不同连接形式对EPS泡沫力学特性的影响

Effect of Different Connection Forms on Mechanical Properties of EPS Foams

摘要

为了研究密度和连接方式对聚苯乙烯泡沫（EPS）力学特性的影响，通过直径为2 mm的钢丝将两块边长为100 mm的EPS泡沫立方体连接起来。在相同加载速率下，用液压伺服试验机分别对不同连接方式的EPS试样进行单轴压缩试验，取得不同密度、不同连接方式下EPS试样的单轴压缩应力-应变曲线，分析不同连接方式对EPS试样在不同应变下对应的压缩强度和弹性模量的影响。结果表明：在单轴压缩作用下，不同连接方式的EPS试样应力-应变曲线变化规律基本一致，分为初始密实、弹性和塑性屈服三个阶段。连接方式对EPS试样在不同应变下对应的压缩强度影响较大，其中连接方式为四周的压缩强度最高，其他依次为上下、前后、前方、上方和无连接。不同连接方式对EPS试样的弹性模量影响较小。连接方式为四周的EPS试样能量吸收率最大，其次为上下连接和前后连接，最小的为无连接。

Abstract

To investigate the effects of density and connection form on the mechanical properties of expanded polystyrene (EPS) foam, two EPS cubic specimens with side lengths of 100 mm were connected using steel wires with a diameter of 2 mm. Under identical loading rates, uniaxial compression tests were conducted on EPS specimens with different connection configurations using a hydraulic servo testing machine, and the uniaxial compression stress-strain curves of EPS specimens under various densities and connection forms were obtained. The influence of different connection forms on the compressive strength and elastic modulus of EPS specimens at various strain levels was analyzed. The results indicated that the stress-strain curves of EPS specimens with different connection forms under uniaxial compression exhibited essentially consistent variation patterns, which could be divided into three stages: Initial densification, elasticity, and plastic yielding. The connection form exerted a significant influence on the compressive strength of EPS specimens at different strains, among which the peripheral connection configuration yielded the highest compressive strength, followed in descending order by the top-bottom, front-rear, front-only, top-only, and no-connection configurations. The influence of different connection forms on the elastic modulus of EPS specimens was relatively minor. The EPS specimen with peripheral connection exhibited the maximum energy absorption rate, followed by the top-bottom connection and front-rear connection, while the no-connection configuration demonstrated the minimum energy absorption rate.

Graphical abstract

关键词

EPS泡沫 / 连接方式 / 单轴压缩 / 力学特性 / 能量吸收率

Key words

EPS foam / Connection forms / Uniaxial compression / Mechanical properties / Energy absorption rate

聚苯乙烯泡沫(EPS)因质轻、比强度高、缓冲性能优异等优点被广泛应用于包装、建筑保温及交通防护领域^[1-6]，同时也应用于工程材料领域^[5,7-9]。关于EPS泡沫的力学特性与工程应用，国内外研究人员已开展了大量试验与理论研究。相关研究人员探究了尺寸效应和加载速率对EPS泡沫单轴受压性能的影响，发现相同尺寸下EPS泡沫的屈服强度随加载速率的增大而提高，相同加载速率下屈服强度和弹性模量随试件尺寸的增大而增大^[10-11]。刘韵等^[12]重点研究了EPS泡沫的压缩力学性能与吸能特性。结果表明，其压缩应力、屈服强度和弹性模量随加载速率的增大呈非线性提高，吸能密度随材料密度与加载速率的增加而增大。倪政东^[13]以东南沿海某工程为例，通过数值模拟研究EPS泡沫板和碎石土作为挡土墙填料对其位移与稳定性的影响。结果表明，EPS泡沫板可显著降低侧限土压力，有利于提高挡土墙整体稳定性。邹维列等^[14]通过模型试验与理论分析，研究EPS对膨胀土挡土墙的减压作用，发现EPS厚度越大且密度越小，减压效果越显著。MALAI等^[15]采用案例研究与三维模拟，探讨EPS泡沫作为回填材料控制桥梁基础沉降的效果。结果表明，EPS填充后100 d，地面沉降趋于稳定，基于时变刚度的三维有限元分析可有效预测其长期沉降行为。YU等^[16]以陶粒和EPS泡沫颗粒为保温骨料制备复合保温砂浆，分析纤维含量、长度和类型对抗裂性能的影响。结果表明，掺入纤维和EPS泡沫可有效提高砂浆的抗裂与保温性能。KRUNDAEVA等^[17]对EPS泡沫进行静态与动态压缩及压碎试验，表征高应变率下的材料响应，获得了泡沫的本构模型，可用于模拟自行车头盔上的动态荷载。OZTURK等^[18]对EPS泡沫在多次压缩加载与卸载条件下的力学行为进行有限元分析。结果表明，ABAQUS和LS-DYNA对单次加载下的应力-应变曲线和缓冲曲线均具有较高的预测精度。此外，国外研究人员还将EPS与轻质土或混凝土混合，开发新型轻质填料与保温材料，应用于基坑回填、墙体保温等工程^[19-23]。

