植物油微胶囊沥青混合料的微观力学性能及自愈合机制

为了研究植物油微胶囊沥青混合料的微观力学性能及自愈合机制,利用分子动力学方法基于12分子沥青模型构建沥青微裂缝模型,采用植物油提取物油酸、亚油酸以及石油基再生剂乙基四氢化萘作为芯材,探究三种芯材释放后沥青微裂缝的自愈合进程,计算沥青分子的自扩散系数并分析不同芯材的作用机制,同时构建沥青-集料模型,采用粘聚能、粘附能、粘附强度等指标分析融入不同芯材后沥青-集料界面的微观力学性能。结果表明:芯材的释放加速了沥青分子的自扩散,提高了微裂缝的自愈合能力,且微裂缝自愈合能力随温度的升高而增强;与芯材融合后老化沥青的粘聚能和粘附能分别提高了37.2%和36.8%以上,并且老化沥青-集料界面的粘附强度增加;与石油基再生剂相比,植物油能更好地促进微裂缝的愈合。通过分子动力学技术可以更深入地探查微胶囊沥青路面的自愈合机制,从而为微胶囊芯材的设计与选择提供可行的方法。

吸波沥青混合料的制备及微波自愈合特性

吸波材料具有良好的微波传热能力,可用于沥青路面微裂缝自修复。本研究选取了炭黑粉、羰基铁粉和镍锌铁氧体粉3种吸波材料替换部分矿粉制备了SMA-13吸波沥青混合料。通过车辙试验、低温弯曲破坏试验和冻融劈裂试验对比分析了不同吸波沥青混合料的路用性能,并采用半圆弯曲(SCB)试验研究了吸波材料类型、掺量、微波加热时间等因素对吸波沥青混合料表面温度分布和自愈合性能的影响。利用扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射(XRD)分析吸波材料的微观特性。结果表明,随吸波材料掺量从10%增至30%,炭黑粉沥青混合料的动稳定度和冻融劈裂强度比都呈现出逐渐上升趋势,而低温弯曲应变则表现出先增加后减小的特征;羰基铁粉沥青混合料动稳定度和低温弯曲应变均呈现先增加后减小的趋势,而冻融劈裂强度比表现出逐渐减小的特征;镍锌铁氧体粉沥青混合料动稳定度和低温弯曲应变均呈现逐渐减小趋势,而冻融劈裂强度比则与之相反。吸波沥青混合料的表面温度随着吸波材料掺量和微波加热时间的增加而逐渐上升,能够快速达到沥青混合料裂缝面的愈合温度,从而增强沥青混合料的微波自愈合性能。

导电作用下碳纳米管-碳纤维沥青混合料的自愈合研究

针对沥青路面因车辆荷载、温度荷载等带来的裂缝扩展问题,采用碳纳米管-碳纤维制备导电沥青混合料,进行电-热愈合试验,分析沥青混合料裂缝愈合前后的电阻率值、断裂能、极限承载力和微观结构,研究导电作用下碳纳米管-碳纤维沥青混合料的自愈合水平。结果表明,碳纳米管掺量在0.5%,1.0%时可以显著提高沥青混合料的自愈合能力;导电沥青混合料的自愈合水平与愈合前、后电阻率比值存在Sine函数关系;在50℃、20 min环境下小梁试件的极限承载力和断裂应变能得到最大限度的恢复。

基于微波加热的沥青混合料自愈合性能研究

微波加热作为一种全新的体积加热形式,因其快速、均匀和节能的加热特性,已广泛应用于食品、陶瓷等行业,但在道路早期养护领域尚处于探索研究阶段。本研究归纳了基于微波加热的沥青混合料自愈合性能研究进展,针对沥青材料自愈合理论、微波加热机理、微波加热材料、微波加热沥青混合料自愈合影响因素等方面研究现状进行了总结。综述分析表明:由于沥青成分、微观结构以及复杂的相互作用,沥青材料的愈合机制尚未完全清楚,但裂缝表面分子扩散理论、裂缝表面能理论和毛细流动理论在一定的限定条件下能够很好地表征沥青材料的自愈合特性;微波加热是一种高效、环保的沥青混合料自愈合热诱导形式,通过掺入钢屑、钢渣、炭黑、铁素体颗粒等微波加热材料,可提高沥青混合料的自愈合性能;沥青混合料的自愈合性能受到微波特性、沥青性能及沥青混合料类型、外部环境等因素的共同影响,外部环境对沥青混合料自愈合性能的影响最为显著,当超过最佳加热时间、含水率过高、损伤程度较大时,沥青混合料的自愈合性能显著下降。最后,从实际工程的角度,分析了微波加热沥青混合料自愈合性能工程应用面临的问题,并展望了其应用前景。

