路基輕質填料(EPS)的路用性能探討

1　概述

　　在軟弱地基上及其它他不良地基上修筑道路和橋梁，路基的沉降和不均勻沉降是影響工程質量的一個重要因素。除了砂井預壓、打設樁基等常規軟基處理方法外，近年來國外又發展了一種新的超輕質填料－聚苯乙烯泡沫(expanded polystyrenc,簡稱EPS)，從而產生了一種新的軟基處理方法。EPS材料具有超輕性、耐壓縮性、自立性、耐水性和施工簡單、方便、快捷等優點,在國內外得到了廣泛的應用，有效地解決了軟基過渡段的沉降和不均勻沉降、路堤與橋臺相接處的差異沉降等問題。
　　EPS在道路工程中的應用起始于1965年，挪威在路面下鋪設了5～10cm厚的EPS板作為隔溫層，以滿足嚴寒季節對道路防凍的要求。此后，1972年挪威道路研究所在研究填土施工法時首先用EPS代替填土獲得成功，解決了橋臺相接路堤的過渡沉降問題。1985年在奧斯陸召開的國際道路會議上公開了該項技術，從此EPS在瑞典、法國、加拿大、日本等國也得到了廣泛應用，并取得了許多成功經驗，較好地解決了軟基過渡段的沉降和不均勻沉降、路堤與橋臺相接處的差異沉降等問題。
　　在國內的道路工程中，EPS獨特的路用性能愈來愈受到青睞。在廣東（廣州、深圳）、浙江、上海等省市，EPS作為路基輕質填料得到了廣泛的應用；浙江省的滬杭、杭寧、甬臺溫、杭金衢、杭州繞城等高速公路上廣泛的應用了EPS處理橋頭臺背回填；滬寧高速公路上海安亭段拓寬工程中大量的應用了EPS作為路基拼接段的主要填料；正在進行的滬寧高速公路江蘇段擴建工程試驗段中也大量的采用EPS作為軟土地基的路基填料。