在实际工程中，EPS泡沫构件常通过连接形成复合结构，不同连接形式可能改变其力学响应。现有研究多聚焦于EPS泡沫的本构行为，对其连接界面影响的研究相对较少。本文对比不同连接方式下EPS泡沫的压缩性能，揭示密度和连接方式对其力学特性的影响规律。

1 实验部分

1.1 主要原料

普通聚苯乙烯泡沫(EPS19和EPS30)，密度分别为19 kg/m³和30 kg/m³，尺寸为100 mm的立方体，上海韬轶包装材料有限公司；连接用钢丝，总长度为200 mm，直径为2 mm，其中两端插入EPS试验深度分别为50 mm，上海百烁金属制品有限公司。

1.2 仪器与设备

SANS多场耦合微机电液伺服试验机，CDT1305-2，新三思(SANS)(深圳)实验设备有限公司。该设备可以自动采集荷载及位移等信息，最大试验荷载300 kN，试验机数据采集精度为±1%。

1.3 样品制备

试验前，首先用钢丝对两个边长100 mm的EPS泡沫立方体进行不同方式的连接，每种连接方式3个试件。连接方式分为无连接、上方连接、上下连接、前方连接、前后连接和四周连接。图1为不同连接方式下的EPS试样。为了保证试件均匀受压，在试件上下分别放置一块厚度为5 mm、边长为150 mm的钢板，试件位于钢板中心位置。

1.4 性能测试与表征

静态压缩试验在常温常压环境下进行。采用位移控制方式加载，加载速率为40 mm/min。为了保证试验数据和结果的可靠性，每种不同连接方式分别制备3个试样进行单轴压缩试验。基于连接钢丝插入EPS泡沫试样深度，设定每个试件的轴向压缩位移达到45 mm时立即停止加载。

2 结果与讨论

2.1 应力-应变曲线

图2为不同连接方式下EPS试样的应力-应变曲线。从图2可以看出，在轴压荷载作用下，不同连接方式的EPS泡沫块体应力-应变曲线变化规律基本一致，其压缩过程可分为初始密实、弹性压缩和塑性屈服平台3个阶段。

在初始密实阶段，在荷载作用下，不同连接方式的EPS块体应力随应变的增加而缓慢增长，不同连接方式在此阶段对其应力-应变曲线影响较小。这是因为在加载初期，EPS试件和钢板之间存在微小间隙，随着加载的不断进行，微小间隙被密实。在弹性阶段，应力-应变曲线基本呈线性增长，但是不同密度、不同连接方式条件下弹性阶段应力最大值对应的应变有所差异。对于密度为19 kg/m³的EPS块体，连接方式为无、上方、前方和前后的试样在弹性阶段应变最大值为2.5%，而连接方式为上下和四周的试样在弹性阶段应变为3.8%；对于密度为30 kg/m³的EPS块体，连接方式对其在弹性阶段应变最大值的影响较小。在塑性屈服平台阶段，应变快速增加，而应力增加较为缓慢，从应力增长速率来看，连接方式的影响较小，此阶段EPS泡沫内部空腔结构压缩变形显著。

2.2 压缩强度

图3为不同连接方式下EPS试样的压缩强度。从图3a可以看出，对于密度为19 kg/m³的EPS块体，压缩强度从低到高的连接方式依次为无、上方、前方、前后、上下、四周。以3%应变对应的压缩强度为例，连接方式为无、上方、前方、前后、上下、四周的EPS泡沫块体在此应变下压缩强度分别为73.00、80.61、86.22、92.83、104.64、113.09 kPa，EPS连接方式为上方连接的试件3%应变对应的压缩强度比无连接试件的压缩强度高10.42%，上下连接的压缩强度比前后连接高12.72%，四周连接的压缩强度比上下连接高8.07%。

