具有形状记忆效应的水泥路面嵌缝料研发及自修复机理研究
发布时间：2021-03-02 19:17
水泥路面因强度高、稳定性好、使用寿命长等特点已成为高等级路面的主要铺装类型之一,且以接缝式水泥路面为主。接缝是水泥路面最薄弱的环节之一,是导致水泥路面破坏的主要因素,嵌缝料耐久性直接影响接缝处的密水性、整体性和平顺性,进而影响水泥路面使用寿命、行车舒适性及维修养护费用。但是,目前水泥路面嵌缝料难以适应接缝处环境条件和接缝宽度循环伸缩变化,且没有自修复功能,不能满足水泥路面使用和发展要求。鉴于此,本文研发了具有自修复功能的形状记忆聚氨酯（SMPU）基复合材料作为嵌缝料,提出双轴预形变方法,赋予嵌缝料二维形状记忆性能,能感知并响应环境变化,主动适应水泥路面接缝宽度循环变化,实现自变形和自修复;提出基于二维形状记忆效应的嵌缝料两步骤自修复新理念,并揭示两步骤自修复机理,提升嵌缝料耐久性和密封效果,延长水泥路面使用寿命。首先,研发了SMPU作为嵌缝料基材,研究SMPU各项性能,揭示了形状记忆机理。结果表明,SMPU相转变温度与水泥路面高温季节路表温度相匹配,自然环境温度可作为SMPU形状回复的激发温度,为实现嵌缝料自修复奠定基础;SMPU具有明显的分子链软段和硬段微相结构分离,确定了软段和硬段...
【文章来源】：南京林业大学江苏省
【文章页数】：159 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
水泥路面嵌缝材料常见损坏类型Fig.1-1Commondamagetypesofsealantmaterialsofcementconcretepavement嵌缝料失效对水泥路面造成很大影响，如路表水沿接缝渗入并积聚在基层顶面，恶化
2能嵌入接缝内，阻碍路面板自由伸长，当温度升高时造成混凝土路面板拱起，甚至是断裂、挤碎等损坏，严重影响了水泥路面使用寿命和服务品质。图1-2水泥混凝土路面典型破坏类型Fig.1-2Typicaldistressesofcementconcretepavement由此可知，嵌缝料密封效果和耐久性直接影响水泥路面接缝处的密水性、整体性和平顺性，进而影响水泥路面使用寿命、行车舒适性及维修养护费用，嵌缝料的耐久性已成为制约水泥路面发展和应用的重要瓶颈之一[12]。因此，研发具有弹性好、拉伸率高、粘结性强、使用寿命长的新型材料作为水泥路面嵌缝料，并揭示其工作机制对提高嵌缝料耐久性、延长水泥路面使用寿命、提升服务品质具有重要意义。目前，常用的水泥路面嵌缝料主要是沥青类、胶泥类、橡胶类、树脂类等，难以更好地适应路面接缝处环境条件和接缝处水泥板间宽度交替变化，易产生老化开裂、拉伸裂缝、挤出、脱落、渗水等耐久性问题，且没有自修复功能，已损坏的嵌缝料不能得到及时有效修复，进而导致路面出现各种类型损坏，难以满足水泥路面使用和发展要求[13]。可见，嵌缝料在使用过程中不可避免地会产生各种裂缝、损伤等破坏，要维持水泥路面板在接缝处始终处于良好的工作状态，已损坏的嵌缝料得到及时有效的修复是关键，采用具有良好形状记忆效应和自修复功能的水泥路面嵌缝材料能较好解决上述问题，赋予嵌缝料感知并响应外界温度环境变化的功能，主动适应路面接缝宽度变化，实现自变形、自适应、自修复，提高嵌缝料的耐久性[14]。目前形状记忆材料研究虽然取得一定的进展，但是在制备方法、预形变方法、性能表征方法、形状记忆机理等方面仍然存在诸多问题需要进一步研究。鉴于此，本文研发了适宜推广、具有自修复功能的形状记忆聚氨酯基复合材料作为嵌
