公路路基擠塑聚苯乙烯泡沫塑料板路用性能研究

王新穎

（涿州市交通運(yùn)輸局公路工程管理站，河北 涿州 072750）

1 工程概況

本項(xiàng)目為省級(jí)公路，目前已施工完成，暫未通車，僅有施工載重車輛通過。多年凍土采用擠塑聚苯乙烯泡沫塑料板材處理，經(jīng)過一個(gè)冬天路基穩(wěn)定。項(xiàng)目區(qū)屬高原亞寒干旱氣候，四季分明，日照時(shí)間較長(zhǎng)，降雨量遠(yuǎn)小于蒸發(fā)量。受昆侖山脈的遮隔，項(xiàng)目區(qū)冬季經(jīng)常遭遇寒流，年降水量少，空氣干燥，溫度變化大，極端最低氣溫為-23.5℃，極端最高氣溫為37.5℃，年平均氣溫為11℃，1 月、2 月最冷、7 月、8 月最熱。根據(jù)勘探結(jié)果，多年凍土覆蓋層厚度超過13m，多年凍土上限深度約為1.2～1.6m，下限深度約為7.5～8.0m。地層為礫類土，粉黏粒含量＞15%,含水率為13%～24%，為多冰凍土和富冰凍土，屬基本穩(wěn)定型，融沉等級(jí)為Ⅱ～Ⅲ級(jí)，融沉類型為弱融沉～融沉。

2 隔熱擠塑聚苯乙烯泡沫塑料板材作用原理

隔熱板路基是指在路基內(nèi)鋪置一層擠塑聚苯乙烯泡沫塑料板隔熱層，借助隔熱板的熱阻力，將路基因大氣輻射而產(chǎn)生的熱量隔阻于隔熱板下，從而降低路基溫度，使凍土減緩融化，凍土深度不會(huì)變化，以保護(hù)多年凍土。沒有鋪置隔熱層時(shí)，路基中最低及最高溫度包絡(luò)線一般是一條連續(xù)光滑曲線。鋪置保溫層后，根據(jù)熱傳遞原理，隔熱板上、下將出現(xiàn)較大的溫度差。當(dāng)上部熱量持續(xù)不變時(shí)，隔熱板起到熱阻作用，其下部巖土溫度變化較小，最低及最高溫度包絡(luò)線區(qū)域縮小。由于瀝青路面的熱交換狀態(tài)變化，使路基內(nèi)的熱量累積最終造成凍土深度出現(xiàn)變化。但鋪置隔熱板后，可使凍土深度保持穩(wěn)定，甚至上升。隔熱板的導(dǎo)熱率越小，隔熱功效越好。

3 擠塑聚苯乙烯泡沫塑料板材的路用性能

3.1 外觀質(zhì)量

擇選3 個(gè)600mm×600mm×50mm 擠塑聚苯乙烯泡沫塑料板材，發(fā)現(xiàn)在自然光照下，隔熱擠塑聚苯乙烯泡沫塑料板材表面平整，色澤均勻，無明顯的開裂、形變、起泡等缺陷。

3.2 壓縮強(qiáng)度

按照硬質(zhì)發(fā)泡塑料壓縮功效測(cè)試方法，將擠塑聚苯乙烯泡沫塑料板材切割成100mm×100mm×50mm 的試件。采用萬能試驗(yàn)機(jī)檢測(cè)擠塑聚苯乙烯泡沫塑料板的抗壓強(qiáng)度，加載速率為5mm/min。采用3 個(gè)擠塑聚苯乙烯泡沫塑料板材試件的平均壓縮強(qiáng)度作為擠塑聚苯乙烯泡沫塑料板壓縮強(qiáng)度。擠壓形變?yōu)?～3mm，壓力極小，壓縮形變?yōu)?～35mm，壓力值較小，并且變化幅度較小，在壓縮形變大于35mm 后壓力值迅速加大，原因是擠塑聚苯乙烯泡沫塑料板的模量小，很小的力就能令其形變3mm。伴隨壓力值的逐步增大，板中間隙會(huì)逐漸縮小，當(dāng)壓縮形變達(dá)到35mm（總厚度的70%）時(shí)，基本達(dá)到擠密狀態(tài)，材料再難壓縮，此時(shí)可認(rèn)為擠塑聚苯乙烯泡沫塑料板已基本屈服。因此，將35mm壓縮形變的強(qiáng)度看作擠塑聚苯乙烯泡沫塑料板體的極限抗壓強(qiáng)度，即563kPa。

