本發(fā)明是一種水泥路面嵌縫料二維形狀記憶效應(yīng)評價(jià)方法，屬于水泥路面嵌縫料路用性能評估技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著我國公路事業(yè)的不斷發(fā)展和城鎮(zhèn)化水平提高，水泥路面憑借其具有抗壓強(qiáng)度高、耐久性好等優(yōu)點(diǎn)在我國道路中仍占很大比重。我國是世界上擁有水泥路面最多的國家之一，然而隨之而來的是每年都有很多路面破壞問題，如接縫破壞、嵌縫料失效、錯(cuò)臺、斷裂等，這不僅影響了行車的安全性和舒適性，同時(shí)也增加了道路養(yǎng)護(hù)維修的成本。

為了有效控制水泥路面板的收縮、翹曲和溫度應(yīng)力，減少伸縮、翹曲變形對路面板的損壞，接縫是水泥混凝土路面必不可少的部分，同時(shí)也是最薄弱的環(huán)節(jié)，是導(dǎo)致水泥路面損壞的重要因素之一，多數(shù)路面損壞是因?yàn)榍犊p料沒有發(fā)揮應(yīng)有的作用。在水泥路面損壞的原因中，接縫破壞是重要的因素之一。接縫破壞的原因主要有嵌縫料失效、施工不當(dāng)、水分影響、基層失穩(wěn)等。嵌縫料在使用過程受到交通荷載、環(huán)境因素等影響，致使嵌縫料應(yīng)力集中、老化嚴(yán)重，出現(xiàn)各種裂縫或損傷，嚴(yán)重影響了嵌縫料的耐久性，進(jìn)而影響水泥路面使用壽命和使用品質(zhì)。

隨著材料科學(xué)的不斷發(fā)展，國內(nèi)外道路研究者在目前使用的瀝青類、橡膠類、樹脂類等嵌縫料的基礎(chǔ)上，將形狀記憶材料運(yùn)用于水泥路面嵌縫料。根據(jù)形狀恢復(fù)原理，形狀記憶材料可分為熱致型、電致型、化學(xué)感應(yīng)型和光致型四類。其中，熱致型形狀恢復(fù)原理是：在高于材料玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時(shí)加載使材料形變達(dá)到設(shè)計(jì)值并處于應(yīng)變硬化狀態(tài)，保持荷載不變進(jìn)行冷卻，固定該形變，卸載后當(dāng)溫度升高至玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以上時(shí)，預(yù)形變材料又恢復(fù)到其初始形狀。

由于形狀記憶聚合物存在強(qiáng)度低、恢復(fù)力小、恢復(fù)速度慢等缺點(diǎn)，嚴(yán)重影響了在工程中的應(yīng)用。因此，各種增強(qiáng)型形狀記憶聚合物基復(fù)合材料日益受到重視，逐漸在工程中得到應(yīng)用。研究人員采用單軸加載方法研究了形狀記憶聚合物基復(fù)合材料熱力學(xué)性能，分析了短纖維對形狀固定率和恢復(fù)率的影響，指出添加纖維使聚氨酯內(nèi)固定相分子鏈段結(jié)構(gòu)處于無序化，導(dǎo)致了恢復(fù)率降低。也有人研究了形狀記憶聚合物基復(fù)合材料熱力學(xué)性能，指出熱處理過程造成了材料負(fù)泊松比效應(yīng)及其對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。

雖然形狀記憶嵌縫料已被逐漸應(yīng)用于水泥路面，但其形狀記憶效應(yīng)方面的研究還不是很深入，有待于進(jìn)一步研究。聚合物材料的形狀記憶性能主要是通過形狀固定率、形狀回復(fù)率、形狀回復(fù)速率等參數(shù)來表征。國內(nèi)研究者分析了嵌縫料的形狀記憶性能，指出了軟、硬段含量對形狀記憶效應(yīng)的影響，并探究了不同填料的形狀記憶材料的初始變形、回復(fù)時(shí)間等對回復(fù)能力的影響。國外研究者研究了不同循環(huán)次數(shù)下最大應(yīng)變對形狀回復(fù)率的影響，建立了簡單應(yīng)力下形狀記憶材料的數(shù)值模型和熱力學(xué)本構(gòu)方程，從理論和試驗(yàn)兩個(gè)方面對形狀記憶復(fù)合材料的形狀記憶效應(yīng)進(jìn)行研究。

可知，大部分現(xiàn)有研究主要采用宏觀試驗(yàn)方法考察嵌縫料的形狀記憶性能，從聚合物基質(zhì)、增強(qiáng)相的摻量等對形狀記憶效應(yīng)的影響進(jìn)行研究，且主要采用宏觀試驗(yàn)研究一維形狀記憶嵌縫料力學(xué)、耐久性等各項(xiàng)性能，很少深入到微觀層次研究嵌縫料預(yù)形變前后分子取向度、內(nèi)應(yīng)力、構(gòu)象熵、微觀組織結(jié)構(gòu)等變化規(guī)律，難以揭示嵌縫料二維形狀記憶效應(yīng)機(jī)理以及定量準(zhǔn)確評價(jià)水泥路面嵌縫料二維形狀記憶效應(yīng)，從而很難進(jìn)一步提高嵌縫料的形狀記憶性能。因此，本發(fā)明分析嵌縫料內(nèi)應(yīng)力、構(gòu)象熵、微觀組織結(jié)構(gòu)等變化規(guī)律與二維形狀記憶行為的內(nèi)在關(guān)系，建立復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的熱力學(xué)本構(gòu)模型，揭示嵌縫料二維形狀記憶效應(yīng)原理，從微觀角度準(zhǔn)確評價(jià)水泥路面嵌縫料二維形狀記憶效應(yīng)，這對形狀記憶嵌縫料更好地服務(wù)于水泥路面具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

