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        公路路基擠塑聚苯乙烯泡沫塑料板路用性能研究

        2022-07-13 02:03:12王新穎
        交通世界 2022年17期
        關(guān)鍵詞:隔熱板泡沫塑料聚苯乙烯

        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,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,融沉等級為Ⅱ~Ⅲ級,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

        對擠塑聚苯乙烯泡沫塑料板材開展隔熱功效測試。選用單片保護(hù)熱板裝置,平均溫度為25℃±2℃,測試溫差為15~25℃,測得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,測量其寬度、長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。

        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,因線形簡單,擠塑聚苯乙烯泡沫塑料板接搭亦很簡單。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讚Q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,路基的穩(wěn)定性較高,與對比路段相比,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。

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