EPS板性能及其在道路工程中的應(yīng)用

宗趙波

EPS是英文Expanded Poly Styrene的簡寫，即發(fā)泡聚苯乙烯，自從19世紀60年代挪威首先用作隔熱材料成功解決道路凍害問題以來，已廣泛應(yīng)用于道路工程領(lǐng)域。1992年，泡沫材料被歸類為土工合成材料，并正式命名為“土工泡沫”，即geofoam。

1 EPS板基本性能

1.1 EPS板微結(jié)構(gòu)特征

EPS板由完全封閉的多面蜂窩狀體顆粒膠結(jié)而成，每個顆粒內(nèi)部由許多封閉蜂窩狀的氣室組成。各個顆粒之間具有相互連通的孔隙，空氣占整個EPS板體積的98%以上。鑒于EPS板這種特殊的結(jié)構(gòu)形式，使其具有質(zhì)量輕、保溫性能好等特點。EPS板是憎水性材料，封閉的空腔結(jié)構(gòu)可阻止多面體顆粒自身吸水，雖然顆粒間連通的孔隙可以吸收部分水分，但所占比例較小，因而吸水性極小[1]。

1.2 密度

EPS板的密度由發(fā)泡成型階段PS珠粒的膨脹倍數(shù)決定，珠粒膨脹的直徑越小，EPS板的密度越大。EPS板常用密度為10 kg/m3～ 30 kg/m3，最大密度可達 60 kg/m3。

1.3 耐久性

EPS板在水和土中的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不會被微生物分解，但發(fā)現(xiàn)白蟻和食木螞蟻利用EPS板保溫性能好的特點而筑巢取暖，會對EPS板造成一定的破壞，美國已開發(fā)出添加劑來預(yù)防蟲蟻[2]。經(jīng)紫外線照射一段時間后，EPS板材表面會由白色變?yōu)辄S色，使材料在某種程度上呈現(xiàn)脆性[3]。因此，EPS板與許多高分子土工材料一樣，不允許長時間暴露在紫外線下，工程應(yīng)用時應(yīng)采取保護措施，減小紫外線照射。EPS板在大多數(shù)溶劑中性質(zhì)穩(wěn)定，但可被汽油或煤油溶解。EPS板在用作輕質(zhì)路堤或地基上的防凍保溫材料時，必須在其表面覆蓋保護層。

EPS板材料具有穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)，不能自行降解，隨意丟棄會給環(huán)境造成嚴重的污染，因此工程中所廢棄的EPS板材料需要將其回收，進行改性再次利用，以便最低限度的減少對環(huán)境的污染[4]。

1.4 吸水特性

由于顆粒之間有少量孔隙連通，因此EPS板具有一定的吸水性。材料密度越高珠粒間孔隙越小，因而吸水性也越低。

1.5 熱穩(wěn)定性

材料的封閉空腔結(jié)構(gòu)決定了EPS板具有優(yōu)良的隔熱性能，因此EPS板最初在道路工程中用于隔熱層，以滿足嚴寒季節(jié)對道路防凍的要求。但EPS板的吸水量對其熱傳導(dǎo)性的影響較為明顯，隨吸水量的增大，熱傳導(dǎo)系數(shù)也會增大。Duskov M研究指出[5]，EPS板體積吸水率小于1%時，其熱傳導(dǎo)系數(shù)可增大5%;體積吸水率達到3%～5%時，熱傳導(dǎo)系數(shù)則可增大15%～25%;EPS薄板作為路面下的隔溫層，設(shè)計時考慮其吸水率為10%～15%，這可導(dǎo)致熱傳導(dǎo)系數(shù)上升50%～75%左右，而如前所述，EPS板最大的體積吸水率不大于10%。由于封閉空腔結(jié)構(gòu)的存在，水滲入EPS的速度非常緩慢，即使將EPS完全浸入水中，EPS板也具有比土壤優(yōu)越得多的隔熱性能。因此，EPS板是一種優(yōu)良的隔溫層材料，可顯著減小凍土路堤的填筑高度，節(jié)約大量的土地資源。

1.6 力學(xué)性能

加載速率對EPS板的強度影響較大，試驗表明，加載速率越大EPS板的強度越高。EPS板主要靠顆粒間的膠結(jié)抵抗拉應(yīng)力，因此在受到拉力作用時表現(xiàn)為脆性材料特征，EPS板的受拉強度遠小于受壓強度[6]。EPS板作為一種柔性材料，具有明顯的蠕變和應(yīng)力松弛現(xiàn)象[7]。

