CN110565392A - 一种可调节温度变化的土工布材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可调节温度变化的土工布材料的制备方法，本发明通过制备不同的相变材料微胶囊的或制备复合定形相变材料，通过采用不同的相变材料，制备出相变温度范围为‑15℃～10℃的不同的相变材料。利用不同的粘结材料将该材料粘结于土工布材料上，铺设在路基土体及边坡中。本发明所得到的土工布材料不仅具有普通土工布的优点外，由于该种相变微胶囊具有潜热功能，在外界温度变化时释放能量，调节路基土体温度场，减少因温度引起的路基病害，提高路面的使用性能和延长路面的适用寿命。

Description

一种可调节温度变化的土工布材料的制备方法
技术领域
本发明属于道路工程领域，具体涉及一种可调节温度变化的土工布材料的制备方法。
背景技术
在寒区中修筑道路，不可避免会遇到冻土工程的相关问题。例如西藏地区土体多为冻土，路基顶部温度达到-10℃，由上至下呈阶梯状降低，但整体温度位于零下。冻土边坡最大冻结深度约为0.8～1.0m。冻结期间，相变界面的深度随时间均匀加深，大致经历2个月达到最大冻结深度。由于冰冻和水分转移使路面出现拥抱。之后随大气温度升高，土体在20～30d内迅速融化。引起路基边坡坍塌与坍陷，道路出现翻浆现象。在行车荷载作用下，水泥混凝土路面将会发生断裂、拱起、唧泥等破坏。大量工程实践表明，路基不均匀沉陷、季节性冻结与融化引起路基不均匀变形已成为路面结构早期破坏的重要原因之一。这不但构成了车辆运行的安全隐患，还大大降低了公路的使用寿命。路基不均匀变形与土体的水、热稳定性密切相关。其中，温度是土体中水分迁移的动力和水分发生相变的条件，因此，提高冻土地区土体温度是路基及路面稳定性的基础。
目前针对路面病害，解决办法之一是在路基土体中采用埋入法铺设土工布夹层，该夹层可以在保持两种土的原有性质不变的情况下，使水通过，防止两者混合，或防止土壤流失。另外土工布具有良好的渗透性，即便在高压下仍有较大的孔效率，因此很容易在土工布中形成水流通道，排除路基土体中的水。土工布质量轻，整体连续性好，抗拉强度较高，并且与土体结合较好，可以有效防止因冻融循环作用引起的土体流失，但该方法过于单一，并未解决寒冷地区路基土体的温度问题。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种可调节温度变化的土工布材料的制备方法，该土工布材料透气性、透水性、导水性能，耐酸碱性良好，施工简单，能够主动调控路基土体的温度场，有效预防路基土的冻融等与温度相关的病害。
为了达到上述目的，本发明包括以下步骤：
步骤一，根据需要选择对应的石蜡乳液、正十二烷、十四烷和正十八烷的至少一种作为相变材料；
步骤二，将根据质量份数，将1份相变材料与1～5份胶囊壁材料合成为具有核-壳结构的相变材料微胶囊；
或将相变材料与复合改性剂采用化学法制备为复合定形相变材料；
步骤三，通过粘结材料将相变材料微胶囊化或复合定形相变材料粘结在土工布的表面，完成可调节温度变化的土工布材料的制备。
步骤二中，胶囊壁材料为三聚氰胺改性脲醛树脂、三聚氰胺甲醛树脂、脲醛树脂、酚醛树脂、聚乙烯醇、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸酯、明胶或聚脲树脂。
步骤二中，相变材料与胶囊壁材料合成采用原位聚合法、界面聚合法或水相分离法。