从图3b可以看出，在不同连接方式下，密度为30 kg/m³的EPS块体不同应变对应的压缩强度变化曲线的变化规律同EPS19的试样基本一致。在相同应变条件下，压缩强度从低到高的连接方式依次为无、上方、前方、前后、上下和四周。以3%应变对应的压缩强度为例，连接方式为无、上方、前方、前后、上下、四周的EPS30试样在此应变下压缩强度分别为178.84、185.39、204.76、192.45、198.88、214.07 kPa，EPS30连接方式为上方的试件3%应变对应的压缩强度比无连接高3.66%，上下连接的压缩强度比前后连接高3.34%，四周连接的压缩强度比上下连接高7.64%。不同的是，对于EPS30试样，不同连接方式试件在相同应变下的压缩强度影响比EPS19的小。主要是由于EPS19试样比EPS30的刚度小，在相同荷载作用下抵抗变形的能力较差，通过钢丝将EPS试件以不同形式连接起来，密度低的EPS试样刚度得到较大幅度的增加，抵抗变形的能力得到提升。

2.3 弹性模量

图4为不同连接方式下EPS试样的弹性模量。从图4可以看出，对于EPS19试样，连接方式为无、上方、上下、前方、前后和四周条件下试样的弹性模量分别为3.42、3.26、3.46、3.26、3.34、3.53 MPa，连接方式为四周的试样弹性模量最大，但仅比最小的弹性模量高8.28%。从结果来看，不同连接方式对EPS19试样的弹性模量影响较小，不同连接方式下的EPS19试样弹性模量相差无几。对于EPS30试样，连接方式为无、上方、上下、前方、前后和四周条件下试样的弹性模量分别为10.26、10.53、10.97、10.75、10.88、10.92 MPa，连接方式为上下的试样弹性模量最大，但也仅比最小的无连接试样弹性模量高6.92%。从结果来看，不同连接方式对EPS30试样的弹性模量影响较小。

2.4 能量吸收率(Q)

Q是衡量泡沫吸收冲击能量的效率，数值越高，保护效果越好，其值直接与材料的应力-应变关系有关。其计算公式^[24]一般可表示为：

Q={\int }_{\mathrm{0}}^{\epsilon }\sigma \mathrm{d}\epsilon(1)

式(1)中：Q为EPS泡沫的能量吸收率，即为有效压缩距离内试样的应力-应变曲线与水平坐标轴围成的面积，J/m³；ε为当前应变，%；σ为当前应力，Pa。

根据式(1)可获得EPS19和EPS30各试样在轴压应变为40%时不同钢丝连接条件下的Q。

图5为不同连接方式下EPS试样的Q。从图5可以看出，对于EPS19的试样，Q从高到低的连接方式依次为四周、上下、前后、上方、前方和无连接。四周连接的EPS19试样Q最高，为5 009.10 J/m³；无连接的EPS19试样Q最小，为4 064.83 J/m³；连接方式为上下和前后的EPS试样Q分别为4 656.54 J/m³和4 637.24 J/m³，上下连接的EPS19试样Q仅比前后连接的高0.42%，说明这两种连接方式对EPS19试样的Q基本一致。对于EPS30试样，Q从高到低的连接方式依次为四周、上下、前后、前方、上方和无连接。四周连接的EPS30试样Q最高，为10 008.52 J/m³；无连接的EPS30试样Q最小，为6 812.22 J/m³；连接方式为上下的EPS30试样Q为9 751.65 J/m³，仅比四周连接的EPS30试样低2.57%。

3 结论

本研究通过对不同密度、不同连接方式下的EPS试样进行单轴压缩试验，重点研究密度和连接方式对EPS试样的应力-应变曲线的影响以及密度和连接方式对不同应变下对应的压缩强度和弹性模量的影响，得到以下结论：(1)密度和连接方式对EPS试样在单轴压缩下的应力-应变曲线变化影响较小，均呈现初始密实阶段、弹性阶段和塑性屈服平台3个阶段。(2)对于相同密度的EPS试样，连接方式对其在不同应变对应的压缩强度影响较大，其中连接方式为四周的试样压缩强度最高，其他依次为上下、前后、前方、上方和无连接；对于相同连接方式的EPS试样，密度越小，对其在不同应变下对应的压缩强度影响越大。(3)连接方式对EPS试样的弹性模量影响较小，相同连接方式下，密度高的试样弹性模量高于密度低的试样。(4)连接方式对EPS试样的Q影响较大，四周连接的试样Q最大，其次为上下和前后连接，最小的为无连接。

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基金资助

上海交通大学实验室规范化示范项目(SYSGFH2024-018)

上海交通大学决策咨询课题项目(JCZXSJB2023-29)