第35卷第5期
2021年5月
Vol. 35, No. 5May, 2021
中国塑料
CHINA PLASTICS
赵艳1，潘祥2，刘本刚2*
收稿日期:2020-10-26
*联系人：刘本刚(1979-)，男，高级工程师，研究方向为热塑性聚合物发泡材料及应用,polyfoam@126. com (1.轻工业塑料加工应用研究所，《中国塑料》编辑部，北京100048；2，河北五洲开元环保新材料有限公司，河北沧州061108)摘要：综述了可发性聚苯乙烯(EPS)土工泡沫在土木工程中应用的优势，包括保
温性能优异、密度低易施工、力学性
能好、稳定性优异和自立性强等；分类介绍了 EPS 土工泡沫在土木工程领域中的应用实例，包括路基保温、桥头填筑、 高填路段、道路扩宽、人造景观、挡土墙抗震、防止不均匀沉降等方面；最后简要讨论了 EPS 土工泡沫在实际应用中存 在的问题，并基于EPS 土工泡沫的性能优势对其未来的应用进行了展望。关 键 词：可发性聚苯乙烯；泡沫；土木工程；应用
中图分类号:TQ 325. 2 文献标识码:A 文章编号:1001-9278(2021)05-0097-10DOI ：10.19491/j. issn. 1001-927& 2021. 05. 016
Properties and Applications of Expendable Polystyrene Geofoam
ZHAO Yan 1, PAN Xiang 2, LIU Bengang 2*
(1. Editorial Office of China Plastics , Institute of Plastics Processing & Application of Light Industry, Beijing 100048, China ；
2. Hebei Wuzhou Kaiyuan Environmental Protection New Material Co , Ltd, Cangzhou 061108, China)
Abstract ： This paper reviewed the advantages of expandable polystyrene (EPS ) geofoam in civil engineering applications ,
including excellent thermal insulation performance , low density and easy local construction, good mechanical properties , excellent stability and strong self-support. Application examples of EPS geofoam in the field of civil engineering were in troduced, including subgrade insulation , bridgehead filling , high filling section road, road widening , man-made land scape ,retaining wall seismic field and prevention of uneven settlement. In addition, the problems in the actual applica tion of EPS geofoam and its application directions were briefly discussed.Key words :expandable polystyrene ； foam ； civil engineering ； application
蓝牙对讲C .if ■ —I —
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早在Munters 等⑴1931年申请的有机物泡沫作为
绝热材料的专利中，聚苯乙烯便作为典型材料被列入。
1951年，Stastny 等図申请了 EPS 产品专利，从此EPS
开始进入商业化应用。EPS 密度低、比强度高、耐久性 优异、在水中和土壤中不容易被微生物分解，其导热系
数低⑶、保温性能优异、缓冲性能好，广泛应用于建筑保 温、食品包装、电器包装等领域。
1965年，为了解决严寒冬季道路冻胀问题，挪威开
始在道路工程中应用EPS 土工泡沫，在路面以下铺设
5〜10 cm 厚的EPS 土工泡沫作为隔热层。从1972年
开始，为了解决桥台路基沉降问题，挪威道路研究所在 使用填土施工法时，采用EPS 土工泡沫代替填土并获
得成功。此后,EPS 土工泡沫在欧美等国家和地区的 应用日益广泛，较好地解决了软土路基过度沉降、路基
与桥台相接处的差异沉降等问题，收到很好的效益⑷。
目前,EPS 土工泡沫在国内已经开始逐步得到应