步骤二中，复合改性剂为将癸二酸二异辛酯溶于无水乙醇中形成浓度为8.5％的液相凝胶体系改性剂、聚乙烯HDPE 8006和环氧大豆油的混合物改性剂、聚对苯二甲酸乙二醇酯-聚乙二醇嵌段共聚物改性剂。
步骤三中，粘结材料为乳化沥青、环氧树脂、水玻璃、聚乙烯醇、EVA、羟丙纤维素、羟丙甲纤维素、聚维酮或甲基丙烯酸醋-甲基丙烯酸共聚物。
步骤三中，土工布以塑料薄膜作为基材，并在塑料薄膜上复合无纺布。
与现有技术相比，本发明通过制备不同的相变材料微胶囊的或制备复合定形相变材料，通过采用不同的相变材料，制备出相变温度范围为-15℃～10℃的不同的相变材料。利用不同的粘结材料将该材料粘结于土工布材料上，铺设在路基土体及边坡中。本发明所得到的土工布材料不仅具有普通土工布的优点外，由于该种相变微胶囊具有潜热功能，在外界温度变化时释放能量，调节路基土体温度场，减少因温度引起的路基病害，提高路面的使用性能和延长路面的适用寿命。
附图说明
图1为本发明土工布材料的结构示意图；
图2为本发明土工布材料的使用位置图；
其中，1、土工布；2、相变微胶囊材料；3、粘结剂；4、边坡顶部；5、边坡外侧。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
参见图1，本发明包括以下步骤：
步骤一，根据需要选择对应的石蜡乳液、正十二烷、十四烷和正十八烷的至少一种作为相变材料；
步骤二，根据质量份数，将1份相变材料与1～5份胶囊壁材料合成为具有核-壳结构的相变材料微胶囊；
或将相变材料与复合改性剂采用化学法制备为复合定形相变材料；
步骤三，通过粘结材料将相变材料微胶囊化或复合定形相变材料粘结在土工布的表面，完成可调节温度变化的土工布材料的制备。
步骤二中，胶囊壁材料为三聚氰胺改性脲醛树脂、三聚氰胺甲醛树脂、脲醛树脂、酚醛树脂、聚乙烯醇、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸酯、明胶或聚脲树脂。
步骤二中，相变材料与胶囊壁材料合成采用原位聚合法、界面聚合法或水相分离法。
步骤二中，复合改性剂为将癸二酸二异辛酯溶于无水乙醇中形成浓度为8.5％的液相凝胶体系改性剂、聚乙烯HDPE 8006和环氧大豆油的混合物改性剂、聚对苯二甲酸乙二醇酯-聚乙二醇嵌段共聚物改性剂。
步骤三中，粘结材料为乳化沥青、环氧树脂、水玻璃、聚乙烯醇、EVA、羟丙纤维素、羟丙甲纤维素、聚维酮或甲基丙烯酸醋-甲基丙烯酸共聚物。
相变材料是一种能随着温度的变化而改相变态的功能性材料，在相转变过程中伴随着能量的吸收或释放，因此可以实现调节温度变化的目标。此外相变材料具有储热密度高、体积小以及吸放热为恒温过程等优点。利用原位聚合法、界面聚合法、水相分离法等方法合成微胶囊，包裹住分散性的相变材料，使其形成具有核-壳结构的微小粒子，即相变材料微胶囊化。也可利用化学法制备复合定形相变材料，将相变材料均匀加入到土工布材料中，相变材料通过发挥其潜热功能，可以降低路基土体对环境温度的敏感性，从而减小因温度引起的路基病害。
土工布以塑料薄膜作为基材，与无纺布复合而成。土工布具有良好的导水性能，可以在土体内部形成排水通道，将土体结构多余液体和气体外排，防止土体内多余水分的聚集。
利用粘结材料将相变微胶囊材料粘附于土工布上。将带有相变材料的土工布应用于寒冷冻土地区路基修筑中，利用相变材料储存的潜热，能实现当外界温度环境变化时，延缓路基土体内部温度变化的目的。
实施例1：
制备石蜡微胶囊：
步骤一：将石蜡1份与适量蒸馏水、乳化剂、分散剂混合，在高速剪切机下剪切乳化，制备石蜡乳化液。