2　EPS的特性

　　EPS由聚苯乙烯顆粒發泡而成，聚苯乙烯顆粒中主要含有聚苯乙烯、可溶性戊烷(膨脹成份)和防火劑。在EPS的成型過程中，聚苯乙烯顆粒中的戊烷受熱氣化，在顆粒中膨脹形成許多封閉的空腔。這種均勻的封閉空腔結構決定了EPS具有許多其它土工泡沫材料所沒有的特性。
2.1　密度
　　EPS的密度由成型階段聚苯乙烯顆粒的膨脹倍數決定，工程中常用密度為15 kg/m3和30kg/m3之間的EPS，目前許多土工工程中用作輕質填料的EPS，其密度常為20kg/m3,僅為普通填料的1/50～1/100，密度為EPS的一個重要指標與其各項力學性能有著密切的關系。
2.2　耐久性
　　EPS在水中和土壤中化學性質穩定，不能被微生物分解，也不會釋放出對微生物有利的營養物質。聚苯乙烯本身是憎水的，而且EPS的封閉空腔結構也使水的滲入極其緩慢。EPS在紫外線(UV)照射下一段時間后表面由白色變為黃色，材料在某種程度上呈現脆性。因此，EPS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。
　　EPS在大多數溶劑中性質穩定，可耐受許多化學物質。在長時間暴露的情況下，石蠟油、蔬菜或動物的油和脂肪、柴油、凡士林可能破壞EPS的表面并導致收縮。EPS不耐有機溶劑，如汽車燃料油（汽油或煤油）、碳氫化合物、氯化碳氫化合物、酮、酯、許多油漆、粘結劑或清潔劑、無水冰醋酸、硝酸和硫酸等都會對EPS造成破壞。
2.3　熱穩定性
　　在75～80℃以下使用EPS，一般沒有問題；溫度接近150℃時，聚苯乙烯將熔化。如果附近有火源，EPS也可燃燒，但由含有阻燃劑的聚苯乙烯顆粒發泡成型的EPS燃燒后，3s內可自熄，且阻燃劑對EPS的性能沒有不利的影響。
2.4　熱傳導性
　　EPS的封閉空腔結構決定了其具有優良的隔熱性，因此EPS最初在道路工程中用于隔溫層，以滿足嚴寒季節對道路防凍的要求。正常情況下，EPS塊體的質量吸水率不大于7％。由于封閉空腔結構的存在，水滲入EPS的速度非常緩慢，即使將EPS完全浸入水中，EPS也具有比土壤優越得多的隔熱性。
2.5　力學性能
　　抗壓強度是EPS作為路堤輕質填料的重要指標。邊長50mm的EPS正方體試件在10mm/min的應變速率和典型條件(溫度為23℃，相對濕度50％)下，采取應變控制形式的無側限單軸壓縮試驗的應力－應變曲線，可以看出EPS在變形初始階段表現為很好的彈性性狀，在1％－2％的應變范圍，EPS仍保持彈性性質，粗略估計，EPS的總彈性應變區域是其線彈性范圍的2倍。隨著EPS密度的增大，抗壓強度和彈性極限也增大。在壓縮條件下，即使超出了線彈性范圍，EPS仍保持彈性性質。隨著EPS密度的增大，抗壓強度和彈性極限也增大，不同密度的EPS塊體的應力－應變曲線見圖1。
　　EPS在壓縮條件下的屈服不是出現在某一點，而是在某一范圍。屈服后EPS表現為屈服硬化，且開始階段仍是線形的，斜率大約是線彈性階段的5％。當應變繼續增長，EPS呈現非線性，此時EPS的空腔結構已遭破壞，產生明顯的塑性變形。在線彈性范圍內，EPS的模量值不變，當荷載超過比例極限后，EPS的模量值迅速下降。
　　吸水、低溫、凍融循環對EPS的抗壓強度沒有不利的影響。相反，潮濕狀態下EPS抵抗變形的能力甚至優于干燥狀態。前者的抗壓強度比后者要高出10％。隨著溫度的下降，EPS的抗壓強度還有所上升。典型試驗條件下EPS抗壓強度的變異范圍大約為±20％。
　　在線彈范圍內，EPS的模量值不變，當荷載超過比例極限后，EPS的模量值迅速下降。與抗壓強度一樣，吸水、低溫、凍融循環對EPS的彈性模量也沒有不利的影響。EPS的泊松比，由測試的徑向和豎向應變計算得到。在0.07～0.11之間。
　　此外，有限的數據表明，在一定的密度下，蠕變的影響隨溫度的上升而增大；現場在寒冷氣候下的觀測結果也表明，溫度下降，蠕變的程度也隨之下降。
　　EPS在20kPa的靜止豎向荷載的作用下的蠕變僅為百分之零點幾，第1d產生的蠕變為0.08％左右。所以，EPS路基由蠕變產生的額外永久變形在路面設計中只有微小的影響。

3　EPS的相關路用指標

3.1　國外的相關路用指標
　　由于EPS在國內高速公路工程建設中的應用處于起步階段，沒有完善的EPS路用控制標準規范要求，目前國際上EPS路用性能控制標準有ISO（國際標準組織）、DIN（德國標準）、EN（歐洲標準）、JISK（日本標準）。各個標準之間并不統一，也沒有完全的對應關系。國外EPS路用指標詳見表1。
3.2　國內的相關化工指標
　　目前國內關于EPS的國家標準主要集中在輕工業部頒發的一些硬質泡沫塑料的相關試驗和檢測標準詳見表2。
　　這些標準主要是一些化工行業標準，對EPS的工程應用性能只能起一些參考作用，其中某些試驗方法可以進行借鑒，但相關要求不能作為工程標準規范來執行。
　　EPS在高速公路中的應用是工程學與化學的邊緣科學，應在了解其主要化學行業標準的前提下，重視EPS的工程應用性能。
3.3　EPS塊的取樣方式
　　路用EPS塊的體積約為300cm?120cm?60cm，根據每批次的進場數量EPS塊的取樣頻率應滿足表3的頻率要求。
　　試樣從試塊中進行切割，試樣的切割應按照標準尺寸進行，按照圖2所示，試樣1、試樣2、試樣3的尺寸為50mm?50mm?h；試樣4的尺寸為150mm?200mm?h。
　　試樣1、試樣2、試樣3主要進行密度、抗壓強度試驗、吸水率、燃燒性能等試驗；試樣4在有條件的前提下進行抗彎強度試驗。
4　EPS在道路工程中應用

