改性处理对3D打印稻草纤维水泥基复合材料性能的影响

doi:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2025.0622

摘要/Abstract

摘要：

为探索植物纤维在3D打印水泥基材料领域中的应用，本研究以稻草纤维为外掺纤维，探讨了沸煮处理和高锰酸钾溶液处理对稻草纤维的改性效果，以及两种改性方法对3D打印稻草纤维水泥基复合材料性能的影响。结果表明，沸煮处理后稻草纤维表面变得干净且粗糙，但吸水率增加；高锰酸钾溶液处理后稻草纤维吸水率降低，同时稻草纤维表面粗糙度和结晶度增加。两种改性方法均显著提升了3D打印稻草纤维水泥基复合材料的力学性能、层间结合强度、条间结合强度，其中高锰酸钾改性效果更优。本研究为3D打印稻草纤维水泥基材料的设计和性能优化提供了新思路，扩大了稻草纤维在建筑领域的应用范围。

关键词: 3D打印, 稻草纤维, 水泥基材料, 力学性能, 微观形貌, 改性处理

Abstract:

To explore the application of plant fibers in 3D printing cement-based materials， this study used rice straw fiber as an additive and investigated the modification effects of boiling treatment and potassium permanganate solution treatment on rice straw fiber， as well as their impact on the performance of 3D printing rice straw fiber cement-based composite. The results show that boiling treatment makes fiber surface clean and rough but increases their water absorption.Potassium permanganate solution treatment reduces water absorption while increasing surface roughness and crystallinity. Both modification methods significantly improve the mechanical properties， the interlayer bonding strength and interstrip bonding strength of 3D printing rice straw fiber cement-based composites， with the potassium permanganate modification superior. This work offers new idea for design and performance optimization of 3D printing rice straw fiber cement-based materials and broadens the application of rice straw fiber in the construction field.

Key words: 3D printing, rice straw fiber, cement-based material, mechanical property, microscopic appearance, modification treatment

中图分类号:

TU528.58

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图/表 15

图1 水泥、粉煤灰和硅灰的粒径分布曲线

Fig.1 Particle size distribution curves of cement， fly ash and silica fume

表1 水泥及矿物掺合料的主要化学组成

Table 1 Main chemical composition of cement and mineral admixtures

Material	Mass fraction/%
Material	CaO	SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	TiO₂	MgO	SO₃	Na₂O	Loss on ignition
OPC	62.38	25.52	6.15	3.27	0.57	1.54	1.65	0.21	2.87
FA	5.60	43.00	23.00	2.50	—	0.95	0.80	—	3.10
SF	0.60	86.57	0.96	0.56	—	0.34	—	0.99	3.92

表2 河砂的颗粒级配

Table 2 Particle grading of sand

Item	Mass fraction/%
Item	4.75 mm	2.36 mm	1.18 mm	0.60 mm	0.30 mm	0.15 mm
Divide sieve surplus	5.4	0.9	3.8	10.6	36.5	61.4
Cumulative sieve residue	5.4	6.3	10.1	20.7	47.1	97.9

表3 稻草纤维的化学组成

Table 3 Chemical composition of rice straw fiber

Composition	Moisture	Ash	Holocellulose	Cellulose	Pentosans	Lignin
Mass fraction /%	5.06	15.35	62.41	39.27	17.93	17.35

表4 3D打印稻草纤维水泥基复合材料配合比

Table 4 Mix proportion of 3D printing rice straw fiber cement-based composite materials

Composition	OPC	FA	SF	Water	Sand	Fiber	HPMC	Water reducer
Mix proportion/（g·L^-1）	976	260	65	781	1 302	45	1	1

图2 稻草纤维连续24 h吸水率

Fig.2 Continuous 24 h water absorption rate of rice straw fiber

图3 稻草纤维的抗拉强度

Fig.3 Tensile strength of rice straw fiber

图4 稻草纤维的红外光谱

Fig.4 FTIR spectra of rice straw fiber

图5 稻草纤维的TG与DTG曲线

Fig.5 TG and DTG curves of rice straw fiber

图6 稻草纤维的XRD谱

Fig.6 XRD patterns of rice straw fiber

图7 稻草纤维的结晶度

Fig.7 Crystallinity of rice straw fiber

图8 稻草纤维的SEM照片

Fig.8 SEM images of rice straw fiber

图9 3D打印稻草纤维水泥基复合材料抗折强度和抗压强度

Fig.9 Flexural strength and compressive strength of 3D 结合强度和条间结合强度 printing rice straw fiber cement-based composite

图10 3D打印稻草纤维水泥基复合材料层间

Fig.10 Interlayer bonding strength and interstrip bonding strength of 3D printing rice straw fiber cement-based composite

图11 3D打印稻草纤维水泥基复合材料的SEM照片

Fig.11 SEM images of 3D printing rice straw fiber cement-based composite

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