基于形状记忆效应的水泥路面嵌缝料两步骤自修复方法技术领域
本发明是一种基于形状记忆效应的水泥路面嵌缝料两步骤自修复方法，属于水泥
路面嵌缝材料技术领域。
背景技术
伸缩缝作为桥面以及水泥路面的薄弱环节，它的失效是结构损坏的诱因之一。各
种各样的嵌缝料被用来密封水泥路面、桥面的伸缩缝，施工方式分为三类：加热施工式、常
温施工式、预置密封条，全面回顾用于水泥路面现存在的嵌缝料，可以发现除了老化之外，
嵌缝料的损坏主要由于两边或单边失去支付着力的粘结失效或者是内聚力的损坏，出现内
部的细小裂纹。据研究调查，每五年的评估检测显示超过60％的伸缩缝出现不同程度的渗
水、脱粘等损坏，而剩余的40％也出现缩短其使用寿命的现象，伸缩缝的失效一直是一个亟
待解决的问题。
由于伸缩缝在水泥路面上起着很重要的作用，近些年来，对于嵌缝料的研究越来
越多，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。若雨、雪水渗入接缝，必然会恶化基层
和路基的承载力，导致路面出现脱空、断裂、错台、唧泥等损坏；当砂石等硬杂物嵌入接缝，
阻碍路面板自由伸缩，造成挤碎、起拱等损坏。
此外，长时间服役之后，嵌缝料中填充的开孔泡沫会填满水会加剧影响由热应力
以及车辆荷载所引起的细微裂纹损坏。在粘结表面的湿气会导致嵌缝料与水泥块之间的粘
结，水分的恶化更加易受到拉应力的影响，导致粘结界面的失效。当嵌缝料保持在干燥的环
境下，由于板面的运动产生的拉应力会导致嵌缝料内部的粘结失效，出现裂纹。另外，当结
构受热膨胀后导致的伸缩缝收缩时，嵌缝料从接缝中挤出，当伸缩缝变宽后，被挤出的嵌缝
料仍然在表面，也会引起嵌缝料进一步的破坏。这严重影响了水泥路面使用寿命和服务品
质，嵌缝料的耐久性已成为制约水泥路面发展和应用的重要瓶颈之一。
然而，目前水泥路面嵌缝料主要采用沥青类、橡胶类等传统材料，不能更好适应路
面接缝处环境条件和接缝宽度循环伸缩变化，易产生老化开裂、拉伸开裂、挤压开裂、脱落、
渗水、挤出等耐久性问题，且没有自修复功能，已损坏的嵌缝料不能得到及时有效修复，进
而导致路面出现各种类型损坏，难以满足水泥路面使用和发展要求。
基于形状记忆聚合物基新型材料的研究发展，通过形状回复来实现结构损坏的自
修复研究也越来越多，通过研究表面形状记忆聚合物所具有的独特形状记忆效应是实现材
料自修复的一种良好的方法，不仅可以实现对宏观裂纹的闭合，还可以实现对微观裂纹两
界面的修复或愈合。目前，国内外研究具有自修复功能的复合材料主要包括两类，一类是埋
植式自修复复合材料，通过在基体材料中埋入在一定条件下催化赋予自修复功能的复合材
料，如含有修复剂的微胶囊、中空纤维等从而使材料出现微裂缝时候可以由于条件改变而
进行自我修复；另一类是原位自修复复合材料，通过材料才无修复介质基础上根据自身性
质进行修复，此类方法仅依靠微胶囊、中空纤维等载体流出的修复剂不足以填满裂缝或损
伤部位，难以修复宏观裂缝或损伤。如果上述载体掺加量太多，又会严重影响基体结构力
学、耐久等性能。因此，需要进一步研究更科学的复合材料自愈合方法。
可见，嵌缝料在使用过程中不可避免地会产生各种裂缝、损伤等破坏，要保持水泥
路面板在接缝处始终处于良好的工作状态，已损坏的嵌缝料必须得到及时有效的修复是关
键。当嵌缝料产生裂缝、损伤等损坏时能得到及时有效自修复，尽快恢复其正常使用性能，
有利于提高嵌缝料耐久性，延长水泥路面使用寿命。采用形状记忆效应显著和自修复功能
良好的嵌缝材料能很好解决上述问题，赋予嵌缝料感知并响应外界环境变化的功能，主动
适应路面接缝宽度变化，实现自变形、自修复，提高嵌缝料的耐久性。
但是，目前主要采用微胶囊、中空纤维等载体实现材料自修复。但是，这类单步骤
自修复原理具有一次性，重复性较差，且修复液流出后留下的空壳体又会成为材料新缺陷；
该类方法只能用于修复微裂缝，当用于修复宏观裂缝或损伤时仅依靠微胶囊、中空纤维等
载体流出的修复剂不足以填满裂缝或损伤部位。如果上述载体添加量太多，会严重影响基
体结构力学、老化等性能。
鉴于此，本发明提出基于形状记忆效应的嵌缝料两步骤自修复方法，即先闭合结
构尺度上裂缝或损伤两自由面，再通过两自由面间的分子迁移扩散机制，实现分子尺度上
自修复，且具有良好重复性，从而使得水泥路面嵌缝料不仅可以修复由于荷载等环境造成
的挤出等外部粘结，耐久性问题，更可以修复嵌缝料内部由于荷载原因造成的细微裂缝，延
长了嵌缝料使用寿命，很大程度上改善水泥路面使用质量，减少了后期维护费用。
发明内容
(1)技术问题
