道路建筑材料（第2版）課件 單元九 工程高分子聚合物之模塊一~模塊三 工程高分子聚合物概述-土工合成材料

道路建筑材料

單元九工程高分子聚合物課程目標(biāo)：

“創(chuàng)新意識”價值引領(lǐng)：高等級公路高速發(fā)展，工程高分子聚合物提供新型材料

改善和提高了現(xiàn)有材料的技術(shù)性能

但仍需開拓進(jìn)取，創(chuàng)新思考和解決問題，為突破新材料生

產(chǎn)和應(yīng)用瓶頸問題建言獻(xiàn)策！知識目標(biāo)?了解高分子聚合物的組成、結(jié)構(gòu)和性能，以及在道路與橋梁工程中的應(yīng)用能力目標(biāo)?能根據(jù)相關(guān)規(guī)范結(jié)合工程應(yīng)用環(huán)境合理選擇高分子聚合物材料來改善水泥混凝土和瀝青混合料的性能模塊一工程高分子聚合物概述工程高分子聚合物概述高分子聚合物的概念1.11、單體、鏈節(jié)、聚合物和聚合度“單體”是指可以聚合成高分子聚合物的低分子化合物；“鏈節(jié)”是指組成高分子聚合物最小的重復(fù)結(jié)構(gòu)單元；“聚合物”是指相應(yīng)組成的大分子；“聚合度”是指聚合物中所含鏈節(jié)的數(shù)目，以n表示，當(dāng)聚合度很大(103以上)時的聚合物稱為“高聚物”。2、聚合物材料的分類與命名(1)聚合物材料的分類①按合成材料分為塑料、合成橡膠和合成纖維，還有膠粘劑、涂料等。②按分子結(jié)構(gòu)分為線型、支鏈型和體型三種。③按反應(yīng)類別分為加聚反應(yīng)和縮聚反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物為加聚物和縮聚物。(2)聚合物材料的命名①根據(jù)單體的名稱以形成聚合物的單體作為基礎(chǔ)在單體名稱之前加“聚”字而命名，如聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等；如單體有兩種或兩種以上時，常把單體的名稱(或其縮寫)寫在前面，在其后按用途加“樹脂”或“橡膠”名稱②習(xí)慣上的命名或商品名稱一些聚合物常采用習(xí)慣命名或商品名稱。例如聚乙二酰已二胺，習(xí)慣上稱為聚酰胺66，商品名稱為尼龍66；聚甲基丙烯酸甲酯，商品名稱為有機(jī)玻璃等等。聚合物的結(jié)構(gòu)特征1.2(a)線型(b)支鏈型(c)體型高分子聚合物分子結(jié)構(gòu)示意圖塑性樹脂、合成纖維是線型高聚物，而塑料可以是線型高聚物，也可以是體型高聚物。熱固性樹脂是體型高聚物。按分子幾何結(jié)構(gòu)形態(tài)來分，可分線型、支鏈型和體型三種。模塊二常用的工程高分子聚合物合成橡膠2.1

合成橡膠是以石油、天然氣為原料，以二烯烴和烯烴為單體聚合而成的高分子物質(zhì)。

1、合成橡膠的分類1)按成品狀態(tài)，其可分為液體橡膠(如端羥基聚丁二烯)、固體橡膠、乳膠和粉末橡膠等；2)按橡膠制品形成過程，其可分為熱塑性橡膠、硫化型橡膠；3)按生膠充填的其他非橡膠成分，可分為充油母膠、充炭黑母膠和充木質(zhì)素母膠。4)實際應(yīng)用中按使用特性，可分為通用型橡膠和特種橡膠兩大類。

2、合成橡膠的生產(chǎn)合成橡膠的生產(chǎn)工藝大致可分為單體的合成和精制、聚合過程以及橡膠后處理三部分。合成橡膠的基本原料是單體，精制常用的方法有精餾、洗滌、干燥等。聚合過程是單體在引發(fā)劑和催化劑作用下進(jìn)行聚合反應(yīng)生成聚合物的過程。后處理是使聚合反應(yīng)后的物料(膠乳或膠液)，經(jīng)脫除未反應(yīng)單體、凝聚、脫水、干燥和包裝步驟，最后制得成品橡膠的過程。合成纖維2.2

合成纖維大體分天然纖維、人造纖維和合成纖維。

1、合成纖維的分類天然纖維是自然生長或形成的纖維，包括植物纖維(天然纖維素纖維)、動物纖維(天然蛋白質(zhì)纖維)和礦物纖維；人造纖維是利用自然界的天然高分子化合物——纖維素或蛋白質(zhì)作原料，經(jīng)過一系列的化學(xué)處理與機(jī)械加工而制成類似棉花、羊毛、蠶絲一樣能夠用來紡織的纖維，如人造棉、人造絲等；合成纖維是從一些物質(zhì)如石油、煤、天然氣、石灰石或農(nóng)副產(chǎn)品中加工提煉出來的有機(jī)物質(zhì)，再用化學(xué)合成與機(jī)械加工的方法制成的纖維。

