分沉淀至钢纤维表面，制得所述改性钢纤维。
2)按配方量将矿渣粉、硅微粉、晶须混合，喷入硅烷偶联剂KH560稀释液(硅烷偶联剂KH560与无水乙醇的混合液，稀释液中硅烷偶联剂KH560的含量为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)按配方量将按配方量将石英砂、石英粉、步骤1)制得的改性钢纤维、水泥、步骤2)制得的改性超微粉混合，搅拌3～8分钟；按配方量将外加剂与水混合，使得外加剂被稀释成水溶液，再将该水溶液加入上述混合物中，搅拌2～5分钟，制得所述活性粉末混凝土浆体。
4)入模：将步骤3)制得的活性粉末混凝土浆体放入模具，静置6h使得浆体固化。
5)初养：将步骤4)中固化的活性粉末混凝土按12℃/h的速率升温至40±5℃，并保持该温度蒸汽养护24h，再按15℃/h的速率降温至室温。
6)脱模：将活性粉末混凝土及其模具移出蒸汽养护室，脱模。
7)终养：将脱模后的活性粉末混凝土移至蒸汽养护室中，按12℃/h的速率升温至70±5℃，蒸汽养护72h，再按15℃/h的速率降温至室温。
8)将步骤7)制得的活性粉末混凝土移至室内，在室温下自然保湿养护7天以上，制得活性粉末混凝土成品。
所得活性粉末混凝土试件性能为：抗压强度135.7MPa，抗折强度20.3MPa。
实施例2
一种活性粉末混凝土，包括如下重量份的原料：
水泥480份、改性超微粉400份、改性钢纤维156份、石英砂1150份、石英粉200份、外加剂22份、水170份。
改性钢纤维的原料及重量比为不锈钢纤维：缩水甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷稀释液＝10：0.25，钢纤维直径为0.1～0.25mm，长度为12～15mm；改性超微粉的原料及重量比为矿渣粉：硅微粉：硫酸钙晶须：氨丙基三乙氧基硅烷偶联剂稀释液＝10：20：3：0.5。水泥为普通硅酸盐42.5级水泥与52.5级水泥混合物(符合《GB175-2007通用硅酸盐水泥》)；矿渣粉为S95级(符合《GB/T 18046-2008用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》)；外加剂为聚羧酸减水剂(减水率≥30％，符合《JG/T 223-2007聚羧酸系高性能减水剂》)。
上述活性粉末混凝土材料的制备方法包括如下步骤：
1)按配方量将不锈钢纤维、硅烷偶联剂混合，具体地，将硅烷偶联剂用无水乙醇稀释至硅烷偶联剂的浓度为2.5wt％的稀释液，均匀喷洒至摊铺开的钢纤维表面，晾晒60分钟，待表面干燥，让羧基充分沉淀至钢纤维表面，制得所述改性钢纤维。
2)按配方量将矿渣粉、硅微粉、晶须混合，喷入氨丙基三乙氧基硅烷偶联剂稀释液(硅烷偶联剂与无水乙醇的混合液，稀释液中硅烷偶联剂的含量为2.5wt％)，粉磨，制得所述改性超微粉。
3)按配方量将按配方量将石英砂、石英粉、步骤1)制得的改性钢纤维、水泥、、步骤2)制得的改性超微粉混合，搅拌3～8分钟；按配方量将外加剂与水混合，使得外加剂被稀释成水溶液，再将该水溶液加入上述混合物中，搅拌2～5分钟，制得所述活性粉末混凝土浆体。
4)入模：将步骤3)制得的活性粉末混凝土浆体放入模具，静置8h使得浆体固化。
5)初养：将步骤4)中固化的活性粉末混凝土按12℃/h的速率升温至40±5℃，并保持该温度蒸汽养护24h，再按15℃/h的速率降温至室温。
6)脱模：将活性粉末混凝土及其模具移出蒸汽养护室，脱模。
7)终养：将脱模后的活性粉末混凝土移至蒸汽养护室中，按12℃/h的速率升温至70±5℃，蒸压养护96h，再按15℃/h的速率降温至室温。
8)将步骤7)制得的活性粉末混凝土移至室内，在室温下自然保湿养护7天以上，制得活性粉末混凝土成品。
所得活性粉末混凝土试件性能为：抗压强度131.4MPa，抗折强度23.1MPa。
实施例3
一种活性粉末混凝土，包括如下重量份的原料：
水泥450份、改性超微粉400份、改性钢纤维165份、石英砂1160份、石英粉220份、外加剂30份、水165份。
