一种基于微观改性与宏观构型协同设计的改性PET材料、道路板及其制备方法与流程

本发明涉及土木工程临时建材，具体涉及一种基于微观改性与宏观构型协同设计的改性pet材料、道路板及其制备方法。

背景技术：

1、土木工程施工现场的临时道路是保障施工机械通行、物料运输、场地周转的核心基础设施。当前行业主流临时道路形式主要包括以下几种：

2、木质道路板是早期临时道路的常用形式，通常由多层木方通过钉接或螺栓连接而成。然而，木质板材在使用中易发生劈裂、翘曲、断裂，且废弃处置需符合环保法规要求；表面破损会形成不平整面，阻碍重型设备通行甚至造成设备损坏；木质板材价格昂贵、维护工作量大，且增加了对森林资源的需求；此外木质板材自重较大，搬运、铺设和仓储均较为困难。

3、现浇混凝土道路采用现场支模、浇筑、振捣、养护的施工工艺，成型周期通常为7～14天，养护期间无法通行重载车辆。施工完毕后需破碎拆除，产生大量建筑垃圾，无法周转使用，单次摊销成本高，且养护质量受季节和天气影响显著。

4、钢制路基板承载能力高，可承受重型车辆通行。然而其自重大，单块标准尺寸钢板重量约250kg，运输和铺装需依赖起重机械；长期暴露于工地潮湿、酸碱环境中易锈蚀，反复使用后承载能力衰减；连接节点在反复拆装和车辆冲击下发生磨损变形，导致板间连接松动、路面平整度恶化；需定期除锈涂装维护，综合使用成本高。

5、近年来，以高密度聚乙烯（hdpe）、超高分子量聚乙烯（uhmwpe）及普通pet为基体的塑料临时道路板逐渐进入市场。已有技术提出了以hdpe与pet共混挤出成型合成结构型材用于临时道路垫板的方案；也有采用回收废旧塑料制备预制空心板用于拼装式路面的技术方案；还有采用聚乙烯铺路板本体配合钩座及紧固螺母实现板间连接的技术方案。此外，现有高分子铺路板产品已采用蜂窝/空心结构设计以兼顾轻质特性和承载能力。

6、然而，现有高分子道路板在材料应用和结构设计层面仍存在以下不足：

7、（一）材料层面：pet基体固有缺陷未得到针对性解决

8、纯pet作为工程塑料应用时，存在结晶速率慢、成型制品收缩率大、尺寸稳定性差等缺点；作为承载结构件应用时存在韧性差、成型收缩大、加工温度高等问题。现有技术中虽有对pet进行增韧增强改性以提升其工程塑料性能的研究，亦有利用废旧pet制备工程塑料的探索，但均未针对临时道路板在重载、反复碾压、户外暴露、快速拆装等复合工况下的特定服役需求进行定制化微观结构设计，即同时满足高抗压、高抗冲击、低蠕变、宽温域适应性、耐水解等综合性能要求。

9、（二）结构层面：宏观构型未与材料特性形成适配

10、现有高分子道路板的结构构型多为金属板或混凝土板的“材料替换”版本，未考虑高分子材料在模量、收缩率、蠕变行为等方面的特性差异。具体表现为：采用平板加简单加强筋的结构形式，未针对高分子材料的各向异性和收缩特性进行拓扑优化；板间连接方式沿用金属板的销钉、螺栓或钩座紧固方案，依赖金属配件实现连接，既增加了装配工序，也带来了金属与塑料热膨胀系数差异导致的连接松动问题；蜂窝/空心结构虽已被采用，但其壁厚设计缺乏与改性pet材料弯曲模量、抗蠕变性能之间的量化关联，无法实现“材料性能决定结构尺寸”的精准匹配。

11、（三）研发范式层面：材料改性与结构设计相互脱节

12、现有技术的研发路径可概括为“先选材料、后配结构”，从现有材料库中选取一种树脂，再根据其性能设计板体结构；或“先改材料、后找应用”，对高分子材料进行通用性改性后再寻找适配场景。两种范式均未建立“微观材料性能↔宏观结构需求”的双向交互设计框架，导致材料改性方向与结构优化目标缺乏协同。

13、综上所述，现有技术中缺乏一种将pet微观结构改性（交联网络构建、纳米颗粒致密补强、纤维界面增韧、耐候抗老化屏障）与宏观结构构型优化（三层复合承载、蜂窝减重加强、榫卯锁止拼接、防滑排水一体化）作为有机协同整体进行设计的临时道路板技术方案。

