（岩土工程专业论文）eps颗粒混合轻质土物理力学特性的两相体模型研究.pdf

学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 扩6 年7 月刁日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘 版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可以采用 影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容 相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。论文全部或部 分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：趁 护自年多月刁日 摘要 随着资源的短缺和人们环保意识的增强，废弃物的再生资源化处理方法，在国际上 得到了越来越广泛的关注和认可。e p s 颗粒混合轻质土处理方法是当中的一种。 e p s 颗粒混合轻质土是将原料土、e p s 颗粒、固化材料和水混合搅拌均匀后，经固 化作用形成的一种轻质土。，它可以减少环境污染，利用其轻质性可以提高地基稳定性、 减小地攮沉降。这种土具有轻质、高强、自立性好、施工工期短及废物再乍利用和环境 保护的优点，因此在工程中具有极广泛的应用前景。我国对这项技术的研究还处于起步 阶段，还需进一步的研究。本文以水泥为网化材糊，泡沫塑割颗粒( e p s ) 与废弃泡沫 迥料颗粒( w e p s ) 为轻质填料，淤泥为原料土制备e p s 颗粒混合轻质土，从复合材料 的角度出发，在室内试验的基础上，对其密度特性、变形特性以及强度特性进行研究，主 要内容包括： ( 1 ) 两相体模型研究 e p s 颗粒混合轻质土由原料土、固化材料、轻质材料和水组成，它是原料土经固化 作用和轻量化作用的产物。从复合材料组成的角度，可以把e p s 颗粒混合轻质土看成由 i l ! ：i 化 和轻质填料e p s 组成的两相体材制。基于物理学、弹性力学与二 ：力学原理，建立 了e p s 颗粒混合轻质士的密度两相体模型和强度两卡h 体模型。 ( 2 ) 密度特性研究 通过密度试验，明确了影响e p s 颗粒混合轻质土密度的因素：密度主要受到e p s 颗粒体积比的影响；龄期、水泥添加量、轻质填料种类对密度影响不大。在此基础上， 对密度两相体模型进行验证，并且给出了适合工程应用的简化密度两相体模型。 ( 3 ) 变形特性研究 通过直剪试验和无侧限抗压强度试验，研究了e p s 颗粒混合轻质土的破坏形态、破 坏应变以及变形模量。 ( 4 ) 强度特性研究 抗剪强度是e p s 颗粒混合轻质土的重要工程性质，对工程设计和计算具有重要意 义。通过直接剪切试验获取了e p s 颗粒混合轻质土的抗剪强度参数，即凝聚力与摩擦 角。对e p s 颗粒混合轻质土的抗剪强度参数及其影响因素进行分析，明确了抗剪强度参 数与水泥添加量、e p s 体积比和龄期之间的关系。并基于强度两相体模型对强度参数的 规律给出相应的解释。 关键词：聚苯乙烯泡沫塑料( e p s ) ；废弃聚苯乙烯泡沫塑料( w e p s ) ；轻质士；两相 体模型；直剪试验；无侧限抗压强度试验；强度参数 1 1 1 a b s t r a c t t e c h n o l o g i e st og e n e r a t ew a s t e si n t or e s o u r c e sa r er e c e i v i n gi n c r e a s i n ga t t e n t i o na r o u n d t h ew o r l dw i t ht h ec o n t i n u e dd e p l e t i o no fn a t u r a lr e s o u r c e sa n de m p h a s i so nt h ee n v i r o n m e n t c o n s e r v a t i o n ，e p s ( e x p a n d e dp o l y s t y r e n e ) b e a d s - m i x e dl i g h t w e i g h ts o i li so n e o ft h e m ， e p sb e a d s m i x e dl i g h t w e i g h ts o i li sal i g h t w e i g h ts o i lf o r m e db ym i x i n go r i g i n a ls o i l w i t he p sb e a d s ，s o l i d i f i c a t i o na g e n t sa n dw a t e r i tc a nb eu s e dt or e d u c et h ee n v i r o n m e n t a l p o l l u t i o n f u r t h e r m o r e ，d u et oi t s i n t r i n s