用于应变传感器的自愈合抗冻离子水凝胶

近年来,导电水凝胶在电子驱动器、医疗监测传感器及可穿戴设备等领域的应用备受关注。然而,多数凝胶机械强度低、寿命短、抗冻性能差,从而导致低温下无法使用。为了解决该问题,以聚乙烯醇、离子液体1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐和植酸为原料,在水与二甲基亚砜(DMSO)二元溶液中借助多重氢键及离子基团间的静电作用实现了超分子自组装,制备出一种可用于应变传感的自愈合、耐低温多功能离子水凝胶。研究发现在凝胶中引入DMSO,凝胶表现出优异的抗冻能力;同时,调节DMSO的含量可优化凝胶的强度和韧性,当DMSO体积分数为40%时,最大拉伸强度和断裂伸长率分别可达4.43 MPa和869.1%。该离子水凝胶在低温应变传感器、智能可穿戴响应元件等领域展现出较好的应用潜力。

热诱导自愈合沥青混凝土研究综述:一种可持续路面材料

热诱导技术可以提高沥青混凝土的自愈合效率,改善路面的抗疲劳性能,延长其服役寿命并降低其全寿命周期成本,进而减少沥青混凝土生产和使用所产生的环境足迹(特别是碳足迹)。基于此,对沥青混凝土的电磁感应、微波和射线热诱导自愈合性能及其机理研究进行综述,并对沥青混凝土热诱导自愈合面临的主要难题和应用前景进行概述,以期为发展低碳及可持续路面提供支持。综述分析表明,调控并利用沥青混凝土的温度敏感性,分阶段实现裂缝界面沥青的流动与扩散是实现热诱导自愈合的关键;纤维状功能填料可使沥青混凝土在短时间产生高的热诱导自愈合效率,粒料类功能填料在长时加热后可赋予沥青混凝土高效自愈合性能;高导电和导热性功能填料对于电磁感应热诱导自愈合是不可缺少的;微波热诱导对沥青混凝土中的矿料进行加热,加入高导热和吸波性能功能填料均可改善其微波吸收能力,从而提高加热及自愈合效率;射线热诱导自愈合冷却过程快,不利于发挥降温过程的自愈合效果。在满足行车舒适性和安全性的前提下,低成本、低碳、高效以及操作安全是热诱导的应用基础,基于热诱导技术开发出智能、可自动响应、可持续的沥青混凝土是未来的发展方向。

氧化石墨烯及多聚磷酸复合改性剂对沥青自愈合性能的影响

为了研究氧化石墨烯(graphite oxide,GO)和多聚磷酸(polyphosphoric acid,PPA)复合改性剂对沥青自愈合性能的影响,利用MaterialsStudio软件构建基质沥青和GO/PPA复合改性沥青的分子模型,通过密度、溶解度和玻璃化转变温度对建立的沥青模型进行合理性验证;在2组沥青之间插入1nm的真空层以表示疲劳损伤后产生的微裂缝,研究基质沥青和GO/PPA复合改性沥青在不同温度下的自愈合过程,并以扩散系数、活化能和指前因子为指标对两者的自愈合能力进行了评价;最后通过动态剪切流变试验验证模拟结果的准确性。结果表明:随着温度的升高,基质沥青和GO/PPA复合改性沥青中的微裂缝可以更快速修复;与基质沥青相比,GO/PPA复合改性沥青的扩散系数更大,因此具有更高的自愈合效率。研究成果有助于加深对GO/PPA复合改性剂自愈合效果的理解,为后续类似研究提供理论依据。

