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    EPS(聚苯乙烯泡沫)

    来源 : 网络 作者 : 杨廷和 发表时间 : 2018-08-14 浏览 : 47

    1概述

    聚苯乙烯泡沫(Expanded Polystyrene简称EPS)是一种轻型高分子聚合物。它是采用聚苯乙烯树脂加入发泡剂,同时加热进行软化,产生气体,形成一种硬质闭孔结构的泡沫塑料。其加工方法按发泡方式的不同可分为模式法与挤出法。这种均匀封闭的空腔结构使EPS具有吸水性小,保温性好,质量轻及较高的机械强度等特点。北欧在20世纪60年代后期开始将EPS用于土木工程。1971年挪威国家道路研究实验室(NRRL)首次在FLOM大桥引道改造工程中用EPS代替1m厚普通填料,成功控制了桥头段的不均匀沉降。因总体经济和质量效果好,20世纪80年代用量迅速上升,瑞典、日本、荷兰等国家已在公路项目中使用EPS。我国1995年在杭甬高速公路望童跨线桥桥头路堤首次使用EPS。

    2EPS的物理力学特性

    1.1 密度

    EPS的密度由成形阶段聚苯乙烯颗粒的膨胀倍数决定,一般介于10~45㎏/m3之间,作为工程中使用的EPS表观密度一般在15~30㎏/m3。目前在道路工程中用作轻质填料的EPS密度为20㎏/m3,为普通道路填料的1%~2%。密度是EPS的一个重要指标,其各项力学性能几乎都与它的密度成正比关系。

    1.2 变形特性

    根据试验,EPS在三向应力状态下和单向应力状态下的受压过程基本类似,当轴向应变εa=5%时,应力应变曲线出现明显转折,EPS开始表现出弹塑性。当围压很小时,对应力应变关系和屈服强度的影响是有限的。当围压超过60KPa时,屈服强度明显下降,显然与土的变化规律不同。当轴向应变εa≤5%时,无论围压是多大,体积应变εv接近于轴向应变εa,即EPS侧向变形小,也即泊松比小。 

    容重γ=0.2~0.4kN/m3的EPS的弹性模量Es在2.5~11.5MPa之间。广东省淡澳河大桥引道工程EPS填筑高度超过4m,使用的EPS容重为0.2kN/m3。为最大限度地减少工后沉降,铺筑完EPS材料层后,在其上填土1.2m进行预压。其中EPS材料层的压缩沉降平均为32mm,可以算得EPS的弹性模量为2.4MPa,且EPS材料仍处于弹性变形阶段。该路段于2000年10月试行通车,6个月后EPS材料层的实际压缩变平均值为8mm,说明就EPS材料的使用实际效果看,用作为路堤填料是成功的。

    1.3 自立性

    EPS自立性强,对高边坡的稳定十分有利。瑞典桥梁设计规范规定,主动、静止侧压力系数分别为0和0.4,不必计算被动侧压力。由于EPS竖向受压后产生侧向压力小,将EPS用于桥头段路基填料,可大大减少桥台的台背土压力,对桥台稳定十分有利。

    EPS块与砂的摩擦系数f,对于干燥砂f为0.58(密)~0.46(松),对湿砂f为0.52(密)~0.25(松);EPS块与块之间f在0.6~0.7范围内。

    1.4 水、温特性

    EPS的封闭空腔结构决定了其具有良好的隔热性,它用于保温材料最大的特点是其热传导率极低,各种规格EPS板体其热传导率为0.024W/m.K~0.041W/m.K。

    EPS为热可塑性树脂,应在70℃以下使用,以免受热变形和强度降低。同时利用这一特性可采用电热丝加工。生产中可添加阻燃剂,形成阻燃型EPS。阻燃型EPS离开火源3s内自行熄灭。

    EPS的空腔结构使水的渗入极其缓慢。根据挪威与日本实测资料,EPS吸水率(吸入的水量相当于它的容重的百分数)不浸泡在水中时为1%以下;地下水位附近的为4%以下;长期浸泡在水中的为10%左右。由于EPS的容重比土体的容重低得多,吸水引起的1%~10%的容重增量对工程影响可忽略不计。

