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EPS的密度由成形階段聚苯乙烯顆粒的膨脹倍數決定,一般介于10~45㎏/m3之間,作為工程中使用的EPS表觀密度一般在15~30㎏/m3。目前在道路工程中用作輕質填料的EPS密度為20㎏/m3,為普通道路填料的1%~2%。密度是EPS的一個重要指標,其各項力學性能幾乎都與它的密度成正比關系。

2、變形特性

根據試驗,EPS在三向應力狀態下和單向應力狀態下的受壓過程基本類似,當軸向應變εa=5%時,應力應變曲線出現明顯轉折,EPS開始表現出彈塑性。當圍壓很小時,對應力應變關系和屈服強度的影響是有限的。當圍壓超過60KPa時,屈服強度明顯下降,顯然與土的變化規律不同。當軸向應變εa≤5%時,無論圍壓是多大,體積應變εv接近于軸向應變εa,即EPS側向變形小,也即泊松比小。

容重γ=0.2~0.4kN/m3的EPS的彈性模量Es在2.5~11.5MPa之間。廣東省淡澳河大橋引道工程EPS填筑高度超過4m,使用的EPS容重為0.2kN/m3。為最大限度地減少工后沉降,鋪筑完EPS材料層后,在其上填土1.2m進行預壓。其中EPS材料層的壓縮沉降平均為32mm,可以算得EPS的彈性模量為2.4MPa,且EPS材料仍處于彈性變形階段。該路段于2000年10月試行通車,6個月后EPS材料層的實際壓縮變平均值為8mm,說明就EPS材料的使用實際效果看,作為路堤填料是成功的。

3、自立性

EPS自立性強,對高邊坡的穩定十分有利。瑞典橋梁設計規范規定,主動、靜止側壓力系數分別為0和0.4,不必計算被動側壓力。由于EPS豎向受壓后產生側向壓力小,將EPS用于橋頭段路基填料,可大大減少橋臺的臺背土壓力,對橋臺穩定十分有利。

EPS塊與砂的摩擦系數f,對于干燥砂f為0.58(密)~0.46(松),對濕砂f為0.52(密)~0.25(松);EPS塊與塊之間f在0.6~0.7范圍內。

4、水、溫特性

EPS的封閉空腔結構決定了其具有良好的隔熱性,它用于保溫材料最大的特點是其熱傳導率極低,各種規格EPS板體其熱傳導率為0.024W/m.K~0.041W/m.K。

EPS為熱可塑性樹脂,應在70℃以下使用,以免受熱變形和強度降低。同時利用這一特性可采用電熱絲加工。生產中可添加阻燃劑,形成阻燃型EPS。阻燃型EPS離開火源3s內自行熄滅。

EPS的空腔結構使水的滲入極其緩慢。根據挪威與日本實測資料,EPS吸水率(吸入的水量相當于它的容重的百分數)不浸泡在水中時為1%以下;地下水位附近的為4%以下;長期浸泡在水中的為10%左右。由于EPS的容重比土體的容重低得多,吸水引起的1%~10%的容重增量對工程影響可忽略不計。

5、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;EPS的空腔結構也使水的滲入極其緩慢;長時間受紫外線照射,EPS表面會由白色變為黃色,且材料在某種程度上呈現脆性;在大多數溶劑中EPS性質穩定,但可溶解于汽油、柴油、煤油、甲苯、丙酮等有機溶劑。這說明EPS填料需要良好的保護層。

在多年凍土地區修筑道路將會引起局部環境的改變,導致多年凍土的融化,使道路產生嚴重的病害甚至破壞。傳統的整治凍害方法如墊板、注鹽、換土、鋪爐渣等方法效果都不理想。

由于EPS材料中內壁氣泡為封閉狀,互不相通,吸水率小,抗凍性好,保證了在浸水條件下仍具有良好的隔熱性能。青藏公路昆侖山越嶺地段EPS板隔熱路基試驗(1990)研究表明,6cm厚的EPS隔熱層可減少地表向深層的熱流量,減小地下多年凍土層上限的下移,可減緩多年凍土層的凍融,保持線路結構的穩定和減小變形。該研究成果在楚瑪河引道、紅梁河橋橋頭引道及老溫泉地區等路段得到了推廣應用。從工程現狀看,路面堅實平整,路基穩定,路基、路面整體強度滿足設計要求。