2、合成纖維的生產(chǎn)與特性合成纖維具有強(qiáng)度高、密度小、彈性好、耐磨、耐酸堿和不霉、不蛀等優(yōu)越性能。合成纖維是由有機(jī)化合物單體制備與聚合、紡絲和后加工等三個環(huán)節(jié)完成的。合成纖維是以有機(jī)高分子化合物為主要成分，并添加了提高纖維加工性能和使用性能的某些助劑，如二氧化鈦、油劑染料和抗氧化劑等，制成成纖高聚物。再經(jīng)“纖維成型”或“紡絲”得到。塑料2.3

塑料是以合成或天然聚合物為主要成分，輔以填充劑、增塑劑和其他助劑，在一定溫度和壓力下加工成型的材料或制品。其中的聚合物常稱作樹脂，可為晶態(tài)和非晶態(tài)。

1、塑料的組成為了改進(jìn)塑料的性能，還要在聚合物中添加各種輔助材料，如合成樹脂、填料、增塑劑、潤滑劑、穩(wěn)定劑、著色劑和抗氧劑等。2、塑料的分類1)按使用特性分類：通用塑料、工程塑料和特種塑料三種類型。2)按理化特性分類：熱塑料性塑料和熱固性塑料兩種類型。塑料-橡膠共聚物2.4

聚乙烯氯化可以得到氯化聚乙烯橡膠(CPE)，韌性增加而呈現(xiàn)橡膠的特性；氯化聚乙烯與苯乙烯和丙腈烯進(jìn)行接枝，制得耐候性的ACS樹脂；順丁橡膠(早期為丁苯橡膠)與苯乙烯接枝共聚而成的高沖擊聚苯乙烯樹脂，亦稱接枝型抗沖擊聚苯乙烯(HIPS)。苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段其聚物(簡稱SBS)是苯乙烯嵌段共聚物，它兼具塑料和橡膠的特性，具有彈性好、抗拉強(qiáng)度高、低溫變形能力好等優(yōu)點(diǎn)；SBS是較佳的瀝青改性劑，可綜合提高瀝青的的高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性。模塊三土工合成材料土工合成材料的種類和特點(diǎn)3.1土工織物(防滲土工布)

1、土工織物

“土工織物”，透水性的平面土工合成材料，俗稱“土工布”。

土工織物主要包括有紡(織造woven)土工織物、無紡(非織造non-woven)土工織物。1)有紡織物有紡織物是由纖維紗長絲按一定方向交織而成的織物，與日用布相似可分為平紋織物(經(jīng)、緯線相互垂直)和斜紋織物。(1)單絲有紡織物；(2)復(fù)絲有紡織物；(3)扁絲有紡織物。2)無紡織物無紡織物是由短纖維或長絲按定向或非定向排列結(jié)合在一起的織物。原料幾乎是聚酯、聚丙烯或由聚丙烯與尼龍纖維混紡。無紡?fù)凉げ?/p>

2、土工膜土工膜由聚合物制成的一種相對不透水的薄膜。土工膜復(fù)合土工膜

3、土工復(fù)合材料

將兩種或兩種以上的材料互相組合起來就成為土工復(fù)合材料。主要有復(fù)合土工膜、復(fù)合土工織物和復(fù)合防排水材料三類。其中復(fù)合土工膜的形式有一布一膜、二布一膜。兩布一膜

(a)雙向經(jīng)編土工格柵

(b)雙向塑料土工格柵

(c)雙向拉伸土工格柵塑鋼土工格柵

4、土工特種材料1)土工格柵

土工格柵按受力性能一般分為單向、雙向、三向格柵，按制造方法一般分為整體拉伸格柵、經(jīng)編格柵、粘結(jié)或焊接格柵。

高強(qiáng)鋼塑復(fù)合土工帶

2)土工帶

經(jīng)擠壓拉伸或再加筋制成的條帶抗拉材料。包括塑料土工帶、鋼塑土工帶等。

(a)高強(qiáng)土工格室(b)無紡布土工格室土工格室

3)土工格室

由長條形塑料片材或其中已加入鋼絲、玻璃纖維、碳纖維的片材，經(jīng)焊接、插件或扣件等方法連接，展開后構(gòu)成蜂窩狀或網(wǎng)格狀的立體結(jié)構(gòu)材料。

(a)高強(qiáng)土工格室的應(yīng)用(b)無紡布土工格室土工格室的應(yīng)用

4)土工網(wǎng)

高分子聚合物經(jīng)擠出制成的網(wǎng)狀材料或其他材料經(jīng)編織形成的網(wǎng)狀材料。土工網(wǎng)按制造方法分為擠出網(wǎng)和經(jīng)編網(wǎng)，按形狀分為平面網(wǎng)和三維網(wǎng)。

