本发明涉及土木工程技术领域，具体地指一种剑麻纳米纤维素超高韧性混凝土及其制备方法。
背景技术：
在纳米和原子层面，水泥基复合材料脆性断裂是因为陶瓷离子共价键在室温条件下允许有相对位移。在具有脆性力学性能的混凝土中添加纳米尺度的纤维素，对于其力学性能的改善具有十分重要的意义。在水泥材料中加入植物纳米纤维可以提供很好的应力桥接作用，增强混凝土的韧性、抗拉和抗弯性能。国外学者在水泥材料中掺入纳米纤维，改善混凝土开裂后的力学性能。通过力学实验研究表明，在混凝土中掺入纳米纤维可以改善混凝土的力学性能。植物纤维一般通过机械方法变成植物纳米纤维而非采用化学方法，减少了对植物纤维力学性能的损伤。通过机械的剪切力把几何尺寸量级在mm级的植物纤维变成几何尺寸在nm级的植物纳米纤维，由于几何形态的改变增加了比表面积，从而潜在的增加了与胶凝材料粘结力；由于混凝土孔隙呈碱性，破坏纳米纤维的离子键，即植物纳米纤维在碱性环境中发生水解反应，降低聚合度；因此，通过把植物纤维制作成纳米纤维掺入到水泥材料中以增强混凝土具有十分广阔的发展前景。由于植物纳米纤维可以增强混凝土抗裂性，延缓了外界有害离子的入侵(例如氯离子、硫酸根离子等等)提高了结构的耐久性，增加结构使用寿命，这极大节约经济成本以及资源的使用。综上所述，采用植物纳米纤维添加混凝土中具有极大的经济效益，对地方优势资源的利用和延伸产业链等提供新途径，对保护环境、促进地方经济的可持续健康发展有重要意义。
技术实现要素：
本发明的目的就是要提供一种剑麻纳米纤维超高韧性混凝土及其制备方法，该剑麻纳米纤维素超高韧性混凝土综合利用了粉煤灰、矿渣这两种固体废弃物，加上剑麻纳米纤维，通过合理调配和纳米纤维改性，所制备的剑麻纳米纤维超高韧性混凝土与普通混凝土相比，可以提高混凝土抗拉强度，增强混凝土的韧性，改善内部孔结构，低渗透性，提高混凝土耐久性能。
为实现上述目的，本发明所提供的剑麻纳米纤维超高韧性混凝土及其制备方法，按质量百分数计由如下组分组成：硅酸盐水泥5％～20％、粉煤灰0.8％～2％％、矿渣1.5％～6％、细骨料30％～40％、粗骨料40％～50％、水5％～10％、减水剂0.02％～0.3％、植物纳米纤维素0％～5％。
作为优选方案，剑麻纳米纤维超高韧性混凝土按质量百分数计由如下组分组成：硅酸盐水泥10％～15％、粉煤灰1.5％～2％％、矿渣2％～5％、细骨料30％～35％、粗骨料44％～48％、水5％～8％、减水剂0.1％～0.2％、植物纳米纤维素0％～1％。
作为最佳方案地，该剑麻纳米纤维超高韧性混凝土按质量百分数计由如下组分组成：硅酸盐水泥11.29％、粉煤灰1.61％、矿渣3.23％、细骨料33.57％、粗骨料44.34％、水6.97％、减水剂0.17％、植物纳米纤维素0.56％。
进一步地，所述的植物纳米纤维素为剑麻纳米纤维素。
进一步地，所述的剑麻纳米纤维素为以剑麻纤维浆(sp)为原料制备，将40.0g粉状剑麻纤维浆样品放入到氯酸钠(naocl)质量分数为10％～20％的420ml溶液中进行漂白，漂白时间为20～25分钟，漂白温度为150℃～170℃之间。
进一步地，所述的剑麻纳米纤维素是将漂白剑麻纤维浆(sp)在浓度为2m的氢氧化钠溶液中浸泡2h，温度为155℃～160℃。
进一步地，所述抑缩剂为聚羧酸盐高效减水剂、萘系减水剂中的一种或者两种。
进一步地，硅酸盐水泥为p·ii52.5硅酸盐水泥，所述粉煤灰为fii级低钙粉煤灰，所述矿渣为s95级磨细矿渣，其表面积为330～360m2/kg。。
本发明还提供了上述剑麻纳米纤维超高韧性混凝土的制备方法，包括如下步骤：
1)制备剑麻纳米纤维，将40.0g粉状剑麻纤维浆样品放入到氯酸钠(naocl)质量分数为10％～20％的420ml溶液中进行漂白，漂白时间为20～25分钟，漂白温度为150℃～170℃之间。将漂白剑麻纤维浆(sp)在浓度为2m的氢氧化钠溶液中浸泡2h，温度为155℃～160℃。采用蒸馏水清洗，直至样品ph值为中性。