技术实现思路

1、发明目的：本发明目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于微观改性与宏观构型协同设计的改性pet材料、道路板及其制备方法，通过微观结构精准设计解决pet基材刚度低、抗蠕变差、易老化的问题，通过宏观结构一体化设计实现重载承载、应力均衡、快速装配、耐久防护的工程需求，实现废旧pet资源化利用与临时道路装配式绿色施工的有机结合。

2、技术方案：本发明所述一种用于土木工程临时道路板的改性pet材料，按重量份计，包括以下组分：

3、废旧pet切片80～85份；环氧交联剂1～2份；纳米成核剂1～2份；纳米复配颗粒4～6份；改性混杂纤维7～10份；耐候助剂1～1.5份。

4、所述环氧交联剂用于与pet分子链反应形成三维交联网络，所述纳米成核剂用于细化pet结晶晶粒，所述纳米复配颗粒填充于基体微观孔隙中，所述改性混杂纤维在基体内部形成三维增韧骨架。

5、环氧交联剂的添加量需控制在1～2份范围内：低于1份时交联密度不足以形成有效的三维网络结构，蠕变率改善不足（蠕变率＞3.5%）；高于2份时过度交联导致凝胶化，熔融指数降至5g/10min以下，熔体流动性不足以充填4～5mm壁厚的蜂窝孔腔，且材料脆性增加、冲击强度下降。

6、改性混杂纤维的添加量需控制在7～10份范围内：低于7份时纤维网络不连续，冲击强度提升不足（＜25kj/㎡），脆韧转变温度高于-10℃；高于10份时纤维团聚加剧，基体与纤维界面缺陷增多，反而导致弯曲模量和抗拉强度下降，同时熔融指数降至3g/10min以下，成型充填困难。

7、进一步地，所述纳米复配颗粒为纳米二氧化硅与纳米碳酸钙按质量比1:1复配，并经硅烷偶联剂表面改性处理；所述改性混杂纤维为经硅烷偶联剂表面活化的短切玻璃纤维与短切玄武岩纤维的混合物，纤维长径比为10:1～15:1。

8、所述环氧交联剂在240℃～260℃熔融状态下与pet分子链端羧基和/或端羟基发生化学反应，构建三维立体交联网络；所述纳米成核剂将pet晶粒细化，使改性pet材料的结晶度由纯pet的30%～35%提升至48%～55%，微观结构孔隙率降至1.5%以下。

9、通过上述微观结构设计，所述改性pet材料的弯曲模量达到6200～8200mpa，冲击强度达到31.5～38.7kj/㎡，蠕变率≤1.8%，热变形温度≥132℃，吸水率≤0.35%；在265℃/2.16kg条件下的熔融指数为5～15g/10min，流动方向收缩率为0.4%～0.8%，垂直方向收缩率为0.6%～1.0%。

10、纯pet材料分子链为线性规整结构，无交联节点，受力后分子链易滑移、松弛，长期重载下会产生不可逆蠕变变形，且结晶度不均导致材料局部强度薄弱。本发明通过熔融共混引入多功能环氧交联剂与成核剂，重构pet微观结晶与交联网络结构。在240-260℃熔融加工区间，交联剂与pet分子链端羧基、羟基发生化学反应，构建三维立体交联网络，限制分子链滑移，大幅提升材料抗蠕变性能与结构稳定性；同时添加纳米滑石粉成核剂，细化pet晶粒尺寸，将原有粗大球晶结构转化为均匀细密的微晶粒结构，提升基体致密度与力学均匀性。改性后pet基体结晶度由纯料的30%-35%提升至48%-55%，微观结构孔隙率降至1.5%以下，彻底解决纯pet板材受力凹陷、变形回弹差的缺陷。

11、

12、为提升pet基体的抗压强度、耐磨性与尺寸稳定性，本发明采用二元纳米颗粒掺杂微观结构设计，选取纳米二氧化硅与纳米碳酸钙按比例复配，均匀分散于pet交联网络间隙。纳米二氧化硅颗粒填充pet分子链间隙与微观孔隙，细化界面缺陷，提升基体整体刚度与抗压性能；纳米碳酸钙颗粒均匀分布于晶粒边界，起到晶粒钉扎作用，抑制高温下晶粒长大与低温下晶粒脆化开裂。两种纳米颗粒协同作用，构建“交联网络+纳米颗粒镶嵌”的致密微观复合结构，大幅提升材料耐磨、抗压、抗变形能力，适配工地砂石摩擦、重载碾压的工况需求。同时通过表面偶联剂改性处理，解决纳米颗粒与pet基体相容性差、易团聚的问题，保证微观结构均匀性。