用，但应用领域和规模较其他类型EPS 产品还有较大 差距，作为土木工程材料的优势还没有得到充分的发
挥。为此，本文总结了 EPS 土工泡沫作为土木工程材 料的优点和已经应用的工程项目，以期为EPS 土工泡
雪莲生发液沫的推广和应用提供参考。
1 EPS 土工泡诔在土木工程中的优势
聚苯乙烯属于无规排列的线形分子，强度较高，耐
水，耐化学腐蚀性好，但能溶于甲苯、氯仿等有机溶剂。
EPS 土工泡沫材料具有质轻、倍率高、弯曲模量高、易制
得闭孔结构等特点敬，并具有优异的保温绝热性能、缓 冲性能、绝缘性能和耐腐蚀性能。EPS 原料供应广泛,
质优价廉,2018年其表观消费量超过2 300 kt [7]。在实 际生产过程中,EPS 土工泡沫的产品性能可以通过发泡
-98 •
中国塑料
密度和成型工艺进行调控，具有广泛的应用前景。
1.1保温性能优异
EPS 土工泡沫由EPS 珠粒经过预发、熟化和模塑
成型而成,EPS 珠粒发泡后具有完整的闭孔泡沫结构。
EPS 土工泡沫约有3 %的体积为固体聚苯乙烯树脂基
体，其他97 %的体积为发泡剂和空气的混合物。空气
和发泡剂戊烷的导热系数远小于固体聚苯乙烯树脂,
因此EPS 土工泡沫导热系数很低，保温性能优异。常
用土工材料和EPS 土工泡沫的导热系数如表1所示, 常用工程材料的导热系数（九）为EPS 土工泡沫
导热系 数Q eps ）的10〜50倍囘倔。因此，在高寒地区,EPS 土工 泡沫可以作为保温层防止冻胀灾害的发生。
and EPS geofoam
表1常用土工材料和EPS 土工泡沬的导热系数
Tab. 1 Thermal conductivity of common geotechnical materials
材料
為/W ・(m ・K)T
入n “EPS 路面结构层 1.8084& 4
6^-8 cm 碎石0.39610.2
砂砾填料
1.919
49.2
亚黏土0.95924.6亚黏土含角砾0.939
24.1弱凤化基岩
L03026.4EPS 土工泡沫
0.039
—
1.2密度轻、易施工
EPS 珠粒经过预发机预发成EPS 泡沫颗粒，然后
经过成型机成型，其发泡倍率可以在5-70倍之间任意
调控，密度在15〜200kg/m3之间。EPS 土工泡沫的密
度@EPS ）—般控制在20〜80kg/nj3。从表2可以看出, 以典型的密度为40 kg/m 3EPS 土工泡沫为例，其密度 只有常用土工材料密度Sm ）的2 %〜5 %站3叫在运
电网谐波治理装置表2常用土工材料和EPS 土工泡诔的密度
Tab. 2 Density of common geotechnical materials and EPS geo
foam
材料
Po/kgm -3Pm/PEPS
6^8 cm 碎石150038砂删料
180045
亚黏土
1500
38亚黏土含角砾70018弱风化基岩
100025全风化灰岩
台风实时监控系统
2 00050填筑土180045粗砂
1950
49
淤泥
156039粉质黏土180045
EPS 土工泡沫
40
—
输时,1车EPS 土工泡沫的填充量与12车常规土工材
料的填充量相当,EPS 土工泡沫作为土木工程材料施
工简便，在现场搬运一般不需要特殊装备，使用人工即 可完成铺设，如图1所示。特别是在软土路基、桥头、陡 坡等特殊路段,EPS 土工泡沫作为一种超轻填料，能够 减少对于软土底层和桥梁基梁的压力，从而减少沉降,
提高路基和边坡的稳定性。EPS 土工泡沫可以在项目 现场被切割成各种需要的形状，如图2所示。同时，
EPS 土工泡沫有很多种型号可供设计师选择，其使用
期限与其他材料相同，并且能够在使用条件下保持良
好的物理性能。
图1 EPS 土工泡沫的现场搬运
Fig. 1 Handling of EPS geofoam on site
图2 EPS 土工泡沫的现场切割
Fig. 2 Cutting of EPS geofoam on site
1.3力学性能优异
作为土工材料,EPS 土工泡沫的压缩强度是一个 重要的性能参数。从图3可以看出，当应变小于2 % 时，不同密度EPS 土工泡沫的压缩应力相差不大，此时
EPS 土工泡沫处在弹性应变的区间内。随着应变的增
加，当应变在2 %〜8 %的范围内，压缩应力急剧增加,
2021年5月可发性聚苯乙烯土工泡沫的性能及应用•99•
密度越高，其增加的速度越明显，表现出明显的应变硬化行为，这一过程是弹性形变向塑性形变转换的过程。当应变超过8%以后,EPS土工泡沫的压缩应力增加缓慢，保持相对稳定的状态。从图4可以看出，土壤应变硬化现象非常微弱，在1%〜2%应变时，压缩强度达到最大，应变继续增加时，其整体性开始被破坏，压缩强度迅速降低与土壤相比,EPS土工泡沫具有更优异的力学性能和整体完整性，在使用过程中，其侧向力更低，在桥头、陡坡、抢险等场合应用时，可以提高坡度，减少占地，降低挡土墙的强度要求，降低施工难度，加快施工进度。
