CN106426903A - 一种赋予水泥路面嵌缝料形状记忆功能的预形变方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种赋予水泥路面嵌缝料形状记忆功能的预形变方法，属于水泥路面嵌缝料制备技术领域，解决目前水泥路面嵌缝料预形变方法存在的单向赋予形状记忆功能、自愈合效果差、温控要求复杂、成本高、制备量有限、耐久性差等问题。本发明在高于嵌缝料玻璃化转变温度下沿竖直拉伸预形变至设计应变值，冻结该预拉应变；在常温下沿垂直拉伸方向给试件施加恒定速率的压应力，使其达到预先设定压应变水平，固定该预压应变值，在二维方向上赋予嵌缝料形状记忆功能；测定嵌缝料形状记忆效应和其它路用性能，优选一组合理的拉、压预应变值组合。本发明提供的方法降低了二维预形变的难度，使嵌缝料具有更好的形状记忆效应，提高了嵌缝料和水泥路面的耐久性。

Description

一种赋予水泥路面嵌缝料形状记忆功能的预形变方法

技术领域

本发明是一种赋予水泥路面嵌缝料形状记忆功能的预形变方法，属于水泥路面嵌缝料制备技术领域。

背景技术

水泥路面具有强度高、稳定性好、耐久性好和有利于夜间行车等优点，是我国主要路面铺装类型之一，主要用于公路、城市道路，在重载车辆较多的港口道路上更是广泛采用水泥路面，且以接缝式水泥路面为主。此种水泥路面需要采用各种嵌缝材料对接缝进行密封，从构造上保持路面的整体性、平顺性和密水性，提高水泥路面耐久性和行车舒适性。

然而，现在国内外的嵌缝料大多数都存在不足，目前水泥路面嵌缝料主要采用沥青类、橡胶类等传统材料，不能很好适应路面接缝处环境条件和接缝宽度循环伸缩变化，易产生老化开裂、拉伸开裂、挤压开裂、脱落、渗水、挤(溢)出等耐久性问题，从而导致嵌缝料失效，这对水泥路面使用性能造成很大影响，如路表水会沿接缝进入并积聚在基层顶面，恶化基层和路基的承载力，在交通荷载的重复作用下会造成路面板脱空、断裂、错台、唧泥等损坏，从而降低路面强度和承载能力。

此外，由于嵌缝料失效，坚硬的杂物可能嵌入接缝内，阻碍路面板自由伸缩，当温度升高时，混凝土面板没有膨胀空间，造成面板拱起甚至是断裂、挤碎等危害，这严重影响了水泥路面使用寿命和服务品质，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。所以，近年来不少水泥路面研究者们不断研发新型嵌缝料，努力改善嵌缝料的性能，研究性能更优、更耐久的嵌缝料已成为国内外水泥路面研究的重点内容之一。

随着聚合物高分子材料的不断发展，采用形状记忆效应显著的嵌缝材料能很好解决上述问题，赋予嵌缝料感知并响应外界环境变化的功能，主动适应路面接缝宽度变化，实现自变形、自适应、自愈合，提高嵌缝料的耐久性。目前用于水泥路面的形状记忆嵌缝料虽然取得了一定进展，但是在赋予材料预形变这方面还存在诸多科学问题需要进一步探索。国内外研究者通过采用单轴加载方法研究了形状记忆聚合物基复合材料热力学性能，分析了填料对形状固定率和恢复率等的影响，但这种单阶段单轴拉伸或压缩预形变方法只能使形状记忆材料在某一维方向发生分子取向，赋予材料形状记忆功能，不能在水平和竖直二维方向上分别赋予嵌缝料形状记忆功能，降低了嵌缝料形变能力以及自愈合效果。

此外，国内外研究者也有采用在水平和竖直方向同时分别施加拉和压形变(即单阶段双轴)的方法赋予嵌缝料形状记忆功能，并研究嵌缝料的抗拉、抗压、剪切及应力分布等宏观力学性能。这种单阶段双轴预形变方法虽然能赋予嵌缝料二维形状记忆效应，但存在温控要求复杂、成本高、制备量太少等问题，多限于室内研究，难以制备足够量的嵌缝料用于实体工程，不能彻底解决嵌缝料脱落、挤出、渗水、开裂等耐久性问题。

可见，目前采用的单阶段单轴、单阶段双轴赋予嵌缝材料预形变的方法还存在不足，都不能满足路面接缝处位移、力学、耐久等性能要求，将严重影响嵌缝料使用寿命和服务品质，进而导致路面出现严重损坏。需要深入探索更科学的预形变方法，在二维方向上分阶段赋予嵌缝材料的形状记忆效应，且利于大量制备具有形状记忆功能的嵌缝料，满足工程需要。鉴于此，本发明采用双阶段单轴预形变方法赋予水泥路面嵌缝料形状记忆效应，进而从根本上解决嵌缝料脱落、挤出、渗水、开裂等耐久性问题。

发明内容

(1)技术问题

本发明的目的是提供一种赋予水泥路面嵌缝料形状记忆功能的双阶段单轴预形变方法，解决目前单阶段单轴或双轴预形变方法存在的单向赋予形状记忆功能、自愈合效果差、温控要求复杂、成本高、制备量有限、难以工程应用、耐久性差等问题。