钢渣在自愈合路面中的应用

钢渣是炼钢过程中产生的副产品,中国钢渣存量和年产量都很大,利用率却很低。钢渣的物理力学性能优良,在道路建设方面有很大应用潜力。路面出现裂纹时,传统路面修补技术存在修复不彻底和成本高等问题,热诱导自愈合技术修复速率快且方便,是一种国际公认的先进养护技术。本文对钢渣组成、电磁感应特性及具有电磁感应和微波加热自愈合功能的钢渣沥青混凝土相关研究进行综述。钢渣中含有单质Fe,Fe_(2)O_(3)等电磁参数较高的金属及金属氧化物,使钢渣具有感应发热和微波发热特性。钢渣沥青混合料的加热性能和愈合性能优于普通愈合型沥青混合料,微波愈合的效率低于电磁感应愈合,但加热均匀度和有效加热深度高于后者。在自愈合钢渣沥青混合料组成设计中,需先确定钢渣掺量和加热参数以综合考虑加热的效率和均匀度。

自愈合防水混凝土的应用研究

自愈合防水混凝土包括水化反应型、微胶囊机制、微纤维机制和微生物等类型,文章重点介绍了微生物自愈合防水混凝土的作用原理,并通过试验测试了含有巴氏芽孢杆菌的微生物自愈合防水混凝土对裂缝的修复效果。结果表明,含有巴氏芽孢杆菌的微生物自愈合防水混凝土可通过细菌诱导生成碳酸钙沉淀封堵裂缝,在裂缝自愈合性能方面远超普通混凝土。

基于硅酸钠和硅藻土的油井水泥自愈合材料的制备及表征

【目的】研究硅藻土对硅酸钠的吸附效果,探讨油井水泥环微裂缝的修复问题。【方法】采用硅酸钠作为自愈合剂,硅藻土为载体,利用真空浸渍法制备硅藻土基自愈合材料;借助扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)、红外光谱仪(infrared spectrometer,FTIR)、全自动表面积和孔结构分析仪(automatic surface area and pore structure analyzer,BET)进行分析;通过对比分析掺入硅藻土基自愈合材料前、后水泥石的抗压强度、恢复率和渗透率等,对自愈合效果进行评价;通过对水泥石裂缝表面物质进行X射线衍射分析(X-ray diffraction,XRD)、热重分析(thermal analysis,TG)和SEM分析评价材料的自愈合机制。【结果】利用真空浸渍法能够成功制得硅藻土基自愈合材料;硅藻土基自愈合材料在油井水泥中最佳掺量为9%(质量分数),该试样劈裂造缝后自愈合14 d的抗压强度比纯水泥的提高99.57%,自愈合14 d后渗透率为0.42 mD,渗透率降低率达到75.44%,比纯水泥试样的高40.94%,且自愈合14 d后裂缝表面已经闭合。【结论】硅藻土基自愈合材料制备工艺简单,在油井水泥浆中具有良好的分散性和稳定性,可以促进油井水泥石微裂缝自愈合。

L-半胱氨酸改性甲基纤维素自愈合水凝胶的制备及其性能研究

以甲基纤维素(MC)为水凝胶主体,通过Steglich酯化反应将L-半胱氨酸(Cys)接枝在MC上,从而引入巯基形成动态的二硫键,合成增强型自愈合水凝胶MC-Cys。采用傅里叶变换红外光谱仪、扫描电子显微镜、核磁共振氢谱仪、流变仪、热重分析仪等对水凝胶的结构和性能进行表征。结果表明,MC-Cys水凝胶的最大拉伸强度能达到1.251MPa,比纯MC水凝胶拉伸强度(0.626MPa)提高了1倍,动态的二硫键赋予了MC-Cys水凝胶自愈合性,在生物医学、组织工程等领域应用前景广阔。