(1)技術(shù)問題

本發(fā)明的目的是提供一種水泥路面嵌縫材料二維形狀記憶效應(yīng)評價(jià)方法，該方法從微觀角度分析在賦予嵌縫料形狀記憶功能的雙階段預(yù)形變過程中的內(nèi)應(yīng)力變化規(guī)律，考察形狀記憶嵌縫料的分子取向和微觀組織結(jié)構(gòu)變化，從而解決目前水泥路面形狀記憶嵌縫料二維形狀記憶效應(yīng)評價(jià)不深入、不準(zhǔn)確，導(dǎo)致難以揭示嵌縫料二維形狀記憶效應(yīng)機(jī)理和進(jìn)一步提高嵌縫料的形狀記憶性能的問題。

(2)技術(shù)方案

形狀記憶聚合物基復(fù)合材料作為嵌縫料用于水泥路面的技術(shù)還不成熟，二維形狀記憶效應(yīng)評價(jià)方法不深入、不準(zhǔn)確，本發(fā)明從微觀角度入手，理論與試驗(yàn)相結(jié)合，提供一種水泥路面嵌縫材料二維形狀記憶效應(yīng)評價(jià)方法。本發(fā)明技術(shù)方案如下：首先，制備形狀記憶聚合物基符合材料作為嵌縫料，采用雙階段單軸預(yù)形變方法賦予其二維形狀記憶功能，通過X射線衍射、透射電子顯微鏡、掃描電鏡、偏振紅外光譜等測試手段進(jìn)行表征；其次，結(jié)合理論和測試數(shù)據(jù)分析嵌縫料預(yù)形變過程及形狀恢復(fù)過程的應(yīng)力、應(yīng)變、構(gòu)象熵等的變化，研究嵌縫料二維形狀記憶效應(yīng)原理；最后根據(jù)歸納數(shù)據(jù)建立本構(gòu)模型，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證其可靠性，從而選擇最適于嵌縫料的預(yù)形變，使其具有最佳二維形狀記憶效應(yīng)，提高嵌縫料自愈合能力，進(jìn)而使嵌縫料具有良好的耐久性。

(3)有益效果

目前常用具有一維或單軸形狀記憶效應(yīng)的嵌縫料很難適應(yīng)水泥路面接縫處工作條件的使用要求，為了提高嵌縫料的耐久性，采用二維形狀記憶聚合物基復(fù)合材料作為嵌縫料，經(jīng)預(yù)形變的二維形狀記憶嵌縫料理論上能主動(dòng)適應(yīng)水泥路面接縫的寬度變化，減少嵌縫料開裂、脫落、滲水、擠出等耐久性問題。但是缺少深入、準(zhǔn)確的二維形狀記憶效應(yīng)評價(jià)方法。采用本發(fā)明提供的水泥路面嵌縫材料二維形狀記憶效應(yīng)評價(jià)方法，可以從兩個(gè)方向(水平行車方向和豎直方向)及微觀角度研究嵌縫料隨接縫寬度變化而變化的情況，從而更了解嵌縫料的形狀記憶效應(yīng)，也有利于提高嵌縫料的自愈合行為，能使嵌縫料在損壞后得到及時(shí)有效的自修復(fù)。此外，可以根據(jù)二維形狀記憶效應(yīng)評價(jià)結(jié)果制備適合各地區(qū)水泥路面的嵌縫料，提高嵌縫料的耐久性，從而減少水泥路面的破壞，降低道路養(yǎng)護(hù)維修的成本，滿足水泥路面使用和發(fā)展要求。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明提供一種水泥路面嵌縫材料二維形狀記憶效應(yīng)評價(jià)方法，具體實(shí)施步驟如下：

(1)制備形狀記憶聚合物基復(fù)合材料作為嵌縫料，采用雙階段單軸預(yù)形變方法分別在水平和豎直方向賦予嵌縫料二維形狀記憶功能，對嵌縫料進(jìn)行X射線衍射測定，根據(jù)X射線譜線偏移、寬度、強(qiáng)度、衍射角等參數(shù)并結(jié)合衍射強(qiáng)度理論，明確嵌縫料預(yù)形變及形狀記憶過程微觀內(nèi)應(yīng)力變化規(guī)律；

(2)采用透射電子顯微鏡和掃描電鏡觀察嵌縫料在預(yù)形變前后的微觀組織結(jié)構(gòu)、表面形貌的變化及其與嵌縫料二維形狀記憶效應(yīng)的內(nèi)在關(guān)系；

(3)采用偏振紅外光譜儀測定嵌縫料的紅外二向色性，分析預(yù)形變過程嵌縫料大分子鏈取向度和熱力學(xué)構(gòu)象熵的變化規(guī)律，并利用熱力學(xué)熵增原理分析雙階段單軸預(yù)形變過程及形狀恢復(fù)過程構(gòu)象熵的變化；

(4)根據(jù)X射線衍射、透射電子顯微鏡、掃描電鏡、偏振紅外光譜等測定結(jié)果，建立嵌縫料內(nèi)應(yīng)力、構(gòu)象熵、微觀組織結(jié)構(gòu)等與二維形狀記憶效應(yīng)之間的關(guān)系，從水平行車方向和豎直方向揭示嵌縫料的形狀記憶效應(yīng)；

(5)測試嵌縫料形變時(shí)間、體積模量、剪切模量等相關(guān)試驗(yàn)參數(shù)，建立復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下嵌縫料熱力學(xué)本構(gòu)模型，描述二維形狀記憶過程中的熱力學(xué)行為，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證其可靠性，從微觀熱力學(xué)角度評價(jià)嵌縫料的二維形狀記憶效應(yīng)。