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競相爭奪的技術(shù)高地。為實現(xiàn)在3D打印泵送過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，但由于較強的氫鍵和靜電作用力，天然凹凸棒石棒晶大多以鳥巢狀或柴垛狀聚集，凹凸棒石棒晶束或聚集體并不具備納米材料的特性。同時，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)展中心王愛勤研究員團隊長期致力于凹凸棒石棒晶束高效無損解離關(guān)鍵共性技術(shù)研究，發(fā)明了“對輥處理—制漿提純—高壓均質(zhì)—乙醇交換”一體化工藝，實現(xiàn)了凹凸棒石棒晶束無損解離，但對凹凸棒石棒晶束解離、棒晶長徑比等結(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，在中國科學(xué)院國際合作局對外合作重點項目（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)錢野博士研究團隊合作，系統(tǒng)開展了不同地質(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。
通過項目實施，發(fā)展了“三輥處理—制漿提純—超聲處理—壓濾脫水—強力干燥”一體化工藝，開發(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、棒晶長度、觸變性能與3D打印混凝土表界面作用及其增韌補強性能之間的構(gòu)效關(guān)系。
在此基礎(chǔ)上，將高長徑比三八面體凹凸棒石應(yīng)用于混凝土3D打印，通過調(diào)控體系流變性能改善實現(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問題，實現(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3D打印性能
資料來源：中國科學(xué)院蘭州化物所
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