EPS板材料特性及其岩土工程应用概述

广东建材２０１１年第６期　综合论述　ＥＰＳ板材料特性及其岩土工程应用概述　姜峰林　（广东省冶金建筑设计研究院）　摘　要：发泡聚苯乙烯ＥＰＳ（Ｅｘｐａｎｄｅｄ　Ｐｏ１ｙｓｔｙｒｅｎｅ）板是一种封闭多孔的聚合物材料，具有密度　小、强度高、压缩变形大、保温隔热和缓冲隔振等材料特性。本文结合ＥＰＳ板的生产过程和材料微结构　特性，简述了ＥＰＳ板的物理力学特性，并对ＥＰＳ板存软基处理、边坡稳定、冻土路基、地埋结构物减荷　以及结构隔振等等岩土工程领域的应用及机理做了简要概述。　关键词：岩土工程；发泡聚苯乙烯；ＥＰＳ；土：＿ｒ泡沫；材料特性　藿各种聚合物泡沫材料，例如聚乙烯、聚丙烯和聚苯　定的温度、压力及引发剂的作用下，聚合为直径约　乙烯等，自从１９世纪６０年代挪威首先用作隔热材料成　０．６～１．Ｏｍｍ的白色ＰＳ球形珠粒。图２为ＰＳ珠粒生成　功解决道路冻害问题以来，已广泛应用于岩土工程领　ＥＰＳ板材的生产过程，整个过程分为颗粒预发泡、熟化　域。１９９２年，泡沫材料被归类为土工合成材料，并正式　（吸收空气）、模塑制造三个步骤。预发泡是采用蒸汽加　命名为“土工泡沫”，即ｇｅｏｆｏａｍ。　热ＰＳ珠粒使之膨胀到一‘定程度；预发泡后的珠粒需要　ＥＰＳ板是一种封闭多孔的轻质材料，即常见的泡沫　贮存～一段时间，以吸收空气进行熟化，防止成型后的收　包装材料，属于聚合物的一种，具有密度小、压缩变形　缩；然后将膨胀后的泡沫珠粒浇筑进不同尺寸的模具里　大、保温隔热、缓冲隔振等材料特性，同时又具有一定的　进行塑膜，常用的模塑方法是蒸汽加热模压法；ＥＰＳ板　＋　结构强度，可以用来解决许多岩士工程中难以克服的问　材冷却成型后即可进行脱模。　题，如用于软基处理、边坡稳定、冻土路基、地埋结构物　减荷以及结构隔振等方面＿１＿。此外，ＥＰＳ板牛产工艺简　单，价格低于其它种类的聚合物泡沫。因此，ＥＰＳ板成为　目前土木工程中应用较广的一种十工泡沫。　瓶　一　广　耥　　毗　］网图图２　ＥＰＳ板材成型过程　１　ＥＰＳ板生产过程　ＥＰＳ的成品为长方体板材，整个生产过程分为聚苯　乙烯（ＰｏｌｙＳｔｙｒｅｎｅ，缩写为ＰＳ）珠粒的聚合与Ｐｓ珠粒　发泡成型两个阶段。Ｐｓ具有一个或三个单体不断的重　２　ＥＰＳ板物理力学特性　２．１微结构特性　ＥＰＳ板材由完全封闭的蜂窝状多面状体颗粒胶结　复连接聚合而成的长链分子聚合物，其化学组成为　而成，每个颗粒又是由许多封闭蜂窝状的气室组成，见　图３。各个颗粒之间具有相互连通的孔隙，空气占整个　Ｃ８Ｈ８［　，如图１所示。　ＥＰＳ板体积的９８％以上。ＥＰＳ板这种特殊的结构型式，使　其具有密度小、保温隔热、缓冲隔振等特点。ＥＰＳ板封闭　的空腔结构可阻止多面体颗粒自身吸水，虽然颗粒问联　通的孔隙可以吸收部分水分，但所占比例较小，因而吸　水性极小，属于憎水性材料。　∞瑚琼煳　盘　妨碍化糕Ｉｌ莪　图１　ＰＳ珠粒的聚合及化学组成　ＰＳ珠粒的原料为苯乙烯单体，多采用悬浮聚合的　脐援材　●■　Ｐｓ厩控封闭气室　方法生产。苯乙烯单体在机械强烈的搅拌下分散为油状　液滴，借助于悬浮剂的分散作用使其悬浮于水中，在　２　２宓磨　图３　ＥＰＳ板材料结构组成　——１４９　综合论述　广东建材２０１１年第６期　密度是ＥＰＳ板的一　个重要指标，其各项力学性能与　隔热性能。是一一种优良的隔温层材料。　之有着密切的关系。