改性钢纤维的原料及重量比为镀铜钢纤维与不锈钢纤维混合物：巯丙基三乙氧基硅烷稀释液＝10：0.3，钢纤维直径为0.1～0.25mm，长度为12～15mm；改性超微粉的原料及重量比为矿渣粉：硅微粉：硫酸钙晶须：氨丙基三乙氧基硅烷偶联剂稀释液＝15：25：3.5：0.5。水泥为普通硅酸盐52.5级水泥(符合《GB175-2007通用硅酸盐水泥》)；矿渣粉为S95级(符合《GB/T 18046-2008用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》)；外加剂为聚羧酸减水剂(减水率≥30％，符合《JG/T 223-2007聚羧酸系高性能减水剂》)。
上述活性粉末混凝土材料的制备方法包括如下步骤：
1)按配方量将钢纤维、硅烷偶联剂混合，具体地，将硅烷偶联剂用无水乙醇稀释至硅烷偶联剂的浓度为2.5wt％的稀释液，均匀喷洒至摊铺开的钢纤维表面，晾晒60分钟，待表面干燥，让羧基充分沉淀至钢纤维表面，制得所述改性钢纤维。
2)按配方量将矿渣粉、硅微粉、晶须混合，喷入氨丙基三乙氧基硅烷偶联剂稀释液(氨丙基三乙氧基硅烷偶联剂稀释液为氨丙基三乙氧基硅烷偶联剂与无水乙醇的混合液，稀释液中氨丙基三乙氧基硅烷偶联剂的含量为2.5wt％)，粉磨12min，制得所述改性超微粉。
3)按配方量将按配方量将石英砂、石英粉、水泥、步骤1)制得的改性钢纤维、步骤2)制得的改性超微粉混合，搅拌3～8分钟，将外加剂用适量水稀释成水溶液，加入上述混合物中，搅拌2～5分钟，最后加入剩余量的水，搅拌2～5分钟，制得所述活性粉末混凝土浆体。
4)入模：将步骤3)制得的活性粉末混凝土浆体放入模具，静置8h使得浆体固化。
5)初养：将步骤4)中固化的活性粉末混凝土按12℃/h的速率升温至40±5℃，并保持该温度蒸汽养护36h，再按12℃/h的速率降温至室温。
6)脱模：将活性粉末混凝土及其模具移出蒸汽养护室，脱模。
7)终养：将脱模后的活性粉末混凝土移至蒸汽养护室中，按12℃/h的速率升温至70±5℃，蒸汽养护96h，再按12℃/h的速率降温至室温。
8)将步骤7)制得的活性粉末混凝土移至室内，在室温下自然保湿养护7天以上，制得活性粉末混凝土成品。
所得活性粉末混凝土试件性能为：抗压强度137.4MPa，抗折强度23.9MPa。
实施例4
一种活性粉末混凝土，包括如下重量份的原料：
水泥600份、改性超微粉270份、改性钢纤维170份、石英砂1160份、石英粉210份、外加剂26份、水170份。
改性钢纤维的原料及重量比为镀铜钢纤维与不锈钢纤维混合物：巯丙基三乙氧基硅烷与缩水甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷的混合稀释液＝10：0.3，钢纤维直径为0.1～0.25mm，长度为12～15mm；改性超微粉的原料及重量比为矿渣粉：硅微粉：硫酸钙晶须：钛酸酯偶联剂TMS200的稀释液＝15：30：4：0.5。水泥为普通硅酸盐42.5级水泥(符合《GB175-2007通用硅酸盐水泥》)；矿渣粉为S95级(符合《GB/T 18046-2008用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》)；外加剂为聚羧酸减水剂(减水率≥30％，符合《JG/T 223-2007聚羧酸系高性能减水剂》)。
上述活性粉末混凝土材料的制备方法包括如下步骤：
1)按配方量将钢纤维、硅烷偶联剂稀释液混合，具体地，将硅烷偶联剂用无水乙醇稀释至硅烷偶联剂的浓度为2.5wt％的稀释液，均匀喷洒至摊铺开的钢纤维表面，晾晒60分钟，待表面干燥，让羧基充分沉淀至钢纤维表面形成均匀硅烷膜，制得所述改性钢纤维。
2)按配方量将矿渣粉、硅微粉、晶须混合，喷入钛酸酯偶联剂TMS200的稀释液(钛酸酯偶联剂TMS200的稀释液为钛酸酯偶联剂TMS200与液体石蜡的混合液，稀释液中钛酸酯偶联剂TMS200的含量为50wt％)，粉磨12min，制得所述改性超微粉。
3)按配方量将按配方量将石英砂、石英粉、水泥、步骤1)制得的改性钢纤维、步骤2)制得的改性超微粉混合，搅拌3～8分钟；将外加剂用适量水稀释成水溶液，加入上述混合物中，搅拌2～5分钟，最后加入剩余量的水，搅拌2～5分钟，制得所述活性粉末混凝土浆体。