步骤二：将1.5份三聚氰胺改性脲醛树脂与步骤一中制备的石蜡乳液在四口烧瓶中加热形成微胶囊。
步骤三：真空干燥24h，得到粉末状微胶囊。其相变温度和焓值分别为12.53℃和137.16J/g。
参见图2，路基填筑采用水平分层填筑，即按照横断面全宽分成水平层次，逐层向上填筑。
在每一层边坡外侧5处铺设土工布1，利用环氧树脂粘结剂3将相变材料固定于土工布1上。单位面积上相变材料比例为3％。
对边坡进行超宽填筑，超宽宽度为0.5m。
每填一层经过压实达到符合规定要求后，再填筑上一层。每层边坡外侧均需铺设复合土工布材料并超宽填筑。
在边坡顶部4铺设土工布1，利用环氧树脂粘结剂3将相变材料固定于土工布1上。单位面积上相变材料比例为3％。
十五分钟后填筑下一层路基土，直至填筑完路基土。
最后对路基土进行压实，待检测确认后，对路基进行成型和修整。
经检测，采用该种新型复合土工布材料，路基土体温度整体提高3.2～4℃。
实施例2：
步骤一：将1份白炭黑与1份十四烷混合均匀得到定形相变材料。
步骤二：将癸二酸二异辛酯溶于无水乙醇中形成液相凝胶体系(浓度8.5％)。
步骤三：将上述两者按0.55：1混合在45℃烘箱中加热烘干后研磨成粉末状，得到复合定形相变材料。其相变温度和焓值分别为-31.65～2.16℃、80.31J/g。
参见图2，路基填筑采用水平分层填筑，即按照横断面全宽分成水平层次，逐层向上填筑。
在每一层边坡外侧5处铺设土工布1，利用EVA粘结剂3将相变材料固定于土工布1上。单位面积上相变材料比例为3％。
对边坡进行超宽填筑，超宽宽度为0.5m。
每填一层经过压实达到符合规定要求后，再填筑上一层。每层边坡外侧均需铺设复合土工布材料并超宽填筑。
在边坡顶部4铺设土工布1，利用EVA粘结剂3将相变材料固定于土工布1上。单位面积上相变材料比例为3％。
十五分钟后填筑下一层路基土，直至填筑完路基土。
最后对路基土进行压实，待检测确认后，对路基进行成型和修整。
经检测，采用该种新型复合土工布材料，路基土体温度整体提高2.9～3.4℃。
实施例3：
步骤一：准备5份聚乙二醇(PEG)、1份SiO2和泡沫镍。
步骤二：将步骤一中的材料与溶胶-凝胶混合搅拌均匀，采用真空浸渍法制备新型热导率增强的定形复合相变材料PEG/SiO2-Ni。其相变温度和焓值分别为-24～12.7℃、95.6J/g。
参见图2，路基填筑采用水平分层填筑，即按照横断面全宽分成水平层次，逐层向上填筑。
在每一层边坡外侧5处铺设土工布1，利用羟丙纤维素粘结剂3将相变材料固定于土工布1上。单位面积上相变材料比例为3％。
对边坡进行超宽填筑，超宽宽度为0.5m。
每填一层经过压实达到符合规定要求后，再填筑上一层。每层边坡外侧均需铺设复合土工布材料并超宽填筑。
在边坡顶部4铺设土工布1，利用羟丙纤维素粘结剂3将相变材料固定于土工布1上。单位面积上相变材料比例为3％。
十五分钟后填筑下一层路基土，直至填筑完路基土。
最后对路基土进行压实，待检测确认后，对路基进行成型和修整。
经检测，采用该种新型复合土工布材料，路基土体温度整体提高3.3～4.5℃。
实施例4：
步骤一：将1份AM和4份PEG烘干加入适量蒸馏水中。
步骤二：向步骤一的溶液中加入0.1份交联剂与0.01份引发剂。
步骤三：待充分反应后，真空干燥24h，得到半互穿网络型聚乙二醇/聚丙烯酰胺(PEG/PAM)复合定形相变材料。其相变温度和焓值分别为-10.8～19.5℃、103.2J/g。
参见图2，路基填筑采用水平分层填筑，即按照横断面全宽分成水平层次，逐层向上填筑。