    1.5 耐久性

    EPS在水中和土壤中化学性质稳定,不能被微生物分解;EPS的空腔结构也使水的渗入极其缓慢;长时间受紫外线照射,EPS表面会由白色变为黄色,且材料在某种程度上呈现脆性;在大多数溶剂中EPS性质稳定,但可溶解于汽油、柴油、煤油、甲苯、丙酮等有机溶剂。这说明EPS填料需要良好的保护层。

    3应用原理与应用领域

    2.1 铺设EPS隔热层、防治路基冻害

    在多年冻土地区修筑道路将会引起局部环境的改变,导致多年冻土的融化,使道路产生严重的病害甚至破坏。传统的整治冻害方法如垫板、注盐、换土、铺炉渣等方法效果都不理想。

    由于EPS材料中内壁气泡为封闭状,互不相通,吸水率小,抗冻性好,保证了在浸水条件下仍具有良好的隔热性能。青藏公路昆仑山越岭地段EPS板隔热路基试验(1990)研究表明,6cm厚的EPS隔热层可减少地表向深层的热流量,减小地下多年冻土层上限的下移,可减缓多年冻土层的冻融,保持线路结构的稳定和减小变形。该研究成果在楚玛河引道、红梁河桥桥头引道及老温泉地区等路段得到了推广应用。从工程现状看,路面坚实平整,路基稳定,路基、路面整体强度满足设计要求。

    2.2 减小路基沉降、防止或处治路基失稳

    在软土地基上修筑路堤,因为普通填料密度大,其自重产生的地基附加应力较大,常会造成路基过大的不均匀沉降和沉降量。由于EPS密度小,具有超轻质特性,在进行一定深度的换填后可有效减小路堤自重,降低地基附加应力,减少软土地基路堤沉降,提高地基的稳定性。填筑10m高的EPS路堤大约相当于10cm高的低填土路堤荷载,路堤荷重大大减小,因此在斜坡地段修筑EPS路堤可有效防止滑坡产生,提高高路堤的抗滑稳定性。

    EPS施工不需特殊机械,人力即可施工,速度快,适用于抢险救灾,对于大型机械难以使用的场所更适合,可现场加工切割,以适应场地地形要求。甬台温高速公路台州段一期工程K42+650~K42+800段,1998年8月软土路基施工中因填筑过快,造成路基滑塌,地面上拱60cm。由于工期十分急迫,现场受104国道及外侧厂房的限制,最终选用EPS轻质材料填筑路堤,最厚处为6层,最薄处为1层填筑,共计用量为7295m3,同年10月填筑完毕。该路段自1998年底建成通车至今,沥青混凝土路面平整,使用状况良好。

    2.3 防止桥头跳车、减小桥台的侧向位移

    由于桥头(桥台与路基交界处)位置的特殊性,路基填筑施工质量难于控制,并且桥台与路堤结构的差异,使得在桥头处容易产生不均匀沉降, 这对道路寿命、行车舒适性和安全性影响极大。减小或控制桥头处的差异沉降是在软基上修建路堤的难题。由于EPS自重极轻,将其用作桥头处的填料,可有效地减小沉降差;同时因其自立性好,也可大幅减小路堤对桥台的侧向压力,减小桥台的侧向位移。

    杭宁高速公路湖州段新田圩桥(桥中心桩号K57+010)两侧桥台台背填筑过程中,桥台发生位移。根据工期和已采取的地基处理情况,采用了EPS轻质路堤的处理方案。新田圩桥两端EPS路堤各长约22m,填筑厚度自桥台处由6层(层厚48.5cm)逐级过渡为1层,共计用量2332m3。该EPS工程于2000年3月开始施工,5月全部填筑完成,同年底竣工通车。目前沥青混凝土路面状况良好,桥头路段无跳车现象。

    2.4 修建直立式路堤

    在山区陡坡地段、城市道路建设中,为减少占地和增加美观,可利用EPS自立性强、侧向变形小的特点修建直立式路堤。对于公路工程扩建,EPS不仅可以减少新老路拼接带来的差异沉降,还可放陡边坡,甚至做成直立式边坡,这对于减少二次征地,节约宝贵的土地资源是十分有利的。

    2.5 减小对地下或邻近建筑物的影响

    路堤下埋设的刚性结构物上部土体与两侧土体的不均匀沉降,往往会在结构物顶部产生过大的附加压力,垂直土压力系数可达1.2,填土较高时甚至可达2.0,即在结构物顶部存在应力集中现象,从而造成地下结构物开裂、破坏。用EPS代替填土铺筑于结构物顶部,可改善结构物上应力分布,大大减轻结构物所受的土压力,土压力系数可降至0.3。

