聚苯乙烯泡沫（Expanded Polystyrene簡稱EPS）是一種輕型高分子聚合物。它是採用聚苯乙烯樹脂加入發泡劑，同時加熱進行軟化，產生氣體，形成一種硬質閉孔結構的泡沫塑膠。
基本介紹
- 中文名：聚苯乙烯泡沫
- 外文名：EPS
- 全稱：Expanded Polystyrene
- 性質：輕型高分子聚合物
基本介紹,物理力學特性,套用原理,實例,
基本介紹
其加工方法按發泡方式的不同可分為模式法與擠出法。這種均勻封閉的空腔結構使EPS具有吸水性小，保溫性好，質量輕及較高的機械強度等特點。北歐在20世紀60年代後期開始將EPS用於土木工程。1971年挪威國家道路研究實驗室（NRRL）首次在FLOM大橋引道改造工程中用EPS代替1m厚普通填料，成功控制了橋頭段的不均勻沉降。因總體經濟和質量效果好，20世紀80年代用量迅速上升，瑞典、日本、荷蘭等國家已在公路項目中使用EPS。我國1995年在杭甬高速公路望童跨線橋橋頭路堤首次使用EPS。
物理力學特性
1.1 密度
EPS的密度由成形階段聚苯乙烯顆粒的膨脹倍數決定，一般介於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係。
1.2 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，對應力應變關係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接近於軸向應變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填築高度超過4m，使用的EPS容重為0.2kN/m3。為最大限度地減少工後沉降,鋪築完EPS材料層後，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材料仍處於彈性變形階段。該路段於2000年10月試行通車，6個月後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。
1.3 自立性
EPS自立性強,對高邊坡的穩定十分有利。瑞典橋樑設計規範規定，主動、靜止側壓力係數分別為0和0.4，不必計算被動側壓力。由於EPS豎向受壓後產生側向壓力小，將EPS用於橋頭段路基填料，可大大減少橋台的台背土壓力，對橋台穩定十分有利。
EPS塊與砂的摩擦係數f，對於乾燥砂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範圍內。
1.4 水、溫特性
EPS的封閉空腔結構決定了其具有良好的隔熱性，它用於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採用電熱絲加工。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（吸入的水量相當於它的容重的百分數）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。由於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。
1.5 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，但可溶解於汽油、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。
套用原理
2.1 鋪設EPS隔熱層、防治路基凍害
在多年凍土地區修築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。
由於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。青藏公路崑崙山越嶺地段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套用。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。
2.2 減小路基沉降、防止或處治路基失穩
在軟土地基上修築路堤，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。由於EPS密度小，具有超輕質特性，在進行一定深度的換填後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。填築10m高的EPS路堤大約相當於10cm高的低填土路堤荷載，路堤荷重大大減小，因此在斜坡地段修築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，適用於搶險救災，對於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。甬台溫高速公路台州段一期工程K42+650~K42+800段，1998年8月軟土路基施工中因填築過快，造成路基滑塌，地面上拱60cm。由於工期十分急迫，現場受104國道及外側廠房的限制，最終選用EPS輕質材料填築路堤，最厚處為6層，最薄處為1層填築，總計用量為7295m3，同年10月填築完畢。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。
2.3 防止橋頭跳車、減小橋台的側向位移
由於橋頭（橋台與路基交界處）位置的特殊性，路基填築施工質量難於控制，並且橋台與路堤結構的差異,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。由於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台的側向壓力，減小橋台的側向位移。
杭寧高速公路湖州段新田圩橋(橋中心樁號K57+010)兩側橋台台背填築過程中，橋台發生位移。根據工期和已採取的地基處理情況，採用了EPS輕質路堤的處理方案。新田圩橋兩端EPS路堤各長約22m，填築厚度自橋台處由6層（層厚48.5cm）逐級過渡為1層,總計用量2332m3。該EPS工程於2000年3月開始施工，5月全部填築完成，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。
2.4 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。對於公路工程擴建，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，這對於減少二次征地，節約寶貴的土地資源是十分有利的。
2.5 減小對地下或鄰近建築物的影響