i cl o ws e l fw e i g h t ，i th a sa l s ob e e na d o p t e di n i m p r o v i n gt h ef o u n d a t i o ns t a b i l i t ya n dr e d u c i n g t h eg r o u n ds e t t l e m e n t t h i ss o i lh a s p r o m i s i n gf u t u led u et oi t sa d v a n t a g c ss u c ha sl i g h tw e i g h t ，h i g hs t r e n g t h ，s e l f - s t a n d i n g , s h o r t p r o j e c t e x e c u t i o nt i m e ，r e u t i l i z a t i o no fs u r p l u ss o i l s ，a n de n v i r o n m e n t a lf r i e n d l i n e s s h o w e v e r , t om a k ef u l lu s eo ft h i ss o i l ，m o r es t u d yi sn e e d e ds i n c et h er e s e a r c ho nt h i ss o i li s s t i l li ni t si n f a n c yi nc h i n a i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h el i g h t w e i g h tm i x t u r es p e c i m e n sw e r e p r e p a r e db yt r e a t i n gd r e d g e d s i l tw i t hc e m e n ta n de p so rw e p s ( w a s t ee x p a n d e d p o l y s t y r e n e ) b a s e do nt h ev i e wo fc o m p o s i t em a t e r i a l s ，l a b o r a t o r yt e s t sw e r ec o n d u c t e dt o i n v e s t i g a t ed e n s i t yp r o p e r t y , d e f o r m a t i o np r o p e r t ya n ds t r e n g t hp r o p e r t yo ft h ee p s b e a d s - m i x e dl i g h t w e i g h ts o i l t h em a i nc o n t e n tc a nb es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 t w o p h a s em o d e ls t u d y e p sb e a d m i x e dl i g h t w e i g h ts o i li sf o r m e db ym i x i n go r i g i n a ls o i lw i 廿ls o l i d i f i c a t i o n a g e n t s ，l i g h t w e i g h t m a t e r i a l sa n dw a t e r t h eo r i g i n a ls o i li ss o l i d i f i c a t i o nt r e a t e da n d l i g h t w e i g h tt r e a t e d i ti s ac o m p o s i t em a t e r i a lc o m p r i s e do fs o l i d i f i e ds o i la n dl i g h t w e i g h t e p s t w o - p h a s ed e n s i t ym o d e la n dt w o p h a s es t r e n g t hm o d e lw e r ep r o p o s e db a s e do nt h e e l a s t i c i t ya n dt h ep r i n c i p l e so f s o i lm e c h a n i c s 2 s t u d yo i ld e n s i t yp r o p e r t y b yd e n s i t yt e s t s ，t h ei n f l u e n c i n gf a c t o r so nt h ed e n s i t yw e r ei d e n t i f i e d t h ed e n s i t yi s f o u n dt ob em a i n l ya f f e c t e db yt h