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(zhì)量的一個(gè)重要因素。除了砂井預(yù)壓、打設(shè)樁基等常規(guī)軟基處理方法外，近年來國外又發(fā)展了一種新的超輕質(zhì)填料－聚苯乙烯泡沫(expanded polystyrenc,簡稱EPS)，從而產(chǎn)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(yōu)點(diǎn),在國內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)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(tái)相接處的差異沉降等問題。
　　EPS在道路工程中的應(yīng)用起始于1965年，挪威在路面下鋪設(shè)了5～10cm厚的EPS板作為隔溫層，以滿足嚴(yán)寒季節(jié)對(duì)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(shí)首先用EPS代替填土獲得成功，解決了橋臺(tái)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(huì)議上公開了該項(xiàng)技術(shù)，從此EPS在瑞典、法國、加拿大、日本等國也得到了廣泛應(yīng)用，并取得了許多成功經(jīng)驗(yàn)，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(tái)相接處的差異沉降等問題。
　　在國內(nèi)的道路工程中，EPS獨(dú)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(zhì)填料得到了廣泛的應(yīng)用；浙江省的滬杭、杭寧、甬臺(tái)溫、杭金衢、杭州繞城等高速公路上廣泛的應(yīng)用了EPS處理橋頭臺(tái)背回填；滬寧高速公路上海安亭段拓寬工程中大量的應(yīng)用了EPS作為路基拼接段的主要填料；正在進(jìn)行的滬寧高速公路江蘇段擴(kuò)建工程試驗(yàn)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(fā)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(jié)構(gòu)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(shù)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(zhì)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(gè)重要指標(biāo)與其各項(xiàng)力學(xué)性能有著密切的關(guān)系。
2.2　耐久性
　　EPS在水中和土壤中化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不能被微生物分解，也不會(huì)釋放出對(duì)微生物有利的營養(yǎng)物質(zhì)。聚苯乙烯本身是憎水的，而且EPS的封閉空腔結(jié)構(gòu)也使水的滲入極其緩慢。EPS在紫外線(UV)照射下一段時(shí)間后表面由白色變?yōu)辄S色，材料在某種程度上呈現(xiàn)脆性。因此，EPS與許多高分子土工材料一樣，不允許長時(shí)間暴露在紫外線下。
　　EPS在大多數(shù)溶劑中性質(zhì)穩(wěn)定，可耐受許多化學(xué)物質(zhì)。在長時(shí)間暴露的情況下，石蠟油、蔬菜或動(dòng)物的油和脂肪、柴油、凡士林可能破壞EPS的表面并導(dǎo)致收縮。EPS不耐有機(jī)溶劑，如汽車燃料油（汽油或煤油）、碳?xì)浠衔铩⒙然細(xì)浠衔铩⑼Ⅴァ⒃S多油漆、粘結(jié)劑或清潔劑、無水冰醋酸、硝酸和硫酸等都會(huì)對(duì)EPS造成破壞。
2.3　熱穩(wěn)定性
　　在75～80℃以下使用EPS，一般沒有問題；溫度接近150℃時(shí)，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(fā)泡成型的EPS燃燒后，3s內(nèi)可自熄，且阻燃劑對(duì)EPS的性能沒有不利的影響。
2.4　熱傳導(dǎo)性
　　EPS的封閉空腔結(jié)構(gòu)決定了其具有優(yōu)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(yán)寒季節(jié)對(duì)道路防凍的要求。正常情況下，EPS塊體的質(zhì)量吸水率不大于7％。由于封閉空腔結(jié)構(gòu)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(yōu)越得多的隔熱性。
2.5　力學(xué)性能