在每一层边坡外侧5处铺设土工布1，利用羟丙甲纤维素粘结剂3将相变材料固定于土工布1上。单位面积上相变材料比例为3％。
对边坡进行超宽填筑，超宽宽度为0.5m。
每填一层经过压实达到符合规定要求后，再填筑上一层。每层边坡外侧均需铺设复合土工布材料并超宽填筑。
在边坡顶部4铺设土工布1，利用羟丙甲纤维素粘结剂3将相变材料固定于土工布1上。单位面积上相变材料比例为3％。
十五分钟后填筑下一层路基土，直至填筑完路基土。
最后对路基土进行压实，待检测确认后，对路基进行成型和修整。
经检测，采用该种新型复合土工布材料，路基土体温度整体提高3.1～4.9℃。
实施例5：
其相变温度和焓值分别为-4～4.7℃、96J/g。
路基填筑采用水平分层填筑，即按照横断面全宽分成水平层次，逐层向上填筑。
在每一层边坡外侧5处铺设土工布1，利用水玻璃粘结剂3将相变材料固定于土工布1上。单位面积上相变材料比例为3％。
参见图2，对边坡进行超宽填筑，超宽宽度为0.5m。
每填一层经过压实达到符合规定要求后，再填筑上一层。每层边坡外侧均需铺设复合土工布材料并超宽填筑。
在边坡顶部4铺设土工布1，利用水玻璃粘结剂3将相变材料固定于土工布1上。单位面积上相变材料比例为3％。
十五分钟后填筑下一层路基土，直至填筑完路基土。
最后对路基土进行压实，待检测确认后，对路基进行成型和修整。
经检测，采用该种新型复合土工布材料，路基土体温度整体提高2.8～3.7℃。
实施例6：
制备以正十四烷为芯材，以PVA、PSt、聚甲基丙烯酸酯为囊壁材料的相变材料微胶囊。
其相变温度和焓值分别为-13.2～4℃、80.6J/g。
路基填筑采用水平分层填筑，即按照横断面全宽分成水平层次，逐层向上填筑。
在每一层边坡外侧5处铺设土工布1，利用乳化沥青粘结剂3将相变材料固定于土工布1上。单位面积上相变材料比例为3％。
参见图2，对边坡进行超宽填筑，超宽宽度为0.5m。
每填一层经过压实达到符合规定要求后，再填筑上一层。每层边坡外侧均需铺设复合土工布材料并超宽填筑。
在边坡顶部4铺设土工布1，利用乳化沥青粘结剂3将相变材料固定于土工布1上。单位面积上相变材料比例为3％。
十五分钟后填筑下一层路基土，直至填筑完路基土。
最后对路基土进行压实，待检测确认后，对路基进行成型和修整。
经检测，采用该种新型复合土工布材料，路基土体温度整体提高2.3～3.5℃。
实施例7：
制备以正十二烷为芯材，以明胶为囊壁材料的相变材料微胶囊。
其相变温度和焓值分别为-10.9～5.6℃、84.3J/g。
路基填筑采用水平分层填筑，即按照横断面全宽分成水平层次，逐层向上填筑。
在每一层边坡外侧5铺设土工布1，利用聚乙烯醇粘结剂3将相变材料固定于土工布1上。单位面积上相变材料比例为3％。
参见图2，对边坡进行超宽填筑，超宽宽度为0.5m。
每填一层经过压实达到符合规定要求后，再填筑上一层。每层边坡外侧均需铺设复合土工布材料并超宽填筑。
在边坡顶部4铺设土工布1，利用聚乙烯醇粘结剂3将相变材料固定于土工布1上。单位面积上相变材料比例为3％。
十五分钟后填筑下一层路基土，直至填筑完路基土。
最后对路基土进行压实，待检测确认后，对路基进行成型和修整。
经检测，采用该种新型复合土工布材料，路基土体温度整体提高2.9～3.4℃。
实施例8：
以正十二烷和正十四烷为芯材，以低密度聚乙烯HDPE 8006和环氧大豆油为复合改性剂制备复合相变材料。
其相变温度和焓值分别为-15.2～-0.5℃、77J/g。
参见图2，路基填筑采用水平分层填筑，即按照横断面全宽分成水平层次，逐层向上填筑。