ee p sv o l u m e t r i cr a t i ow h i l et h ee f f e c t so f t h ec u r i n gp e r i o d ， t i l ec e m e n tc o n t e n ta n dt h et y p eo fl i g h t w e i g h tm a t e r i a lw e r en e g l i g i b l e b a s e do nt h er e s u l t s ， t h et w o - p h a s ed e n s i t ym o d e lw a sv e r i f i e d ，a n di t ss i m p l i f i e dv e r s i o nw a sp r o p o s e df o r e n g i n e e r i n gd e s i g n 3 s t u d yo i ld e f o r m a t i o np r o p e r t y t h ef a i l u r em o d e ，f a i l u r es t r a i na n dd e f o r m a t i o nm o d u l u sw e r es t u d i e db yt h ed i r e c t b o xs h e a rt e s ta n du n c o n f i n e dc o m p r e s s i o ns t r e n g t ht e s t 4 s t u d y0 1 1s t r e n g t hp r o p e r t y t h es h e a rs t r e n g t ho fe p sb e a d s m i x e dl i g h t w e i g h ts o i li sa ni m p o r t a n tp r o p e r t yi n e n g i n e e r i n gd e s i g na n da n a l y s i s d i r e c tb o xs h e a rt e s t s w e r ec o n d u c t e dt oo b t a i nt h es h e a r s t r e n g t hp a r a m e t e r s ，n a m e l yt h ec o h e s i o na n dt h ef r i c t i o na n g l e t h ee f f e c t so ft h ec e m e n t i c o n t e n t ，t h ee p sv o l u m e t r i cr a t i oa n dt h ec u r i n gp e r i o do i lt h es h e a rs t r c n g t hp a r a m e t e r sw e r e e s t a b l i s h e d m o r e o v e r , a t t e m p tw a sm a d et oe x p l a i nt h es t r e n g t hp a r a m e t e r sb a s e do i lt h e t w o p h a s es t r e n g t hm o d e l k e yw o r d s ：e x p a n d e dp o l y s t y r e n e ( e p s ) ，w a s t ee x p a n d e dp o l y s t y r c n e ( w e p s ) ，l i g h t w e i g h t s o i l ，t w o p h a s em o d e l ，d i r e c tb o xs h e a rt e s t ，u n c o n f i n e dc o m p r e s s i o ns t r e n g t ht e s t , s t r e n g t h p u r a m e t e r s u r 6 s u m 6 l e st e c h n o l o g i e sp o u rt r a n s f o r m e rd e sd 6 c h e t se nn o u v e l l e sr e s s o h t - c e sa t t i r e n td ep l t t se n p l u sr a t t e n t i o nd a n sl em o n d e e n t i e ra v e cl ad i m i n u t i o ne a m t i n u ed e sr e s $ o l l r c c sn a t u r e l l e se t l e m p h a s em i s es t i rl ap r 6 s e r v a f i o nd el c n v i r o n n e m e n t l e ss o l sa l l 电6 sa v e cd e sb i l l e sd e p s ，p