纤维素自愈合水凝胶研究进展

水凝胶是由亲水性聚合物通过物理或化学交联方式形成的3D网络结构材料,通常具有亲水性、黏弹性、生物相容性等特点,广泛应用于生物工程、柔性电子等领域。传统水凝胶一般采用化石基聚合物为原料,其使用和废弃过程对人体和环境存在潜在威胁;同时水凝胶长时间使用后,在机械外力作用下易产生破坏,从而会对其结构完整性和性能产生影响。具有自我修复能力的水凝胶破损后利用超分子相互作用或可逆共价作用可以恢复到与起始状态几乎相同的机械性能,对延长水凝胶使用寿命具有重要意义。纤维素是一种天然有机聚合物,主要来源于自然界中的树木等天然材料,具有无毒、无害、生物相容性好等优点,符合绿色环保理念,应用前景广阔。纤维素链上丰富的含氧基团可与水分子形成氢键网络,有利于制备具自愈能力的水凝胶。对纤维素进行化学改性得到纤维素衍生物,如羧甲基纤维素、羟乙基纤维素等,可以扩大其在水凝胶领域的应用。本研究综述以纤维素以及纤维素衍生物为原料的一类自愈合水凝胶,总结传统自愈合水凝胶存在的缺点并提出相关改性策略。纤维素因自身晶体结构以及内部超分子相互作用导致其在水中难以溶解,故一般采用分散体系或溶解体系进行纤维素水凝胶的制备,通过调控水凝胶的三维结构,利用可逆共价作用(酰腙键、二硫键交换等)和非共价作用(氢键、疏水作用、主客体相互作用等)赋予其自我修复能力。由于这种可逆交联的存在,传统纤维素自愈合水凝胶一般机械性能较差,同时因现阶段对纤维素自愈合水凝胶的功能开发比较单一,限制其在各领域的应用。本研究介绍构建智能网络结构、仿生自然生物伤口愈合机制、功能化改性的方式,总结新型多功能智能纤维素自愈合水凝胶构筑的方式,结合自愈合水凝胶取得的相关研究成果,提出纤维素自愈合水凝胶现阶段仍需解决的问题,并对自愈合水凝胶的应用前景进行展望。

基于分子动力学的聚氨酯改性沥青自愈合行为研究

文中采用分子动力学方法建立了基质沥青和PU改性沥青自愈合模型.通过密度、能量、温度,以及Z轴浓度曲线研究了PU改性沥青的自愈合行为.通过扩散系数、自由体积分数和氢键分析了PU对沥青自愈合的影响.结果表明:PU改性沥青的自愈合行为分为:能量获取、流动扩散、自愈合,以及分子平衡四个阶段.当温度相同时,PU对沥青的自愈合有促进作用.PU与沥青分子间氢键的形成,使愈合结束的模型强度更高.

基于超分子相互作用的自愈合聚氨酯材料

聚氨酯材料由于其固有的氢键结构被认为是一种理想的自愈合材料。将超分子化学体系引入到聚氨酯中,可以获得性能更加出色的自愈合材料。这些基于超分子相互作用的自愈合聚氨酯材料在受损后能够恢复其大部分物理和化学性质,具有优异的性能。该文首先从不同类型的愈合机理出发,综述了近年来基于超分子相互作用的自愈合聚氨酯材料,包括氢键结合体系、基于芳香基的π-π堆积体系、链段侧链中含有离子基团并彼此形成交联点的离子交联聚合物体系、金属离子与配体进行配位引起材料交联的金属配体相互作用体系、大环分子与特定大小的分子形成包合物的主客互动体系。然后展望了自愈合聚氨酯未来发展优势。

自愈合抑温防水复合材料的制备与性能研究

以28 d抗压强度和抗渗压力比为指标,研制出了一种新型自愈合抑温防水复合材料。研究了掺入自愈合抑温防水复合材料砂浆的裂缝自修复性能,并对其进行XRD和SEM微观分析。结果表明:掺入自愈合抑温防水复合材料后,水泥净浆抑温率47%,混凝土一次抗渗压力比(28 d)可达400%,二次抗渗压力比(56 d)325%,28 d抗压强度比113%,砂浆0.3 mm裂缝90 d可实现自愈合。防水材料中的结晶成分和活性物质能够促使水泥水化,与水泥水化产物发生反应,生成结晶体填充裂缝和孔隙,从而提高试件的防水性能和自修复能力。

基于酰基氨基脲和脲键协同作用的自愈合聚脲材料的制备及性能

[目的]制备具有优异力学性能和室温自愈合能力的材料具有极大的挑战性。[方法]以间苯二甲酰肼(IPDH)和硫脲为扩链剂,通过在聚合物硬段中引入酰基氨基脲和脲键基团来制备室温自愈合聚脲材料,分析了不同氢键密度下聚合物的化学结构、热学性能、力学性能和自愈合性能。[结果]以IPDH与硫脲的物质的量比3∶2所制备的材料显示了较好的综合力学性能:拉伸强度19.33 MPa,断裂伸长率929.6%,韧性52.69 MJ/m^(3)。聚合物中存在的多种氢键作用赋予了材料优异的自愈合能力。断裂试样经25℃修补5 h后断裂面基本消失,36 h后拉伸强度和断裂伸长率均恢复了至少80%。[结论]该材料可以在温和的条件下愈合,在智能保护材料方面有潜在的应用前景。