5图1-3形状记忆聚合物的多样分子结构[38]Fig.1-3Diversemolecularstructuresofshapememorypolymers形状记忆聚合物按激发方式的不同可分为热致、电致、光致、磁致、化学感应型等[40]。目前研究较多的形状记忆聚合物主要有聚氨酯、交联聚乙烯、聚酰胺等，其具有密度孝质量较轻、可回复形变量大、生产成本低、易加工成型、耐腐蚀等优点。将形状记忆聚合物的优点应用在水泥路面嵌缝料的制备方面具有巨大的应用前景[41]。1.2.2.1热致型形状记忆聚合物目前，研究最为广泛和深入的形状记忆高分子材料类型为热致型，其具有激励形式简单、响应速度快、可回复形变量大等优点[42]。热致型形状记忆聚合物的驱动力是分子段片在微布朗热运动中产生的构象熵[43]。热力学中，分子段片在形状回复的过程中由暂时预设的形态过渡到自由蜷曲的分子状态[44]。整个过程是一个伴随熵增的自发过程，在形状回复过程中可以将分子的运动定义为微布朗热运动，但本身微布朗热运动本身不能够引起形状回复，而是只有在温度高于玻璃化转变温度（Tg）时候才会发生。因此，外部的温度环境变化不仅影响形状回复率，也决定了是否形成热致型形状记忆材料从而发生形状回复[45]。热致型形状记忆聚合物由硬段和软段两部分组成，硬段作为固定相，如图1-4中黑点所示，固定着软段（可逆相），使聚合物恢复到其原始形态。且软段通过化学或物理交联与硬段联系在一起，并在Tg下发生分子转换，引起并形成临时形态。就微观分子机理而言，其分子结构变形过程如图1-4所示[46]，可具体分为四个过程：（1）在初始形态下，加热材料至Tg以上，此时可逆相由冻结态转化为高弹态，完成该过程后给初始形态施加预设的应变从而达到预期的临时形态。（2）保持施加的应变以及临时形态，?
【参考文献】：
期刊论文
[1]纳米二氧化硅表面改性及增强聚氨酯密封胶[J]. 罗志. 中国胶粘剂. 2019(04)
[2]醚基硅溶胶和多异氰酸酯反应制备SiO2原位增强聚氨酯硬泡及其增强机理[J]. 何小通,杨公雯,汪逸航,李嘉晋,倪国章,丁运生. 高分子材料科学与工程. 2019(04)
[3]湿热地区重载交通条件下旧水泥混凝土路面加铺沥青路面的技术研究[J]. 佘满汉,邓星鹤. 湖南交通科技. 2019(01)
[4]温控形状记忆合金驱动的变面磁流变传动性能研究[J]. 黄金,王西. 机械传动. 2019(01)
[5]混凝土路面在温度-荷载耦合作用下的破坏机理分析[J]. 杨金智,徐岩,刘杰,段彦福. 公路交通科技(应用技术版). 2019(01)
[6]聚合物热致形状记忆行为的机理[J]. 李帅,张卓,杨威,陈建君,刘洋子健,张均,姜志国. 塑料. 2018(06)
[7]形状记忆聚合物在组织工程中的应用[J]. 郗来顺,云鹏,王元斗,张冠宏,邢泉生,陈阳生,宿烽. 中国生物工程杂志. 2018(12)
[8]4D打印形状记忆聚合物在生物医疗领域的研究进展[J]. 李春妍,张风华,王亚立,郑威,刘彦菊,冷劲松. 中国科学:技术科学. 2019(01)
[9]电致形状记忆复合材料的制备与性能[J]. 任天宁,朱光明,韩阳阳. 航空材料学报. 2018(06)
[10]纤维增强形状记忆聚合物复合材料的热变形行为[J]. 顾建平,孙慧玉,张小朋,濮琦. 高分子材料科学与工程. 2018(10)