oy s t y r 6 n ee x p a n s e s t o n ed e r f l r ed i e s l es o la 1 1 6 9 6p a rd e sb i l l c sd ep o l y s t 婶n ee x p a n s de s tu ns o lo h t e n up a rm 6 1 a o g ed us o l l l r i g i n e la v e cd e sb i l l e sd e p s ，d e sa g e n l sd es o l i d i f i c a t i o ne td el e a o 1 1p c u t6 t r eu t i l i s 6a n l l d er d d u i r el ap o l l u t i o ne n v i r o n n e m e n t a l ed ep l u s ，d ep a rs o i lp o i d sp r o p r ei n t r i n s d q u e m e n t f i d b l e ，i l a6 9 a l e m c n t6 t da d o p t dp o u ra c e r o t t r el a s t a b i l i t 6d e sf o n d a t i o n se lr a d u i r el e s t a s s e m e n t s c es 0 1a u na v e l t i rp m m e t t e u rg r a c eas e sa v a n t a g e sq u es o n ts o i lf a i b l cp o i d s s a r 6 s i s t a n e e6 1 e v 6 e ，s o na u t o m a i n t i e n ，s o dt e m p sd em i s ee i l ( t 2 1 v r cr d d u i t ，l ar d u t i l i s a t i o nd e s s o l s 。ns u r p l u sn tl er e s p e c ld el e n v i r o m m m e n t ，c e p e n d a n t , p o u rl u t i l i s e ra um i e u x d e s 6 t u d e sp l u sp o u s s 6 e sd o i v e n t6 t r em c n 6 e sc a rl ar e c h e r c h es l l rc e l t et e c h n o l o g i en c ne s t e l l e o eq u as e sd e b u t se l lc h i n e d u n sc o te x p o s 6 ，l e sd p r o u v c t t e sd ec em d l a n g e6 t a i e n l p r , 3 p a r d c sc at r a i t m a td el av a s e ( i s s u ed ed r a g a g e s ) a r c cd uc i m e n te td ei e p so nd uw e p s ( d e c h e t sd ep o l y s t y r 6 n ee x p a n s d ) l o st e s t sc ol a b o r a t o i r e6 t a l e n tc o n d u i t sp o u rc o r t n a i t r el e s p r o p r i 6 t d sd ed e n s i t 6 ，d d f o n n a t i o n se tr s i s t a n c ed ec cs 0 1 6 9 e ti e sp t a i n l si m p o r t a n t sp e u v e n t 6 t r cr d s u m d sd el am a n i & es u i v a n t e ： 1 e t u d ed u1 1 1 0 d 6 l ead e n xp h a s e s l e 谢1 6 9 目u r g ed e sb i l l e sd ep o l y s t y r m ee s tr 6 a f i s e nm 6 1 a n g e a n tl es 0 1 p l a c ea 、g e c d e sa g e n t sd es o l i d i f i c a t i o n , d e sr u a t & i a u x1 6 9 e r se td ei e a u l es o lo r i g i n e le s tt r a i t 6p a r s o l i d i f i c a t i o ne ta l l 6 9 e n a e n t c e s tu nc o m p o s i t ed es o ls o l i d i f i 6e td e1 6 9 e