試驗所用EPS板密度為31 kg/m3，應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線如圖1所示:EPS板變形分為彈性、塑性和硬化三個階段。當應(yīng)變小于5%時，EPS板處于彈性階段，之后進入塑性屈服;應(yīng)變達到60%后EPS板進入硬化階段。EPS板的這種壓縮特性使其成為理想的減荷材料。當應(yīng)力較小時EPS板處于彈性階段，產(chǎn)生很小的彈性壓縮變形;隨著應(yīng)力的增大，EPS板達到塑性階段而產(chǎn)生較大塑性變形。一般地，將應(yīng)變?yōu)?0%時的應(yīng)力定義為EPS板的抗壓強度。

2 EPS板在道路工程中的應(yīng)用

2.1 輕質(zhì)填料

EPS板可作為輕質(zhì)路堤填料應(yīng)用于軟土路基，由于EPS板質(zhì)量輕，10 m高的EPS板僅相當于十幾厘米填土的重量，因而將EPS板作為輕質(zhì)路堤填料，對軟土路基產(chǎn)生的附加應(yīng)力微乎其微，并可通過挖除與填筑EPS路堤和車輛附加荷載等重量的地基土體，實現(xiàn)零地基附加應(yīng)力。EPS板雖然價格較高，但施工簡便，節(jié)約了大量軟基處理時間，尤其在淤泥層較深時，也可以大大節(jié)約工程造價。EPS板可用于深厚軟弱地基上進行高速公路的拼接拓寬工程，控制新老路基之間的沉降差異[7]，并減小新征用地面積，是一種行之有效的方法，國內(nèi)也已有了初步應(yīng)用;在美國應(yīng)用較多，并有相關(guān)的設(shè)計規(guī)程[8]。

此外，EPS板還可以解決橋頭跳車問題[9]，由于 EPS作為輕質(zhì)填料可以很大程度上減小了作用在地基上的附加應(yīng)力和作用在橋臺臺背的側(cè)壓力，可以解決橋與路之間的差異沉降及路堤的殘余沉降，防止橋頭跳車以及臺后填土與地基位移對橋臺的側(cè)向作用。施工簡單、方便，不會影響地基的穩(wěn)定，并可保證施工的安全和進度。

對于土質(zhì)較差的邊坡，采用錨桿、錨索或抗滑樁等加固措施時，土體無法提供較高的錨固力，加固效果不理想。采用EPS板替換部分邊坡土體，通過減小邊坡土體重量的方法，減小邊坡的下滑力，從而達到增強邊坡的穩(wěn)定性之目的，是一種較為理想的邊坡加固方法[10]。

2.2 涵洞及擋土墻減荷

利用EPS板的壓縮變形特性，可用來減小剛性涵洞和擋土墻的土壓力。在結(jié)構(gòu)物表面鋪設(shè)EPS板后，通過EPS板產(chǎn)生的壓縮大變形效果，可以增加EPS板寬度范圍內(nèi)土體的變形，通過土體之間的變形差異，發(fā)揮土體自身剪切強度，促使土體產(chǎn)生拱效應(yīng)，從而減小了作用在結(jié)構(gòu)上的土壓力。

2.3 道路保溫

在多年凍土地區(qū)修筑公路和鐵路路基，由于表面熱交換條件的改變致使路基下覆土體溫度升高和多年凍土融化，由此引發(fā)凍土區(qū)路基融沉病害。若在路堤與凍土路基之間鋪設(shè)一層EPS板，阻止熱量傳遞到凍土層中，就可以防止凍土融化，見圖2。

2.4 結(jié)構(gòu)隔振

EPS板可以用作緩沖減震材料，顯著減小地震或爆破沖擊荷載對擋土墻或地下結(jié)構(gòu)的動土壓力。Richard(2007年)在擋土墻與土體之間填充EPS板進行了振動臺模型試驗。試驗結(jié)果表明，采用EPS板隔振后的最大動土壓力僅為沒有采取隔振措施的土壓力的 31%[11]。Zhi-Liang Wang，Yong-Chi Li等(2006年)針對EPS板埋設(shè)在人防工程的混凝土墻體中的情況，進行了動力分析，分析結(jié)果表明，墻體中埋設(shè)EPS板后，顯著減小了墻體所受的沖擊荷載幅度[12]。

3 結(jié)語

1)EPS板具有封閉蜂窩狀的氣室結(jié)構(gòu)，密度較小，耐久性良好，吸水性很小，熱傳導(dǎo)很低，可壓縮性較大，結(jié)構(gòu)性強，為其應(yīng)用提供了良好的物理力學(xué)特性。

2)EPS板可以作為輕質(zhì)填料、涵洞及擋土墻減荷材料、道路保溫、結(jié)構(gòu)減振材料，作用效果明顯，其在道路工程中的應(yīng)用具有重要的價值和意義。

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