硕士论文
[1]水及温度对路面水泥混凝土疲劳性能的影响研究[D]. 梅熙.重庆交通大学 2018
[2]具有形状记忆功能的水泥路面填缝料自愈合行为研究[D]. 沈东亚.南京林业大学 2018
[3]电纺聚己内酯及其复合材料的力学性能分析[D]. 王镜杰.哈尔滨工业大学 2016
[4]纳米二氧化钛/聚丙烯酸酯复合材料的制备及性能研究[D]. 汪春玲.华南理工大学 2016
[5]形状记忆环氧泡沫的制备与力学性能研究[D]. 杨成.哈尔滨工业大学 2015
本文编号：3059801
【文章来源】：南京林业大学江苏省
【文章页数】：159 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
水泥路面嵌缝材料常见损坏类型Fig.1-1Commondamagetypesofsealantmaterialsofcementconcretepavement嵌缝料失效对水泥路面造成很大影响，如路表水沿接缝渗入并积聚在基层顶面，恶化
2能嵌入接缝内，阻碍路面板自由伸长，当温度升高时造成混凝土路面板拱起，甚至是断裂、挤碎等损坏，严重影响了水泥路面使用寿命和服务品质。图1-2水泥混凝土路面典型破坏类型Fig.1-2Typicaldistressesofcementconcretepavement由此可知，嵌缝料密封效果和耐久性直接影响水泥路面接缝处的密水性、整体性和平顺性，进而影响水泥路面使用寿命、行车舒适性及维修养护费用，嵌缝料的耐久性已成为制约水泥路面发展和应用的重要瓶颈之一[12]。因此，研发具有弹性好、拉伸率高、粘结性强、使用寿命长的新型材料作为水泥路面嵌缝料，并揭示其工作机制对提高嵌缝料耐久性、延长水泥路面使用寿命、提升服务品质具有重要意义。目前，常用的水泥路面嵌缝料主要是沥青类、胶泥类、橡胶类、树脂类等，难以更好地适应路面接缝处环境条件和接缝处水泥板间宽度交替变化，易产生老化开裂、拉伸裂缝、挤出、脱落、渗水等耐久性问题，且没有自修复功能，已损坏的嵌缝料不能得到及时有效修复，进而导致路面出现各种类型损坏，难以满足水泥路面使用和发展要求[13]。可见，嵌缝料在使用过程中不可避免地会产生各种裂缝、损伤等破坏，要维持水泥路面板在接缝处始终处于良好的工作状态，已损坏的嵌缝料得到及时有效的修复是关键，采用具有良好形状记忆效应和自修复功能的水泥路面嵌缝材料能较好解决上述问题，赋予嵌缝料感知并响应外界温度环境变化的功能，主动适应路面接缝宽度变化，实现自变形、自适应、自修复，提高嵌缝料的耐久性[14]。目前形状记忆材料研究虽然取得一定的进展，但是在制备方法、预形变方法、性能表征方法、形状记忆机理等方面仍然存在诸多问题需要进一步研究。鉴于此，本文研发了适宜推广、具有自修复功能的形状记忆聚氨酯基复合材料作为嵌
5图1-3形状记忆聚合物的多样分子结构[38]Fig.1-3Diversemolecularstructuresofshapememorypolymers形状记忆聚合物按激发方式的不同可分为热致、电致、光致、磁致、化学感应型等[40]。目前研究较多的形状记忆聚合物主要有聚氨酯、交联聚乙烯、聚酰胺等，其具有密度孝质量较轻、可回复形变量大、生产成本低、易加工成型、耐腐蚀等优点。将形状记忆聚合物的优点应用在水泥路面嵌缝料的制备方面具有巨大的应用前景[41]。