r e sb i l l e sd e p s u n m o d + l ed ed e n s i t 6ad e t t xp h a g e se tu nd er & i s t a n c ead e u xp h u s e so n td t 6p r o p o s d s b a s d ss t l r 】6 1 a s t i c i t 6e tl e sp r i n c i p e sd el am 6 c a n i q u ed e ss o i s 2 e t i l d es u l l ad e n s i t f i a ut r a v e r sd et e s t sd ed e n s i t d 1 e sf a c t c u i sl i n f l u e n ；a n to u td t 6i d e n t i f i 6 sl ad e n s i t do s t p r i n c i p a l e m e a ti n f l u e n c d ep a rl er a t i ov o l u m i q u cd e p sa l o r sq u el e se f l b t sd el ap 4 r i o d ed e o u t a g e , l at e n e u re l lc i m e n te tl et y p ed em a t d r i a u1 6 9 e ri n t r u d u i ts o n ln e g l i g e a h l e s 。b a s 6s u r e g gr e s u l t a t s ，l em o d d l ed ed c n s i t 6ad c u xp h a s e s6 t a i tv 6 r i f i 6 ，e ts av e r s i o ns i m p l i f i 6 eae t 6 b r m u l d ep o u ri u t i l i s a t i o ne l li n 9 6 n i e r i e 3 e t i l d es u rl e sd 6 f o r m a t i o n s l em o d ed ef i s s u r a t i o n ，l ad 6 1 b r m a t i o nd er u p t u r ee t l em o d u l ed ed d l b r m a t i o n o n te t 6 6 t u d i sp a rl et e s tal ab o r ed ec i s a i l l e m e md i r e c te tp a rr 6 s i s t a n c ea l ac o m p r e s s i o ns i m p l e 1 4 e r u d es t i rl ar s i s t a n c e l ar 6 s i s t a n c ea l le i s a i l l e m e n td us o la l m 9 6p a ri n c o r p o r a t i o nd eb i l l e sd e p se a tu l l e p r o p r i d t 6t r e si m p o r t a n t ed a n sl e sd o m a i n e sd e1 1 a n a l y s ee td 6 l u d e se i li n 9 6 n i & i e d e st e s t sa 1 ab o i t ed ec i s a i l l e m e n to n t6 t dr d a l i s d sp o u ro b t e n i rl e sp a r a m 6 t r e sd er 6 s i s t a n e ea l l e i s a i l l e m e n t ( c o h 6 a i o ne ta n g l ed cf r o t t e m e n t ) l e se f l o sd el at e n e u re i 2c i m e n t ，l ap r o p o r t i o n v o l u m i q u ed e p se t l ap e r i o d ed cc u r es u rc e t t er s s i s t m l e ea l ld s a i l l e m e n to n t6 t 6 哉a b l i s c e p e n d a n t ，l i ne s s a ia6 t df a i tp o u re x p l i q u e rl e ap a r a m d t r e sd er d s i s t a n c eb a s ds u r f l em o d n e t i er s i s t a n c ead c u xp h a s e s m o t sc 1 6 s ：p o l y s t y r 6 n ce x p a n s 6 ( e p s ) ，d 6 c h e t sd