(2)技术方案

鉴于目前赋予水泥路面嵌缝料形状记忆功能的预形变方法存在不足，本发明在不同温度下先后赋予两个方向预形变，提供一种双阶段单轴预形变方法，从而提高嵌缝料的形状记忆功能和耐久性，改善服务品质。本发明技术方案如下：首先，选择合适的形状记忆聚合物基复合材料，将其制备成嵌缝料试件，先在高于嵌缝料玻璃化转变温度条件下赋予嵌缝料预先设计的拉伸应变值，并冷却至室温，冻结该预拉应变，如图1；其次，在常温下对已预拉伸的嵌缝料试件施加恒定压应力达到预先设定的压应变值，并维持一段时间，固定该预压应变值。完成拉伸-压缩预应变的组合，从而在二维方向上赋予嵌缝料形状记忆功能，如图1；最后，测定已预形变后的嵌缝料的红外二向色性能，综合嵌缝料的形状记忆效应和其它使用性能，优选一组最佳竖直和水平预应变值组合赋予嵌缝料，使嵌缝料具有更好的形状记忆功能，提高嵌缝料的耐久性，改善水泥路面服务品质。

(3)有益效果

在公路事业不断发展、道路养护日益受到重视的形势下，水泥路面嵌缝料也会越来越受到关注。由于水泥路面的破坏大部分是由嵌缝料损坏造成的，所以只有嵌缝料具有良好的耐久性，才能维持水泥路面的正常使用性能，减少路面破坏，降低道路养护维修成本。采用本发明提供的双阶段单轴预形变方法，将二维预变形分成两个不同温度下连续一维预变形，降低了单阶段二维预变形的难度，且可以使嵌缝料具有良好的形状记忆效应，当路面温度升高时，嵌缝料可以降低竖直方向的应变，从而防止嵌缝料受到接缝两侧水泥路面板的挤压而挤出路面；当路面温度降低时，由于嵌缝料赋予的预形变，可以避免其低温脱落，从而提高嵌缝料的耐久性，延长水泥路面使用寿命，改善水泥路面使用品质，对促进水泥路面更好更快发展，并发挥其在国家路网结构中的作用具有重要的现实意义。

附图说明

图1 嵌缝料双阶段单轴预形变方法示意图

1-哑铃型试件；2-加热试件到T_g以上；3-施加拉伸预形变；4-冷却至室温；5-卸载；6-切割试件；7-制备长方形试件；8-施加压缩预形变；9-保持恒定压应变；10-卸载制得嵌缝料试件

具体实施方式

本发明提供一种赋予水泥路面嵌缝料形状记忆功能的预形变方法，具体实施步骤如下：

(1)制备适应水泥路面接缝处工作条件的形状记忆聚合物基复合材料，将其加工成哑铃形状的试件，中间部分均匀标记四等份，将环境箱加热到嵌缝料玻璃化转变温度，并保持45分钟，使环境箱内温度分布均匀；

(2)将哑铃型试件固定在夹具上，放在环境箱内静置加热30分钟，使嵌缝料温度到达环境箱内温度相同，且试件温度分布均匀，施加恒定速率的拉应力，使其达到预先设定的拉应变水平，一旦达到所需应变，应变被固定，停止加热，缓慢冷却至室温；

(3)将冷却后的哑铃型试件按照预先标记的四等份线切割下来制成长方形嵌缝料试件，在常温下沿垂直拉伸方向给试件施加恒定速率的压应力，使其达到预先设定压应变水平，并维持该压应变保持30分钟，从而完成拉伸-压缩预应变组合；

(4)测定经双阶段单轴预变形后嵌缝料的形状回复率、固定率等形状记忆效应指标，并采用偏振红外光谱仪测定嵌缝料的红外二向色性能，分析赋予嵌缝料预形变过程中分子链段取向度变化规律，研究嵌缝料的各向异性特征及其对嵌缝料路用性能的影响；

(5)综合比较预变形后的嵌缝料形状记忆效应和预变形对嵌缝料路用性能的影响，优选一组合理的拉伸和压缩预应变值组合用于赋予水泥路面嵌缝料更好的形状记忆功能，提高嵌缝料的耐久性，改善水泥路面服务品质和使用寿命。

Claims (1)

1.一种赋予水泥路面嵌缝料形状记忆功能的预形变方法，其特征在于该方法的具体步骤如下：

(1)制备适应水泥路面接缝处工作条件的形状记忆聚合物基复合材料，将其加工成哑铃形状的试件，中间部分均匀标记四等份，将环境箱加热到嵌缝料玻璃化转变温度，并保持45分钟，使环境箱内温度分布均匀；

(2)将哑铃型试件固定在夹具上，放在环境箱内静置加热30分钟，使嵌缝料温度到达环境箱内温度相同，且试件温度分布均匀，施加恒定速率的拉应力，使其达到预先设定的拉应变水平，一旦达到所需应变，应变被固定，停止加热，缓慢冷却至室温；

(3)将冷却后的哑铃型试件按照预先标记的四等份线切割下来制成长方形嵌缝料试件，在常温下沿垂直拉伸方向给试件施加恒定速率的压应力，使其达到预先设定压应变水平，并维持该压应变保持30分钟，从而完成拉伸-压缩预应变组合；

(4)测定经双阶段单轴预变形后嵌缝料的形状回复率、固定率等形状记忆效应指标，并采用偏振红外光谱仪测定嵌缝料的红外二向色性能，分析赋予嵌缝料预形变过程中分子链段取向度变化规律，研究嵌缝料的各向异性特征及其对嵌缝料路用性能的影响；

(5)综合比较预变形后的嵌缝料形状记忆效应和预变形对嵌缝料路用性能的影响，优选一组合理的拉伸和压缩预应变值组合用于赋予水泥路面嵌缝料更好的形状记忆功能，提高嵌缝料的耐久性，改善水泥路面服务品质和使用寿命。