13、针对pet材料抗冲击性能差、低温易脆裂的微观短板，本发明引入表面改性短切玻璃纤维与玄武岩混杂纤维，构建纤维-基体界面复合微观结构。纤维经硅烷偶联剂表面活化处理后，与pet交联基体形成高强度界面结合层，纤维均匀无序分布于基体内部，形成三维增韧骨架。当板材受到冲击、碾压荷载时，微观上通过纤维应力传递、纤维脱粘、裂纹桥接、裂纹偏转多重机制，消耗冲击能量，阻止微观裂纹萌生与扩展，有效提升材料韧性与抗疲劳性能。该微观结构设计使改性pet材料冲击强度提升80%以上，低温（-20℃）无脆裂现象，适配冬季低温施工工况。

14、针对户外工地紫外线照射、雨水浸泡、温变交替导致pet材料分子链降解、老化粉化的问题，在pet基体表层构建微观抗老化屏障结构。通过共混引入紫外线吸收剂与抗氧剂，均匀分布于分子链表面，形成分子级防护层，阻断紫外线对pet分子链的断裂破坏，抑制热氧老化降解；同时致密的纳米颗粒填充结构可阻挡水汽、酸碱介质渗入基体微观孔隙，避免介质侵蚀导致的界面剥离、结构松散，大幅提升板材户外使用寿命。

15、本发明提供一种基于微观改性与宏观构型协同设计的pet土木工程临时道路板，包括由上述改性pet材料一体成型制成的板体。

16、进一步地，板体包括自上而下依次复合的耐磨表层、蜂窝加强承载层和缓冲底层。所述耐磨表层的厚度为8～10mm，采用高纳米颗粒掺杂配比，强化表面耐磨、抗划伤、疏水性能；所述蜂窝加强承载层的厚度为24～34mm，采用高纤维含量改性pet，承担主要竖向荷载与剪切应力；所述缓冲底层的厚度为8～10mm，质地均匀致密，用于适配地基轻微不平整状态，分散底部集中应力。所述耐磨表层、蜂窝加强承载层和缓冲底层通过高温热熔复合为一体，无分层缝隙。

17、所述蜂窝加强承载层内设有多排正六边形蜂窝孔，所述蜂窝孔的壁厚为4～5mm，内切圆直径为30mm，所述蜂窝孔与所述耐磨表层、所述缓冲底层一体热压成型且无分层界面。相比实心pet板，蜂窝结构可实现减重35%以上。

18、进一步地，板体的周边侧壁上设有用于相邻板体互相拼接锁止的榫卯连接结构，所述榫卯连接结构包括梯形凸榫和相匹配的梯形榫槽。所述梯形凸榫的顶宽为8～12mm，底宽为13～15mm，高度为5～8mm，锥度角为15°～20°，根部倒角半径为1～2mm；所述梯形榫槽的槽顶宽与所述凸榫底宽的间隙为0.5～1mm，槽底宽与所述凸榫顶宽的间隙为0.5～1mm；所述梯形凸榫和所述梯形榫槽沿板体侧边方向的延伸长度分别为该侧边总长的60%～80%。铺设时相邻板体通过榫卯快速咬合拼接，无需螺栓、焊接等辅助固定工艺，铺设效率提升60%以上；拼接后形成双向限位锁止结构，限制板体水平位移和竖向翘边，使多块板体形成整体承载路面，循环利用率可达95%以上。

19、进一步地，耐磨表层上设有菱形防滑凸起和纵横交错布置的排水沟槽，所述防滑凸起的高度为2～4mm，所述排水沟槽的宽度为4～6mm、深度为1～3mm。所述缓冲底层上设有矩阵式排布的圆形防滑定位凸点，所述凸点的高度为1.5～2.5mm。

20、进一步地，所述板体的标准尺寸为2000mm×1000mm×（40～50）mm。

21、在中间承载层内部集成一体化正六边形蜂窝中空宏观结构，蜂窝孔壁厚4-5mm，蜂窝内切圆直径30mm，蜂窝结构与pet基体一体注塑热压成型，无二次拼接缝隙。该宏观结构依托改性pet高强韧性微观基材，实现“中空减重、实体承载”的力学优化：蜂窝立柱可高效承接竖向重载，将上部车辆荷载快速分散至整个板体与地基，避免应力集中；中空腔体可降低板材整体自重，相比实心pet板减重35%以上，大幅降低运输、吊装、铺设施工难度。同时蜂窝中空结构具备优异的缓冲抗震性能，可吸收车辆通行的振动冲击，减少长期动荷载对板体的疲劳损伤，适配反复碾压的施工工况。

