本发明涉及非金属材料制造技术领域，具体涉及一种用于复杂结构的超流态、高韧性水泥基材料及其制备与施工方法。
背景技术：
现代建筑工程材料中，水泥基材料作为用量最大、应用范围最广的建筑材料之一，在土木工程各领域(如市政、交通、海洋及地下工程等)得到了广泛。由于普通水泥基材料是抗压强度高、抗拉强度低的脆性材料，当其局部拉应力或剪切应力过大，将导致主拉应力大于自身抗拉剪切强度，进而产生脆性断裂，降低其结构的安全度和耐久性。而目前提高水泥基材料韧性的方式绝大部分通过加筋、纤维等方式，并取得了较好的成效。
随着建筑结构使用环境日趋复杂，并且向着更具有美观、面积更大、楼层更高等方向发展。如一些建筑外墙水泥飘窗、镂空预制构件、预制转角外墙、预制空调板、预制叠合楼板，该类构件形状复杂，尺寸超宽，绑扎钢筋较为困难。普通水泥基材料已无法满足该类建筑结构、预制构件的工程质量、耐久性能及施工进度等要求，同时也无法消除施工的噪声，难以满足环境保护等要求。因此，对于复杂的建筑结构或预制构件，务必使用高流动性的超流态水泥基材料。
目前，绝大部分高流动性水泥基材料韧性、抗拉强度、抗弯强度较差，往往通过纤维对其进行改性(如钢纤维、碳纤维、陶瓷纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、聚酯纤维、聚乙烯醇纤维、聚丙烯纤维、玄武岩纤维、木质纤维等)，但纤维改性后水泥基材料在流动、泵送等工作性能方面大幅度下降，如钢纤维密度过重导致其下沉，有机丝状或绒状纤维由于自身的柔软性发生团聚、上浮等现象，该类现象不仅降低了纤维超流态水泥基材料的力学性能和工作性能，而且还限制了高流态水泥基材料在复杂形状的建筑结构或预制构件中的应用。
因此，科学研究者们致力于水泥基材料不仅要面向超流态、高强、高韧性方向发展，还要开发或改进水泥基材料以适应复杂更高要求的建筑工程结构。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种超流态、高韧性水泥基材料及其制备与施工方法，采用胶凝材料、矿物掺合料等材料，产品具有流平性能好，坍落度、扩展度大，黏度低，施工过程中易于泵送，抗折强度、抗弯强度等力学性能优异等优点，可用于复杂结构的预制。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种超流态、高韧性水泥基材料，包括如下组分及其质量份数：胶凝材料200～500份、矿物掺合料300～600份、细集料300～500份、纤维8～20份、流平组分0.02～0.2份、减水组分8～25份、缓凝组分0.05～0.15份、引气组分0.01～0.1份、乳液组分10～30份、水60～100份。
根据以上方案，包括如下组分及其质量份数：胶凝材料265～385份、矿物掺合料350～450份、细集料370～430份、纤维组分10～16份、流平组份0.07～0.15份、减水组分12～20份、缓凝组分0.08～0.12份、引气组分0.08～0.1份、乳液组分15～25份、水70～90份。
根据以上方案，所述胶凝材料为强度等级不低于525的硅酸盐水泥，如po或pc。
根据以上方案，所述矿物掺合料中玻璃体的质量含量不低于50％，包括硅灰、粉煤灰、高炉矿渣中的任意一种或一种以上的混合物。
根据以上方案，所述硅灰中sio2的质量含量不低于90％，所述粉煤灰的质量等级为ii级及以上，所述高炉矿渣的活性指数不低于s95；所述硅灰的比表面积大于15000m2/kg，所述粉煤灰、高炉矿渣的比表面积均大于400m2/kg。
根据以上方案，所述细集料为石英砂或天然河砂，细度模数在1.6-2.2之间，泥块含量为0，含泥量小于0.5wt％。
