CN106442583A - 水泥路面嵌缝料二维形状记忆效应评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种水泥路面嵌缝材料二维形状记忆效应评价方法，属于水泥路面嵌缝料路用性能评估技术领域，解决目前水泥路面嵌缝料二维形状记忆效应评价不深入、不准确，难以揭示嵌缝料二维形状记忆效应机理和进一步提高嵌缝料的形状记忆性能的问题。本发明采用双阶段单轴预形变方法在二维方向上赋予嵌缝料形状记忆功能，对其进行X射线衍射、微观组织结构测试，分析嵌缝料预形变过程及形状恢复过程的应力、应变、构象熵等变化，研究嵌缝料二维形状记忆效应原理；建立复杂应力状态下嵌缝料热力学本构模型，从微观热力学角度评价嵌缝料的二维形状记忆效应。本发明提供的方法有利于增强嵌缝料的二维形状记忆效应，提高其耐久性，延长水泥路面的使用寿命。

Description

水泥路面嵌缝料二维形状记忆效应评价方法

技术领域

本发明是一种水泥路面嵌缝料二维形状记忆效应评价方法，属于水泥路面嵌缝料路用性能评估技术领域。

背景技术

随着我国公路事业的不断发展和城镇化水平提高，水泥路面凭借其具有抗压强度高、耐久性好等优点在我国道路中仍占很大比重。我国是世界上拥有水泥路面最多的国家之一，然而随之而来的是每年都有很多路面破坏问题，如接缝破坏、嵌缝料失效、错台、断裂等，这不仅影响了行车的安全性和舒适性，同时也增加了道路养护维修的成本。

为了有效控制水泥路面板的收缩、翘曲和温度应力，减少伸缩、翘曲变形对路面板的损坏，接缝是水泥混凝土路面必不可少的部分，同时也是最薄弱的环节，是导致水泥路面损坏的重要因素之一，多数路面损坏是因为嵌缝料没有发挥应有的作用。在水泥路面损坏的原因中，接缝破坏是重要的因素之一。接缝破坏的原因主要有嵌缝料失效、施工不当、水分影响、基层失稳等。嵌缝料在使用过程受到交通荷载、环境因素等影响，致使嵌缝料应力集中、老化严重，出现各种裂缝或损伤，严重影响了嵌缝料的耐久性，进而影响水泥路面使用寿命和使用品质。

随着材料科学的不断发展，国内外道路研究者在目前使用的沥青类、橡胶类、树脂类等嵌缝料的基础上，将形状记忆材料运用于水泥路面嵌缝料。根据形状恢复原理，形状记忆材料可分为热致型、电致型、化学感应型和光致型四类。其中，热致型形状恢复原理是：在高于材料玻璃化转变温度时加载使材料形变达到设计值并处于应变硬化状态，保持荷载不变进行冷却，固定该形变，卸载后当温度升高至玻璃化转变温度以上时，预形变材料又恢复到其初始形状。

由于形状记忆聚合物存在强度低、恢复力小、恢复速度慢等缺点，严重影响了在工程中的应用。因此，各种增强型形状记忆聚合物基复合材料日益受到重视，逐渐在工程中得到应用。研究人员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，分析了短纤维对形状固定率和恢复率的影响，指出添加纤维使聚氨酯内固定相分子链段结构处于无序化，导致了恢复率降低。也有人研究了形状记忆聚合物基复合材料热力学性能，指出热处理过程造成了材料负泊松比效应及其对复合材料力学性能的影响。

虽然形状记忆嵌缝料已被逐渐应用于水泥路面，但其形状记忆效应方面的研究还不是很深入，有待于进一步研究。聚合物材料的形状记忆性能主要是通过形状固定率、形状回复率、形状回复速率等参数来表征。国内研究者分析了嵌缝料的形状记忆性能，指出了软、硬段含量对形状记忆效应的影响，并探究了不同填料的形状记忆材料的初始变形、回复时间等对回复能力的影响。国外研究者研究了不同循环次数下最大应变对形状回复率的影响，建立了简单应力下形状记忆材料的数值模型和热力学本构方程，从理论和试验两个方面对形状记忆复合材料的形状记忆效应进行研究。

可知，大部分现有研究主要采用宏观试验方法考察嵌缝料的形状记忆性能，从聚合物基质、增强相的掺量等对形状记忆效应的影响进行研究，且主要采用宏观试验研究一维形状记忆嵌缝料力学、耐久性等各项性能，很少深入到微观层次研究嵌缝料预形变前后分子取向度、内应力、构象熵、微观组织结构等变化规律，难以揭示嵌缝料二维形状记忆效应机理以及定量准确评价水泥路面嵌缝料二维形状记忆效应，从而很难进一步提高嵌缝料的形状记忆性能。因此，本发明分析嵌缝料内应力、构象熵、微观组织结构等变化规律与二维形状记忆行为的内在关系，建立复杂应力状态下的热力学本构模型，揭示嵌缝料二维形状记忆效应原理，从微观角度准确评价水泥路面嵌缝料二维形状记忆效应，这对形状记忆嵌缝料更好地服务于水泥路面具有重要意义。

发明内容

(1)技术问题

本发明的目的是提供一种水泥路面嵌缝材料二维形状记忆效应评价方法，该方法从微观角度分析在赋予嵌缝料形状记忆功能的双阶段预形变过程中的内应力变化规律，考察形状记忆嵌缝料的分子取向和微观组织结构变化，从而解决目前水泥路面形状记忆嵌缝料二维形状记忆效应评价不深入、不准确，导致难以揭示嵌缝料二维形状记忆效应机理和进一步提高嵌缝料的形状记忆性能的问题。

