EPS板性能及其在道路工程中的应用

宗赵波

EPS是英文Expanded Poly Styrene的简写，即发泡聚苯乙烯，自从19世纪60年代挪威首先用作隔热材料成功解决道路冻害问题以来，已广泛应用于道路工程领域。1992年，泡沫材料被归类为土工合成材料，并正式命名为“土工泡沫”，即geofoam。

1 EPS板基本性能

1.1 EPS板微结构特征

EPS板由完全封闭的多面蜂窝状体颗粒胶结而成，每个颗粒内部由许多封闭蜂窝状的气室组成。各个颗粒之间具有相互连通的孔隙，空气占整个EPS板体积的98%以上。鉴于EPS板这种特殊的结构形式，使其具有质量轻、保温性能好等特点。EPS板是憎水性材料，封闭的空腔结构可阻止多面体颗粒自身吸水，虽然颗粒间连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[1]。

1.2 密度

EPS板的密度由发泡成型阶段PS珠粒的膨胀倍数决定，珠粒膨胀的直径越小，EPS板的密度越大。EPS板常用密度为10 kg/m3～ 30 kg/m3，最大密度可达 60 kg/m3。

1.3 耐久性

EPS板在水和土中的化学性质稳定，不会被微生物分解，但发现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，美国已开发出添加剂来预防虫蚁[2]。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，不允许长时间暴露在紫外线下，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板在用作轻质路堤或地基上的防冻保温材料时，必须在其表面覆盖保护层。

EPS板材料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，因此工程中所废弃的EPS板材料需要将其回收，进行改性再次利用，以便最低限度的减少对环境的污染[4]。

1.4 吸水特性

由于颗粒之间有少量孔隙连通，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，因而吸水性也越低。

1.5 热稳定性

材料的封闭空腔结构决定了EPS板具有优良的隔热性能，因此EPS板最初在道路工程中用于隔热层，以满足严寒季节对道路防冻的要求。但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[5]，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薄板作为路面下的隔温层，设计时考虑其吸水率为10%～15%，这可导致热传导系数上升50%～75%左右，而如前所述，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隔热性能。因此，EPS板是一种优良的隔温层材料，可显著减小冻土路堤的填筑高度，节约大量的土地资源。

1.6 力学性能

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。EPS板主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[6]。EPS板作为一种柔性材料，具有明显的蠕变和应力松弛现象[7]。

试验所用EPS板密度为31 kg/m3，应力—应变关系曲线如图1所示:EPS板变形分为弹性、塑性和硬化三个阶段。当应变小于5%时，EPS板处于弹性阶段，之后进入塑性屈服;应变达到60%后EPS板进入硬化阶段。EPS板的这种压缩特性使其成为理想的减荷材料。当应力较小时EPS板处于弹性阶段，产生很小的弹性压缩变形;随着应力的增大，EPS板达到塑性阶段而产生较大塑性变形。一般地，将应变为10%时的应力定义为EPS板的抗压强度。

2 EPS板在道路工程中的应用

2.1 轻质填料

EPS板可作为轻质路堤填料应用于软土路基，由于EPS板质量轻，10 m高的EPS板仅相当于十几厘米填土的重量，因而将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板可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[7]，并减小新征用地面积，是一种行之有效的方法，国内也已有了初步应用;在美国应用较多，并有相关的设计规程[8]。

此外，EPS板还可以解决桥头跳车问题[9]，由于 EPS作为轻质填料可以很大程度上减小了作用在地基上的附加应力和作用在桥台台背的侧压力，可以解决桥与路之间的差异沉降及路堤的残余沉降，防止桥头跳车以及台后填土与地基位移对桥台的侧向作用。施工简单、方便，不会影响地基的稳定，并可保证施工的安全和进度。

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，加固效果不理想。采用EPS板替换部分边坡土体，通过减小边坡土体重量的方法，减小边坡的下滑力，从而达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[10]。

2.2 涵洞及挡土墙减荷

利用EPS板的压缩变形特性，可用来减小刚性涵洞和挡土墙的土压力。在结构物表面铺设EPS板后，通过EPS板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，通过土体之间的变形差异，发挥土体自身剪切强度，促使土体产生拱效应，从而减小了作用在结构上的土压力。

2.3 道路保温

在多年冻土地区修筑公路和铁路路基，由于表面热交换条件的改变致使路基下覆土体温度升高和多年冻土融化，由此引发冻土区路基融沉病害。若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，就可以防止冻土融化，见图2。

2.4 结构隔振

EPS板可以用作缓冲减震材料，显著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(2007年)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的 31%[11]。Zhi-Liang Wang，Yong-Chi Li等(2006年)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[12]。

3 结语

1)EPS板具有封闭蜂窝状的气室结构，密度较小，耐久性良好，吸水性很小，热传导很低，可压缩性较大，结构性强，为其应用提供了良好的物理力学特性。

2)EPS板可以作为轻质填料、涵洞及挡土墙减荷材料、道路保温、结构减振材料，作用效果明显，其在道路工程中的应用具有重要的价值和意义。

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