22、为实现临时道路快速铺设、无缝拼接、整体受力，在板体左右两侧、前后端部设计对称式凹凸锁止拼接结构。板体左侧、前端设置一体式梯形凸榫，右侧、后端设置匹配式梯形榫槽，凸榫与榫槽间隙控制在0.5-1mm，拼接后形成双向限位锁止结构。铺设时相邻板体通过榫卯快速咬合拼接，无需螺栓、焊接等辅助固定工艺，铺设效率提升60%以上；拼接完成后，锁止结构可限制板体水平位移、竖向翘边，避免车辆碾压时板体错位、松动、翘边，使多块板体形成整体承载路面，大幅提升整体道路的荷载均匀性与稳定性。同时该结构可实现无损拆卸，板材可反复周转使用，循环利用率可达95%以上。

23、梯形榫槽对应尺寸

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25、板体上表层宏观设计有交错式防滑凸起纹路与隐形排水沟槽，防滑纹路为不规则菱形凸起，均匀密布于板面，大幅提升车辆轮胎与板面的摩擦力，杜绝雨天、泥泞工况下车辆打滑；板面间隔设置浅型隐形排水沟槽，呈纵横交错排布，可快速汇集、排走板面雨水、泥水，避免积水浸泡板体与地基。结合表层微观疏水屏障结构，实现宏观排水+微观疏水的双重防水效果，彻底解决工地临时路面积水泥泞、打滑、地基泡水沉降的问题。

26、板体下表层均匀设置圆形防滑定位凸点，呈矩阵式排布，可增大板体与地基的接触摩擦力，防止板体在车辆制动、转向过程中整体滑移，进一步提升临时道路的整体稳定性，适配松软砂土、碎石、硬化地面等多种地基工况。

27、本发明中，微观改性与宏观构型之间存在以下协同关系：

28、所述改性pet材料的弯曲模量为6200～8200mpa，所述蜂窝孔的壁厚为4～5mm，所述弯曲模量与所述蜂窝孔壁厚相匹配，使所述蜂窝孔在额定轮压下的屈曲临界应力大于设计应力，从而使薄壁蜂窝构型从“理论上可行”变为“工程上可靠”。

29、所述改性pet材料在流动方向上的收缩率为0.4%～0.8%，垂直方向上的收缩率为0.6%～1.0%，所述榫卯结构的拼接间隙0.5～1mm大于所述收缩率与板体长度的乘积，使板体在冷却定型后榫卯间隙仍处于所述范围内，从而实现“即拼即用”的快速装配。

30、所述改性pet材料的吸水率≤0.35%，结合所述蜂窝孔的壁厚为4～5mm，确保所述薄壁蜂窝结构在雨季浸泡工况下不发生吸水膨胀导致的壁厚变化和力学性能衰减。

31、所述改性pet材料中，环氧交联剂构建的三维交联网络（交联密度0.52mmol/g）与纳米成核剂诱导形成的微晶结构（结晶度48%～55%）协同作用：交联网络限制分子链滑移，晶区作为刚性物理交联点进一步约束非晶区分子链运动，使改性pet在50%极限应力/1000h/23℃条件下的蠕变率由未改性pet的8.5%～14%降低至1.8%以下。基于该低蠕变特性，蜂窝孔壁在长期动载下的蠕变松弛时间延长至105小时以上，确保板材在反复拆装周转8次后仍满足设计承载要求。所述耐磨表层中纳米复配颗粒的含量高于所述蜂窝加强承载层和所述缓冲底层，所述耐磨表层的表面洛氏硬度≥r105，使所述菱形防滑凸起的耐磨寿命与板体整体使用寿命一致。

32、所述改性pet材料在265℃/2.16kg条件下的熔融指数为5～15g/10min，所述蜂窝孔的壁厚为4～5mm，所述熔融指数确保所述改性pet熔体在所述一体化模具中完全充填所述蜂窝孔腔而不发生短射缺陷。

33、所述改性pet材料在恒温缓慢冷却定型过程中产生的结晶收缩应力，被所述蜂窝孔的均匀几何约束所吸收，在所述蜂窝孔壁内形成预压应力，所述预压应力至少部分抵消车辆荷载产生的拉应力。