1.2.2.1热致型形状记忆聚合物目前，研究最为广泛和深入的形状记忆高分子材料类型为热致型，其具有激励形式简单、响应速度快、可回复形变量大等优点[42]。热致型形状记忆聚合物的驱动力是分子段片在微布朗热运动中产生的构象熵[43]。热力学中，分子段片在形状回复的过程中由暂时预设的形态过渡到自由蜷曲的分子状态[44]。整个过程是一个伴随熵增的自发过程，在形状回复过程中可以将分子的运动定义为微布朗热运动，但本身微布朗热运动本身不能够引起形状回复，而是只有在温度高于玻璃化转变温度（Tg）时候才会发生。因此，外部的温度环境变化不仅影响形状回复率，也决定了是否形成热致型形状记忆材料从而发生形状回复[45]。热致型形状记忆聚合物由硬段和软段两部分组成，硬段作为固定相，如图1-4中黑点所示，固定着软段（可逆相），使聚合物恢复到其原始形态。且软段通过化学或物理交联与硬段联系在一起，并在Tg下发生分子转换，引起并形成临时形态。就微观分子机理而言，其分子结构变形过程如图1-4所示[46]，可具体分为四个过程：（1）在初始形态下，加热材料至Tg以上，此时可逆相由冻结态转化为高弹态，完成该过程后给初始形态施加预设的应变从而达到预期的临时形态。（2）保持施加的应变以及临时形态，?
【参考文献】：
期刊论文
[1]纳米二氧化硅表面改性及增强聚氨酯密封胶[J]. 罗志. 中国胶粘剂. 2019(04)
[2]醚基硅溶胶和多异氰酸酯反应制备SiO2原位增强聚氨酯硬泡及其增强机理[J]. 何小通,杨公雯,汪逸航,李嘉晋,倪国章,丁运生. 高分子材料科学与工程. 2019(04)
[3]湿热地区重载交通条件下旧水泥混凝土路面加铺沥青路面的技术研究[J]. 佘满汉,邓星鹤. 湖南交通科技. 2019(01)
[4]温控形状记忆合金驱动的变面磁流变传动性能研究[J]. 黄金,王西. 机械传动. 2019(01)
[5]混凝土路面在温度-荷载耦合作用下的破坏机理分析[J]. 杨金智,徐岩,刘杰,段彦福. 公路交通科技(应用技术版). 2019(01)
[6]聚合物热致形状记忆行为的机理[J]. 李帅,张卓,杨威,陈建君,刘洋子健,张均,姜志国. 塑料. 2018(06)
[7]形状记忆聚合物在组织工程中的应用[J]. 郗来顺,云鹏,王元斗,张冠宏,邢泉生,陈阳生,宿烽. 中国生物工程杂志. 2018(12)
[8]4D打印形状记忆聚合物在生物医疗领域的研究进展[J]. 李春妍,张风华,王亚立,郑威,刘彦菊,冷劲松. 中国科学:技术科学. 2019(01)
[9]电致形状记忆复合材料的制备与性能[J]. 任天宁,朱光明,韩阳阳. 航空材料学报. 2018(06)
[10]纤维增强形状记忆聚合物复合材料的热变形行为[J]. 顾建平,孙慧玉,张小朋,濮琦. 高分子材料科学与工程. 2018(10)
硕士论文
[1]水及温度对路面水泥混凝土疲劳性能的影响研究[D]. 梅熙.重庆交通大学 2018
[2]具有形状记忆功能的水泥路面填缝料自愈合行为研究[D]. 沈东亚.南京林业大学 2018
[3]电纺聚己内酯及其复合材料的力学性能分析[D]. 王镜杰.哈尔滨工业大学 2016
[4]纳米二氧化钛/聚丙烯酸酯复合材料的制备及性能研究[D]. 汪春玲.华南理工大学 2016
[5]形状记忆环氧泡沫的制备与力学性能研究[D]. 杨成.哈尔滨工业大学 2015
本文编号：3059801
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