本发明目的是提供一种基于形状记忆效应的水泥路面嵌缝料两步骤自修复方法，
该方法是先闭合嵌缝料上宏观结构尺度上裂缝或损伤两自由面，再通过自由面间熔融的热
塑性颗粒和基质间的物理交联实现分子尺度上自修复，从而解决目前自修复方法具有一次
性修复、重复性差、只能修复微裂缝等问题，难以重复修复嵌缝料上宏观裂缝，提高嵌缝料
的耐久性。
(2)技术方案
鉴于目前常用微胶囊、中空纤维等载体自修复方法存在的局限性，本发明提供一
种基于形状记忆效应的水泥路面嵌缝料两步骤自修复方法。本发明技术方案如下：首先，在
基于形状记忆效应的水泥路面嵌缝料原材料中添加热塑性颗粒，采用双轴预形变方法使嵌
缝料在水平行车方向处于非稳定的压缩状态，存储预压应变能。当环境温度升高时，安装在
路面接缝内的嵌缝料在形状恢复力的驱动下要恢复到其初始形状，沿水平方向体积膨胀，
但是，此膨胀受到路面接缝两个侧壁约束，嵌缝料受到来自接缝侧壁的水平方向反作用力
挤压，致使裂缝或损伤的两个自由面闭合，从而实现宏观结构尺度上自修复，如图1。然后，
与环境温度相匹配的预先埋置在嵌缝材料基体内的热塑性聚合物纳米颗粒融化，使聚合物
分子在已闭合的两自由面之间迁移、扩散、缠绕，发生交联聚合和固化反应，从而实现分子
尺度上的自修复，如图1。最后，将两步骤自修复后的嵌缝料采用透射电子显微镜和扫描电
镜观察结构尺度上的裂缝或损伤闭合情况，了解结构尺度上的裂纹或损伤自愈合过程；采
用X射线光电子能谱仪和透射电子显微镜测定两自由面之间界面结合能，评价两自由面之
间分子尺度上的自愈合效果。
(3)有益效果
在公路事业不断发展、道路养护日益受到重视的形势下，水泥路面嵌缝料也会越
来越受到关注。由于伸缩缝作为水泥路面的薄弱环节，只有嵌缝料具有良好的耐久性，才能
维持水泥路面的正常使用性能，采用本发明提供的基于形状记忆效应的水泥路面嵌缝料两
步骤自修复方法，在基于形状记忆效应的水泥路面嵌缝料原材料中添加热塑性颗粒，通过
升高温度至玻璃化转变温度从而赋予嵌缝料热塑性颗粒生效之前闭合结构尺度的外力，再
通过自由面间熔融的热塑性颗粒和基质间的物理交联实现分子尺度上自愈合。由于以自然
环境温度变化作为嵌缝料形状记忆效应激励手段来闭合裂缝，所需的热塑性颗粒减少，使
填缝料能进行多次自愈合，从而提高了材料自愈合的重复性，改善了微胶囊等载体一次性
且修复液流出后留下的空壳体成为新缺陷的问题，从而在防止嵌缝料两边脱粘、渗水等问
题的同时，修复内部细微裂缝，延长水泥路面使用寿命，改善水泥路面使用品质，对促进水
泥路面更好更快发展，并发挥其在国家路网结构中的作用具有重要的现实意义。
附图说明
图1基于形状记忆效应的水泥路面嵌缝料两步骤自修复方法示意图
1-含有热塑性颗粒的形状记忆嵌缝料；2-预形变；3-预形变后暂时形态；4-嵌缝料
开裂；
5-限制恢复形态使裂缝接触面闭合；6-热塑性颗粒熔融；7-热塑颗粒在裂缝中固
化；8-接缝界面分子物理间相互缠结；9-形状记忆嵌缝料；10-热塑性颗粒；11-形状记忆分
子；12-热塑性分子
具体实施方式
本发明提供一种基于形状记忆效应的水泥路面嵌缝料两步骤自修复方法，具体实
施步骤如下：
(1)制备含有热塑性聚合物纳米颗粒的水泥路面嵌缝料，采用预形变方法在水平
方向上赋予嵌缝料形状记忆功能，使嵌缝料在水平行车方向处于非稳定的压缩状态，存储
预压应变能；
(2)当环境温度升高时，安装在水泥路面接缝内的嵌缝料在形状恢复力的驱动下
要恢复到其初始形状，沿水平方向体积膨胀，但是此膨胀受到路面接缝两个侧壁约束，嵌缝
料受到来自接缝侧壁的水平方向反作用力挤压，致使宏观裂缝或损伤的两个自由面闭合，
实现宏观结构尺度上的自修复；
(3)与环境温度相匹配的预先埋置在嵌缝材料基体内的热塑性聚合物纳米颗粒融
化，使聚合物分子在已闭合裂缝的两自由面之间迁移、扩散、缠绕，发生交联聚合和固化反
应，从而实现分子尺度上的自修复；
(4)采用透射电子显微镜和扫描电镜，观察结构尺度上的裂缝或损伤闭合情况，了
解宏观结构尺度上的裂纹或损伤自愈合过程，并对比有无热塑性颗粒的形状记忆嵌缝料的
自愈合程度；
(5)采用X射线光电子能谱仪和透射电子显微镜测定两自由面之间界面结合能，研
究预埋置于嵌缝料基体内的热塑性聚合物纳米颗粒在两自由面之间交联聚合和固化反应
中的作用，评价两自由面之间分子尺度上的自修复效果；
(6)比较经自修复后的嵌缝料与没有裂缝或损伤嵌缝料在抗剪、抗压、抗拉、抗老
化性能方面区别，系统评价经两步骤自修复后的嵌缝料各项性能恢复效果，是否达到原设
计要求，有效解决水泥路面嵌缝料耐久性问题。