泡沫聚苯乙烯路堤填料蠕變特性試驗研究

趙全勝,葉 森,張春會,劉泮森

(河北科技大學建筑工程學院,河北石家莊 050018)

泡沫聚苯乙烯路堤填料蠕變特性試驗研究

趙全勝,葉 森,張春會,劉泮森

(河北科技大學建筑工程學院,河北石家莊 050018)

泡沫聚苯乙烯(EPS)是一種有效防治軟土地基橋頭跳車的超輕質填料,以往EPS路堤設計及材料選用方法中基本沒有考慮材料蠕變特性的影響。筆者對不同密度、不同壓力下的EPS試樣進行了一系列壓縮蠕變試驗。結果表明,EPS的蠕變變形值依賴于應力水平因子,當應力水平因子小于0.6時,蠕變變形與應力水平因子近似呈線性關系且很快穩定,當應力水平因子大于0.6后,蠕變變形呈非線性快速增長且難以穩定,根據蠕變試驗結論可以確定 EPS抗壓強度設計值和相應的密度要求;蠕變變形與時間之間符合雙曲線關系,據此建立了壓縮蠕變本構方程,并給出了方程中參數的確定方法。試驗數據分析表明,建立的EPS蠕變方程能較好地反映EPS的蠕變特性。

EPS路堤;蠕變試驗;應力水平因子

泡沫聚苯乙烯(Expanded poly-styrene,以下簡稱EPS)是超輕質高分子聚合物,每立方米含300～600萬個獨立密閉氣泡,內含空氣體積達98%以上,這種封閉空腔結構決定了EPS具有很小的密度(路用一般為20～30 kg/m3,為土密度的1/60～1/100)和一定的結構強度,滿足路堤結構應力水平要求。因此,EPS可以作為消除深厚軟基段橋頭跳車病害的超輕質填料[1]。

國內外已對EPS的物理、力學特性和施工工藝開展了若干研究 。這些研究基本涵蓋了EPS路堤填料物理力學性質和工程實例2個方面。作為路堤填料的EPS材料要長期承受荷載的作用,過大的蠕變變形將引起路堤整體超限沉降,甚至導致路面結構的損壞。然而,目前國內外對EPS路堤工程設計和材料選用中考慮填料蠕變特性的研究鮮有先例,筆者針對不同密度的路用EPS試樣開展了蠕變試驗研究,分析了EPS密度、應力水平等因素對其蠕變特性的影響,提出路用EPS材料選用及工程設計的一種新思路。

1 試 驗

1.1 試驗概況

試驗在河北科技大學土木工程實驗中心進行。試驗樣品選用北京市北泡君誠泡沫塑料有限公司生產的阻燃型模塑泡沫聚苯乙烯板材。試樣按密度分別為18.92,19.09,22.96,26.50,27.88 kg/m35組。在壓縮蠕變試驗前先在長春科新試驗儀器有限公司生產的WDW 3100微機控制電子萬能試驗機上測試其力學特性,試驗結果見表1。

壓縮蠕變試驗設備采用經改制的南京土壤儀器廠生產的WG型三聯固結儀,該設備可以提供恒定的壓力,為了滿足試驗要求,按照杠桿比配置了小砝碼。試樣用自制熱熔式切割臺加工成79 mm×50 mm的圓柱體試件,按上述密度大小分為5組,每組3塊。為模擬公路與鐵路路堤應力水平[10],試驗施加的壓應力分別為50,60,75 kPa和90,100 kPa。試驗溫度為(23±2)℃,相對濕度為(50±5)%。試驗過程中蠕變變形觀測值用百分表讀取,試驗方法參照《硬質泡沫塑料壓縮蠕變試驗方法》(GB/T 15048—1994),試驗時間歷時360 d。

表1 試樣的力學性質Tab.1 Mechanical p ropertiesof specimens

試驗開始后,數據采集時點選擇參照混凝土受壓徐變試驗要求,按第1,3,7,14,28,45,60,90,120,150,180,360 d的上午10時進行讀數,然后對試驗數據進行系統整理分析。

1.2 試驗結果分析

圖1為密度與單軸抗壓強度點關系圖,圖2為50 kPa恒應力下不同組號(不同密度)的EPS試件蠕變曲線。

從圖1可見,隨著密度的增加,抗壓強度(5%壓應變)也隨之增加,抗壓強度與密度近似呈線性關系,利用最小二乘法擬合,擬合關系式為

σc=0.006ρ-0.020 3。 (1)

式中:σc為5%應變對應的抗壓強度,k Pa;ρ為 EPS的密度,kg/m3。

從圖2可見,隨著密度的增加,初始壓縮變形和蠕變變形都減少,蠕變更快進入穩定階段。因此,密度是影響EPS壓縮變形和蠕變的一個重要指標。隨著密度的增加,EPS內部孔隙減小,其抗變形和抗蠕變能力都有所提高。

下面僅對試驗工程用密度為22.96 kg/m 的EPS試件(表2中第3組)不同壓力下的蠕變試驗進行分析,結果見圖3。從圖3可以看出,隨著壓力增加到75 kPa以上,EPS試件的蠕變變形迅速增長。

為了研究試驗壓力對蠕變發展的影響,定義應力水平因子ζ:

圖3 不同壓力下的蠕變發展與時間關系Fig.3 Creep evolution VS time in varied stress

式中:σc為無側限抗壓強度(5%應變),kPa;P為試驗壓力,kPa。

利用式(2)計算應力水平因子,將應力水平因子和蠕應變極限值繪制于圖4中。從圖4可見當應力水平因子在0.6以下時(如圖4中的0.48和0.58,對應的壓力分別為50 kPa和60 kPa),蠕變變形迅速收斂,180 d內穩定,穩定后其蠕應變不到0.6%。當應力水平因子超過0.6后(如圖4中的0.728,對應壓力為75 kPa),蠕應變呈非線性快速增長,蠕變值不能穩定,360 d達到4.2%。當應力水平因子接近1時,蠕變發展速度更快。這啟示人們在利用EPS填筑路堤時應根據路堤部位的應力水平并考慮材料的蠕變特性,確定合適的EPS材料抗壓強度設計值,進而根據式(1)選擇EPS密度。對于路堤變形控制要求較高的高速鐵路和高等級公路,充分考慮蠕變的影響,應力水平因子宜控制在0.6以下,根據式(2)計算出作為EPS的設計強度。當EPS用于變形控制要求較低的一般鐵(公)路時,可以適當放寬,在設計中應力水平因子原則上最大不宜超過0.7。

圖4 應力水平因子與蠕變極限值關系曲線Fig.4 Curve of maximum creep VS stress facto r

2 EPS的蠕變本構方程

建立 EPS材料的蠕變本構方程就是建立在長期荷載作用下EPS的蠕變變形與時間的關系,常用方法主要有理論模型法和經驗公式法。理論模型法是采用彈性元件 、塑性元件和粘性元件進行組合,該法具有一定的物理意義,但存在擬合精度差、參數測試復雜等問題。經驗公式法是利用蠕變試驗數據通過經驗擬合方法建立蠕變的本構方程,該法擬合精度高,適用范圍廣。筆者采用經驗公式法建立EPS蠕變本構方程。

從EPS蠕變試驗結果看,EPS的壓縮蠕變變形與應力水平、時間都有關系,建立的本構方程應反映上述各因素的影響。從圖2和圖3的蠕變試驗曲線看,可以采用雙曲線擬合 EPS材料應變與時間的關系,即

式中:a,b為試驗常數;ε表示蠕應變極限值。

式(3)也可以寫為

表2 蠕變本構方程參數擬合結果表Tab.2 Creep parametersof form fitting results

圖5 應力水平因子與蠕變極限值關系曲線Fig.5 Curve of maximum creep VS stress facto r

從式(4)可見t和t/ε呈線性關系,基于t和t/ε的數據對,利用最小二乘法可以擬合出b和a。

對圖2和圖3中的試驗數據的擬合結果見表2。

從圖4可以看出,蠕應變極限值與應力水平因子有關。當應力水平因子小于0.6時,蠕應變極限值和應力水平因子近似呈線性關系。對圖4中的數據進行擬合,得到擬合方程如下:

擬合值和試驗值的對比可參見圖5。從圖5可見,式(5)能較好地反映蠕應變極限值與應力水平因子之間的關系,并可以應用于蠕應變極限值的計算。

3 結 論

筆者通過室內不同密度、不同壓力下的路用EPS填料試樣壓縮蠕變試驗,得到如下結論。

1)EPS的抗壓強度和抗變形能力隨著密度的增大而線性增加;

2)EPS的蠕應變依賴于應力水平因子,當應力水平因子小于0.6時,蠕應變與應力水平因子呈線性關系,蠕變值在180 d內穩定且滿足高速鐵路和高等級公路路堤變形要求;當應力水平因子大于0.6時,蠕應變隨應力水平因子呈非線性快速增長,蠕變值難以穩定將引起路堤超限沉降和鋪面結構的損壞。

3)利用EPS填筑路堤時應根據路堤部位的應力水平并考慮材料的蠕變特性,根據式(2)確定合適的EPS材料抗壓強度設計值,進而根據式(1)選擇EPS密度。

4)對試驗數據的分析表明,蠕應變與時間之間符合雙曲線關系,其蠕變本構方程可用式(3)表示,其參數可通過試驗數據利用線性擬合求出,試驗數據的統計分析表明,建立的 EPS蠕變方程能較好的反映其蠕變特性。

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Creep tests study on expanded poly-styrene in embankment

ZHAO Quan-sheng,YE Sen,ZHANG Chun-hui,L IU Pan-sen

(College of Civil Engineering and A rchitecture,Hebei University of Science and Technology,Shijiazhuang Hebei 050018,China)

Expanded poly-styrene(EPS)is a new material to reduce the subsidence of the bridgehead of soft embankment.Traditional design and material selection of EPSembankment does not take into account the basic characteristicsof creep.Creep tests of EPS specimens in varied density and p ressure are performed.Resultsare as follow s:Uniaxial comp ressive strength and anti-deformation ability of EPS linearly rise up w ith increasing density;creep deformation of EPS dependson the stress facto r.Creep defo rmation increases closely linearly w ith the stress factor and becomes stable fast w hen the factor is less than 0.6.However the creep defo rmation increases nonlinearly and rapidly and becomes unstable w hen the facto r is mo re than 0.6.Conclusion from the creep test can determine the design value of comp ressive strength of EPS and the corresponding density requirements.The relation between the creep deformation and time follow s the hyperbolic curve,and the co rresponding constitutive creep relation is p resented.The method to obtain the parameters is introduced.Case studies show that the constitutive relation of EPS p resented better reflects the creep behaviors of EPS.

EPSembankment;creep tests;the stress factor

TU 443

A

1008-1542(2011)01-0088-04

2010-09-07;

2010-11-10;責任編輯:馮 民

河北省自然科學基金資助項目(E2010000872)

趙全勝(1968-),男,河北石家莊人,副教授,碩士,主要從事巖土工程與輕質土方面的研究。