塑料平面土工網(wǎng)，是以高密度聚乙烯或其他高分子聚合物為原料，經(jīng)擠出成型的平面網(wǎng)狀材料。

經(jīng)編平面土工網(wǎng)，是采用玻璃纖維或高強(qiáng)聚酯長絲經(jīng)編織機(jī)編制并經(jīng)表面涂覆而成的平面網(wǎng)狀材料。

塑料三維土工網(wǎng)，是由一層或多層雙向拉伸或擠出平面的網(wǎng)，表面點(diǎn)焊一層或多層非拉伸擠出網(wǎng)，形成表面凹凸泡狀的多層網(wǎng)狀材料。土工網(wǎng)

(a)土工模袋應(yīng)用初期(b)土工模袋應(yīng)用后期土工模袋的應(yīng)用

5)土工模袋

雙層聚合化纖織物制成的連續(xù)或單獨(dú)的袋狀材料?？捎酶邏罕脤⒒炷粱蛏皾{灌人其中，形成板狀或其他形狀的防護(hù)結(jié)構(gòu)。

泡沫聚苯乙烯板塊

6)泡沫聚苯乙烯板塊

由聚苯乙烯加入發(fā)泡劑膨脹經(jīng)模塑或擠壓制成的輕型板塊。

植生袋的應(yīng)用

7)植生袋

采用孔隙率為70%～99.5%的多功能過濾毯狀纖維，運(yùn)用針刺法和噴膠法生產(chǎn)出的，內(nèi)含草種、灌木種、培養(yǎng)料、保水劑和肥料等綠化輔料的袋狀材料。

土工織物膨潤土防水毯的應(yīng)用

8)土工織物膨潤土墊

土工織物或土工膜間包人膨潤土或其他低透水性材料，并通過針刺、縫接或化學(xué)粘結(jié)制成的一種防水材料。土工合成材料的工程應(yīng)用3.2

1、土工合成材料的作用

1)排水作用：織物是多孔隙透水介質(zhì)，埋在土中可以匯集水分，并將水排出土體。2)反濾作用：工程中往往同時利用織物的反濾和排水兩種作用。3)分隔作用：將織物鋪設(shè)在不同粒料層之間，可以起分隔作用。4)加筋作用：織物具有較高的抗拉強(qiáng)度和較大的破壞變形率，以適當(dāng)方式將其埋在土中，作為加筋材料，可以控制土的變形，增加土體穩(wěn)定性也可用于加筋土擋墻中。

2、土工合成材料的工程應(yīng)用

土工合成材料可應(yīng)用于公路路基、擋墻、路基防排水、路基防護(hù)、路基不均勻沉降、路面裂縫防治、特殊土和特殊路基處治、地基處理等工程中。1)土工織物的工程應(yīng)用可用于兩種介質(zhì)間的隔離、路基排水、防沙固沙、構(gòu)筑物表面防腐、路面裂縫防治等場合；高強(qiáng)度的土工織物可用于加筋。

2)土工復(fù)合材料的工程應(yīng)用(1)復(fù)合土工膜可用于路基防水、鹽漬土隔離等場合。單純的土工膜厚度薄、強(qiáng)度低，易刺破損傷，因此在公路路基防水、鹽漬土隔離等場合主要采用與土工織物復(fù)合的土工膜。(2)復(fù)合排水材料可用于地基處理和路基排水等場合。

2)土工復(fù)合材料的工程應(yīng)用(1)復(fù)合土工膜可用于路基防水、鹽漬土隔離等場合。單純的土工膜厚度薄、強(qiáng)度低，易刺破損傷，因此在公路路基防水、鹽漬土隔離等場合主要采用與土工織物復(fù)合的土工膜。(2)復(fù)合排水材料可用于地基處理和路基排水等場合。

排水帶主要用于插入軟弱地基中加速地基的固結(jié)排水，增強(qiáng)地基強(qiáng)度。

排水板寬度可達(dá)50cm，不同芯材構(gòu)成不同的排水板。其中帽狀芯材復(fù)合排水板比較典型，主要用于路側(cè)排水、支擋結(jié)構(gòu)內(nèi)部排水。

長絲熱粘排水體，由高分子聚合物長絲熱粘堆纏成不同形狀的排水芯體，外包土工織物作濾材組成，即通常所稱的速排龍或塑料盲溝，其強(qiáng)度低，適應(yīng)變性能力較差。

纏繞式排水管，具有較高的環(huán)剛度，適應(yīng)變形能力強(qiáng)，可形成各種不同的口徑，主要用于工程內(nèi)部排水。排水帶速排龍或排水盲溝纏繞式排水管

透水軟管，一般以鍍塑的彈簧鋼絲或其他高強(qiáng)材料絲圈為骨架，外包土工織物制成，即通常所稱的軟式透水管，其具有環(huán)剛度高、適應(yīng)能力強(qiáng)、易于安裝的特點(diǎn)，主要用于路基邊坡仰斜排水、路基支擋結(jié)構(gòu)內(nèi)部排水，以及與碎石滲溝聯(lián)合使用增強(qiáng)滲溝排水能力等場合。