4)入模：将步骤3)制得的活性粉末混凝土浆体放入模具，静置8h使得浆体固化。
5)初养：将步骤4)中固化的活性粉末混凝土按12℃/h的速率升温至40±5℃，并保持该温度蒸汽养护36h，再按12℃/h的速率降温至室温。
6)脱模：将活性粉末混凝土及其模具移出养护室，脱模。
7)终养：将脱模后的活性粉末混凝土移至蒸汽养护室中，按12℃/h的速率升温至70±5℃，蒸汽养护96h，再按12℃/h的速率降温至室温。
8)将步骤7)制得的活性粉末混凝土移至室内，在室温下自然保湿养护7天以上，制得活性粉末混凝土成品。
所得活性粉末混凝土试件性能为：抗压强度130.6MPa，抗折强度26.3MPa。
实施例5
一种活性粉末混凝土，包括如下重量份的原料：
水泥620份、改性超微粉250份、改性钢纤维175份、石英砂1150份、石英粉210份、外加剂28份、水168份。
改性钢纤维的原料及重量比为镀铜钢纤维与不锈钢纤维混合物：巯丙基三乙氧基硅烷和缩水甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷的混合稀释液＝10：0.3，钢纤维直径为0.1～0.25mm，长度为12～15mm；改性超微粉的原料及重量比为矿渣粉：硅微粉：硫酸钙晶须：钛酸酯偶联剂TMS200的稀释液＝15：35：4：0.4。水泥为普通硅酸盐42.5级水泥(符合《GB175-2007通用硅酸盐水泥》)；矿渣粉为S95级(符合《GB/T 18046-2008用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》)；外加剂为聚羧酸减水剂(减水率≥30％，符合《JG/T 223-2007聚羧酸系高性能减水剂》)。
上述活性粉末混凝土材料的制备方法包括如下步骤：
1)按配方量将钢纤维、硅烷偶联剂稀释液混合，具体地，将硅烷偶联剂用无水乙醇水解、稀释至硅烷偶联剂的浓度为2.5wt％的稀释液，均匀喷洒至摊铺开的钢纤维表面，晾晒60分钟，待表面干燥，让羧基充分沉淀至钢纤维表面形成均匀硅烷膜，制得所述改性钢纤维。
2)按配方量将磨细矿渣粉、硅微粉、晶须混合，喷入钛酸酯偶联剂TMS200的稀释液(钛酸酯偶联剂TMS200的稀释液为钛酸酯偶联剂TMS200与液体石蜡的混合液，稀释液中钛酸酯偶联剂TMS200的含量为50wt％)，粉磨12min，制得所述改性超微粉。
3)按配方量将石英砂、石英粉、水泥、步骤1)制得的改性钢纤维、步骤2)制得的改性超微粉混合，搅拌3～8分钟；将外加剂用适量水稀释成水溶液，加入上述混合物中，搅拌2～5分钟，最后加入剩余量的水，搅拌2～5分钟，制得所述活性粉末混凝土浆体。
4)入模：将步骤3)制得的活性粉末混凝土浆体放入模具，静置8h使得浆体固化。
5)初养：将步骤4)中固化的活性粉末混凝土按12℃/h的速率升温至40±5℃，并保持该温度蒸汽养护36h，再按12℃/h的速率降温至室温。
6)脱模：将活性粉末混凝土及其模具移出蒸汽养护室，脱模。
7)蒸压养护：将脱模后的活性粉末混凝土移至蒸汽养护室中，按12℃/h的速率升温至70±5℃，蒸汽养护96h，再按12℃/h的速率降温至室温。
8)将步骤7)制得的活性粉末混凝土移至室内，在室温下自然保湿养护7天以上，制得活性粉末混凝土成品。
所得活性粉末混凝土试件性能为：抗压强度131.1MPa，抗折强度27.5MPa。
综上所述，本发明通过偶联剂对钢纤维表面改性后，大量的羧基沉积在钢纤维表面，进一步增加浆体对钢纤维的包裹力，改善钢纤维与浆体的微观界面。利用晶须有一定的长径比、其强度接近理论晶格强度的优势，并通过偶联剂对超微粉体表面改性，增加其分散性及分子间互穿性。
本发明根据无机晶须无宏观缺陷、晶体强度接近完整晶体的理论值、机械强度等于邻近原子间力的特性，通过晶须的加入，改善RPC的相关性能，提高抗压强度和抗折强度以满足不同的施工要求，钢纤维与浆体包裹性好，断裂能较高，强度增长好，界面微裂纹减少。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。