    在城市地区的某些地段进行路堤施工时,为保护地下市政设施与邻近建筑物的安全,不允许对地基进行扰动类加固处理,但又要控制路堤沉降,EPS作为路堤填料,可有效减轻路堤重量,达到控制沉降目的。上海浦东世纪大道原水管渠段[12],采用EPS对管区上部土方进行置换,再在EPS上覆土用于绿化种植。不仅使原水管渠得到充分有效保护,保证了原水管渠的正常供水,而且满足了广场总体规划设计,使世纪大道总体构思得到实现。

    4沪宁高速公路拓宽工程实例

    沪宁高速公路主线全长284.21km,穿越广阔的水网地区,沿线软土地基长92.29km。沪宁高速公路扩建以路基两侧拼接加宽为主,由双向四车道对称拓宽为8车道,两侧各加宽8.25m。在软土地基上进行路堤拼接后,拼接荷载所引起的沉降增量,对老路基而言,呈反盆形分布,在路中心最小,两侧拓宽形成的断面形心垂线处最大。这将会引起新、老路肩与老路堤中心间差异沉降的产生,极易导致老路基、路面的拉裂。为减少差异沉降,江苏段拓宽工程试验段在K0+000~K0+300、K0+800~K1+440、K1+600~K1+770(其中包括桥头、箱头和一般路段)范围内采用EPS作为一种比选方案进行路堤填筑试验研究。

    3.1 路堤的断面结构型式

    试验段EPS路堤填筑高度3~5m,当采用斜坡式时平均地基压力为40.15~55.02kN/m(包括EPS外侧1.5m厚包边土),采用直立式边坡时平均地基压力为26.23~28.24kN/m。该试验段EPS路堤的设计,为充分发挥EPS密度小、自重轻,路堤沉降少,自立性强的特点,采用了直立式边坡和新型肋板式挡墙结构如图1所示。这样既减少了EPS用量,又不必进行地基处理,还减少了公路扩建的二次征地面积,节约了宝贵的土地资源。

    为了提高板整体性能,便于吊运,在预制板的中间设置加劲肋。肋板的板厚10cm,肋宽40cm,高15cm,预制板总宽1.8~1.9m。预制肋板立放于专设的立板基础上,预制板之间采用现浇连接,结构段长度取10m,结构缝处宽度5cm,用沥青封闭。

    为防止EPS在重负荷作用下侧向变形对预制板产生较大的侧向压力,在EPS与预制板之间预留5cm的间隙,使肋板处于不受或少受侧压力状态。间隙处铺设一层垂直向土工布。

    ?在EPS顶面与路面结构层之间现浇一层厚20cm的钢筋混凝土盖板,使EPS均匀承受上部荷载。预制板与现浇盖板之间的二期混凝土,应尽量安排在路面结构层施工后期浇筑,这样可使EPS的垂向、侧向变形充分发挥,减小现浇盖板以及上部结构分配至预制板里的垂向作用力。

    3.2 防撞护栏的设计

    对于边坡为1:1.5的路堤,可以采用一般高速公路上使用的波形护栏来进行设计。而对于挡墙结构,当发生交通事故时,存在更大的安全隐患,为了防止车辆冲出路面,应采用安全性更高的桥式护栏或加强型的波形护栏。

    桥式护栏可以预先在预制板内伸出钢筋,同预制板、盖板的二期混凝土同时浇筑连接。由于汽车在撞击时会产生强大的冲击力,有将EPS顶部的混凝土结构段拉出路面结构层的危险,因此必须对混凝土盖板进行抗滑稳定验算。根据试验表明,桥式护栏是安全的。

    3.3 纵横向的连接

    在EPS路堤的填筑过程中,必须重视EPS同一般填土路段的连接问题。EPS同土路堤的纵向连接段应设置一过渡段,即将EPS块体以台阶的方式与土路堤过渡相连,横向亦如此,同时在铺砌时应采用EPS块体纵横向交错铺砌,以利于EPS块体的受力和变形连续。