2、減小路基沉降、防止或處治路基失穩

在軟土地基上修筑路堤,因為普通填料密度大,其自重產生的地基附加應力較大,常會造成路基過大的不均勻沉降和沉降量。由于EPS密度小,具有超輕質特性,在進行一定深度的換填后可有效減小路堤自重,降低地基附加應力,減少軟土地基路堤沉降,提高地基的穩定性。填筑10m高的EPS路堤大約相當于10cm高的低填土路堤荷載,路堤荷重大大減小,因此在斜坡地段修筑EPS路堤可有效防止滑坡產生,提高高路堤的抗滑穩定性。

EPS施工不需特殊機械,人力即可施工,速度快,適用于搶險救災,對于大型機械難以使用的場所更適合,可現場加工切割,以適應場地地形要求。甬臺溫高速公路臺州段一期工程K42+650~K42+800段,1998年8月軟土路基施工中因填筑過快,造成路基滑塌,地面上拱60cm。由于工期十分急迫,現場受104國道及外側廠房的限制,最終選用EPS輕質材料填筑路堤,最厚處為6層,最薄處為1層填筑,共計用量為7295m3,同年10月填筑完畢。該路段自1998年底建成通車至今,瀝青混凝土路面平整,使用狀況良好。

3、防止橋頭跳車、減小橋臺的側向位移

由于橋頭(橋臺與路基交界處)位置的特殊性,路基填筑施工質量難于控制,并且橋臺與路堤結構的差異,使得在橋頭處容易產生不均勻沉降, 這對道路壽命、行車舒適性和安全性影響極大。減小或控制橋頭處的差異沉降是在軟基上修建路堤的難題。由于EPS自重極輕,將其用作橋頭處的填料,可有效地減小沉降差;同時因其自立性好,也可大幅減小路堤對橋臺的側向壓力,減小橋臺的側向位移。

杭寧高速公路湖州段新田圩橋(橋中心樁號K57+010)兩側橋臺臺背填筑過程中,橋臺發生位移。根據工期和已采取的地基處理情況,采用了EPS輕質路堤的處理方案。新田圩橋兩端EPS路堤各長約22m,填筑厚度自橋臺處由6層(層厚48.5cm)逐級過渡為1層,共計用量2332m3。該EPS工程于2000年3月開始施工,5月全部填筑完成,同年底竣工通車。目前瀝青混凝土路面狀況良好,橋頭路段無跳車現象。

4、修建直立式路堤

在山區陡坡地段、城市道路建設中,為減少占地和增加美觀,可利用EPS自立性強、側向變形小的特點修建直立式路堤。對于公路工程擴建,EPS不僅可以減少新老路拼接帶來的差異沉降,還可放陡邊坡,甚至做成直立式邊坡,這對于減少二次征地,節約寶貴的土地資源是十分有利的。

5、減小對地下或鄰近建筑物的影響

路堤下埋設的剛性結構物上部土體與兩側土體的不均勻沉降,往往會在結構物頂部產生過大的附加壓力,垂直土壓力系數可達1.2,填土較高時甚至可達2.0,即在結構物頂部存在應力集中現象,從而造成地下結構物開裂、破壞。用EPS代替填土鋪筑于結構物頂部,可改善結構物上應力分布,大大減輕結構物所受的土壓力,土壓力系數可降至0.3。

在城市地區的某些地段進行路堤施工時,為保護地下市政設施與鄰近建筑物的安全,不允許對地基進行擾動類加固處理,但又要控制路堤沉降,EPS作為路堤填料,可有效減輕路堤重量,達到控制沉降目的。上海浦東世紀大道原水管渠段[12],采用EPS對管區上部土方進行置換,再在EPS上覆土用于綠化種植。不僅使原水管渠得到充分有效保護,保證了原水管渠的正常供水,而且滿足了廣場總體規劃設計,使世紀大道總體構思得到實現。

