轻质材料特性与应用

2.5　轻质材料特性与应用

近年来，随着高速公路工程建设的发展，新的土工材料层出不穷，在换填法处理方面，轻质材料和土工织物得到了应用发展。国内外轻质材料应用较成熟的主要有气泡混合轻质土和发泡聚苯乙烯（Expanded polystyrene，简称EPS）。

气泡混合轻质土是在原料土中按照一定的比例添加固化剂、水和气泡，经充分混合，搅拌后形成的轻质填土材料。原料土可以是砂土、粉土、黏性土等；固化剂主要是水泥，起固结、加强土体骨架的作用；起泡剂主要是界面活性类、蛋白类、树脂类材料。气泡混合轻质土具有质量轻（5～12kN／m³）、强度较高（0.3～5MPa）以及具有与水泥混凝土同等耐久性、低渗透性、抗冻融性好、施工方便等特点。可应用于换填、路基填筑、台背填土等。图2.6是用于桥头换填和台背路基填筑的例子。

图2.6　轻质土用于桥头换填和台背路基填筑示意图

EPS材料是一种泡沫塑料制品，其主要工程特性如下：

（1）超轻质性。EPS材料密度可在0.2～0.3kN／m³范围选用，是土和混凝土的1／100～1／60，一般使用多为0.2～0.23kN／m³。

（2）压缩与蠕变特性。EPS在无侧限压缩条件下，应力应变关系在应变为2%以下时，基本呈线性关系，属弹性状态，超过2%时进入塑性状态，但它与土不同，即使进入塑性状态，无侧限抗压强度还能较好发挥而不发生明确的剪切破坏区域，一般不出现最大应力。

EPS在5%应变、压缩强度1／2以下的荷载条件下（弹性范围），几乎不发生长期的压缩蠕变。EPS在设计时，容许压缩应力应取压缩应变在1%左右的值为宜，并应通过试验确定。EPS的抗拉强度大于压缩时的屈服应力。

（3）摩擦性。EPS块与砂的摩擦系数，对于干燥砂，f＝0.58（密）～0.46（松）；对于湿砂，f＝0.52（密）～0.25（松）；EPS块与块之间，f＝0.6～0.7。

（4）耐水性。EPS为含有2%左右树脂成分的树脂发泡体，其余98%为空气，但由于EPS内部气泡具有独立性，水很难侵入，因此，EPS具有少量吸水特性，但仅限于表面，在10kPa水压下浸泡2天的吸水率在6%以下。

（5）耐热性及耐燃性。EPS原材料为苯乙烯树脂，属热可塑性树脂类，能发生膨胀和收缩。在70℃以下时，受热变形很小；温度达150℃时会熔化并发生燃烧。因此，EPS材料应在70℃以下的温度范围使用，以免受热变形和强度降低，同时，利用这一特性，可采用电热丝对EPS进行任意形状的切割加工。

（6）自立性与自硬性。EPS材料由于其本身的自硬性，块体堆砌后成为一种能够承重的结构体，即使有上部荷载作用也能自立。

（7）抗震性。据日本资料报道，EPS可适应5～6级地震的条件，对于强地震，EPS与通常的地基之间，会有龟裂发生，据地震观测结果，填土与EPS受震模式几乎是一致的，而最大加速度的增幅，填土比EPS内部及EPS挡墙要大。地震波作用时，填土与EPS挡墙之间的相对位移很小，几乎不发生。

（8）耐久性。EPS不溶于水，不受有机物腐蚀和虫蛀，但溶于汽油、柴油等燃料油类。因此EPS上部应进行填土或其他保护层。挪威最早的EPS工程，在土环境中已30多年，没有发生任何问题。未见有关微生物、细菌或酵素等的侵害方面的报道。

（9）施工性。EPS施工，不需要特殊的建筑机械，采用人力就能施工，且施工速度快，对于大型机械难以使用的场所更为适合，且EPS块体可现场加工、切割，以适应现场地形布置块体的需要。

1972年，挪威国家道路研究实验室（NRRL）首次使用EPS填筑桥头路堤，消除桥头的差异沉降，从此在世界各国推广应用，在美国、英国、瑞典、日本、荷兰等国都有不少工程实例。我国于1995年在杭甬高速公路望童跨线桥桥头路堤首次采用EPS超轻质材料填筑，从施工到开始通车，仅花了3个月时间，通车后至今路面平整，使用良好。后来又在沪杭高速公路二期拓宽工程和沪宁高速扩建工程中采用，从已通车多年的公路使用情况看，效果良好。归纳起来，EPS在路堤工程中的应用有下列方面：

（1）作为路堤的轻质材料，减少基底荷载，减少软土地基总沉降量。

（2）作为桥头路基填料，与换填法结合，降低基底压力，减少沉降，降低桥头侧向压力，提高桥台稳定性。

（3）用于构筑物墙背充填料，降低侧向土压力，提高构筑物稳定性。

（4）用于冻土地区路基基层，作为隔热层，防止冻融产生的不均匀沉降。

（5）作为路堤下埋置的结构物上覆填料，以减轻上覆压力，防止差异沉降。

（6）在软土地区路基拼接工程中作为新路基的填料，以减少新路基对老路基的影响。

不难看出，EPS在公路工程中的应用主要集中在软土地基路堤填料和台背回填。当与换填法结合时，换填部分实际上是轻质材料垫层。为降低路用成本，工程应用中还可与其他轻质材料（如粉煤灰）进行混合使用，有效控制使用范围。