(2)将步骤(1)进行去油脂和色素，用1.492g/ml的氯仿，纯度为99.8％的无水甲醇和蒸馏水按照体积比为4：2：1配置成混合溶液，将(1)中所得样品在混合溶液中浸泡20分钟，然后用蒸馏水冲洗样品直至ph值为中性；
3)将步骤2)样品与2m100mlhcl(1.1g/cm3)溶液混合，在100℃下静置10h，将得到湿的剑麻纳米纤维素，将湿的剑麻纳米纤维素在40℃下放置7天，将得到剑麻纳米纤维素的白色粉末。
4)按质量百分数计称硅酸盐水泥10％～15％、粉煤灰1.5％～2％％、矿渣2％～5％、细骨料30％～35％、粗骨料44％～48％、水5％～8％、减水剂0.1％～0.2％、步骤(3)制得的剑麻纳米纤维素0％～0.1％，备用；
5)将步骤4)所得的硅酸盐水泥、粉煤灰、矿渣、细骨料、粗骨料、减水剂、剑麻纳米纤维混合，放入混凝土搅拌机中搅拌15min，自然状态下养护28d即可。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
其一，本发明利用粉煤灰比表面积大，颗粒光滑，混凝土内加入粉煤灰改变了混凝土内原有的化学反应平衡，改变了各种矿物的含量，同时也改变了混凝土的微观结构。粉煤灰的影响主要有三个方面：①形态效应，水泥的是由各种不同的成分组成的复合材料，每种物质的几何外观、表面的物理性能以及化学效应等都存在着很大的差异，对于不同的组合将产生不同物理、化学效应。②活性效应，粉煤灰的活性效应分为两种，一种是固有的物理属性，一种是与物质的化学效应有关的化学活性。③微集料效应。粉煤灰加入可以增强混凝土的流动性，增加混凝土工作性能。
其二，本发明利用剑麻纳米纤维高抗拉强度的特点，剑麻纳米纤维改善混凝土内部结构，在混凝土微裂纹形成阶段，剑麻纳米纤维利用高抗拉强度在裂纹之间形成桥接作用，阻止了裂纹进一步的发展，从而提升了混凝土的韧性；同时，剑麻纳米纤维溶于水，解决常规纤维例如钢纤维、剑麻纤维等分散性差，导致混凝土性能不稳地的问题。
其三，本发明中剑麻纳米纤维原材料丰富，而且解决剑麻污染问题，价格低廉。剑麻是一种丝状藻类，覆盖沿海地区广，例如湖泊和海洋沿线；由藻类盛开，特别是在炎热的气候下，它们会覆盖整个水面，如果不能从水中去除，会引起湖泊、海水的富营养化，清除这些藻类对环境是有益的。
其四，本发明剑麻纳米纤维制备工艺简单，制备效率高。本发明中的剑麻纳米纤维经过漂白，硫酸水解等工艺既可以制备，与其他制备工艺相比，省去了离心机提纯等工艺，节约了能源的消耗，同时也提升的制备的速率。
其五，本发明中利用发电厂的高炉矿渣，解决固废污染问题。
其六，本发明制备工艺简单，原材料廉价易得，成本明显低于碳纤维和钢纤维混凝土。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
准备工作：批量制备剑麻纳米纤维(200g)
1)将40.0g粉状剑麻纤维浆样品放入到氯酸钠(naocl)质量分数为10％～20％的420ml溶液中进行漂白，漂白时间为20～25分钟，漂白温度为150℃～170℃之间。将漂白剑麻纤维浆(sp)在浓度为2m的氢氧化钠溶液中浸泡2h，温度为155℃～160℃。采用蒸馏水清洗，直至样品ph值为中性。
(2)将步骤(1)进行去油脂和色素，用1.492g/ml的氯仿，纯度为99.8％的无水甲醇和蒸馏水按照体积比为4：2：1配置成混合溶液，将(1)中所得样品在混合溶液中浸泡20分钟，然后用蒸馏水冲洗样品直至ph值为中性；
3)将步骤2)样品与2m100mlhcl(1.1g/cm3)溶液混合，在100℃下静置10h，将得到剑麻纳米纤维素，将湿的剑麻纳米纤维素在40℃下放置7天，将得到剑麻纳米纤维素的白色粉末。
4)重复步骤1)～3)直至制备剑麻纳米纤维达到200g以上，备用；
实施方案1
本实施例中所提供的剑麻纳米纤维素超高韧性混凝土的制备方法如下：
1)原材料的配比：按各组分质量百分数硅酸盐水泥11.29％、粉煤灰1.61％、矿渣3.23％、细骨料33.5％、粗骨料44.9％、水6.97％、减水剂0.17％、剑麻纳米纤维素0.00％。