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，垂直土壓力係數可達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代替填土鋪築於結構物頂部,可改善結構物上應力分布，大大減輕結構物所受的土壓力，土壓力係數可降至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築物的安全，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]，採用EPS對管區上部土方進行置換，再在EPS上覆土用於綠化種植。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。
實例
滬寧高速公路拓寬工程實例
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後，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）範圍內採用EPS作為一種比選方案進行路堤填築試驗研究。
3.1 路堤的斷面結構型式
試驗段EPS路堤填築高度3～5m，當採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），採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，採用了直立式邊坡和新型肋板式擋牆結構。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，便於吊運，在預製板的中間設定加勁肋。肋板的板厚10cm，肋寬40cm，高15cm，預製板總寬1.8～1.9m。預製肋板立放於專設的立板基礎上，預製板之間採用現澆連線，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製板產生較大的側向壓力，在EPS與預製板之間預留5cm的間隙，使肋板處於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。預製板與現澆蓋板之間的二期混凝土，應儘量安排在路面結構層施工後期澆築，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製板里的垂向作用力。
3.2 防撞護欄的設計
對於邊坡為1：1.5的路堤，可以採用一般高速公路上使用的波形護欄來進行設計。而對於擋牆結構，當發生交通事故時，存在更大的安全隱患，為了防止車輛衝出路面，應採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製板內伸出鋼筋，同預製板、蓋板的二期混凝土同時澆築連線。由於汽車在撞擊時會產生強大的衝擊力，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。
3.3 縱橫向的連線
在EPS路堤的填築過程中，必須重視EPS同一般填土路段的連線問題。EPS同土路堤的縱向連線段應設定一過渡段，即將EPS塊體以台階的方式與土路堤過渡相連，橫向亦如此，同時在鋪砌時應採用EPS塊體縱橫向交錯鋪砌，以利於EPS塊體的受力和變形連續。
對於縱橫坡的調整，有兩種方法可供選擇：一是採用底層調坡，根據實際路面的縱橫坡，通過EPS底部的整平砂層來放坡。採用這種方式，上部的豎向荷載將傾斜作用於EPS塊體，EPS塊體將受到一水平分力的作用，不利於EPS的受力，但損耗小。為了改善EPS塊體的受力特性，可採用底層水平鋪築，頂部的EPS塊體切割成小的異形塊，通過小台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。
3.4 排水問題
由於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，使新老路基連線處結構層內產生拉應力和剪下應力，嚴重時將會產生縱向裂縫、錯台。因此EPS的施工基準面必須高於最高地下水位最小安全距離S，同時在施工基面上填築一層石灰穩定土，徹底隔離地下水的影響。然後進行排水砂層的施工，砂層同時起整平作用，以利於EPS塊體的鋪設。
對於施工期的排水，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定臨時排水溝，防止路基積水，施工後必須用土工布將EPS塊體和老路的開挖台階覆蓋，防止雨水的浸入。為了防止雨水對老路基的侵入，並防止砂層被雨水沖蝕，EPS與台階之間的孔隙應採用素混凝土填實。
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定20～30cm的砂墊層來排水，同時需與原路的排水砂層和台階處的砂層接通。對於直立式結構，由於砂層無法與外界接通，可通過預埋PVC管或塑膠盲溝來排水，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，此時應設定橫向排水通道，為了避免邊溝過深，可考慮在邊溝以下設定縱向排水盲溝，將路基下的雨水排出。
3.5 EPS鋪設
由於EPS很輕，採用人工鋪築，關鍵是平整度控制與聯結牢固。EPS塊體鋪設在施工基面上，施工基面必須保持乾燥狀態。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，整體鋪築質量很大程度取決於施工基面和最下層的鋪設精度。
EPS塊體之間的縫隙和錯台應儘可能的小。最下層由墊層來調整，中間各層則採用無收縮水泥砂漿調平。為防止EPS塊體互相錯位，塊體各層之間採用雙面爪型聯結件，在頂面及側面採用單面爪型聯結件，在最下層EPS塊體與施工基面和土基之間採用銷釘聯結。
在最上面一層EPS塊體的頂面，要澆築一層鋼筋混凝土板。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，防止由於應力集中而造成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。
4．結語
EPS作為一種超輕質的路基填料，在國外有較為廣泛的套用。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。但由於國內使用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主要套用於包裝行業和建築行業，在公路中套用還較少。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,長期使用後的殘餘變形和使用壽命還有待觀察。應加強對重複荷載、衝擊荷載作用下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，便於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。