根据以上方案，所述细集料的堆积空隙率小于30％、表观密度为大于2500kg/m3、粒径为120-200目的占10-30wt％、80-120目的占30-60wt％、40-80目的占30-60wt％。
根据以上方案，所述纤维为体积比为1:0.2～1:0.5的有机纤维与钢纤维的复合物，长度为3～8mm，长径比为20～30。
根据以上方案，所述有机纤维的抗拉强度不低于1200mpa，为片状或块状的芳纶纤维、碳纤维或聚乙烯醇纤维；所述钢纤维为针状、抗拉强度不低于2850mpa。
根据以上方案，所述流平组分为改性的有机硅烷类，所述改性组分包括聚醚聚酯、烷基等端基。
根据以上方案，所述减水组分为固含量不低于38％、减水率大于35％的聚羧酸减水剂。
根据以上方案，所述缓凝组分为羟基羧酸及盐类、含糖的碳水化合物或无机盐类中的任意一种或两种的混合物。
根据以上方案，所述引气组分为松香类、脂肪醇类、烷基苯磺酸盐、木质素磺酸盐或皂苷类。
根据以上方案，所述乳液组分为固含量不低于48wt％、ph小于6的丁苯乳液、苯丙乳液、丙烯酸乳液或乙烯-醋酸乙烯酯乳液。
一种超流态、高韧性水泥基材料的制备方法，包括如下步骤：
1)将细集料通过方孔与圆孔标准筛进行混筛，筛分后的细集料进行级配至细度模数在1.8～2.2之间；
2)将流平组分、减水组分、缓凝组分、引气组分、乳液组分与水混合；
3)将胶凝材料、矿物掺合料、级配好的细集料预混3min以上，在5～30s内加入水与流平组分、减水组分、缓凝组分、引气组分、乳液组分的混合物，搅拌时间为5～15min，搅拌结束后投入纤维，加料时间不得低于30s，继续拌合3～5min，即得成品。
一种超流态、高韧性水泥基材料的施工方法，包括如下步骤：
将复杂结构预制构件(如异性结构、镂空结构等)模具进行涂刷脱模剂、组装，其中模具可为塑料、硅胶、木模或钢模，模具灌注口进行密封，并留出3～10个排气口及1～3个灌注口，灌注口处接高度不低于30cm的圆形或方形漏斗，模具与水平线成20-45°，将所述超流态、高韧性水泥基材料通过漏斗导入，当排气口冒出浆体时，停止灌注。
本发明的有益效果是：
1)本发明的水泥基材料流动性好，扩展度在630mm以上，坍落度不低于260mm，浇筑过程无需振动，一次浇筑成型；间隙通过性较优，并且在新拌混合物中，有机纤维未出现结团、团聚等现象，同时钢纤维也未下沉；材料的高流动性在镂空、异性等复杂结构的浇筑过程中具有较大优势，并且其高韧性赋予其高耐久性，可用于预制外墙挂板、预制飘窗装饰、预制转角外墙、预制整体厨房卫生间、预制空调板、预制楼梯及其他复杂预制的装饰构件等制备；
2)本发明的钢纤维与有机纤维的复合效应，相互取长补短使水泥基材料力学性能好，高弹模的钢纤维具有较高强度和延性，使水化产物、细集料与纤维三者之间形成致密网络结构，体系内基本无结构薄弱区，能优化混凝土的力学性能和耐久性能，尤其在断裂韧性、弯曲韧性等指数可大幅度提高，低弹模的有机纤维在早期还可以约束其前后期裂缝的产生；
3)聚合物乳液在拌合过程中其细乳液颗粒与产生的气泡，以及高含量玻璃体的矿物掺合料与多级配的细集料，不仅对体系的流动性起到较好“滚珠”润滑作用，对抑制纤维的团聚、沉降等现象具有较大的贡献，聚合物乳液在后期形成高韧性聚合物膜，且穿插于水化产物中间，形成三维的网状结构，对水泥基材料的延展性与韧性具有较大幅度的改善；
4)本发明的水泥基材料，颜色可调，可根据不同需求加入一定量的色粉或色浆。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的技术方案进行说明。
实施例1：
