学习情境七 工程高分子聚合物材料应用

扬州职业大学道路建筑材料教案学习情境七工程高分子聚合物材料应用学习目标：了解工程高聚物材料的基本概念、特性及其应用教学内容：程高聚物材料的基本概念、常用种类、基本特性及其在路桥工工程高聚物材料的基本概念、常用种类、基本特性及其在路桥工程中的应用程中的应用。重点难点：高聚物的分类与应用情境导入：工程聚合物材料是以聚合物为主要原料加工而成的塑料、合成橡胶、合成纤维和胶结剂等，也被称为高分子建材。在道路防水工程中应用广泛。教学单元一：工程高分子聚合物材料应用(一）聚合物材料概念1.聚合物定义聚合物是由千万个低分子化合物通过聚合反应连接而成，因而又称为高分子化合物或高聚物。虽然聚合物的分子量一般都很大，但其化学组成并不复杂，一般是由一种或几种简单的低分子化合物以重复的方式相连而得。例如，聚乙烯是通过乙烯分子的重复连接得到的，其反应过程如式（8-1）所示，等式左端为乙烯分子式，右端为聚乙烯分子式：[CH2—CH[CH2—CH2]nnCH2=CH2聚合物乙烯单体聚乙烯2.聚合物的命名（1）根据单体名称命名：（2）习惯命名和商品命名：（二）高分子聚合物的分子结构聚合物的各种性能由其结构决定，按分子链的链接方式，聚合物分为线型、支化和交联聚合物。（三）高聚物分类聚合物可以从不同的角度来分类，如从单体来源、合成方法、最终用途、加热行为、聚合物结构等。1、按分子主链的元素结构，聚合物可分为碳链、杂链和元素有机三类。碳链聚合物：大分子主链完全由碳原子组成。绝大部分烯类和二烯类聚合物属于这一类，如聚乙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯等。杂链聚合物：大分子主链中除碳原子外，还有氧、氮、硫等杂原子，如聚醚、聚酯、聚酰胺、聚氨酯、聚硫橡胶等。工程塑料、合成纤维、耐热聚合物大多是杂链聚合物。元素有机聚合物：大分子主链中没有碳原子，主要由硅、硼、铝和氧、氮、硫、磷等原子组成，但侧基却由有机基团组成，如甲基、乙基、乙烯基等。有机硅橡胶就是典型的例子。元素有机又称杂链的半有机高分子，如果主链和侧基均无碳原子，则成为无机高分子。2、按材料的性质和用途分类，高聚物可分为塑料、橡胶和纤维。二常用的工程聚合物材料（一）塑料塑料是以合成或天然聚合物为主要成分，辅以填充剂、增塑剂和其他助剂，在一定温度和压力下加工成型的材料或制品。其中的聚合物常称作树脂，可为晶态和非晶态。塑料的行为介于纤维和橡胶之间，有很广的范围，软塑料接近橡胶，硬塑料接近纤维。工程聚合物材料是以聚合物为主要原料加工而成的合成橡胶、纤维、塑料及胶结剂等，也称为高分子建材。（二）合成橡胶合成橡胶是以石油、天然气为原料，以二烯烃和烯烃为单体聚合而成的高分子物质。合成橡胶的分类方法有很多，如下：①按成品状态可分为液体橡胶（如端羟基聚丁二烯）、固体橡胶、乳胶和粉末橡胶等。②按橡胶制品形成过程可分为热塑性橡胶（如可反复加工成型的三嵌段热塑性丁苯橡胶）、硫化型橡胶（需经硫化才能制得成品，大多数合成橡胶属此类）。③按生胶充填的其他非橡胶成分可分为充油母胶、充炭黑母胶和充木质素母胶。④实际应用中又按使用特性分为通用型橡胶和特种橡胶两大类。通用型橡胶指可以部分或全部代替天然橡胶使用的橡胶，如丁苯橡胶、异戊橡胶、顺丁橡胶等，主要用于制造各种轮胎及一般工业橡胶制品。通用橡胶的需求量大，是合成橡胶的主要品种。（三）合成纤维合成纤维是以有机高分子聚合物为原料，经熔融或溶解后纺制成的纤维，如聚酰胺、聚酯纤维等。合成纤维的化学组成和天然纤维完全不同，是从一些本身并不含有纤维素或蛋白质的物质如石油、煤、天然气、石灰石或农副产品，加工提炼出来的有机物质，再用化学合成与机械加工的方法制成纤维。主要合成纤维的性能见表8-2。三、高聚物在公路工程中的应用1、土工合成材料土工织物土工织物是用于岩土工程和土木工程的机织、针织或非织造的可渗透的聚合物材料，主要分为纺织的和无纺两类（如图8-2）。