邵成健，徐永福，楊同帥，付 苗

（上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240）

0 引言

聚苯乙烯泡沫（Expanded Polystyrene，EPS）是一種輕型高分子聚合物，它是采用聚苯乙烯樹脂加入發(fā)泡劑，同時(shí)加熱進(jìn)行軟化并產(chǎn)生氣體而形成的一種硬質(zhì)閉孔結(jié)構(gòu)的泡沫塑料。因其具有質(zhì)輕、力學(xué)性能好、自立性和耐久性強(qiáng)、施工方便、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)解決路堤失穩(wěn)、橋頭跳車、路基凍害和新老路基拼接等問題有良好的處理效果，目前廣泛運(yùn)用于建筑和包裝行業(yè)中［1-4］。

關(guān)于EPS 泡沫的力學(xué)性能，目前國內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了詳細(xì)的試驗(yàn)研究，并得到了許多有用的成果［5］。熊志遠(yuǎn)等［6］研究了密度和應(yīng)變率對(duì)EPS 泡沫準(zhǔn)靜態(tài)壓縮力學(xué)行為的影響，并指出EPS 的密度與其屈服強(qiáng)度呈線性關(guān)系，同一密度的EPS 在不同加載速率下其線彈性模量基本不變而屈服強(qiáng)度隨加載速率增大而增加。Vaitkus等［7］通過對(duì)不同尺寸的EPS 泡沫板進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，提出了EPS 泡沫出現(xiàn)應(yīng)力松弛時(shí)其衰減因數(shù)表達(dá)式。王志亮等［8］對(duì)EPS 泡沫沖擊壓縮和吸能特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，認(rèn)為泡沫初始密度和加載應(yīng)變率對(duì)EPS 泡沫的吸能和沖壓特性具有較大影響。Chen 等［9］研究了兩種不同密度的EPS 泡沫在準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)荷載作用下其力學(xué)特性，指出EPS 泡沫的靜力強(qiáng)度和彈性模量隨密度增加而增大，抗拉強(qiáng)度和屈服應(yīng)變?cè)趧?dòng)荷載作用下均隨應(yīng)變率增加而增大。毛快等［10］在室溫環(huán)境下對(duì)三種不同密度的EPS泡沫進(jìn)行單軸壓縮蠕變?cè)囼?yàn)，認(rèn)為同密度的EPS 其蠕變量值隨著應(yīng)力水平的增大而增大，同應(yīng)力水平下的EPS其蠕變量隨著密度的增大而減小，并在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出了包含密度影響的EPS 壓縮蠕變模型。盡管在EPS泡沫的強(qiáng)度和變形特性方面［11-13］，國內(nèi)外學(xué)者都做了較多的研究，大多是從不同密度考慮，但是關(guān)于尺寸效應(yīng)和加載速率對(duì)EPS 力學(xué)性能的影響的研究較少［14-15］。

鑒于上述問題，本文通過對(duì)不同尺寸的EPS 泡沫試樣進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，研究其不同加載速率情況下試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，屈服強(qiáng)度和初始彈性模量與尺寸、加載速率的關(guān)系，為更全面掌握EPS 泡沫的力學(xué)性能提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)測(cè)試

1.1 試驗(yàn)材料

本文試驗(yàn)測(cè)試的材料為南京鱷魚節(jié)能科技有限公司生產(chǎn)的普通聚丙乙烯泡沫，試樣密度為15.22 kg／m3，邊長D分別為200、100、50 mm 的立方體，如圖1所示。

圖1 不同尺寸試驗(yàn)材料

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

圖2 所示為EPS 的單軸壓縮試驗(yàn)測(cè)試用MTS＼SANS電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)，荷載最大量程為300 kN，可以自動(dòng)采集軸向荷載和位移值，測(cè)量精度為±1%。EPS試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線由下式計(jì)算得到：

圖2 液壓伺服試驗(yàn)機(jī)

式中：σ為應(yīng)力，kPa；F為作用在試塊上的力，kN；A為試樣接觸面積，m2；ε為應(yīng)變，%；Δl和l分別為試樣的壓縮變形量和垂直高度，mm。

1.3 試驗(yàn)方法

在常溫下，對(duì)不同尺寸的EPS 泡沫立方體的試樣，分別以10、20、40 mm／min 的加載速率進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，每個(gè)尺寸的試樣在同一加載速率下需進(jìn)行3次試驗(yàn)。

如圖3 所示為本文測(cè)試試驗(yàn)中EPS 泡沫屈服強(qiáng)度及彈性模量取值圖，初始彈性模量取應(yīng)力-應(yīng)變曲線中線彈性階段的斜率；將EPS泡沫產(chǎn)生10%應(yīng)變時(shí)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力作為屈服強(qiáng)度，這與國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于EPS泡沫強(qiáng)度的定義方法是一致的［5］。

圖3 EPS泡沫屈服強(qiáng)度及彈性模量取值

2 結(jié)果與討論

2.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖4 所示為EPS 泡沫試樣在無側(cè)限單軸壓縮情況下其應(yīng)力-應(yīng)變曲線，由圖可知，試樣在受壓變形過程中經(jīng)歷3 個(gè)階段：

圖4 EPS泡沫試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線

（1）OA段，線彈性階段。加載初期，EPS 泡沫的應(yīng)力與應(yīng)變呈線性關(guān)系，這主要是由于材料本身內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成的，材料內(nèi)部封閉氣體產(chǎn)生微小變形，而其本身內(nèi)部封閉氣體的空腔結(jié)構(gòu)并未發(fā)生破壞。

（2）AB段，塑性屈服平臺(tái)階段。隨著荷載的增加，應(yīng)力達(dá)到彈性極限并繼續(xù)增加，試樣開始出現(xiàn)屈服破壞，EPS泡沫顆粒的空腔結(jié)構(gòu)開始逐漸破裂。這一階段，應(yīng)變?cè)黾虞^快而應(yīng)力增加較小。

