路基轻质填料(EPS)的路用性能探讨

1　概述

　　在软弱地基上及其它他不良地基上修筑道路和桥梁，路基的沉降和不均匀沉降是影响工程质量的一个重要因素。除了砂井预压、打设桩基等常规软基处理方法外，近年来国外又发展了一种新的超轻质填料－聚苯乙烯泡沫(expanded polystyrenc,简称EPS)，从而产生了一种新的软基处理方法。EPS材料具有超轻性、耐压缩性、自立性、耐水性和施工简单、方便、快捷等优点,在国内外得到了广泛的应用，有效地解决了软基过渡段的沉降和不均匀沉降、路堤与桥台相接处的差异沉降等问题。
　　EPS在道路工程中的应用起始于1965年，挪威在路面下铺设了5～10cm厚的EPS板作为隔温层，以满足严寒季节对道路防冻的要求。此后，1972年挪威道路研究所在研究填土施工法时首先用EPS代替填土获得成功，解决了桥台相接路堤的过渡沉降问题。1985年在奥斯陆召开的国际道路会议上公开了该项技术，从此EPS在瑞典、法国、加拿大、日本等国也得到了广泛应用，并取得了许多成功经验，较好地解决了软基过渡段的沉降和不均匀沉降、路堤与桥台相接处的差异沉降等问题。
　　在国内的道路工程中，EPS独特的路用性能愈来愈受到青睐。在广东（广州、深圳）、浙江、上海等省市，EPS作为路基轻质填料得到了广泛的应用；浙江省的沪杭、杭宁、甬台温、杭金衢、杭州绕城等高速公路上广泛的应用了EPS处理桥头台背回填；沪宁高速公路上海安亭段拓宽工程中大量的应用了EPS作为路基拼接段的主要填料；正在进行的沪宁高速公路江苏段扩建工程试验段中也大量的采用EPS作为软土地基的路基填料。