滬寧高速公路主線全長284.21km,穿越廣闊的水網地區,沿線軟土地基長92.29km。滬寧高速公路擴建以路基兩側拼接加寬為主,由雙向四車道對稱拓寬為8車道,兩側各加寬8.25m。在軟土地基上進行路堤拼接后,拼接荷載所引起的沉降增量,對老路基而言,呈反盆形分布,在路中心最小,兩側拓寬形成的斷面形心垂線處最大。這將會引起新、老路肩與老路堤中心間差異沉降的產生,極易導致老路基、路面的拉裂。為減少差異沉降,江蘇段拓寬工程試驗段在K0+000~K0+300、K0+800~K1+440、K1+600~K1+770(其中包括橋頭、箱頭和一般路段)范圍內采用EPS作為一種比選方案進行路堤填筑試驗研究。

1、 路堤的斷面結構型式

試驗段EPS路堤填筑高度3~5m,當采用斜坡式時平均地基壓力為40.15~55.02kN/m(包括EPS外側1.5m厚包邊土),采用直立式邊坡時平均地基壓力為26.23~28.24kN/m。該試驗段EPS路堤的設計,為充分發揮EPS密度小、自重輕,路堤沉降少,自立性強的特點,采用了直立式邊坡和新型肋板式擋墻結構。這樣既減少了EPS用量,又不必進行地基處理,還減少了公路擴建的二次征地面積,節約了寶貴的土地資源。

為了提高板整體性能,便于吊運,在預制板的中間設置加勁肋。肋板的板厚10cm,肋寬40cm,高15cm,預制板總寬1.8~1.9m。預制肋板立放于專設的立板基礎上,預制板之間采用現澆連接,結構段長度取10m,結構縫處寬度5cm,用瀝青封閉。

為防止EPS在重負荷作用下側向變形對預制板產生較大的側向壓力,在EPS與預制板之間預留5cm的間隙,使肋板處于不受或少受側壓力狀態。間隙處鋪設一層垂直向土工布。

在EPS頂面與路面結構層之間現澆一層厚20cm的鋼筋混凝土蓋板,使EPS均勻承受上部荷載。預制板與現澆蓋板之間的二期混凝土,應盡量安排在路面結構層施工后期澆筑,這樣可使EPS的垂向、側向變形充分發揮,減小現澆蓋板以及上部結構分配至預制板里的垂向作用力。

2、防撞護欄的設計

對于邊坡為1:1.5的路堤,可以采用一般高速公路上使用的波形護欄來進行設計。而對于擋墻結構,當發生交通事故時,存在更大的安全隱患,為了防止車輛沖出路面,應采用安全性更高的橋式護欄或加強型的波形護欄。

橋式護欄可以預先在預制板內伸出鋼筋,同預制板、蓋板的二期混凝土同時澆筑連接。由于汽車在撞擊時會產生強大的沖擊力,有將EPS頂部的混凝土結構段拉出路面結構層的危險,因此必須對混凝土蓋板進行抗滑穩定驗算。根據試驗表明,橋式護欄是安全的。

3、縱橫向的連接

在EPS路堤的填筑過程中,必須重視EPS同一般填土路段的連接問題。EPS同土路堤的縱向連接段應設置一過渡段,即將EPS塊體以臺階的方式與土路堤過渡相連,橫向亦如此,同時在鋪砌時應采用EPS塊體縱橫向交錯鋪砌,以利于EPS塊體的受力和變形連續。

對于縱橫坡的調整,有兩種方法可供選擇:一是采用底層調坡,根據實際路面的縱橫坡,通過EPS底部的整平砂層來放坡。采用這種方式,上部的豎向荷載將傾斜作用于EPS塊體,EPS塊體將受到一水平分力的作用,不利于EPS的受力,但損耗小。為了改善EPS塊體的受力特性,可采用底層水平鋪筑,頂部的EPS塊體切割成小的異形塊,通過小臺階的方式來調整橫坡,該法EPS受力條件好,同時施工方便,是較好的調坡方案,但損耗較大。

