本发明属于3d打印，具体涉及一种岩石3d打印方法。
背景技术：
1、沉积岩是一种在地表广泛分布、延续极长地质历史时期的岩石，对沉积岩的研究可为地球发展和演变提供宝贵资料。然而在传统地质研究中，往往是通过野外采集岩心，然后通过室内表征技术分析岩心物化属性，但这往往难以全面反映整个岩石样本的宏微观特性。因此，研究可控矿物成分和结构构造的沉积岩离位重建技术，将有利于深化对沉积岩特性的认知。
2、黏土矿物是一种在自然界中广泛分布矿产资源，其广泛存在于土壤和岩石中。特别是砂岩和泥质岩，黏土矿物对其沉淀、胶结等成岩过程意义重大。例如，黏土矿物的含量对砂岩的渗透率和孔隙度存在巨大影响，这进一步影响了砂岩的储集潜力。而在泥质岩中，黏土矿物占比超50％，泥质岩的水文特性和工程特性均受到黏土矿物的影响。常见的黏土矿物有高岭石、水云母、蒙脱石等。由于黏土矿物的构造层通常都带有电荷，且黏土矿物一般都含有吸附水、层间水和结构水，当黏土矿物中的水分在外部压力或温度的作用下排出后，可形成固结组织结构。
3、蒙脱石是一种2:1型层状构造硅酸盐，层间吸附有大量的水或其他极性分子。由于蒙脱石的特殊结构特征，使其表现出优异的离子吸附、水化膨胀、胶体分散以及各向异性等理化特性。当蒙脱石矿物与水相互作用后，使得蒙脱石片层产生表面水化和渗透水化。进一步通过外部作用力(如机械搅拌、超声等)后蒙脱石片层剥离成为单层或少层二维纳米片结构。随着蒙脱石片层的剥离，片层层面和棱面电荷完全暴露，最终蒙脱石片棱与面相连形成卡房结构。当蒙脱石片层所形成的卡房结构逐渐增多，出现颗粒团聚和粘度增高，最终形成蒙脱石凝胶。蒙脱石片层可通过调节溶剂ph或添加无机凝胶剂实现自凝胶化或无机凝胶化。此外，蒙脱石同样可于其他黏土矿物共混制得如蒙脱石-坡缕石、蒙脱石-高岭石凝胶。
4、3d打印技术具有成形材料范围广、成形结构自由度高、成形尺寸可变可控的特点。通过3d打印技术打印成形沉积岩是一种有效的岩石离位重构方法。岩石3d打印技术是通过物理或化学手段将与岩石类似的材料固化成形岩石试样。根据文献报道，可用于岩石3d打印成形的技术主要有粉末床3d打印成形、挤出3d打印成形两种。粉末床3d打印技术是利用铺粉机构将待打印粉末均匀铺设在成形平台上，随后按照预定轮廓信息选择性固化粉末，逐层累积形成三维结构。从成形原理可以看出，粉末形貌、粒径、流动性和水分对成形样件质量十分关键。而在岩石3d打印粉体中添加的黏土矿物组分粒径小、易团聚、含水量大、流动性差，这导致含有黏土矿物的3d打印粉体难以铺展。挤出3d打印成形是将矿物粉末与流动性基体混合后制得3d打印浆料，将浆料按需挤出后成形。与粉末床3d打印成形相比，挤出式3d打印岩石不受黏土物性影响，因此通过挤出式3d打印更有利于成形含有黏土矿物的沉积岩试样。
5、文献(method of fabricating artificial rock specimens based onextrusion free forming(eff)3d printing)、cn117185739a、cn112345334a中可以看出，现有岩石3d打印过程使用有机粘结剂(如聚乳酸、酚醛树脂等)、石膏或水泥固结岩石粉末。所制得的岩石试样将不可避免的引入了与天然岩石矿物成分不一致的组分。虽然，有机粘接剂可通过脱脂、烧结等手段去除，但反应产物和副产物大多还有碳元素，这同样与天然岩石的矿物成分不一致。
技术实现思路
1、本发明目的在于一种基于黏土固结的岩石3d打印方法，以蒙脱石复合矿物凝胶作为3d打印材料基体，负载石英、长石等矿物成分，通过挤出3d打印方法成形泥岩等沉积岩试样，所得岩石试样完全避免了有机物质、石膏和水泥等岩石中所不具有的化学成分加入，制备的岩石试样与天然岩石的矿物组分更为一致。
2、为达到上述目的，采用技术方案如下：
3、一种基于黏土固结的岩石3d打印方法，包括以下步骤：
4、(1)将黏土矿物粉末与去离子水混合机械搅拌均匀，高速离心处理除去大颗粒沉淀物，得到黏土矿物悬浮液；