2)将步骤1)所得的硅酸盐水泥、粉煤灰、矿渣、细骨料、粗骨料、水、减水剂、剑麻纳米纤维混合，放入混凝土搅拌机中搅拌15min，自然状态下养护28d即可。
实施方案2
本实施例中所提供的剑麻纳米纤维素超高韧性混凝土的制备方法如下：
1)原材料的配比：按各组分质量百分数硅酸盐水泥11.29％、粉煤灰1.61％、矿渣3.23％、细骨料33.5％、粗骨料44.9％、水6.97％、减水剂0.17％、剑麻纳米纤维素0.06％。
2)将步骤1)所得的硅酸盐水泥、粉煤灰、矿渣、细骨料、粗骨料、水、减水剂、剑麻纳米纤维混合，放入混凝土搅拌机中搅拌15min，自然状态下养护28d即可。
实施方案3
本实施例中所提供的剑麻纳米纤维素超高韧性混凝土的制备方法如下：
1)原材料的配比：按各组分质量百分数硅酸盐水泥11.29％、粉煤灰1.61％、矿渣3.23％、细骨料33.5％、粗骨料44.9％、水6.97％、减水剂0.17％、剑麻纳米纤维素0.14％。
2)将步骤1)所得的硅酸盐水泥、粉煤灰、矿渣、细骨料、粗骨料、水、减水剂、剑麻纳米纤维混合，放入混凝土搅拌机中搅拌15min，自然状态下养护28d即可。
实施方案4
本实施例中所提供的剑麻纳米纤维素超高韧性混凝土的制备方法如下：
1)原材料的配比：按各组分质量百分数硅酸盐水泥11.29％、粉煤灰1.61％、矿渣3.23％、细骨料33.5％、粗骨料44.9％、水6.97％、减水剂0.17％、剑麻纳米纤维素0.28％。
2)将步骤1)所得的硅酸盐水泥、粉煤灰、矿渣、细骨料、粗骨料、水、减水剂、剑麻纳米纤维混合，放入混凝土搅拌机中搅拌15min，自然状态下养护28d即可。
实施方案5
本实施例中所提供的剑麻纳米纤维素超高韧性混凝土的制备方法如下：
1)原材料的配比：按各组分质量百分数硅酸盐水泥11.29％、粉煤灰1.61％、矿渣3.23％、细骨料33.5％、粗骨料44.9％、水6.97％、减水剂0.17％、剑麻纳米纤维素0.42％。
2)将步骤1)所得的硅酸盐水泥、粉煤灰、矿渣、细骨料、粗骨料、水、减水剂、剑麻纳米纤维混合，放入混凝土搅拌机中搅拌15min，自然状态下养护28d即可。
实施方案6
本实施例中所提供的剑麻纳米纤维素超高韧性混凝土的制备方法如下：
1)原材料的配比：按各组分质量百分数硅酸盐水泥11.29％、粉煤灰1.61％、矿渣3.23％、细骨料33.5％、粗骨料44.9％、水6.97％、减水剂0.17％、剑麻纳米纤维素0.56％。
2)将步骤1)所得的硅酸盐水泥、粉煤灰、矿渣、细骨料、粗骨料、水、减水剂、剑麻纳米纤维混合，放入混凝土搅拌机中搅拌15min，自然状态下养护28d即可。
实施方案7
本实施例中所提供的剑麻纳米纤维素超高韧性混凝土的制备方法如下：
1)原材料的配比：按各组分质量百分数硅酸盐水泥11.29％、粉煤灰1.61％、矿渣3.23％、细骨料33.5％、粗骨料44.9％、水6.97％、减水剂0.17％、剑麻纳米纤维素0.71％。
2)将步骤1)所得的硅酸盐水泥、粉煤灰、矿渣、细骨料、粗骨料、水、减水剂、剑麻纳米纤维混合，放入混凝土搅拌机中搅拌15min，自然状态下养护28d即可。
对实施方案1～7所制备的剑麻纳米纤维素超高韧性混凝土进行了性能测试，试验配比见表1，测试结果见表2。
表1剑麻纳米纤维超高韧性混凝土配合比(kg/m3)
表2测试结果
从表1和表2试验结果可以看出，采用实施方案1～7所述的剑麻纳米纤维超高韧性混凝土具有高效的抗拉性能，这表明剑麻纳米纤维的加入可以有效的提升混凝土的韧性，加入0.56％剑麻纳米纤维的混凝土抗拉强度是普通混凝土的2.97倍数。
上述实施案例只为说明本发明的技术方案及特点，其目的在于更好的让熟悉该技术的人士予以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，均在本发明保护范围之内。