《3D打印稻草纤维水泥基复合材料研究》

技术简介：

近年来,3D打印技术随着材料科学的发展应用范围越来越广泛,因为其具有的施工自动化,节省人力资源、材料资源等优点,从而使其在建筑领域被广泛应用。稻草纤维取自水稻秸秆,是一种天然植物纤维,近年来在建筑领域中作为外掺纤维被普遍使用,但多是以传统浇筑方式制造出相应复合材料,稻草纤维在3D打印建筑技术领域中鲜有研究。本研究将通过物理切割与碱化处理方式得到的稻草纤维应用于3D打印砂浆材料中,研究碱化处理对稻草纤维的影响以及掺入稻草纤维的3D打印复合材料与浇筑试件的各项性能(包括流动性能、可建造性能、力学性能),并进行了相关材料的测试试验。具体内容如下:(1)设置单因素变量试验,根据力学性能高低选择最优胶凝材料种类。通过查阅相关文献与进行前期试配试验,初步确定掺量合理范围。设置四种变量因素梯度,水灰比(0.30、0.32、0.34、0.36),聚羧酸减水剂掺量(0.08%、0.10%、0.12%、0.14%),羟丙基甲基纤维素掺量(0.06%、0.08%、0.10%、0.12%),葡萄糖酸钠掺量(0.08%、0.10%、0.12%、0.14%),设计正交试验分析各掺量对砂浆的流动性能影响以及对试件的力学性能影响。分析试验数据得出:四变量因素对砂浆流动性能影响程度以及28d抗压与抗折性能影响程度排序均为:水灰比>减水剂>增稠剂>缓凝剂。并结合3D打印建筑技术对打印材料的流动性能与力学性能要求,选择兼顾这两方面性能的第11组试验配比进行后续的3D打印试验,该组材料配比流动度值为198mm,28 d抗折强度与抗压强度分别为15.5MPa、47.9MPa。(2)研究了不同碱化时间对稻草纤维的影响,和天然稻草纤维与碱化稻草纤维对3D打印砂浆材料的流动性能、可打印性能、力学性能影响。并设置了浇筑对照组试件来比较两种建造方式的试件力学性能区别。分析试验数据可以得出:碱化时间控制为2h得到的稻草纤维性能较好,在稻草纤维掺量相同条件下,掺入碱化纤维组的3D打印复合材料试件与浇筑复合材料试件在力学性能方面均优于掺入天然稻草纤维复合材料试件。3D打印建造方式使得稻草纤维在试件内部呈定向排列,能提升试件的抗折性能,掺入碱化稻草纤维的砂浆试件28d抗折强度为19.7MPa,较未掺纤维组试件19.5MPa提升约1%,但对试件抗压性能没有提升作用。(3)进行了相关材料的XRD、SEM、X-CT以及导热系数测试,分析试验结果得出:碱化处理能提升稻草纤维的纤维素结晶度,去除表面会影响水泥水化的木质素、半纤维素等杂质。掺入碱化稻草纤维的砂浆试件内部纤维与砂浆界面连接效果较掺天然稻草纤维组试件更紧密,水化产物之间连接也更致密。3D打印试件内部稻草纤维能形成纤维网络,传递与承受荷载作用,因此受压破坏时产生的裂缝较未掺组试件更完整。掺入0.8%天然稻草纤维与0.8%碱化稻草纤维的砂浆试件的导热系数分别为0.236、0.298,较未掺纤维组试件导热系数0.498下降约52.6%、40.2%,稻草纤维的掺入能使砂浆试件的保温性能得到提升。

研发人员：陈安国