ep o l y s t y r e n ee x p a n s e ( w e p s ) ，s o ll 龟e r , m o d u l ead e u xp h a s e ，t e s tal ab o l t ed ec i s a i l l e m e n t ，t e s td er 6 s i s t a n c eal ac o m p r e s s i o n u n i a x i a l e ，p a r a r n h t r e sd er 6 s i s t a n e e 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 软土地基在我国分布较广，在软土地基上的大型土方工程都需要对软基进行地基 处理。据史料记载，早在三千年前，我国就开始采用竹子、木头以及麦秸等来加固地 基。随着人类文明的发展，软基的处理方法得到了长足的进步，比如塑料板排水固结 法、水泥搅拌桩复合地基法、加筋法、置换法、真空堆载联合预压法等，这些方法都 足通过刈地基进行加固来提高基甜 和建筑结构的安全和稳定性。上述方法的工期较氏， 工程造价较高，于是人们开始思考通过减少建筑物自身的重量来提高基础和建筑结构 安全与稳定性的方法，在这种背景下，轻质土孕育而生。用轻质土置换软弱土层，可 以减轻上部填士重量，降低地基中的应力水平，提高稳定性和减少沉降。 随着工业化的发展，人们的生活水平不断提高。同时也产生了许多工业垃圾和家 庭垃圾。例如在工程施工中产生的工程废弃土、用于包装的泡沫塑料、电厂所排出的 粉煤灰、矿渣、废弃轮胎、废弃木屑等。如何对这些废弃物进行妥善地处理，成为一 个社会发展所不能避免的问题。 我国目前正处于建设大开发时期，比如道路桥梁的建设、河道堤岸的加固、城市 房地产的开发等，这就需要大量的工程用七。目前，这些土一般来自耕地的开挖、河 床采砂、开山采石等方法，但这些方法会带来许多负面影响，如造成水土流失和农田 减少等。在我国，特别是沿海地区，工程土建方量大，随着天然资源的减少，土方的 开采越来越难，又因为价格的上涨和运输距离的延长，长距离土方运输就很不经济， 因此工程用土已经成为大型工程项目建设中的重要成本因素。 如何解决以上矛盾，科学地利用这些废弃资源是一个亟待解决的环境课题。从环 境保护的角度出发，对建筑废料、工业废料进行处理。研制成新的土工材料，使废料 资源化，也是环境岩土工程正在兴起和发展的主要研究方向之。轻量化技术是将废 弃物研制成新型材料进行再生利用的主要方法之一，这一技术可以将各种工程废弃土、 废弃泡沫塑料、工业废料粉煤灰、废石膏等转化为轻质土，用于基础设施建设，同时 兼顾环境问题。这项技术能够产生良好的经济效益、社会效益、环保效益。 基于以上优点，轻质土在国外已经有了深入的研究与应用，尤其是r 本还专门成 立了轻质土开发机构，并将该项技术列入了设计施工规范。而轻质土在国内的应用与 研究尚处于起步阶段，由于受到各种专利的保护，国外的一些关键材料和核心技术必 须通过开发研究才能成为我国自己的技术。针对此情况，为了使轻质土施工方法尽快 在我国得到应用，对轻质土展开系统全面的研究是非常必要的。 河海大学硕士学位论文 1 2 轻质土概述 1 2 1 轻质土的基本概念 轻质土是指应用于岩土工程中密度小于一般天然土体的材料。轻质土的最主要的 特点就是“轻”，即密度小于一般土体。在轻质土中，绝大多数都是通过人工混合进行 配置，即人造轻质土；极少数是天然存在的，即天然轻质士。人造轻质土的优点在于 其密度、强度和变形特性可以通过材料的选择和配比的改变进行调节，以适应不同工 挥的要求。 轻质土的主要作用有两个：( 1 ) 通过减轻作用在地基或地下结构物上的竖向附加应 力，从而减少软弱地基的沉降，提高地基的稳定性，保护地下结构物的安全；( 2 ) 减小作 用在挡土墙上的水平土压力，提高边坡稳定性。 鉴于上述作用，轻质土目前主要被应用于软弱地基上的路基填土、桥头跳车治理、 边坡工程、管道填埋工程、拓宽填土工程1 1 l 。 1 2 2 轻质土的分类及其特点 1 2 2 1 轻质士的分类 轻质土的种类很多，日本学者安原等对轻质土的分类见表1 1 ”。 表l 1 轻质土的分类 七表将轻质土分为三大类、1 1 个品种。所有轻质土的密度均在1 5 9 c m 3 以下。密 度小是轻质上的最大特点，同时密度也是工程设计中的重要参数。所以，笔者认为轻 质土可以按密度进行分类，分为高轻质土、中轻质土和低轻质土三大类，通过对表1 1 第一章绪论 中的各种轻质土按密度进行的分类如表1 2 所示。由表可见，根据密度的不同对轻质土 进行分类有一个很大的优点，即直观容易理解。根据分类便可以大致知道轻质土所处 的密度范围了。 袭1 2 轻质土的密度分类法 1 2 2 2 轻质土的特点 上表中的轻质土具有不同的特点，日本学者h i r o s h im i h i 对其特点进行了总结，列 于表1 3 中 1 j 。 表1 3 各种轻质土的主要特点 e p s 颗粒混合轻质土密度可调节，可利用大景3 - 程废弃土 一丽磊磊_ 蒜而f 而顽五磊磊砸焉雕 发泡氨基甲酸乙胎超轻质，现场发泡，自硬性成本高 洲海大学硕士学位论义 在所有的轻质土中，目前应用最广泛的是粉煤灰、e p s 块材、气泡混合轻质土和 e p s 颗粒混合轻质土，下面将对上述轻质土作较为详细的介绍。 ( 1 ) 粉煤灰 粉煤灰是原煤经粉碎加工在高温下燃烧熔化后冷凝残留的烧结物，是一种高度分 散的微细颗粒集合体，其微观颗粒形态主要呈玻珠结构、串珠结构、碳粒结构和海绵 结构，其中5 0 7 0 为空心玻璃质球体。在扫描电子显微镜( s e m ) 下观察，发现粉煤 灰颗粒是由大小不等的圆球形颗粒组成，颗粒表面轮廓线圆滑无棱角，粒上有漏斗状 孔洞。粉煤灰的主要化学成份为硅、铝和铁的氧化物，其次为钙、镁、硫、钾、钠以 及末燃烧的碳l jj 。 在力学性质方面，粉煤灰具有较高的摩擦角和较低的粘聚力，但在饱水后粘聚力 和摩擦角都有所下降。通过室内土工试验测定，粉煤灰按重型击实标准在饱水和不饱 水的条件下，其内摩擦角舻值分别为1 8 3 3 。和3 0 4 2 。，高于粘土的内摩擦角伊 值。当压实系数为0 。1 9 o 1 9 5 时，舻值可达2 3 3 0 。，凝聚力c = 5 3 0k p a 【4 1 。然而， 粉煤灰的c 值随着含水量的增加而减小，饱和后的c 值被完全破坏，这一点与粘土相 类似；但是在最佳含水量以内，粘土的c 值比粉煤灰高得多，可见粉煤灰的抗剪强度 = e 要依赖于驴值，这一点又与细砂土相类似。当粉煤灰处在最佳含水量或以下时，含 水量对其妒值影响不大。但当其含水量增加到液限含水量( 6 5 ) 左右时，p 值将会以 较大的幅度下降。同粘性土相比，粉煤灰的p 值约高3 0 5 0 ，而c 值则约小3 0 5 0 ，c 值低是粉煤灰的主要弱点。粉煤灰的压缩指数c c 约为0 1 0 5 ，膨胀指数。 约为0 ，0 1 o 0 4 研。 ( 2 ) e p s 块材 e p s 是e x p a n d e dp o l y s t y r e n e 的缩写，即发泡聚苯乙烯，它是由粒状聚苯乙烯发泡 制成的，通常称为聚苯乙烯泡沫塑料，也可简称为泡沫塑料。e p s 可以按照发泡的方 式分为两类，一类通过加热在模型中发泡叫做模塑法，另一类通过挤压发泡叫做挤塑 法。粒状聚苯乙烯中含有聚苯乙烯、可溶性戊烷( 膨胀成分) 和防火剂。在e p s 的成 型过程中，聚苯乙烯颗粒中的可溶性戊烷受热汽化，在颗粒中膨胀形成许多封闭的空 腔，从而使其密度极小【6 l 。 。 e p s 的密度由成型过程中聚苯乙烯颗粒的膨胀倍数决定，一般介于l o 4 0 k g m 3 之问，工程中常用密度为1 5 3 0 k g m 3 之间的e p s ，目前许多土工工程中用作轻质填料 的e p s ，其密度常为2 0 k g m 3 ，仅为普通填料的1 5 0 1 1 0 0 ，可见e p s 对减小土压力 的作用十分明显【7 】。 密度是e p s 的一个重要指标，其各项力学性能都和它有着密切的关系：经刘宏和 范建州研究【7 1 ，密度为2 0 k g m 3 的e p s 材料，其抗压强度较低，在应变r = 4 时，一般 均小于l o o k p a 。密度为4 5 k g , m 3 的e p s 板材在s = 4 时，抗压强度般在1 6 0 k p a 以上。 根据日本的实验结果，自然环境对e p s 性能并无明显的劣化影响，且e p s 材料对 第一章绪论 自然环境也无明显的污染。吸水、低温、冻融循环对e p s 的抗压强度没有不利的影响。 相反，潮湿状态下e p s 抵抗变形的能力甚至优于干燥状态，前者的抗压强度比后者要 高出约1 0 。随着温度的下降，e p s 的抗压强度上升。在道路工程中常涉及到的温度 范围内( 从零下到4 5 0 c ) 的典型试验条件下e p s 抗压强度的变异范围大约为- f 2 0 8 1 。 e p s 这种轻质块材用作路堤填料时，施工非常方便，e p s 块体大小可根据需要进 行生产。而且在国内，e p s 块材用于路堤填料的技术相对比较成熟，其关键技术主要 有：e p s 两侧坡丽用土包边；e p s 块材必须平放；为确保e p s 填筑路堤的良好排水， 在最底层的e p s 底部要铺设透水砂层；要严格控制砂层及e p s 铺砌层的平整度：铺砌 的e p s 块材之间不能留空隙，块材之问要排列紧密，且用粘结材料或合缝钉将e p s 块 材结合在一起，以防止路堤填筑过程中e p s 块材之间的相互错动；若e p s 块材之间产 生缝隙或高差，必须用无收缩水泥砂浆整平；最上层的e p s 块材的顶面上要铺设1 2 1 5 c r n 的钢筋混凝土，在钢筋混凝土的上面还要铺设厚度不小于3 0 c m 的普通压实填料， 以便使路面基底能够得到充分的压实；为了变形过渡，e p s 路堤施工基面可设计成台 阶状【9 ，10 1 。 e p s 之所以能够引起越来越广泛的关注，主要是有以下几方面优点f 8 j ：e p s 材料作 为地基填筑材料，可以明显减小填筑荷载对地基的影响；改变了传统的地基处理及加 固的观念，旌工方便，节约人力、物力及时间，降低施工成本；无噪音、无振动、加 = 工方便，不需要重型机械设备，只需人工即町搬运并快速施工，这不仅对岩体灾害复 原可行，而且在城市的开挖处回填施工等都会发挥其优越性；e p s 材料具有自承性与 自硬性，用于挡土结构中，可减轻对墙面的水平压力；自然环境对e p s 性能并无明显 的劣化影响；且e p s 材料对自然环境也无明显的污染。 