ＥＰＳ板的密度由发泡成型阶段Ｐｓ　珠粒的膨胀倍数决定，珠粒膨胀的直径越大，ＥＰＳ板的　２．６力学特性　由于ＥＰＳ板是由封闭多孔颗粒胶结而成，颗粒和气　密度越小，反之则密度越大。ＥＰＳ板常用密度范围为　室壁具有一定的结构强度，当压力较小时，表现为弹性　ｌＯ￣３０ｋｇ／ｍ。，最火密度可达６０ｋｇ／ｍ。。岩土工程中用作　变形特征；随着压力增大，ＥＰＳ材料的颗粒和气室壁失　轻质填料的ＥＰＳ板，其密度约为２０ｋｇ／ｍ。左右，密度仅　去结构强度产生屈曲，可以产生很大的压缩变形，表现　为普通填料的１／５０￣１／１Ｏ０。　为柔性材料特征。ＥＰＳ板的压缩曲线可分为三个典型阶　２．３耐久性　段（图４）：应变小于２％～５％时处于弹性阶段；随着应变　ＥＰＳ板在水和十中的化学性质稳定，不会被微生物　分解，但白蚁和食木蚂蚁利用ＥＰＳ板保温性能好的特点　而筑巢取暖，会对ＥＰＳ板造成一　定的破坏，可以在材料　生产过程中加入添）Ｊｎ￣Ｊ来预防虫蚁。经紫外线照射一段　时间后，ＥＰＳ板材表面会由白色变为黄色，使材料在某　种程度上呈现脆性＿３］。因此，ＥＰＳ板与许多高分子土工材　料一样，不允许长时问暴露在紫外线下，工程应用时应　采取保护措施，减小紫外线照射。ＥＰＳ板在大多数溶剂　中性质稳定，但可被汽油或煤油溶解。　ＥＰＳ板具有稳定的化学性质，不能自行降解，随意　丢弃会给环境造成严重的污染，工程中所废弃的ＥＰＳ板　材料应将其回收，进行改性再次利用，以便最低限度的　减少对环境的污染　。　２．４吸水特性　由于颗粒之间有少量孔隙联通，因此ＥＰＳ板具有一　定的吸水性。材料密度越高珠粒间孔隙越小，吸水性也　越低。挪威国立公路研究所研究后得出以下结论：在地　下水位以下埋置９年的ＥＰＳ板，最大吸水率仅为体积的　１０％，而在发生周期性干湿变化的状态中，ＥＰＳ板最大吸　水量仅为体积的４％。可见，ＥＰＳ板的吸水性很小。　２．５热稳定性与保温隔热　ＥＰＳ板在温度为７５℃～８０℃的环境下可以正常使　用，但当温度接近１５０℃时，聚苯乙烯将会熔化，如果附　近有火源，ＥＰＳ也可燃烧，添加阻燃剂的聚苯乙烯颗粒　发泡成型的ＥＰＳ板燃烧后，３ｓ内可自熄，阻燃剂对ＥＰＳ　板的性能没有不利的影响。　ＥＰＳ板的吸水量对其热传导性的影响较为明显，随　吸水量的增大，热传导系数也会增大。Ｄｕｓｋｏｖ　Ｍ研究指　出，ＥＰＳ板体积吸水率小于１％时，其热传导系数可增大　５％；体积吸水率达到３％～５％时，热传导系数则可增大　１５％￣２５％。ＥＰＳ板最大的体积吸水率不大于１０％。由于封　闭空腔结构的存在，水渗入ＥＰＳ的速度非常缓慢，即使　将ＥＰＳ完全浸入水中，ＥＰＳ板也具有比土壤优越得多的　一１５０　增加，ＥＰＳ板进入塑性阶段，此时较小的应力增量便会　引起塑性应变迅速增加；当应变达到６０％￣７０％时，ＥＰＳ　板开始硬化，进入硬化阶段。对于密度大于２０ｋｇ／ｍ。的　ＥＰＳ板，其压缩强度已超过ｌＯＯｋＰａ，能够满足工程需要。　誊　理１００　：　应虹ｅ　图４典型ＥＰＳ板压缩变形曲线　加载速率对ＥＰＳ板的强度影响较大，试验表明，加　载速率越大ＥＰＳ板的强度越高，在不同的受力情况时应　选择不同的强度值。ＥＰＳ板丰要靠颗粒间的胶结抵抗拉　应力，因此在受到拉力作用时表现为脆性材料特征，ＥＰＳ　板的受拉强度远小于受压强度［５］。　３　ＥＰＳ板在岩土工程中的应用　３．１轻质填料　ＥＰＳ板可作为轻质路堤填料应用于软土路基，见图　５。