2　EPS的特性

　　EPS由聚苯乙烯颗粒发泡而成，聚苯乙烯颗粒中主要含有聚苯乙烯、可溶性戊烷(膨胀成份)和防火剂。在EPS的成型过程中，聚苯乙烯颗粒中的戊烷受热气化，在颗粒中膨胀形成许多封闭的空腔。这种均匀的封闭空腔结构决定了EPS具有许多其它土工泡沫材料所没有的特性。
2.1　密度
　　EPS的密度由成型阶段聚苯乙烯颗粒的膨胀倍数决定，工程中常用密度为15 kg/m3和30kg/m3之间的EPS，目前许多土工工程中用作轻质填料的EPS，其密度常为20kg/m3,仅为普通填料的1/50～1/100，密度为EPS的一个重要指标与其各项力学性能有着密切的关系。
2.2　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，也不会释放出对微生物有利的营养物质。聚苯乙烯本身是憎水的，而且EPS的封闭空腔结构也使水的渗入极其缓慢。EPS在紫外线(UV)照射下一段时间后表面由白色变为黄色，材料在某种程度上呈现脆性。因此，EPS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。
　　EPS在大多数溶剂中性质稳定，可耐受许多化学物质。在长时间暴露的情况下，石蜡油、蔬菜或动物的油和脂肪、柴油、凡士林可能破坏EPS的表面并导致收缩。EPS不耐有机溶剂，如汽车燃料油（汽油或煤油）、碳氢化合物、氯化碳氢化合物、酮、酯、许多油漆、粘结剂或清洁剂、无水冰醋酸、硝酸和硫酸等都会对EPS造成破坏。
2.3　热稳定性
　　在75～80℃以下使用EPS，一般没有问题；温度接近150℃时，聚苯乙烯将熔化。如果附近有火源，EPS也可燃烧，但由含有阻燃剂的聚苯乙烯颗粒发泡成型的EPS燃烧后，3s内可自熄，且阻燃剂对EPS的性能没有不利的影响。
2.4　热传导性
　　EPS的封闭空腔结构决定了其具有优良的隔热性，因此EPS最初在道路工程中用于隔温层，以满足严寒季节对道路防冻的要求。正常情况下，EPS块体的质量吸水率不大于7％。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也具有比土壤优越得多的隔热性。
2.5　力学性能
　　抗压强度是EPS作为路堤轻质填料的重要指标。边长50mm的EPS正方体试件在10mm/min的应变速率和典型条件(温度为23℃，相对湿度50％)下，采取应变控制形式的无侧限单轴压缩试验的应力－应变曲线，可以看出EPS在变形初始阶段表现为很好的弹性性状，在1％－2％的应变范围，EPS仍保持弹性性质，粗略估计，EPS的总弹性应变区域是其线弹性范围的2倍。随着EPS密度的增大，抗压强度和弹性极限也增大。在压缩条件下，即使超出了线弹性范围，EPS仍保持弹性性质。随着EPS密度的增大，抗压强度和弹性极限也增大，不同密度的EPS块体的应力－应变曲线见图1。
　　EPS在压缩条件下的屈服不是出现在某一点，而是在某一范围。屈服后EPS表现为屈服硬化，且开始阶段仍是线形的，斜率大约是线弹性阶段的5％。当应变继续增长，EPS呈现非线性，此时EPS的空腔结构已遭破坏，产生明显的塑性变形。在线弹性范围内，EPS的模量值不变，当荷载超过比例极限后，EPS的模量值迅速下降。
　　吸水、低温、冻融循环对EPS的抗压强度没有不利的影响。相反，潮湿状态下EPS抵抗变形的能力甚至优于干燥状态。前者的抗压强度比后者要高出10％。随着温度的下降，EPS的抗压强度还有所上升。典型试验条件下EPS抗压强度的变异范围大约为±20％。
　　在线弹范围内，EPS的模量值不变，当荷载超过比例极限后，EPS的模量值迅速下降。与抗压强度一样，吸水、低温、冻融循环对EPS的弹性模量也没有不利的影响。EPS的泊松比，由测试的径向和竖向应变计算得到。在0.07～0.11之间。
　　此外，有限的数据表明，在一定的密度下，蠕变的影响随温度的上升而增大；现场在寒冷气候下的观测结果也表明，温度下降，蠕变的程度也随之下降。
　　EPS在20kPa的静止竖向荷载的作用下的蠕变仅为百分之零点几，第1d产生的蠕变为0.08％左右。所以，EPS路基由蠕变产生的额外永久变形在路面设计中只有微小的影响。

3　EPS的相关路用指标

3.1　国外的相关路用指标
　　由于EPS在国内高速公路工程建设中的应用处于起步阶段，没有完善的EPS路用控制标准规范要求，目前国际上EPS路用性能控制标准有ISO（国际标准组织）、DIN（德国标准）、EN（欧洲标准）、JISK（日本标准）。各个标准之间并不统一，也没有完全的对应关系。国外EPS路用指标详见表1。
3.2　国内的相关化工指标
　　目前国内关于EPS的国家标准主要集中在轻工业部颁发的一些硬质泡沫塑料的相关试验和检测标准详见表2。
　　这些标准主要是一些化工行业标准，对EPS的工程应用性能只能起一些参考作用，其中某些试验方法可以进行借鉴，但相关要求不能作为工程标准规范来执行。
　　EPS在高速公路中的应用是工程学与化学的边缘科学，应在了解其主要化学行业标准的前提下，重视EPS的工程应用性能。
3.3　EPS块的取样方式
　　路用EPS块的体积约为300cm?120cm?60cm，根据每批次的进场数量EPS块的取样频率应满足表3的频率要求。
　　试样从试块中进行切割，试样的切割应按照标准尺寸进行，按照图2所示，试样1、试样2、试样3的尺寸为50mm?50mm?h；试样4的尺寸为150mm?200mm?h。
　　试样1、试样2、试样3主要进行密度、抗压强度试验、吸水率、燃烧性能等试验；试样4在有条件的前提下进行抗弯强度试验。
4　EPS在道路工程中应用