34、本发明提供一种上述pet土木工程临时道路板的制备方法，包括以下步骤：

35、步骤s1：改性pet材料的制备，将废旧pet切片进行破碎、清洗、干燥，控制含水率≤50ppm；将干燥后的pet切片与环氧交联剂、纳米成核剂、纳米复配颗粒、改性混杂纤维、耐候助剂按配比投入混炼设备，在240℃～260℃条件下进行熔融共混，使环氧交联剂与pet分子链发生化学反应构建三维交联网络，得到改性pet熔融物料；

36、步骤s2：一体化模压成型，将所述改性pet熔融物料注入具有所述板体构型的一体化模具中，进行一体化模压成型，同步成型所述耐磨表层、蜂窝加强承载层、缓冲底层以及所述榫卯连接结构；

37、步骤s3：冷却定型，对成型后的板体进行恒温缓慢冷却定型，使改性pet的结晶度达到48%～55%；

38、步骤s4：后处理，对冷却定型后的板体进行修边、检测，得到成品道路板。

39、进一步地，步骤s1中，所述破碎后的瓶片尺寸为5～15mm，清洗后杂质含量≤200ppm，干燥温度为130～150℃、干燥时间为4～6h，或干燥温度为170～180℃、干燥时间为2～3h。

40、进一步地，步骤s2中，所述一体化模压成型的模压温度为240℃～260℃，模压压力为12～15mpa。

41、进一步地，步骤s3中，所述恒温缓慢冷却定型的冷却速率为0.5～2℃/min。

42、有益效果：与现有技术相比，本发明的优点在于：

43、（1）本发明通过分子链交联改性、纳米颗粒致密补强、纤维界面复合增韧、抗老化微观屏障构建四级微观结构调控，重构pet基体的结晶形态、分子作用力与界面结构。改性后pet基体结晶度由纯料的30%～35%提升至48%～55%，微观结构孔隙率降至1.5%以下，弯曲模量达到6200～8200mpa，冲击强度达到31.5～38.7kj/㎡（提升80%以上），蠕变率≤1.8%（降低65%～75%），热变形温度≥132℃，彻底解决纯pet材料刚度低、易蠕变、抗冲击差、易老化的缺陷，满足土木工程重载、复杂工况的使用要求。

44、（2）本发明采用三层复合承载结构、蜂窝中空减重加强结构、装配式双向锁止拼接结构、表面疏水防滑防护结构一体化宏观构型设计。通过蜂窝中空结构实现减重35%以上；通过双向锁止榫卯结构实现无需辅助固定的快速拼接，铺设效率提升60%以上，循环利用率达95%以上；通过防滑排水结构实现全天候安全通行。板材抗压强度达到52.6～68.5mpa，可承受30～50吨级重载车辆通行，适配不同地基、不同荷载等级的临时道路场景。

45、（3）本发明并非微观改性方案与宏观结构方案的简单叠加，而是通过双向量化协同实现性能的协同跃升：

46、材料模量支撑薄壁蜂窝：通过微观改性将pet弯曲模量提升至6200～8200mpa，使蜂窝壁厚可减薄至4～5mm而不发生屈曲失稳，实现减重35%以上的同时维持重载承载能力，仅靠材料改性而不改变结构，或仅靠结构优化而材料模量不足，均无法实现该技术效果。

47、材料尺寸稳定性保障精密拼接：通过微观改性将pet收缩率控制在0.4%～1.0%，使0.5～1mm级精密榫卯间隙在全工况下保持稳定，实现“即拼即用”的快速装配，未改性pet收缩率1.5%～2.0%，无法实现毫米级精度配合。

48、结晶收缩应力转化为预压应力：改性pet在恒温缓慢冷却过程中产生的结晶收缩应力，被蜂窝结构的均匀几何约束所吸收，在蜂窝壁内形成有利的预压应力分布，部分抵消外载产生的拉应力，这一“化弊为利”的协同效应无法从单一技术路径推导得出。

49、熔融指数与薄壁充填的匹配：通过微观改性将mfi控制在5～15g/10min，确保改性pet熔体完全充填壁厚4～5mm蜂窝腔体而不发生短射缺陷，使复杂蜂窝构型的一体化成型成为可能。

50、（4）核心原料为废旧pet材料，实现固废资源化高效利用；板材可反复拆装、多次周转使用（≥8次），报废后可回收重新熔融改性成型，无建筑垃圾产生，符合绿色施工、低碳环保的行业发展趋势。