3.3 隔熱性能

對(duì)擠塑聚苯乙烯泡沫塑料板材開展隔熱功效測(cè)試。選用單片保護(hù)熱板裝置，平均溫度為25℃±2℃，測(cè)試溫差為15～25℃，測(cè)得3 片擠塑聚苯乙烯泡沫塑料板試件板的平均導(dǎo)熱常數(shù)為0.027W/(m·℃），低于規(guī)范要求的0.03W/(m·℃)。當(dāng)擠塑聚苯乙烯泡沫塑料板厚度為25mm、平均溫度為25℃時(shí)，熱阻為0.93(m2·K)/W，高出規(guī)范要求的0.83(m2·K)/W。表明擠塑聚苯乙烯泡沫塑料板保溫功效符合需求，有利于凍土保護(hù)。

3.4 吸水率

根據(jù)硬質(zhì)發(fā)泡吸水功效的檢測(cè)條件，制作尺寸為150mm×150mm×50mm 的試件，水溫為23℃±2℃，浸泡在蒸餾水中96h。結(jié)果顯示：3 個(gè)試件平均吸水功效均為0.5%，低于規(guī)范中要求的1.0%。說明擠塑聚苯乙烯泡沫塑料板有良好的隔水功效，既能避免上部水滲入路基內(nèi)部，又能將地下水產(chǎn)生的各種驅(qū)動(dòng)力切斷，避免隔熱板下面的水分遷移，進(jìn)而避免路基損害。

3.5 尺寸穩(wěn)定性

依據(jù)硬質(zhì)發(fā)泡規(guī)格穩(wěn)定性試驗(yàn)方法，制作尺寸為100mm×100mm×50mm 的試件，試驗(yàn)溫度為70℃±2℃，試件置放48h 后，測(cè)量其寬度、長(zhǎng)度及厚度的變化情況，計(jì)算所得變化率的算術(shù)平均值為0.4%，低于規(guī)范中要求的1.5%。表明擠塑聚苯乙烯泡沫塑料板材的穩(wěn)定性好，形變量小?？偨Y(jié)X350 型擠塑聚苯乙烯泡沫塑料板材的物理功效測(cè)試結(jié)果，如表1所示。

表1 隔熱擠塑聚苯乙烯泡沫塑料板材的技術(shù)參數(shù)測(cè)試結(jié)果

經(jīng)凍融循環(huán)后，隔熱擠塑聚苯乙烯泡沫塑料板材的技術(shù)參數(shù)測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 經(jīng)凍融循環(huán)后擠塑聚苯乙烯泡沫塑料板材的技術(shù)參數(shù)

試驗(yàn)結(jié)果顯示，擠塑聚苯乙烯泡沫塑料板材經(jīng)凍融循環(huán)過程后，體積吸水率及熱導(dǎo)常數(shù)變化較小，抗壓強(qiáng)度呈一定的波動(dòng)性，總體表現(xiàn)為隨融凍循環(huán)頻次增加呈略微減小的趨勢(shì)。

4 隔熱擠塑聚苯乙烯泡沫塑料板材路基施工質(zhì)量控制

4.1 隔熱擠塑聚苯乙烯泡沫塑料板材路基施工季節(jié)

隔熱板地基通常在冬季施工。冬天，隔熱擠塑聚苯乙烯泡沫塑料板材可阻止路面熱量進(jìn)入路基，起到隔熱功效。但是據(jù)勘探資料顯示，凍土從5月底開始融化，9 月底至10 月中旬融化深度達(dá)到最大值。但通常9月底開始降雪，要求路基施工的平均溫度不低于0℃，因?yàn)闇囟忍蜋C(jī)械無法作業(yè)，故本工程冬季施工難度極大。擠塑聚苯乙烯泡沫塑料板的鋪置還應(yīng)避開7月至10 月中旬，這是融凍深度最大的時(shí)候。工程所在地區(qū)的氣候資料顯示，5 月初最高溫度低于10℃，夜間溫度低于0℃，凍土還沒有開始融化，可以開展機(jī)械施工。因此，依據(jù)該施工區(qū)域凍土區(qū)氣候特征和變化規(guī)律，隔熱擠塑聚苯乙烯泡沫塑料板材路基施工應(yīng)在5月初至6月中旬開展，于6月底前完工。

4.2 隔熱擠塑聚苯乙烯泡沫塑料板材的鋪設(shè)

為達(dá)到應(yīng)用功效，要求擠塑聚苯乙烯泡沫塑料板的表觀密度不大于40kg/m3，熱導(dǎo)常數(shù)不大于0.03W/（m·℃），吸水性不超過1.0%，規(guī)格穩(wěn)定性不高于1.5%，抗壓強(qiáng)度不小于300kPa，厚度為5～10cm。在施工過程中，因?yàn)閿D塑聚苯乙烯泡沫塑料板下面換填的礫石粒度大、棱角突出，為了防止壓壞擠塑聚苯乙烯泡沫塑料板，在擠塑聚苯乙烯泡沫塑料板下面鋪一層砂墊層或礫砂，并找平其表面。擠塑聚苯乙烯泡沫塑料板接搭方式為平接，為確保各板間的穩(wěn)定性，可錯(cuò)縫接搭，進(jìn)而構(gòu)成一個(gè)板體。在擠塑聚苯乙烯泡沫塑料板的鋪裝過程中，各板之間必須緊密相連，防止產(chǎn)生較大空隙。因工程所在地區(qū)風(fēng)速較大，而擠塑聚苯乙烯泡沫塑料板的密度較小，故需要在擠塑聚苯乙烯泡沫塑料板上鋪設(shè)一層防水布，以避免地表水進(jìn)入路基，從而確保擠塑聚苯乙烯泡沫塑料板的路用功效，減少路基水損害等。防水布幅寬4.5m，CBR 的頂破強(qiáng)度不小于11kN，撕裂強(qiáng)度不小于0.25kN，斷裂強(qiáng)度不小于75kN/m。