(2)技术方案

形状记忆聚合物基复合材料作为嵌缝料用于水泥路面的技术还不成熟，二维形状记忆效应评价方法不深入、不准确，本发明从微观角度入手，理论与试验相结合，提供一种水泥路面嵌缝材料二维形状记忆效应评价方法。本发明技术方案如下：首先，制备形状记忆聚合物基符合材料作为嵌缝料，采用双阶段单轴预形变方法赋予其二维形状记忆功能，通过X射线衍射、透射电子显微镜、扫描电镜、偏振红外光谱等测试手段进行表征；其次，结合理论和测试数据分析嵌缝料预形变过程及形状恢复过程的应力、应变、构象熵等的变化，研究嵌缝料二维形状记忆效应原理；最后根据归纳数据建立本构模型，并通过试验验证其可靠性，从而选择最适于嵌缝料的预形变，使其具有最佳二维形状记忆效应，提高嵌缝料自愈合能力，进而使嵌缝料具有良好的耐久性。

(3)有益效果

目前常用具有一维或单轴形状记忆效应的嵌缝料很难适应水泥路面接缝处工作条件的使用要求，为了提高嵌缝料的耐久性，采用二维形状记忆聚合物基复合材料作为嵌缝料，经预形变的二维形状记忆嵌缝料理论上能主动适应水泥路面接缝的宽度变化，减少嵌缝料开裂、脱落、渗水、挤出等耐久性问题。但是缺少深入、准确的二维形状记忆效应评价方法。采用本发明提供的水泥路面嵌缝材料二维形状记忆效应评价方法，可以从两个方向(水平行车方向和竖直方向)及微观角度研究嵌缝料随接缝宽度变化而变化的情况，从而更了解嵌缝料的形状记忆效应，也有利于提高嵌缝料的自愈合行为，能使嵌缝料在损坏后得到及时有效的自修复。此外，可以根据二维形状记忆效应评价结果制备适合各地区水泥路面的嵌缝料，提高嵌缝料的耐久性，从而减少水泥路面的破坏，降低道路养护维修的成本，满足水泥路面使用和发展要求。

具体实施方式

本发明提供一种水泥路面嵌缝材料二维形状记忆效应评价方法，具体实施步骤如下：

(1)制备形状记忆聚合物基复合材料作为嵌缝料，采用双阶段单轴预形变方法分别在水平和竖直方向赋予嵌缝料二维形状记忆功能，对嵌缝料进行X射线衍射测定，根据X射线谱线偏移、宽度、强度、衍射角等参数并结合衍射强度理论，明确嵌缝料预形变及形状记忆过程微观内应力变化规律；

(2)采用透射电子显微镜和扫描电镜观察嵌缝料在预形变前后的微观组织结构、表面形貌的变化及其与嵌缝料二维形状记忆效应的内在关系；

(3)采用偏振红外光谱仪测定嵌缝料的红外二向色性，分析预形变过程嵌缝料大分子链取向度和热力学构象熵的变化规律，并利用热力学熵增原理分析双阶段单轴预形变过程及形状恢复过程构象熵的变化；

(4)根据X射线衍射、透射电子显微镜、扫描电镜、偏振红外光谱等测定结果，建立嵌缝料内应力、构象熵、微观组织结构等与二维形状记忆效应之间的关系，从水平行车方向和竖直方向揭示嵌缝料的形状记忆效应；

(5)测试嵌缝料形变时间、体积模量、剪切模量等相关试验参数，建立复杂应力状态下嵌缝料热力学本构模型，描述二维形状记忆过程中的热力学行为，并通过试验验证其可靠性，从微观热力学角度评价嵌缝料的二维形状记忆效应。

Claims (1)

1.一种水泥路面嵌缝材料二维形状记忆效应评价方法，其特征在于该方法的具体步骤如下：

(1)制备形状记忆聚合物基复合材料作为嵌缝料，采用双阶段单轴预形变方法分别在水平和竖直方向赋予嵌缝料二维形状记忆功能，对嵌缝料进行X射线衍射测定，根据X射线谱线偏移、宽度、强度、衍射角等参数并结合衍射强度理论，明确嵌缝料预形变及形状记忆过程微观内应力变化规律；

(2)采用透射电子显微镜和扫描电镜观察嵌缝料在预形变前后的微观组织结构、表面形貌的变化及其与嵌缝料二维形状记忆效应的内在关系；

(3)采用偏振红外光谱仪测定嵌缝料的红外二向色性，分析预形变过程嵌缝料大分子链取向度和热力学构象熵的变化规律，并利用热力学熵增原理分析双阶段单轴预形变过程及形状恢复过程构象熵的变化；

(4)根据X射线衍射、透射电子显微镜、扫描电镜、偏振红外光谱等测定结果，建立嵌缝料内应力、构象熵、微观组织结构等与二维形状记忆效应之间的关系，从水平行车方向和竖直方向揭示嵌缝料的形状记忆效应；

(5)测试嵌缝料形变时间、体积模量、剪切模量等相关试验参数，建立复杂应力状态下嵌缝料热力学本构模型，描述二维形状记忆过程中的热力学行为，并通过试验验证其可靠性，从微观热力学角度评价嵌缝料的二维形状记忆效应。