    对于纵横坡的调整,有两种方法可供选择:一是采用底层调坡,根据实际路面的纵横坡,通过EPS底部的整平砂层来放坡。采用这种方式,上部的竖向荷载将倾斜作用于EPS块体,EPS块体将受到一水平分力的作用,不利于EPS的受力,但损耗小。为了改善EPS块体的受力特性,可采用底层水平铺筑,顶部的EPS块体切割成小的异形块,通过小台阶的方式来调整横坡,该法EPS受力条件好,同时施工方便,是较好的调坡方案,但损耗较大。

    3.4 排水问题

    由于EPS属超轻质材料,若浸在水中,将受浮力的影响,EPS的上部结构将受到垂直向上的荷载,使新老路基连接处结构层内产生拉应力和剪切应力,严重时将会产生纵向裂缝、错台。因此EPS的施工基准面必须高于最高地下水位最小安全距离S,同时在施工基面上填筑一层石灰稳定土,彻底隔离地下水的影响。然后进行排水砂层的施工,砂层同时起整平作用,以利于EPS块体的铺设。

    对于施工期的排水,主要是避免雨水对EPS块体的浸泡和雨水在新老路基的交接处渗入老路基,对老路基造成损害。为此必须在坡脚处设置临时排水沟,防止路基积水,施工后必须用土工布将EPS块体和老路的开挖台阶覆盖,防止雨水的浸入。为了防止雨水对老路基的侵入,并防止砂层被雨水冲蚀,EPS与台阶之间的孔隙应采用素混凝土填实。

    营运期的排水是影响其使用质量的主要因素,因此必须特别重视。为了防止雨水通过路面结构层渗入路堤内部,EPS长期吸水而造成自重增大,因此在现浇钢筋混凝土板和顶层EPS之间加铺一层防渗土工布。路基排水可通过在施工基面上设置20~30cm的砂垫层来排水,同时需与原路的排水砂层和台阶处的砂层接通。对于直立式结构,由于砂层无法与外界接通,可通过预埋PVC管或塑料盲沟来排水,其底部高程应在排水沟底面以上10~20cm,防止排水沟的雨水倒灌。

    为了充分发挥EPS的超轻特性,最大限度的降低地基应力,有时需要对地基进行开挖置换,此时应设置横向排水通道,为了避免边沟过深,可考虑在边沟以下设置纵向排水盲沟,将路基下的雨水排出。

    3.5 EPS铺设

    由于EPS很轻,采用人工铺筑,关键是平整度控制与联结牢固。EPS块体铺设在施工基面上,施工基面必须保持干燥状态。块体铺设时,不准拖拉机和其他重型机械直接在EPS块体上行驶。EPS块体自下而上逐层错缝铺设,整体铺筑质量很大程度取决于施工基面和最下层的铺设精度。

    EPS块体之间的缝隙和错台应尽可能的小。最下层由垫层来调整,中间各层则采用无收缩水泥砂浆调平。为防止EPS块体互相错位,块体各层之间采用双面爪型联结件,在顶面及侧面采用单面爪型联结件,在最下层EPS块体与施工基面和土基之间采用销钉联结。

    在最上面一层EPS块体的顶面,要浇筑一层钢筋混凝土板。它不仅可以改善EPS的受力特性,使行车荷载和上部路面结构荷载均匀扩散,防止由于应力集中而造成EPS的破坏,还使EPS块体形成一个良好的整体,防止有害物质侵入EPS块体。

    4.结语

    EPS作为一种超轻质的路基填料,在国外有较为广泛的应用。实践证明,EPS有着隔热性好、自重轻、自立性强等优良性能,对解决路基冻害、桥头跳车、路基失稳、新老路基拼接等问题有良好的处理效果。但由于国内使用EPS修建路堤的时间不长,对EPS本身的性能也缺乏深入全面的研究,在使用过程中尚有许多需要解决的问题,概括起来主要有以下几点:

    (1) 目前国内EPS主要应用于包装行业和建筑行业,在公路中应用还较少。EPS较高的价格限制了其大规模的使用,有待研究生产性能更好、价格较便宜的EPS产品。

    (2) 对EPS在长期荷载作用下的性能缺乏深入的了解,长期使用后的残余变形和使用寿命还有待观察。应加强对重复荷载、冲击荷载作用下EPS性能的长期变化情况的研究,同时应研究多种荷载形式共同作用下EPS性能的变化发展。

    (3) 应及时制订参照标准,便于工程施工中进行质量管理。

    ,EPS作为一种新型轻质工程材料正日益受到工程界重视。