■—15•—20*—25▼—30♦—404—55A—70*—80图3不同密度EPS土工泡沫的应力-应变曲线Fig.3Stress-strain curves of EPS geofoams with different
densities
图42种含水率土壤试件压缩试验曲线Fig.4Compression test curves of two soil specimens with
different moisture content
按照JTG D30-2015《公路路基设计规范》的要求,EPS土工泡沫密度不宜小于20kg/m3,10%应变的抗压强度不宜小于110kPa，弯曲强度不宜小于150kPa，压缩模量不宜小于3.5MPa,7 d体积吸水率不宜大于1.5%，桥头搭板下方等特殊部位土工泡沫塑料块体抗压强度不应小于250kPa。在有防火要求的建筑物附近，应采用阻燃型的土工泡沫塑料块体皿。
从表3可以看出,EPS土工泡沫的压缩强度与密度成正比关系，可以通过调整泡沫的密度来满足不同的应用
需求。EPS土工泡沫密度在40kg/m3以下时，其比强度变化不大，说明线性关系明显。当EPS土工泡沫密度超过40kg/m3时，其比强度有明显的提高。说明随着密度的增大，其压缩强度的提高幅度增加，可以获得更高的压缩强度。
表3不同密度EPS土工泡沫的压缩强度
Tab.3Compressive strength of EPS geofoams with different
densities
密度/kg"压缩强度/kPa比强度
1577.6 5.2
20138.2 6.9
25169.9 6.8
30197.9 6.6
40259,0 6.5
55399,77.3
70681.19.7
80964.112.1
EPS在承受压力时能够发生微小的弹性形变，在长期受力时，会产生一定的蠕变，如图5所示,20kg/m
3和30kg/m3的EPS土工泡沫在荷载不超过30kPa和60kPa的环境压力作用下,500d后其蠕变仅为1%左右，影响很小①刚。所以，EPS土工泡沫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晌。
1.4稳定性优异
EPS土工泡洙基体树脂是聚苯乙烯树脂，是由苯乙烯单体经自由基聚合而成，其化学性质稳定，在水中
和土壤中,EPS土工泡沫不会释放出对微生物有利的营养物质，也不会被微生物分解"⑷。EPS土工泡沫热
稳定性优异，在温度低于75°C的条件下能够保持长期稳定。宁波望童跨线桥桥头路堤使用EPS土工泡沫至今已有12年，经检查未发生EPS土工泡洙性能劣化现象阴。这些特性有利于其在土木工程领域的应用。EPS泡沫耐酸、耐碱、耐盐，但是,EPS土工泡沫能够被多种有机溶剂溶解，也能够被汽油、柴油等常见油类溶解,EPS土工泡沫对各种物质的耐受性见表4泗。EPS 土工泡沫长期暴露在紫外线下，会造成聚苯乙烯树脂的降解，颜变黄，力学性能下降，因此在使用过程中，EPS土工泡沫在施工后应覆盖保护膜，在施工前和使用中应避免长期暴露于日光下。
聚苯乙烯为非极性聚合物,EPS土工泡沫为闭孔泡沬，自身吸水率低，但在EPS土工泡沫成型过程中
，
-100-中国塑料
0100200300400500600
载荷作用时间/d
坏境压力/kPa；*—30■—60▼一70•—100▲—140
泡沫密度/kg'm-1：(a)20(b)30
图5EPS土工泡沫在不同荷载作用下的蠕变曲线Fig.5Creep curves of EPS geofoam under different loads
表4其他物质与EPS土工泡诔的相互作用Tab.4Interaction of other substances with EPS geofoam
物质作用性
盐水（海水）耐受
碱溶液耐受
皂液耐受
无机盐溶液耐受
沥青耐受
酒精耐受
微生物耐受
石蜡油、凡士林、柴油轻微耐受
汽油不耐受
强氧化性酸不耐受
浓硫酸不耐受
有机溶剂不耐受
饱和脂肪烽不耐受
珠粒与珠粒之间因为熔接程度的差异，会存在一定空隙，造成EPS土工泡沫有一定的吸水率，但其吸水率比较稳定。从表5可以看出，随着EPS土工泡沫密度的增加，其吸水率逐渐降低，陈化1年后，其吸水率有一定程度的增加，且增幅也随着密度的增加而降低，密度15kg/n?的EPS土工泡沫吸水率增
幅最大，增加了2%期。从表6可以看出，EPS土工泡沫在经过30次冻融循环试验后，其吸水率和抗压强度变化不大，表现出很高的稳定性［⑻叭
因此,EPS土工泡沫的施工不受天气条件的影响，即使在阴雨天气或是比较潮湿的场所，也可以正常施工，这对于提高施工速度有着重要的意义，特别是一些抢险工程，这一点具有明显的优势。
表5不同密度EPS土工泡诛的吸水率
Tab.5Water absorption of EPS geofoam with different density PEPs/l^in37d吸水率/%］年吸水率/%增加量/%
15 3.0 5.0 2.0
20 2.3 4.0 1.7
25 2.2 3.81・6
