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浅探EPS泡沫塑料在建筑工程中的应用及发展

2020-05-20 738 上传者：管理员

摘要：作为一种具有封闭空腔结构的轻型高分子聚合物材料，EPS具有轻质、高强、隔热以及透水等特性，可以有效地解决在建筑工程中基底重量过大、保温性能差、力学性能不稳定的缺点。但是，由于国内EPS的使用时间不长，对EPS性能及其应用的研究尚存很大的空间。

关键词：
EPS
应用
建筑工程
建筑材料
特性
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聚苯乙烯泡沫(EPS)是聚苯乙烯经发泡聚合而形成的一种封闭空腔结构的轻型高分子聚合物。EPS的独特结构使其具有成本低、重量轻、强度高、稳定性好、耐久性高、防水、导热系数低等特点，在建筑物墙体、道路工程、EPS板材、冷库、地板采暖等众多领域得到了广泛应用。

EPS泡沫塑料是在发泡剂的作用下经预发、熟化和模塑成型而成的一种热塑性材料。图1为EPS的微观物理结构，EPS中每立方分米体积内含有300～600万个独立密闭的空腔，空腔内空气的体积含量达98%以上。图2为EPS泡沫塑料的空腔结构[1]。EPS材料独特的结构特性使得其性能优异而被广泛应用。

图1 EPS的微观物理结构

图2 EPS空腔结构示意图

1、EPS材料的特性

1.1 EPS材料的物理特性

(1）密度

EPS材料的密度是由发泡聚合成型形成的封闭空腔大小决定的，空腔颗粒越大，密度越大。一般情况下，EPS泡沫的密度介于10～40kg/m3之间，工程应用的EPS材料密度为20kg/m3左右，约为普通砾石重量的1/50～1/100。

(2）吸水性

EPS塑料泡沫的吸水量取决于它的形成条件，随着EPS聚合时气泡量造成的EPS塑料泡沫制件密度的升高，水的吸收量和水蒸气的透过率都下降，水蒸气的扩散阻力系数随之扩大。这是由于EPS材料的独立密闭空腔结构是不透水的，水仅能从空腔之间的微小通道进入EPS塑料泡沫内。

(3）导热系数

EPS塑料泡沫的导热系数受密度、含水量及温度的影响。EPS塑料泡沫的导热系数受密度的影响，但并未呈现规律性的变化，即使是相同密度EPS塑料泡沫，其密度并不完全相同，这主要是由于EPS的蜂窝结构内含有98%的空气和2%的聚苯乙烯，具有优良的隔热作用，因此，即使相同密度若蜂窝的大小和质量不一致，其导热性也不同[2]。含水量对EPS塑料泡沫的导热系数影响十分显著，每吸收1%体积的水，其导热系数上升约5%[3,4]。EPS泡沫塑料的导热系数随着环境温度的下降而下降。

1.2 EPS材料的化学性能

(1）化学稳定性

EPS塑料泡沫化学稳定性良好，不会被土壤和微生物降解，但可被汽油溶解。EPS长时间暴露在紫外线照射下，表面会变黄、变脆以及老化。对于上述情况，可在EPS表面涂抹油漆、覆盖层、采取分层处理的方式解决。在室内情况下由于紫外线量很少，EPS塑料泡沫基本不受影响。

(2）使用温度

普通EPS塑料泡沫具有发泡后多孔的结构，内含有残留石油气，自燃温度为490℃，是一种易燃物质。在不受应力的条件下，温度为95℃以下时，EPS材料可正常使用；但在温度接近150℃时，EPS材料将变形融化。泡沫结构的聚苯乙烯是一种非晶体结构材料，从-180℃到95℃，不会表现出结构变化，因此可以在低温长期使用。

1.3 EPS材料的力学特性

1.3.1 基本力学指标

表1为EPS材料的典型力学参数[5]。

表1 EPS材料典型力学参数

1.3.2 压缩性能

EPS材料在受压过程中，变形分为三个阶段，线弹性阶段、屈服阶段和硬化阶段。研究表明，在压缩条件下，即使超出了线弹性范围，EPS仍能保持弹性性质。图3为其典型的应力-应变图。

1.3.3 反复荷载作用下的力学性能

研究表明，EPS材料在反复荷载作用下，其力学性能呈现周期性变化[6]。在达到某一荷载值时进行卸载，其压缩曲线呈现回弹性变化。

1.3.4 密度对EPS材料性能的影响

EPS材料的性能与其密度大小有关，随着EPS材料密度的增加，EPS材料的一些力学性能也相应地增大。表2为各种EPS密度对应的抗压强度和导热系数，数据分析可知，随着EPS密度的增大，其抗压强度也随着增大，但导热系数并未呈现规律性增大或减小[3]。

