3D打印作為第三次工業(yè)革命的一種標(biāo)志性智能制造技術(shù)，建筑領(lǐng)域的智能建造以混凝土3D打印技術(shù)為基礎(chǔ)，目前已成為世界各國(guó)競(jìng)相爭(zhēng)奪的技術(shù)高地。為實(shí)現(xiàn)在3D打印泵送過(guò)程中材料順利泵送和擠出，調(diào)控水泥基復(fù)合材料的觸變性至關(guān)重要。研究表明，凹凸棒石具有優(yōu)良的觸變性和兼容性，但由于較強(qiáng)的氫鍵和靜電作用力，天然凹凸棒石棒晶大多以鳥(niǎo)巢狀或柴垛狀聚集，凹凸棒石棒晶束或聚集體并不具備納米材料的特性。同時(shí)，目前凹凸棒石應(yīng)用于水泥基復(fù)合材料并未高效利用凹凸棒石自身特有的納米結(jié)構(gòu)和理化特性。

中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所環(huán)境材料與生態(tài)化學(xué)研究發(fā)展中心王愛(ài)勤研究員團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于凹凸棒石棒晶束高效無(wú)損解離關(guān)鍵共性技術(shù)研究，發(fā)明了“對(duì)輥處理—制漿提純—高壓均質(zhì)—乙醇交換”一體化工藝，實(shí)現(xiàn)了凹凸棒石棒晶束無(wú)損解離，但對(duì)凹凸棒石棒晶束解離、棒晶長(zhǎng)徑比等結(jié)構(gòu)因素與混凝土3D打印性能的構(gòu)效關(guān)系還有待深入研究。為此，在中國(guó)科學(xué)院國(guó)際合作局對(duì)外合作重點(diǎn)項(xiàng)目（凹凸棒石在混凝土3D打印應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)研究，121B62KYSB20200021）支持下，與香港大學(xué)錢(qián)野博士研究團(tuán)隊(duì)合作，系統(tǒng)開(kāi)展了不同地質(zhì)成因凹凸棒石棒晶束高效解離、表面電荷調(diào)控以及在3D打印混凝土中的應(yīng)用研究。

通過(guò)項(xiàng)目實(shí)施，發(fā)展了“三輥處理—制漿提純—超聲處理—壓濾脫水—強(qiáng)力干燥”一體化工藝，開(kāi)發(fā)了凹凸棒石棒晶束解離和棒晶同步表面改性工藝，得到了不同地質(zhì)成因的高分散納米凹凸棒石，闡明了凹凸棒石結(jié)構(gòu)類型、棒晶長(zhǎng)度、觸變性能與3D打印混凝土表界面作用及其增韌補(bǔ)強(qiáng)性能之間的構(gòu)效關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，將高長(zhǎng)徑比三八面體凹凸棒石應(yīng)用于混凝土3D打印，通過(guò)調(diào)控體系流變性能改善實(shí)現(xiàn)了連續(xù)泵送，顯著提升了3D打印的堆積性能和可打印高度，實(shí)現(xiàn)了納米凹凸棒石在混凝土中類“鋼筋”應(yīng)用。此外，將納米凹凸棒石引入3D打印超高性能高延性水泥基復(fù)合材料體系中，有效解決了體系中纖維聚團(tuán)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)泵送和3D打印，突破了系列凹凸棒石在混凝土3D打印應(yīng)用方面的關(guān)鍵瓶頸問(wèn)題。

圖1. 凹凸棒石原礦（a，g）及其不同工藝條件下超聲輔助解離后(b-f，h-l)的SEM和TEM 圖

圖2.?添加1%纖維和不同質(zhì)量納米凹凸棒石(a-0%、b-0.25%、c-0.5%)時(shí)3D打印性能