本发明提供一种超流态、高韧性水泥基材料，包括如下组分及其质量份数：525等级硅酸盐水泥300份、粉煤灰200份、硅灰170份、细集料400份、钢纤维4份、碳纤维10份、流平组分0.11份、减水组分15份、缓凝组分0.1份、引气组分0.08份、乳液组分16份、水80份，其制备与施工方法为：
1)原材料准备：原材料必须处于干燥常温的环境下存放，对需要浇筑的试模进行清理出尘、出污垢，并涂刷脱模油、脱模剂或脱模粉，静置时间不低于30min；用胶带对模具灌注口进行密封，并留出3～10个排气口及1～3个灌注口，灌注口处接高度不低于30cm的方形或圆形漏斗；
2)材料制备：将准备的原材料分4次投入卧式搅拌机内，先将胶凝材料、细集料、有机纤维投入搅拌机内，以转速不低于60r/min干混2min；将水和流平组分、减水组分、缓凝组分、引气组分、乳液组分的混合物分两次加入，首先加入70％～80％的水和流平组分、减水组分、缓凝组分、引气组分、乳液组分的混合物，以转速不低于80r/min搅拌3～5min，待扩展度达600mm以上；加入纤维，以转速不低于60r/min搅拌2min，继续拌合2min以上；最后，加入余下的20～30％的水和流平组分、减水组分、缓凝组分、引气组分、乳液组分的混合物，以转速不低于80r/min继续搅拌3～5min，即可出机；
3)灌注：通过人工浇筑或机械泵送，将新拌水泥基材料导入漏斗进行灌注，灌注过程中直到冒口出现该材料即可结束，在相对湿度不低于90％，温度20±1℃环境下养护1～3d。
实施例2：
本发明提供一种超流态、高韧性水泥基材料，包括如下组分及其质量份数：425等级硅酸盐水泥330份、高炉矿渣100份、硅灰250份、细集料410份、钢纤维3份、聚乙烯醇纤维12份、流平组份0.1份、减水组分18份、缓凝组分0.08份、引气组分0.1份、乳液组分19份、水77份，其制备与施工方法同实施例1。
实施例3：
本发明提供一种超流态、高韧性水泥基材料，包括如下组分及其质量份数：425等级硅酸盐水泥350份、粉煤灰120份、硅灰230份、细集料420份、钢纤维5份、芳纶纤维11份、流平组份0.13份、减水组分20份、缓凝组分0.12份、引气组分0.1份、乳液组分23份、水75份，其制备与施工方法同实施例1。
实施例4：
本发明提供一种超流态、高韧性水泥基材料，包括如下组分及其质量份数：525等级硅酸盐水泥270份、粉煤灰115份、硅灰300份、细集料390份、钢纤维4份、碳纤维12份、流平组份0.15份、减水组分18份、缓凝组分0.09份、引气组分0.09份、乳液组分21份、水73份，其制备与施工方法同实施例1。
上述4个实施例测试方法按行业标准gb/t50080-2002《普通混凝土拌合物性能试验方法》进行工作性能测试，根据gb/t50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》、gb/t15231-2008《玻璃纤维增强水泥性能试验方法》测试力学性能，其结果见下表所示：
从以上制备、施工及分析数据可知，本发明的水泥基材料流平性能好，坍落度、扩展度大，黏度低，并且纤维均匀分布其中，无沉降、团聚等现象，在施工过程中易于泵送，无需震动，缩短施工周期，且降低了施工难度；同时在抗折、抗弯强度，弹性模量、抗冲击等方面表现出优异的力学性能，弯曲指数、断裂指数得到显著提高，在极限拉伸荷载情况下表现出韧性断裂或应变硬化特征，可用于复杂结构预制构件，如异型构件、镂空构件、薄壁构件等。
以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的相关技术人员应当理解：可以对本发明进行修改或者同等替换，但不脱离本发明精神和范围的任何修改和局部替换均应涵盖在本发明的权利要求范围内。