4、排水問題

由于EPS屬超輕質材料,若浸在水中,將受浮力的影響,EPS的上部結構將受到垂直向上的荷載,使新老路基連接處結構層內產生拉應力和剪切應力,嚴重時將會產生縱向裂縫、錯臺。因此EPS的施工基準面必須高于最高地下水位最小安全距離S,同時在施工基面上填筑一層石灰穩定土,徹底隔離地下水的影響。然后進行排水砂層的施工,砂層同時起整平作用,以利于EPS塊體的鋪設。

對于施工期的排水,主要是避免雨水對EPS塊體的浸泡和雨水在新老路基的交接處滲入老路基,對老路基造成損害。為此必須在坡腳處設置臨時排水溝,防止路基積水,施工后必須用土工布將EPS塊體和老路的開挖臺階覆蓋,防止雨水的浸入。為了防止雨水對老路基的侵入,并防止砂層被雨水沖蝕,EPS與臺階之間的孔隙應采用素混凝土填實。

營運期的排水是影響其使用質量的主要因素,因此必須特別重視。為了防止雨水通過路面結構層滲入路堤內部,EPS長期吸水而造成自重增大,因此在現澆鋼筋混凝土板和頂層EPS之間加鋪一層防滲土工布。路基排水可通過在施工基面上設置20~30cm的砂墊層來排水,同時需與原路的排水砂層和臺階處的砂層接通。對于直立式結構,由于砂層無法與外界接通,可通過預埋PVC管或塑料盲溝來排水,其底部高程應在排水溝底面以上10~20cm,防止排水溝的雨水倒灌。

為了充分發揮EPS的超輕特性,最大限度的降低地基應力,有時需要對地基進行開挖置換,此時應設置橫向排水通道,為了避免邊溝過深,可考慮在邊溝以下設置縱向排水盲溝,將路基下的雨水排出。

5、EPS鋪設

由于EPS很輕,采用人工鋪筑,關鍵是平整度控制與聯結牢固。EPS塊體鋪設在施工基面上,施工基面必須保持干燥狀態。塊體鋪設時,不準拖拉機和其他重型機械直接在EPS塊體上行駛。EPS塊體自下而上逐層錯縫鋪設,整體鋪筑質量很大程度取決于施工基面和最下層的鋪設精度。

EPS塊體之間的縫隙和錯臺應盡可能的小。最下層由墊層來調整,中間各層則采用無收縮水泥砂漿調平。為防止EPS塊體互相錯位,塊體各層之間采用雙面爪型聯結件,在頂面及側面采用單面爪型聯結件,在最下層EPS塊體與施工基面和土基之間采用銷釘聯結。

在最上面一層EPS塊體的頂面,要澆筑一層鋼筋混凝土板。它不僅可以改善EPS的受力特性,使行車荷載和上部路面結構荷載均勻擴散,防止由于應力集中而造成EPS的破壞,還使EPS塊體形成一個良好的整體,防止有害物質侵入EPS塊體。

結語

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有著隔熱性好、自重輕、自立性強等優良性能,對解決路基凍害、橋頭跳車、路基失穩、新老路基拼接等問題有良好的處理效果。但由于國內使用EPS修建路堤的時間不長,對EPS本身的性能也缺乏深入全面的研究,在使用過程中尚有許多需要解決的問題,概括起來主要有以下幾點:

1、目前國內EPS主要應用于包裝行業和建筑行業,在公路中應用還較少。EPS較高的價格限制了其大規模的使用,有待研究生產性能更好、價格較便宜的EPS產品。

2、對EPS在長期荷載作用下的性能缺乏深入的了解,長期使用后的殘余變形和使用壽命還有待觀察。應加強對重復荷載、沖擊荷載作用下EPS性能的長期變化情況的研究,同時應研究多種荷載形式共同作用下EPS性能的變化發展。

3、應及時制訂參照標準,便于工程施工中進行質量管理。

EPS作為一種新型輕質工程材料正日益受到工程界重視。