（3）BC段，硬化階段。隨著EPS 泡沫顆粒不斷破裂，試樣中氣體含量逐漸減小，繼續(xù)加載，開始出現(xiàn)應(yīng)力急劇增大而應(yīng)變?cè)黾又饾u緩慢的現(xiàn)象。

圖5 所示為不同加載速率下邊長為100 mm 的EPS泡沫的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，從圖中可以明顯看出，加載速率對(duì)EPS泡沫材料的應(yīng)力大小有明顯影響，加載速率越大，相同應(yīng)變對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值也就越大。但是其應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化規(guī)律都是一致的，都經(jīng)歷了線彈性、塑性屈服平臺(tái)和硬化3 個(gè)階段。

圖5 不同加載速率下EPS泡沫的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖6 所示為在加載速率為20 mm／min 情況下，3種不同尺寸的EPS 泡沫在無側(cè)限單軸壓縮下得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。由圖可知，尺寸因素對(duì)EPS泡沫試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線有較大影響，尺寸越大，相同應(yīng)變所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值也就越大。但是對(duì)于不同尺寸的試樣，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化規(guī)律均一致。

圖6 不同尺寸下EPS泡沫的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.2 屈服強(qiáng)度

圖7 所示為不同加載速率及不同邊長立方體尺寸下EPS泡沫的屈服強(qiáng)度的變化規(guī)律。

圖7 EPS泡沫的屈服強(qiáng)度

（1）不同加載速率。由圖7（a）可知，同一尺寸的試樣在無側(cè)限單軸壓縮情況下，加載速率越大，屈服強(qiáng)度越高。以邊長為200 mm 的試塊為例，當(dāng)加載速率分別為10、20、40 mm／min時(shí)，其屈服強(qiáng)度的平均值分別為79.28、85.68、95.68 kPa，加載速率為20 mm／min的試樣屈服強(qiáng)度σs比速率為10 mm／min的大8.1%，加載速率為40 mm／min 的試樣平均屈服強(qiáng)度比速率為20 mm／min 的要大11.67%，說明加載速率對(duì)EPS泡沫屈服強(qiáng)度大小的影響明顯。分析其原因，主要是由于加載速度越大，塑性變形也就越快，變形后的材料儲(chǔ)能越高，應(yīng)變硬化率越高，導(dǎo)致材料本體硬度提高，屈服強(qiáng)度增大。

（2）不同邊長立方體樣品。由圖7（b）可知，尺寸對(duì)EPS泡沫試樣的屈服強(qiáng)度有明顯影響，尺寸越大，屈服強(qiáng)度越高。以加載速率為20 mm／min 為例，邊長為50、100、200 mm 的試樣其平均屈服強(qiáng)度分別為78.82、84.67、93.68 kPa，尺寸為100 mm 的試樣平均屈服強(qiáng)度比尺寸為50 mm的試樣大7.42%，而尺寸為200 mm的試樣平均屈服強(qiáng)度比尺寸為100 mm 的試樣高10.64%，說明EPS 泡沫試樣的屈服強(qiáng)度隨尺寸增大而增大。

2.3 彈性模量

EPS泡沫是一種特殊材料，在荷載單軸壓縮下，其應(yīng)力大小一直增加，試樣經(jīng)歷了彈性、屈服和硬化階段，當(dāng)應(yīng)力大小超過彈性極限后，隨著荷載不斷增加，其彈性模量大小先減小后一直不斷增大。圖8 所示為不同加載速率及不同邊長立方體尺寸下EPS 泡沫的初始彈性模量的變化規(guī)律。

（1）不同加載速率。由圖8（a）可知，對(duì)于同一尺寸的EPS 泡沫試樣，加載速率對(duì)其彈性模量影響較小。以邊長為200 mm的試樣為例，在加載速率為10、20、40 mm／min時(shí)，EPS泡沫試樣的平均彈性模量分別為3.45、3.55、3.88 MPa，加載速率為20 mm／min比10 mm／min的平均彈性模量大3.1%，40 mm／min 比20 mm／min的平均彈性模量大9.1%，說明加載速率對(duì)EPS泡沫的初始彈性模量影響并不明顯。

圖8 EPS泡沫的初始彈性模量

（2）不同邊長立方體樣品。由圖8（b）可知，對(duì)于同一加載速率的情況下，尺寸越大，EPS泡沫的初始彈性模量也就越大。以加載速率為20 mm／min 為例，邊長為50、100、200 mm 的立方體試樣其平均初始彈性模量分別為1.97、3.2、3.56 MPa，邊長為100 mm的試樣平均初始彈性模量比邊長為50 mm 的試樣大63.28%，邊長為200 mm的試樣平均初始彈性模量比邊長為100 mm的試樣大10.6%，說明EPS 泡沫的初始彈性模量與試樣尺寸密切相關(guān)。

3 結(jié)語

本文通過對(duì)不同尺寸的EPS 泡沫在不同的加載速率下進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果表明：EPS泡沫在單軸壓縮情況下，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線主要經(jīng)歷3 個(gè)階段為線彈性、塑性屈服平臺(tái)和硬化階段；對(duì)于同一尺寸的試樣，EPS泡沫的屈服強(qiáng)度隨加載速率增大而增大，而彈性模量大小受加載速率影響較小，其值基本保持不變；在同一加載速率情況下，EPS泡沫的屈服強(qiáng)度和彈性模量均隨試樣尺寸的增加而顯著增加。

未來進(jìn)一步可從微觀角度研究材料結(jié)構(gòu)及其在荷載作用下的破壞機(jī)理，便于全面掌握EPS的性能。