在软土上修建路基，常采用复合地基、堆载预压或桩　基等方法提前进行地基处理，用以减小路基工后沉降，　施工工序繁杂，处理工期长。由于ＥＰＳ板密度小，ｌＯｍ高　的ＥＰＳ板仅相当于十几厘米填土的重量。因此，将ＥＰＳ　板作为轻质路堤填料，对软土路基产生的附加应力微乎　其微，并可通过挖除与填筑ＥＰＳ路堤和车辆附加荷载等　重量的地基土体，实现零地基附加应力。ＥＰＳ板虽然价　格较高，但施工简便，节约了大量软基处理时间，尤其在　淤泥层较深时，也可以大大节约工程造价。ＥＰＳ板还可　图５　ＥＰＳ板轻质路基应用　广东建材２０１１年第６期　用于深厚软弱地基上进行高速公路的拼接拓宽工程，控　制新老路基之间的沉降差异，并减小新征用地面积，国　内也已有了初步应用∞］；在美国应用较多，并有相关的　综合论述　设计规程。此外，ＥＰＳ板还可以解决桥头跳车问题。　对于土质较差的边坡，采用锚杆、锚索或抗滑桩等　加固措施时，土体无法提供较高的锚固力，加固效果并　不理想。采用ＥＰＳ板替换部分边坡土体的方法，如图６　一Ｉ｛　　竺竺ｌ　图８　ＥＰＳ板路基隔热　所示，通过降低边坡土体重量来减小边坡的下滑力，达　３．４结构物隔振　到增强边坡的稳定性之目的，是一种较为理想的边坡加　固方法。　图６　ＥＰＳ板边坡工程应用　３．２结构物减荷　利用ＥＰＳ板的压缩变形特性，可减小刚性涵洞和挡　土墙等结构物上的＿十压力，如图７所示。在结构物表面　铺设ＥＰＳ板后，通过ＥＰＳ板的产生的压缩大变形效果，　可以增加ＥＰＳ板宽度范围内土体的变形，通过士体之间　的变形差异，发挥土体自身剪切强度，促使土体产生拱　效应，将＿十压力转移到相邻土体上，达到减小作用在结　构上土压力的目的。　填佩　口日口　∞树聊　国珀　狮　图７　ＥＰＳ板减荷工程应用　３．３保温隔热层　在多年冻土地区修筑公路和铁路路基会改变表面　热交换条件，致使路基下伏士体温度升高，使得多年冻　土融化，由此引发冻土区路基融沉病害。在路堤与冻土　路基之间铺设一层ＥＰＳ板，阻止热量传递到冻土层中，　便可以防止冻土融化，见图８。２０世纪５０年代，挪威已　开始尝试保温材料在冻＿十区路基工程的应用。１９９２年，　在青藏公路昆仑山越岭地段，将保温材料铺设于实体道　路工程进行试验研究，并在青藏铁路工程中，采用ＥＰＳ　板进保护多年冻土路基进行了初步应用　７］。　ＥＰＳ板可以用作缓冲减震材料，减小地震或爆破冲　击荷载对挡土墙或地下结构的动土压力。Ｒｉｃｈａｒｄ在挡　土墙与土体之间填充ＥＰＳ板进行了振动台模型试验。试　验结果表明，采用ＥＰＳ板隔振后的最大动土压力仅为没　有采取隔振措施的土压力３１％。Ｚｈｉ—Ｌｉａｎｇ　Ｗａｎｇ，　Ｙｏｎｇ—Ｃｈｉ　Ｌｉａ等针对ＥＰＳ板埋设在人防工程的混凝土　墙体中的情况，进行了动力分析，分析结果表明，墙体中　埋设ＥＰＳ板后，显著减小了墙体所受的冲击荷载幅度。　４结语　ＥＰＳ板作为一　种轻质聚合物材料，具有具有密度　小、强度高、压缩变形大、保温隔热和缓冲隔振等材料特　一一性，可以用来解决软土路基、边坡稳定、冻土路基、地埋　结构物减荷以及结构隔振等岩土工程领域，具有广阔的　一一～一　哪　应用前景。　目前，对于ＥＰＳ板应用于岩十工程时的材料力学特　性缺乏系统性的研究，工程应用主要处于尝试性阶段，　也未有统一的标准和行业规范，今后应加强这些方面的　研究工作。●　墨＿　１５１　．～一～一～一一一～一