5、(2)在黏土矿物悬浮液中加入钠化改性剂，调节ph≤7，机械搅拌均匀，高速离心处理去除上层清液，得到黏土矿物浆料；
6、(3)根据泥岩矿物组成，在黏土矿物浆料中加入岩石矿物粉末调节浆料矿物组分，添加流变助剂调节浆料流动性，机械搅拌均匀得到基于黏土固结的岩石3d打印浆料；
7、(4)通过带有挤出式喷头的3d打印机制备岩石试样；
8、(5)将岩石试样高温烧结得到成品。
9、按上述方案，步骤1所述黏土矿物粉末为蒙脱石，或者蒙脱石与坡缕石或高岭石的混合物。
10、按上述方案，步骤1所得黏土矿物悬浮液中黏土矿物占比5～15wt％。
11、按上述方案，步骤2所述钠化改性剂为氯化钠、碳酸钠或氟化钠；钠化改性剂添加量在黏土矿物悬浮液中占比2～8wt％。
12、按上述方案，步骤2通过在悬浮液中加入氢氧化钠或盐酸调节ph。
13、按上述方案，所述机械搅拌转速100～700r/min，搅拌时间2～12h。
14、按上述方案，步骤1所述高速离心转速1000～3000r/min，离心时间1～5min；步骤2所述高速离心转速5000～10000r/min，离心时间5～10min。
15、按上述方案，步骤3所述岩石矿物粉末为石英粉、长石、云母、方解石、伊利石、绿泥石的任意组合。
16、按上述方案，步骤3所述流变助剂为气相二氧化硅、锂皂石或纳米黏土。
17、按上述方案，步骤4中打印层厚0.3～2mm，喷头直径0.5～2mm，打印速度10～200mm/s。
18、按上述方案，步骤5中高温烧结温度为1000～1400℃，烧结时间为12～24小时。
19、相对于现有技术，本发明有益效果如下：
20、本发明利用黏土矿物自胶凝/无机胶凝特性，以蒙脱石复合矿物凝胶作为粘度可调、可控的挤出式3d打印流动载体，将凝胶与其他岩石矿物组分混合，制得与泥岩矿物成分一致的3d打印浆料，并通过挤出式3d打印成形泥岩等沉积岩。
21、与传统岩石3d打印所使用的打印材料相比，本发明完全避免了有机物质(如粘结剂)、石膏和水泥等岩石中所不具有的化学成分加入，制备的岩石试样与天然岩石的矿物组分更为一致。
22、本发明中所使用的黏土矿物凝胶不仅是作为在3d打印挤出过程中的流体组分，在打印完成后的加热固结阶段，也作为固结成岩过程中的胶结组分，起到成岩固结其他矿物成分的作用。
23、本发明中制备3d打印浆料所使用的化学物质性质稳定、无毒无害，所制得的试样性能稳定，可长时间使用。
1.一种基于黏土固结的岩石3d打印方法，其特征在于包括以下步骤：
2.如权利要求1所述一种基于黏土固结的岩石3d打印方法，其特征在于步骤1所述黏土矿物粉末为蒙脱石，或者蒙脱石与坡缕石或高岭石的混合物。
3.如权利要求1所述一种基于黏土固结的岩石3d打印方法，其特征在于步骤1所得黏土矿物悬浮液中黏土矿物占比5～15wt％。
4.如权利要求1所述一种基于黏土固结的岩石3d打印方法，其特征在于步骤2所述钠化改性剂为氯化钠、碳酸钠或氟化钠；钠化改性剂添加量在黏土矿物悬浮液中占比2～8wt％。
5.如权利要求1所述一种基于黏土固结的岩石3d打印方法，其特征在于步骤2通过在悬浮液中加入氢氧化钠或盐酸调节ph。
6.如权利要求1所述一种基于黏土固结的岩石3d打印方法，其特征在于步骤1所述高速离心转速1000～3000r/min，离心时间1～5min；步骤2所述高速离心转速5000～10000r/min，离心时间5～10min。
7.如权利要求1所述一种基于黏土固结的岩石3d打印方法，其特征在于步骤3所述岩石矿物粉末为石英粉、长石、云母、方解石、伊利石、绿泥石的任意组合。
8.如权利要求1所述一种基于黏土固结的岩石3d打印方法，其特征在于步骤3所述流变助剂为气相二氧化硅、锂皂石或纳米黏土。
9.如权利要求1所述一种基于黏土固结的岩石3d打印方法，其特征在于步骤4中打印层厚0.3～2mm，喷头直径0.5～2mm，打印速度10～200mm/s。
10.如权利要求1所述一种基于黏土固结的岩石3d打印方法，其特征在于步骤5中高温烧结温度为1000～1400℃，烧结时间为12～24小时。