纺织土工织物通常具有较高的强度和刚度，但过滤、排水性较差;无纺土工织物过滤、排水性能较好且断裂延伸率较高，但强度相对较低。土工膜土工膜是由聚合物或沥青制成的一种相对不透水的薄膜，主要由聚氯乙烯（PVC）、氯磺化聚乙烯（CSPE）、高密度聚乙烯（HDPE）和低密度聚乙烯（VLDPE）制成。其渗透性低，常用作流体或蒸汽的阻拦层。土工格栅土工格栅是由有规则的网状抗拉条带形成的用于加筋的土工合成材料，主要有聚酯纤维和玻璃纤维两类。其质量轻且具有一定柔性，常用作加筋材料，对土起加固作用。特种土工材料5、土工复合材料土工织物、土工膜、土工格栅和某些特种土工合成材料，将其两种或两种以上互相组合起来就成为土工复合材料（如图8-3）。土工复合材料可将不同材料的性质结合起来，更好的满足工程需要。应用案例1土工格栅加筋在锦屏电站进厂道路工程中的应用四川锦屏电站的建设，首先必须修建条沿着雅砻江、穿越山岭地区的一条进厂道路。在进厂道路局部路段需要填筑高度为52.5m的高填方陡坡路基，由于进场道路紧邻雅砻江，因此，修建传统的陡坡结构是不现实的，设计人员考虑了浆砌石挡墙、钢筋混凝土挡墙、土工格栅加筋三种方案，对其经济性、技术性进行了综合比较。通过比较，土工格栅处理方案无论从经济、技术、施工等方而均比浆砌石挡墙和钢筋混凝土挡墙处理方案具有优势，最终选择了具有包裹式坡面的土工格栅加筋土结构方案。该工程是中国国内目前最高的土工合成材料加筋结构。该工程完工至今结构完好、道路路面平整、线形顺畅、路基边坡安全稳定。2、聚合物混凝土聚合物混凝土是由有机、无机材料复合而成的混凝土。按组成材料和制作工艺可分为三种：聚合物浸渍混凝土、聚合物水泥混凝土和聚合物胶结混凝土。3、纤维加筋混凝土纤维加筋沥青混合料纤维加筋水泥混凝土纤维加筋水泥稳定碎石四、其他应用1、胶粘剂2、裂缝修补与嵌缝材料应用案例2环氧树脂在混凝土路面修补中的应用某市某快速环道竣工后，混凝土路面产生很多纵缝碎边，影响道路的正常使用，采用环氧树脂进行纵缝的修补。主要材料包括：环氧树脂、聚酰胺（固化剂）、丙酮（稀释剂）、填充料。施工方法：1）割槽沿破碎中缝两侧，宽度视破碎程度而定，一般约为50～60mm宽，用切割机切割深度约80mm两道槽，后用人工将槽内破碎混凝土凿除并清理干净。2）修补材料的拌制①填充材料拌制：将干净河砂、普通硅酸盐水泥、白水泥按2：1：1比例混合搅拌均匀，这里要注意河砂材料必须是干燥的。掺和白水泥仅仅是为了调和颜色，让修补后的路面与混凝土路面的灰白色近似。②环氧树脂拌制：用一个容器如铁桶将6101环氧树脂与聚酰胺按1：0.5～1.2比例搅拌均匀，同时为了增加其液态流动性可掺丙酮作为稀释混和的胶体，最大掺量30%，不影响其使用强度。③环氧树脂修补混合物拌制：将拌制均匀的环氧树脂胶体倒入拌制好的填充材料中，一起搅拌均匀，即可得到修补中缝所需的材料。3）填补中缝用汽油喷灯将其槽内的水份吹干，并用竹扫将粉砂清扫干净，然后将环氧树脂混合料分段、分层放入基槽内，第一层厚度约为30～40mm，然后铺第二层混合料并多次冲压密实至与路面平。待环氧树脂混合料稍凝结后（常温下约60分钟）在面上均匀薄薄撒些白水泥粉并抹光。按上述为法将所有破损中缝修补完成。路面使用至今，修补之处无破损现象。3、膨胀支座和弹性支座桥梁支座是连接桥梁上部结构和下部结构的重要结构部件。桥梁和管线工程中的膨胀支座一般采用聚四氟乙烯（PTFE）树脂，可以保证梁的水平移动的要求。弹性支座可采用氯丁橡胶（CR）和聚异戊二烯橡胶（IR）等制作，以减少噪声和振动。小结以工程聚合物（如塑料、合成橡胶等）为原料制成的，置于土体内部、表面及土体之间，发挥加强或保护土体的作用的土木工程材料即为土工合成材料，包括土工织物、土工膜、土工格栅、土工复合材料等，可用于护坡、地基处理、道路加固、反滤排水等工程。将工程聚合物与混凝土或混凝土中的骨料复合而成的新型混凝土即为聚合物混凝土。按组成材料和制作工艺可分为三种：聚合物浸渍混凝土、