　　抗壓強(qiáng)度是EPS作為路堤輕質(zhì)填料的重要指標(biāo)。邊長50mm的EPS正方體試件在10mm/min的應(yīng)變速率和典型條件(溫度為23℃，相對(duì)濕度50％)下，采取應(yīng)變控制形式的無側(cè)限單軸壓縮試驗(yàn)的應(yīng)力－應(yīng)變曲線，可以看出EPS在變形初始階段表現(xiàn)為很好的彈性性狀，在1％－2％的應(yīng)變范圍，EPS仍保持彈性性質(zhì)，粗略估計(jì)，EPS的總彈性應(yīng)變區(qū)域是其線彈性范圍的2倍。隨著EPS密度的增大，抗壓強(qiáng)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(zhì)。隨著EPS密度的增大，抗壓強(qiáng)度和彈性極限也增大，不同密度的EPS塊體的應(yīng)力－應(yīng)變曲線見圖1。
　　EPS在壓縮條件下的屈服不是出現(xiàn)在某一點(diǎn)，而是在某一范圍。屈服后EPS表現(xiàn)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(dāng)應(yīng)變繼續(xù)增長，EPS呈現(xiàn)非線性，此時(shí)EPS的空腔結(jié)構(gòu)已遭破壞，產(chǎn)生明顯的塑性變形。在線彈性范圍內(nèi)，EPS的模量值不變，當(dāng)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(huán)對(duì)EPS的抗壓強(qiáng)度沒有不利的影響。相反，潮濕狀態(tài)下EPS抵抗變形的能力甚至優(yōu)于干燥狀態(tài)。前者的抗壓強(qiáng)度比后者要高出10％。隨著溫度的下降，EPS的抗壓強(qiáng)度還有所上升。典型試驗(yàn)條件下EPS抗壓強(qiáng)度的變異范圍大約為±20％。
　　在線彈范圍內(nèi)，EPS的模量值不變，當(dāng)荷載超過比例極限后，EPS的模量值迅速下降。與抗壓強(qiáng)度一樣，吸水、低溫、凍融循環(huán)對(duì)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(yīng)變計(jì)算得到。在0.07～0.11之間。
　　此外，有限的數(shù)據(jù)表明，在一定的密度下，蠕變的影響隨溫度的上升而增大；現(xiàn)場在寒冷氣候下的觀測結(jié)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(diǎn)幾，第1d產(chǎn)生的蠕變?yōu)?.08％左右。所以，EPS路基由蠕變產(chǎn)生的額外永久變形在路面設(shè)計(jì)中只有微小的影響。

3　EPS的相關(guān)路用指標(biāo)

3.1　國外的相關(guān)路用指標(biāo)
　　由于EPS在國內(nèi)高速公路工程建設(shè)中的應(yīng)用處于起步階段，沒有完善的EPS路用控制標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，目前國際上EPS路用性能控制標(biāo)準(zhǔn)有ISO（國際標(biāo)準(zhǔn)組織）、DIN（德國標(biāo)準(zhǔn)）、EN（歐洲標(biāo)準(zhǔn)）、JISK（日本標(biāo)準(zhǔn)）。各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)之間并不統(tǒng)一，也沒有完全的對(duì)應(yīng)關(guān)系。國外EPS路用指標(biāo)詳見表1。
3.2　國內(nèi)的相關(guān)化工指標(biāo)
　　目前國內(nèi)關(guān)于EPS的國家標(biāo)準(zhǔn)主要集中在輕工業(yè)部頒發(fā)的一些硬質(zhì)泡沫塑料的相關(guān)試驗(yàn)和檢測標(biāo)準(zhǔn)詳見表2。
　　這些標(biāo)準(zhǔn)主要是一些化工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)EPS的工程應(yīng)用性能只能起一些參考作用，其中某些試驗(yàn)方法可以進(jìn)行借鑒，但相關(guān)要求不能作為工程標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范來執(zhí)行。
　　EPS在高速公路中的應(yīng)用是工程學(xué)與化學(xué)的邊緣科學(xué)，應(yīng)在了解其主要化學(xué)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的前提下，重視EPS的工程應(yīng)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(jù)每批次的進(jìn)場數(shù)量EPS塊的取樣頻率應(yīng)滿足表3的頻率要求。
　　試樣從試塊中進(jìn)行切割，試樣的切割應(yīng)按照標(biāo)準(zhǔn)尺寸進(jìn)行，按照?qǐng)D2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(jìn)行密度、抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、吸水率、燃燒性能等試驗(yàn)；試樣4在有條件的前提下進(jìn)行抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)。