自愈合壳聚糖抗菌水凝胶的制备及其性能研究

水凝胶作为生物医药领域的新型材料,因其具有特殊的性能被人们广泛研究。研究利用丙烯酸对壳聚糖进行修饰得到可溶性N-羧乙基壳聚糖CEC-NA,与本实验室自制的POSS-PEG-CHO在水溶液中通过席夫碱反应制备力学性能好、自愈合的CS-POSS-PEG水凝胶。对CEC-NA及CS-POSS-PEG水凝胶进行结构表征,并对水凝胶内部微观形貌、自愈合性、力学性能、溶胀性能、细胞相容性以及抗菌能力等一系列性质进行研究,结果表明水凝胶具有疏松多孔结构、良好的自愈合性、力学性能、溶胀性能、细胞相容性和抗菌性,在伤口敷料的方面具有潜在的应用前景。

暴露于高温环境后的超高性能混凝土自愈合能力研究

超高性能混凝土(UHPC)以其优越的力学性能和耐久性能在工程建设中具有广阔的应用前景.然而,UHPC内部结构致密,耐高温性能不佳,在高温环境下暴露后其各方面性能会大幅度下降,限制了其在结构工程和地下施工中的应用,本研究旨在研究UHPC在暴露于高温环境后的自修复能力.UHPC采用水泥-粉煤灰-硅灰水泥基体和钢纤维设计制备,掺入聚丙烯纤维以增强耐高温性.通过模拟在地下环境中的暴露,评估了UHPC在高温暴露后的自愈合能力.自愈合能力是通过测量高温暴露前后和自愈合试验后的抗压强度、弯曲强度及裂纹宽度的变化来进行表征.自愈合试验对UHPC断裂韧性的影响通过裂口张开位移(CMOD)测试和数字图像相关方法(DIC)表征.研究发现,地下水环境的自愈合效应可以恢复UHPC的刚度、抗拉强度,以及高温后裂纹宽度的愈合.同时,由于钢纤维的腐蚀,抗压强度的恢复很小.本研究可为拓宽UHPC的应用领域提供坚实的基础.

硫酸盐环境下CCCW材料抗腐蚀和自愈合性能试验研究

将外掺水泥基渗透结晶防水材料(Cementitious Capillary Crystalline Waterproofing Materials,CCCW)的胶砂试件和无CCCW材料的胶砂试件分别在清水和5%Na2SO4溶液中进行全浸泡试验。通过对比两种胶砂试件在不同溶液中的质量损失率和抗压强度变化来评定其抗硫酸盐侵蚀能力。通过引入裂缝后观测裂缝自愈情况,通过二次抗压强度修复率表征CCCW材料对裂缝的愈合作用。同时采用压汞试验、扫描电镜和X射线衍射分析等技术对试件孔隙结构、外观形貌和物相成分进行分析。结果表明:外掺CCCW材料降低了硫酸盐侵蚀作用下的质量损失率,提高了CCCW胶砂的抗压强度,延后了侵蚀破坏的发生,表现出良好的抗硫酸盐性能;对比清水环境,5%Na2SO4溶液中裂缝的愈合效果更显著,CCCW材料可以稳定水化产物,促进愈合产物交叉形成网状结构加速裂缝的愈合;CCCW材料能够有效减少有害孔隙的比例,提高胶砂的密实度,水泥浆体的优势孔径从大孔隙范围(77.14 nm)向小孔隙范围(40.27 nm)转移。

表面活性剂对水环境中沥青自愈合的影响

为探究在水环境中加入表面活性剂对沥青迁移及沥青自愈合的影响。文中首先构建了沥青-表面活性剂溶液-沥青的分子结构模型,运用分子动力学得到了表面活性剂作用下,在水环境中的沥青迁移微观机理;同时利用自制的试验对表面活性剂作用下的水环境中沥青迁移做出验证。微观模拟的结果表明,十二烷基苯磺酸钠溶液与上、下两侧的沥青分子间均存在吸附作用;十二烷基苯磺酸钠分子和两个沥青分子之间均存在相互作用。宏观试验的结果表明,转子上的沥青重量有所增加,在十二烷基苯磺酸钠的作用下实现了水环境中沥青的迁移及自愈合。