表2 各种EPS密度、抗压强度和导热系数

EPS塑料泡沫的变形量随负载的增大而增大，弯曲强度、压缩强度和抗拉强度都与其表观密度成正比。

2、建筑工程中的EPS泡沫塑料应用

EPS重量轻、强度高、吸水性低、化学稳定性强等特性,决定了其在建筑工程中的广泛应用。

2.1 EPS在建筑材料中的应用

EPS以其独特的性能，被用于制作建筑EPS板材。EPS板材保温效果好、技术成熟、价格便宜，在建筑材料节能领域具有较大的竞争优势。国内使用较多的EPS板材有彩钢夹芯板、钢丝（板）网轻质夹芯板。此外，将EPS添加于混凝土中制成EPS混凝土，其性能优越性也日渐体现出来。EPS彩钢夹芯板、钢丝（板）网轻质夹芯板两侧喷涂或铺抹水泥砂浆，中间填充EPS保温芯材。该板材既有混凝土建筑材料的高强和耐久性又有木结构材料的灵活性，被广泛应用于工程材料中。国内学者基于安全的思想，研究了用海绵替代EPS材料，用填土量表示压力，研究了不同厚度、不同压力条件下海绵的减荷作用。结果表明，随着海绵厚度的增加，减荷效果增强，即EPS厚度增加会增强减荷效果；随着填土量的增加，减荷效果减弱，即随着压力的增加EPS的减荷效果会减弱，图4为不同厚度海绵的减荷实验图[7]。

图4 不同厚度海绵的减荷实验

2.2 EPS在建筑墙体中的保温应用

EPS板具有优良的保温节能性，被广泛用于屋面保温层和外墙保温。这种EPS墙体是具墙体装饰和保温功能为一体的新型结构墙体，在建筑工程中具有工程造价低、轻质、美观的特点。

2.3 EPS在道路工程中的应用

EPS用于道路工程可以显著地降低软基上填土的沉降，EPS自重轻可减少接触面的侧向压力，减轻刚性结构物应力，提高地基的稳定性。EPS材料用于路堤施工中时，必须平放，EPS块体之间铆接时不能留任何空隙，以防路堤填筑过程中EPS块体的相互错动与移位，造成路面损坏。由于EPS自身的隔热保温特性，用EPS建筑路基，可减少路面冻害现象。此外，在山区陡坡或城市道路中用EPS修建直立挡墙，具有占地面积小，外观美观等优点。

2.4 EPS在冷库的保温隔热应用

在冷库建设中，基础墙体由若干个EPS搭建，建造成本降低，节能省电、墙体结构抗震性能好，使用寿命长且保温效果好。

2.5 EPS在装潢雕刻的应用

EPS塑料泡沫为建筑设计带来崭新的、别样的创意。EPS材料可以很好地匹配性能，可以彼此相容、切割方便，提升建筑工程整体的保温和防水性，美化墙体造型。

2.6 EPS在地下室防水应用

由于EPS材料为独立密闭的空腔，空腔为封闭状结构，空腔互不相通，这种结构保证了其在浸水条件下仍具有良好的隔水隔热性，因此，EPS被广泛应用于地下室防水工程中。

3、目前存在的问题及研究方向

EPS材料隔热性好、自重轻、力学性能好、节能减排，在建筑工程中应用广泛。使用EPS具有诸多的优越性和显著的综合经济效益和社会效益。但由于国内EPS的使用时间不长，对其作用机理研究较少，在使用过程中仍有许多问题需要解决：

(1）研究更加符合行业标准及规范的EPS。(2）研究多应力载荷作用下，EPS性能变化规律，以适应复杂应用环境下轻体结构材料受力分析。(3）研究长期应力载荷及反复应力载荷作用下EPS性能变化，以研究EPS的使用寿命。(4）对于复合EPS材料，加强其复合结构黏结研究，探讨其黏结机理，以制备更高强、更高性能EPS材料。

参考文献：

[1]钟世云,李岩.建筑塑料[M].北京:中国石化出版社,2007.

[2]常儇宇,张金华,王小安,等.常见保温材料密度与导热系数关系的研究[J].研究探索,2009,27(2):66-70.

[5]陈乐怡,张从容,雷燕湘.常用和承诺树脂的性能和应用手册[M].北京:化学工业出版社,2002.

[6]伊哈卜,谢永利,赵丽娅.EPS材料力学性能研究[J].长安大学学报,2010,30(3):18-23.

[7]刘宇冀,从卫民,苏运河.EPS材料减荷效应及工程应用评述[J].中国材料进展,2017,36(9):683-687.

[8]刘冠序,赵光锡,操易霖.材料在建筑工程中的应用[J].设备材料,2009(3):45-47.

[9]胡海英,张玉成,乔有梁.EPS材料的特性及其在路桥工程中的应用[J].广东水利水电,2009,7(7):23-27.

[10]樊晓辉.浅淡节能墙体新宠—EPS外保温技术[J].房材及应用,2001,29(3):15-16.

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[11]杨锦,秦凯.EPS外保温新型建筑材料质量要求及使用中应注意的问题[J].中国建材,2002(5):31-34.

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