4　EPS在道路工程中應(yīng)用

4.1　EPS作為路基輕質(zhì)填料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法
　　EPS作為路基輕質(zhì)填料代替填土?xí)r的設(shè)計(jì)思想是：應(yīng)盡量使EPS塊體作為填置物后在土基內(nèi)不增加或少增加應(yīng)力。當(dāng)允許填土有一定的下沉量時(shí)，則希望EPS塊的荷重小于會(huì)產(chǎn)生這種下沉量的應(yīng)力。
4.2　EPS路堤施工實(shí)踐
4.2.1　EPS塊材質(zhì)量控制方法及標(biāo)準(zhǔn)
　　在EPS進(jìn)場前，承包商與監(jiān)理對(duì)廠方生產(chǎn)的EPS塊材進(jìn)行抽檢，將抽檢取樣的樣品進(jìn)行抗壓強(qiáng)度、密度、吸水率、燃燒性能等指標(biāo)進(jìn)行檢測。
　　抗壓強(qiáng)度、密度分別采用50mmX50mmX50mm、100mmX100mmX50mm容許誤差±1mm試件。用電熱絲切割。試驗(yàn)前放于60℃烘箱里烘24h，抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)采用無側(cè)向約束的壓縮儀測定，試驗(yàn)速度10mm/min。質(zhì)量要求：當(dāng)壓縮變形5％(2.5mm時(shí))，平均最小抗壓強(qiáng)度達(dá)100kN/m2以上，單個(gè)試件不小于80kN/m2；密度不低于20kg/m3。
　　燃燒自滅性試驗(yàn)采用10mmX25mmX200mm試件，火柴點(diǎn)燃火源，要求3s內(nèi)自行熄滅。
　　EPS進(jìn)場后進(jìn)行幾何尺寸檢驗(yàn)，用精度1mm卷尺進(jìn)行，標(biāo)準(zhǔn)塊誤差控制在5mm之內(nèi)。
　　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(fēng)、防雨及防油污等工作。
4.2.2　EPS鋪筑質(zhì)量控制
　　EPS鋪筑采用人工鋪筑。由于EPS很脆，塊體較大，搬運(yùn)中要注意防折。施工質(zhì)量控制主要是平整度和聯(lián)結(jié)牢固即可。
　　EPS鋪筑的關(guān)鍵是平整度的控制。塊體間縫隙20mm以內(nèi)，高差10mm以內(nèi)，最下層高10cm砂礫層調(diào)平，中間層采用無收縮水泥砂漿調(diào)平。
　　整個(gè)EPS路堤鋪筑進(jìn)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(jìn)行填筑，大約5d即可完成。
4.2.3　EPS施工中排水、防水處理
　　據(jù)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(yīng)按要求設(shè)置足夠的排水盲溝，以控制地下水位上升。
　　(3)基底開挖時(shí)排水處理 為使EPS塊體穩(wěn)定、平整，在傾斜地基上挖成臺(tái)階式。在臺(tái)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(shí)在臺(tái)階面設(shè)置土工布以排水。
　　(4)基面施工中防水處理 基面施工設(shè)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(jié)束語
　　EPS作為一種超輕質(zhì)的路基填料，在國外有較為廣泛的應(yīng)用，實(shí)踐證明，EPS有著優(yōu)良的路用性能，對(duì)減少軟基的沉降和差異沉降，減少橋臺(tái)和路基的差異沉降和橋臺(tái)的側(cè)向壓力和位移等有著重要的作用，盡管目前EPS的造價(jià)較高（目前市場價(jià)格20Kg/m3的EPS塊為260元/m3），但其諸多的優(yōu)點(diǎn)說明，在軟基上修建高速公路使用EPS是可行的，在國內(nèi)具有廣泛的應(yīng)用前景。
　　在使用EPS作為超輕質(zhì)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(jià)格仍較高，應(yīng)與化工部門合作，開發(fā)滿足路用性能，同時(shí)價(jià)格較低的EPS產(chǎn)品；
　　(2)目前對(duì)EPS在長期荷載作用下的性能缺乏深入的了解，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)長期荷載作用下EPS性能的發(fā)展和變化以及EPS的耐久性等情況進(jìn)行進(jìn)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(jìn)行設(shè)計(jì)，但目前設(shè)計(jì)方法比較粗糙，相關(guān)設(shè)計(jì)指標(biāo)尚不明確。
　　(4)EPS的施工方法、施工技術(shù)方案目前還處于摸索階段，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行進(jìn)一步的總結(jié)和歸納。