在每一层边坡外侧5处铺设土工布1，利用甲基丙烯酸醋-甲基丙烯酸共聚物粘结剂3将相变材料固定于土工布1上。单位面积上相变材料比例为3％。
对边坡进行超宽填筑，超宽宽度为0.5m。
每填一层经过压实达到符合规定要求后，再填筑上一层。每层边坡外侧均需铺设复合土工布材料并超宽填筑。
在边坡顶部4铺设土工布1，利用甲基丙烯酸醋-甲基丙烯酸共聚物粘结剂3将相变材料固定于土工布1上。单位面积上相变材料比例为3％。
十五分钟后填筑下一层路基土，直至填筑完路基土。
最后对路基土进行压实，待检测确认后，对路基进行成型和修整。
经检测，采用该种新型复合土工布材料，路基土体温度整体提高2.3～3.1℃。
实施例9：
以PEG、对苯二甲酸二甲酯和乙二醇为原料制备聚对苯二甲酸乙二醇酯-聚乙二醇嵌段共聚物，相变温度区间为-5～0℃。
参见图2，路基填筑采用水平分层填筑，即按照横断面全宽分成水平层次，逐层向上填筑。
在每一层边坡外侧5处铺设土工布1，利用聚维酮粘结剂3将相变材料固定于土工布1上。单位面积上相变材料比例为3％。
对边坡进行超宽填筑，超宽宽度为0.5m。
每填一层经过压实达到符合规定要求后，再填筑上一层。每层边坡外侧均需铺设复合土工布材料并超宽填筑。
在边坡顶部4铺设土工布1，利用聚维酮粘结剂3将相变材料固定于土工布1上。单位面积上相变材料比例为3％。
十五分钟后填筑下一层路基土，直至填筑完路基土。
最后对路基土进行压实，待检测确认后，对路基进行成型和修整。
经检测，采用该种新型复合土工布材料，路基土体温度整体提高2.6～3.8℃。

Claims (6)

1.一种可调节温度变化的土工布材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，根据需要选择对应的石蜡乳液、正十二烷、十四烷和正十八烷的至少一种作为相变材料；
步骤二，根据质量份数，将1份相变材料与1～5份胶囊壁材料合成为具有核-壳结构的相变材料微胶囊；
或将相变材料与复合改性剂采用化学法制备为复合定形相变材料；
步骤三，通过粘结材料将相变材料微胶囊化或复合定形相变材料粘结在土工布的表面，完成可调节温度变化的土工布材料的制备。
2.根据权利要求1所述的一种可调节温度变化的土工布材料制备方法，其特征在于，步骤二中，胶囊壁材料为三聚氰胺改性脲醛树脂、三聚氰胺甲醛树脂、脲醛树脂、酚醛树脂、聚乙烯醇、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸酯、明胶或聚脲树脂。
3.根据权利要求1所述的一种可调节温度变化的土工布材料制备方法，其特征在于，步骤二中，相变材料与胶囊壁材料合成采用原位聚合法、界面聚合法或水相分离法。
4.根据权利要求1所述的一种可调节温度变化的土工布材料制备方法，其特征在于，步骤二中，复合改性剂为将癸二酸二异辛酯溶于无水乙醇中形成浓度为8.5％的液相凝胶体系改性剂、聚乙烯HDPE 8006和环氧大豆油的混合物改性剂、聚对苯二甲酸乙二醇酯-聚乙二醇嵌段共聚物改性剂。
5.根据权利要求1所述的一种可调节温度变化的土工布材料制备方法，其特征在于，步骤三中，粘结材料为乳化沥青、环氧树脂、水玻璃、聚乙烯醇、EVA、羟丙纤维素、羟丙甲纤维素、聚维酮或甲基丙烯酸醋-甲基丙烯酸共聚物。
6.根据权利要求1所述的一种可调节温度变化的土工布材料制备方法，其特征在于，步骤三中，土工布以塑料薄膜作为基材，并在塑料薄膜上复合无纺布。
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