同时e p s 块材也存在以下缺点：e p s 块材造价高，仅在东南沿海经济发达、软基 分布广泛的省市如广东、江苏、浙江等省中的公路软基工程、市政工程中得到应用， 但多数应用于应急补救工程；e p s 在紫外线( u v ) 照射下，一段时间后表面由白色变 为黄色，材料逐渐呈现出脆性，因此，e p s 不允许长时间暴露在自然环境下，这就相 应给旖工增加了难度；e p s 在大多数溶剂中性质稳定，但可被汽车燃料油( 汽油或煤 油) 溶解，而其主要用途就是用作公路路基，因此，e p s 用作轻质路堤填料时，必须 在其表面覆盖保护层，由于这种材料的密度太小，在地下水位很高的地方，必须考虑 水的浮力引起的稳定性问题：e p s 的原材料是石油，石油的不可再生性使得石油日益 短缺，价格不断上涨，e p s 价格也随着上涨。基于上述缺点，e p s 块材没有得到1 泛 的运用。 ( 3 ) 气泡混合轻质土 9 0 年代，日本、荷兰等国又7 f 始研制出了南气泡拌制而成的新型轻质填土材料， 称为气泡混合轻质填料( f o a m e dm i x t u r el i g h t - w e i g h tm a t e r i a l ，简称f l m ) 。在日本将 这种气泡混合轻质土的施工方法称为f c b 工法( f o a m e dc e m e n tb a n k i n gm e t h o d ) 1 1 1 10 河海大学硕+ 学位论叟 气泡混合轻质土( f o a mt r e a t e dl i ：g h ts o i l ) 就是将原料土、固化剂和气泡经固化剂固化 后形成的轻质填土，又称为气泡混合轻质填料( f o a m e dm i x t u r el i g h t - w e i g h tm a t e r i a l ， 简称f l m ) 。气泡轻质土的生产方式主要有如下两种：第一种是机械混合发泡法，即先 将原料土、水、发泡剂、固化材料混合，然后进行强制搅拌，在搅拌过程中逐渐产生 气泡，密度逐渐减小，体积逐渐增大，达到预定密度后停止搅拌，这种方法制作的气 泡轻质土的密度不好控制；第二种是预先发泡法，即先利用发泡剂发泡，然后将气泡、 固化材料、水、和原料土混合搅拌均匀，这种方法制作的轻质土效果一半较好。目前， 在国外大多采用预先发泡法生产气泡混合轻质土。 气泡混和轻质土密度小的原理是：气泡存浆体中占据了大量空问，当固化材料将 上颗粒胶结在一起后，固化体中就留下大量的小孔隙，从而降低了原料土的密度。因 此，气泡混合轻质土技术的关键问题是制造稳定、高效的气泡，同时这也是技术难点。 发泡材料的发泡倍率，气泡的消泡率都是决定气泡混合轻质填料的容重和孔隙率的重 要指标。 气泡混和轻质土强度高的原理是：气泡混合轻质土中的固化材料( 一般为水泥) 产生水化反应，生成水化硅酸钙等胶体和钙矾石等晶体把原料土颗粒胶结在一起从而 提高了原料上的强度。 气泡混合轻质土的主要特点是： 密度可调节：通过调整土体中的气泡添加量，其密度可以在0 5 1 6 k g m 3 内进 行调节【12 1 ，而且其密度随着气泡混入率的增加线性降低【”1 。 强度可调节：通过固化材料添加量的改变，其强度可以在3 0 0 1 5 0 0 k p a 的范 围内进行调整【1 2 】。 破坏应变小：其破坏应变只有2 左右，而且随着其密度增加而线性减小【。 流动性高：气泡混合轻质土具有良好的流动性，可通过管道泵送，可进行远距 离施工，也可以在小空间内施工【i ”。 自立性好：由于使用水泥作为固化剂，通常在浇筑5 h 后就会开始固化，且固 化后可以自立，可进行垂直填土，对挡土结构物几乎没有推挤力【1 2 1 。 耐久性：属水泥类材料，与高分子材料相比，其耐久性、耐热及抗油污能力强， 具有与水泥材料同等的耐久性【1 2 】。 隔热性：气泡混合轻质土中含有大量的气泡，这些气泡是热的不良导体，所以 气泡混合轻质土具有良好的隔热性【1 “。 但是，气泡混合轻质土也存在一个很大的弱点，即制作难度大，如果配合比选择 不当，或者气泡性质不稳定，气泡混和轻质土就会发生明显的收缩，对工程造成危害 1 钔。 ( 4 ) e p s 颗粒混合轻质土 e p s 颗粒混合轻质土是将原料土、e p s 颗粒、固化材料和水混合搅拌均匀后，经 固化作用形成的一种改性土。其原料土可以采用砂土、粘土、工程废弃土、疏浚淤泥 第一章绪沦 等；e p s 颗粒可以采用发泡聚苯乙烯球粒或破碎的废旧泡沫塑料颗粒：固化材料可以采 用水泥、石灰、固化剂等；水可以是自来水、河湖水或海水。 e p s 颗粒混合轻质土有以下特点： 密度可调节：通过调熬e p s 颗粒的添加量，其密度可以在o 7 1 4 k g m 3 内进 行调节【1 4 1 ，密度随着e p s 颗粒添加量的增加而降低。 强度可调节；通过调整固化材料的添加量，其无侧限抗压强度可以在o 1 5 0 0 k p a 的范围内进行调节。 性质可调= 爷：当水泥添加量为土、砂干重的2 5 时，e p s 颗粒混合轻质士 的强度、变性特性和普通土相近；当水泥添加量增加