4.1　EPS作為路基輕質填料的結構設計方法
　　EPS作為路基輕質填料代替填土時的設計思想是：應盡量使EPS塊體作為填置物后在土基內不增加或少增加應力。當允許填土有一定的下沉量時，則希望EPS塊的荷重小于會產生這種下沉量的應力。
4.2　EPS路堤施工實踐
4.2.1　EPS塊材質量控制方法及標準
　　在EPS進場前，承包商與監理對廠方生產的EPS塊材進行抽檢，將抽檢取樣的樣品進行抗壓強度、密度、吸水率、燃燒性能等指標進行檢測。
　　抗壓強度、密度分別采用50mmX50mmX50mm、100mmX100mmX50mm容許誤差±1mm試件。用電熱絲切割。試驗前放于60℃烘箱里烘24h，抗壓強度試驗采用無側向約束的壓縮儀測定，試驗速度10mm/min。質量要求：當壓縮變形5％(2.5mm時)，平均最小抗壓強度達100kN/m2以上，單個試件不小于80kN/m2；密度不低于20kg/m3。
　　燃燒自滅性試驗采用10mmX25mmX200mm試件，火柴點燃火源，要求3s內自行熄滅。
　　EPS進場后進行幾何尺寸檢驗，用精度1mm卷尺進行，標準塊誤差控制在5mm之內。
　　合格塊材在平整好的堆場堆放。要求堆放場做好防火、防曬、防塵、防風、防雨及防油污等工作。
4.2.2　EPS鋪筑質量控制
　　EPS鋪筑采用人工鋪筑。由于EPS很脆，塊體較大，搬運中要注意防折。施工質量控制主要是平整度和聯結牢固即可。
　　EPS鋪筑的關鍵是平整度的控制。塊體間縫隙20mm以內，高差10mm以內，最下層高10cm砂礫層調平，中間層采用無收縮水泥砂漿調平。
　　整個EPS路堤鋪筑進度很快，以100m高速公路路基（路面寬度為28m）填筑、填土高度3m為例，采用EPS進行填筑，大約5d即可完成。
4.2.3　EPS施工中排水、防水處理
　　據資料介紹，國外EPS工程事故，幾乎皆由排水不良引起的。因此，EPS施工特別要注意排水、防水處理，主要措施如下：
　　(1)排除路基范圍積水 填筑前，在距坡腳3.5m處開挖了60cm深排水溝，再清除基底雜草和淤泥，排除路基范圍積水。
　　(2)控制地下水位 為防地下水位上升到EPS鋪筑層，應按要求設置足夠的排水盲溝，以控制地下水位上升。
　　(3)基底開挖時排水處理 為使EPS塊體穩定、平整，在傾斜地基上挖成臺階式。在臺階部和EPS塊體接觸部考慮排水需要，用碎石或砂礫做成排水溝，必要時在臺階面設置土工布以排水。
　　(4)基面施工中防水處理 基面施工設置砂礫層，一方面為整平，另一方面，砂礫層具有良好的透水性，可排除EPS塊體周圍滲(漏)積水。

5　結束語
　　EPS作為一種超輕質的路基填料，在國外有較為廣泛的應用，實踐證明，EPS有著優良的路用性能，對減少軟基的沉降和差異沉降，減少橋臺和路基的差異沉降和橋臺的側向壓力和位移等有著重要的作用，盡管目前EPS的造價較高（目前市場價格20Kg/m3的EPS塊為260元/m3），但其諸多的優點說明，在軟基上修建高速公路使用EPS是可行的，在國內具有廣泛的應用前景。
　　在使用EPS作為超輕質的路基填料的過程中尚有許多需要解決的問題：
　　(1)目前EPS價格仍較高，應與化工部門合作，開發滿足路用性能，同時價格較低的EPS產品；
　　(2)目前對EPS在長期荷載作用下的性能缺乏深入的了解，應加強對長期荷載作用下EPS性能的發展和變化以及EPS的耐久性等情況進行進一步的觀測；
　　(3)EPS代替普通路基填料填筑路基目前仍按照彈性層狀體系進行設計，但目前設計方法比較粗糙，相關設計指標尚不明確。
　　(4)EPS的施工方法、施工技術方案目前還處于摸索階段，應根據實際情況進行進一步的總結和歸納。