30 2.0 3.5 1.5
35 1.9 3.3 1.4
表6多次冻融循环试验后EPS土工泡沫的体积吸水率和抗压强度Tab.6Water absorption and compressive strength of EPS geofoam after repeated fireeze^thaw cycle tests
循环破体积吸水率/%抗压强度/kPa
5 2.6347
10 2.5335
20 2.8352CC数据
30 2.5326
本地摄像头平均2・6340
1.5自立性强
EPS土工泡沫在施工过程中，由于自身尺寸较大，通过连接件连接后，能够形成完整的整体，侧向水平压力低。在EPS土工泡沫路基设计过程中，边坡可以采用直立式挡墙结构，节约工程用地，节省工程造价阳欣。在软土路基桥头处采用EPS土工泡沫，可以降低桥头的侧向承压，在高填路基路段，这
一待性也具有很高的优势。EPS土工泡沫的自立性好，能有效控制土压力逐年增长的趋势，对结构物起到很好的保护作用。
2EPS土工泡沫在土木工程中的应用EPS土工泡沫作为轻质填料，可以减少连接部分、
基础土壤和其他结构的载荷。EPS作为工程材料，不仅仅是砂石的替代品，而且能够解决目前工程上存在的一些典型问题。
2.1路基保温
我国地域辽阔，北方或是高原地区存在多年冻土区域，在这些区域修筑道路，会引起局部区域的环境改
2021年5月可发性聚苯乙烯土工泡沫的性能及应用•101-变，导致基层永久冻土融化，造成路面的损害甚至破
坏，如图6所示。使用EPS土工泡沫作为隔热材料，可
以减少路面热量向底层冻土的传递，从而减缓多年冻
土层融化，减少或消除路基冻融病害。
图6永久冻土融化导致的路面破坏
Fig.6Road damage caused by melting of permafrost
刘文白等回针对301国道博克图一牙克石段的湿地多年冻土环境，设计了铺设EPS土工泡沬加强和改良地基和路基的方法并且实施，试验路基高度(从原天然地面算起)为1.98-2.66m，路基宽度12.0m。在原路基设计中增加了加筋材料和隔热材料，在路基下铺设了0.05m厚的EPS土工泡沫，以起到隔热作用，保护冻土层，防止地下多年冻土层融化，防止道路融陷和翻浆。同时将格室土工格栅、水泥稳定砂砾与EPS土工泡沫结合起来使用，形成增强层，以提高地基承载力和路基地基的稳定性。实验结果表明，在EPS土工泡沫下部的测温点，其年地温差为14.84而未铺设EPS土工泡沫保温层路基的相同位置处，年地温差为20.49£，说明EPS土工泡沬起到了砂的绝热保温作用。
青藏公路穿越连续多年冻土区的里程有520km之多，多年冻土区冻土厚度为&7〜92m不等，沿线路基路面破坏十分严重，引起路基破坏的主要地质问题是高温高含冰量的多年冻土问题。在青藏高原多年冻土地区修筑道路工程后，破坏了原有的地、气、热交换条件，由于吸、放热的不平衡，其结果通常是路基内的热量增加，逐年的热积累使下伏土体温度升高，冻土上限人为下移，从而引起道路的不均匀沉降变形，出现波浪、裂缝和错台等公路病害。樊凯等讪勞研究了青藏公路昆仑山域口试验段采用8cm厚EPS土工泡沫保温层和未采用保温处理路段的地温曲线，从图7可以看出，保温材料处理层在延缓地温波传递过程中起到明显的阻隔作用，保温材料处理路段由于零温带的影响，原天然上限附近地温基本维持在0原上限位置基本不变或略有拾升。保温层的隔热效应可以延缓多年冻土上限的下降，但不可能改变路基下冻土热交换发展趋势。
孙立民㈣在青藏铁路清水河和北麓河2个试验段
W
赳S
耳
泮
(1»)
■—天然孔•一路启孔▲—路中孔
何釆用EPS土工泡沐进行隔热处理(1>)未隔热处理
图7隔热处理和未隔热处理路段的地温曲线
Fig.7Ground temperature curves of insulated and uninsulated
sections
的4个工段上，研究了EPS土工泡沬对多年冻土的保温性能和敷果。结果表明，在所修建路堤中铺设EPS 土工泡沫材料，对减少路堤下地基土的最大季节融化深度、提高冻土上限具有良好的作用。这种作用在年平均气温较低地区比年平均气温较高地区更为明显。现场实测数据表明，路基中保温板上下温差在4109内，说明EPS土工泡沫材料具有较强的保温隔热性能，对路堤地温恢复和变形控制起到了明显的作用，并对路堤地温(特别是表部地温)因太阳辐射产生的巨大波动起到一种“滤波阻隔”的作用。路基中铺设EPS土工泡沫，对于保护多年冻土有一定的作用，可以延缓多年冻土的融化，有利于减少地温波动，有利于减轻周期性的冻胀、融沉变形，具有较好的工程应用效果。
胡宇吐22］研究了在青藏铁路清水河路段中使用EPS土工泡沫的保温和防水效果、以及抗冻害变形能力，该试验段路堤高分别为1.0m和1.5m，保温材料铺设于天然地表以上0.5m处,EPS土工泡沫厚度为10cm o结果表明，修筑保温路堤能确保路基温度场的
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