4.1　EPS作为路基轻质填料的结构设计方法
　　EPS作为路基轻质填料代替填土时的设计思想是：应尽量使EPS块体作为填置物后在土基内不增加或少增加应力。当允许填土有一定的下沉量时，则希望EPS块的荷重小于会产生这种下沉量的应力。
4.2　EPS路堤施工实践
4.2.1　EPS块材质量控制方法及标准
　　在EPS进场前，承包商与监理对厂方生产的EPS块材进行抽检，将抽检取样的样品进行抗压强度、密度、吸水率、燃烧性能等指标进行检测。
　　抗压强度、密度分别采用50mmX50mmX50mm、100mmX100mmX50mm容许误差±1mm试件。用电热丝切割。试验前放于60℃烘箱里烘24h，抗压强度试验采用无侧向约束的压缩仪测定，试验速度10mm/min。质量要求：当压缩变形5％(2.5mm时)，平均最小抗压强度达100kN/m2以上，单个试件不小于80kN/m2；密度不低于20kg/m3。
　　燃烧自灭性试验采用10mmX25mmX200mm试件，火柴点燃火源，要求3s内自行熄灭。
　　EPS进场后进行几何尺寸检验，用精度1mm卷尺进行，标准块误差控制在5mm之内。
　　合格块材在平整好的堆场堆放。要求堆放场做好防火、防晒、防尘、防风、防雨及防油污等工作。
4.2.2　EPS铺筑质量控制
　　EPS铺筑采用人工铺筑。由于EPS很脆，块体较大，搬运中要注意防折。施工质量控制主要是平整度和联结牢固即可。
　　EPS铺筑的关键是平整度的控制。块体间缝隙20mm以内，高差10mm以内，最下层高10cm砂砾层调平，中间层采用无收缩水泥砂浆调平。
　　整个EPS路堤铺筑进度很快，以100m高速公路路基（路面宽度为28m）填筑、填土高度3m为例，采用EPS进行填筑，大约5d即可完成。
4.2.3　EPS施工中排水、防水处理
　　据资料介绍，国外EPS工程事故，几乎皆由排水不良引起的。因此，EPS施工特别要注意排水、防水处理，主要措施如下：
　　(1)排除路基范围积水 填筑前，在距坡脚3.5m处开挖了60cm深排水沟，再清除基底杂草和淤泥，排除路基范围积水。
　　(2)控制地下水位 为防地下水位上升到EPS铺筑层，应按要求设置足够的排水盲沟，以控制地下水位上升。
　　(3)基底开挖时排水处理 为使EPS块体稳定、平整，在倾斜地基上挖成台阶式。在台阶部和EPS块体接触部考虑排水需要，用碎石或砂砾做成排水沟，必要时在台阶面设置土工布以排水。
　　(4)基面施工中防水处理 基面施工设置砂砾层，一方面为整平，另一方面，砂砾层具有良好的透水性，可排除EPS块体周围渗(漏)积水。

5　结束语
　　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有着优良的路用性能，对减少软基的沉降和差异沉降，减少桥台和路基的差异沉降和桥台的侧向压力和位移等有着重要的作用，尽管目前EPS的造价较高（目前市场价格20Kg/m3的EPS块为260元/m3），但其诸多的优点说明，在软基上修建高速公路使用EPS是可行的，在国内具有广泛的应用前景。
　　在使用EPS作为超轻质的路基填料的过程中尚有许多需要解决的问题：
　　(1)目前EPS价格仍较高，应与化工部门合作，开发满足路用性能，同时价格较低的EPS产品；
　　(2)目前对EPS在长期荷载作用下的性能缺乏深入的了解，应加强对长期荷载作用下EPS性能的发展和变化以及EPS的耐久性等情况进行进一步的观测；
　　(3)EPS代替普通路基填料填筑路基目前仍按照弹性层状体系进行设计，但目前设计方法比较粗糙，相关设计指标尚不明确。
　　(4)EPS的施工方法、施工技术方案目前还处于摸索阶段，应根据实际情况进行进一步的总结和归纳。