4.3 隔熱擠塑聚苯乙烯泡沫塑料板材的接搭

擠塑聚苯乙烯泡沫塑料板有兩種主要的接搭樣式：接搭及平接。橫向上，擠塑聚苯乙烯泡沫塑料板有3種接搭樣式：接搭、平接和企口。為提高施工效率以及便于制備，擠塑聚苯乙烯泡沫塑料板接搭通常以平接為主，亦可以在鋪置中錯(cuò)縫接搭。如果事先未考慮擠塑聚苯乙烯泡沫塑料板的接搭，亦可以在施工中用U形鋼筋固定擠塑聚苯乙烯泡沫塑料板。U 形錨釘選用的鋼筋長(zhǎng)度不小于15cm，兩腳間距是10cm，以使隔熱擠塑聚苯乙烯泡沫塑料板材構(gòu)成一個(gè)整體，碾壓時(shí)可有效避免板材翹起。直線路段中，因線形簡(jiǎn)單，擠塑聚苯乙烯泡沫塑料板接搭亦很簡(jiǎn)單。平面轉(zhuǎn)彎曲線段中，擠塑聚苯乙烯泡沫塑料板的接搭較為困難。

4.4 隔熱擠塑聚苯乙烯泡沫塑料板材的板上填料鋪筑

完成擠塑聚苯乙烯泡沫塑料板的接搭處理后，再鋪設(shè)防水土工布，即可對(duì)隔熱板開展填充料鋪筑。為確保填充料在碾壓中不受損，選用粒度較小的土或礫砂為宜。因?yàn)閷?duì)基底換填的礫石土、水泥穩(wěn)定土層和基層的強(qiáng)度要求很高，所以填充料選取礫砂，并將礫砂的含泥量控制在10%以內(nèi)。從熱力學(xué)考慮，擠塑聚苯乙烯泡沫塑料板上填料越少，即板埋設(shè)越淺，隔熱功效將越好；而從隔熱材料的抗壓強(qiáng)度、壓縮性等方面考慮，在道路施工和運(yùn)行中，路面結(jié)構(gòu)自重和車輛荷載極易造成擠塑聚苯乙烯泡沫塑料板損壞，不但影響擠塑聚苯乙烯泡沫塑料板的路用功效，也會(huì)影響道路整體強(qiáng)度。在施工過程中，運(yùn)料車不可直接碾壓擠塑聚苯乙烯泡沫塑料板材。在鋪攤板上填充料時(shí)，應(yīng)采用后移鋪攤法，即料車于路基一端卸料，形成料堆，然后使用推土機(jī)按預(yù)留的壓密厚度，將填充料向前推進(jìn)并且整平，完成鋪筑。再用三輪靜壓壓路機(jī)碾壓，不可使用振動(dòng)壓路機(jī)和重型壓路機(jī)。

5 隔熱擠塑聚苯乙烯泡沫塑料板材在多年凍土區(qū)的路用效果

對(duì)該隔熱擠塑聚苯乙烯泡沫塑料板材在多年凍土區(qū)的路用效果進(jìn)行分析。該試驗(yàn)段路基完工后，經(jīng)檢測(cè)，路基的穩(wěn)定性較高，與對(duì)比路段相比，沉降量顯著減小。依據(jù)案例區(qū)段隔熱板路基試驗(yàn)路的運(yùn)行情況可知，隔熱板可以有效地維持凍土路基的溫度場(chǎng)穩(wěn)定，起到良好的隔熱保溫作用，確保多年凍土區(qū)路基溫度變化幅度不大，并能夠有效控制路基的沉降，減少了融沉及凍脹等路基損害，保證了多年凍土區(qū)路基的整體穩(wěn)定性。

6 結(jié)語

本研究從作用原理、路用性能、施工季節(jié)、板材鋪設(shè)、板材接搭及板上填料鋪筑等方面，對(duì)應(yīng)用隔熱擠塑聚苯乙烯泡沫塑料板材進(jìn)行凍土路基治理的技術(shù)進(jìn)行了分析，并通過試驗(yàn)段驗(yàn)證了該技術(shù)的工程適用性，可為凍土區(qū)公路路基施工提供參考。