武汉岩土所隧道新型缓冲材料研究取得进展

    缓冲层是目前隧道面临软岩大变形、活动断层错断、大幅值地震等强烈外扰动时的有效防护手段。其中，缓冲材料是缓冲层结构的关键所在，泡沫混凝土和聚苯乙烯泡沫塑料(EPS)混凝土是目前常用的缓冲材料，其缓冲吸能的关键机理是材料需要具备足够的蜂窝状孔洞，具有体积压缩的力学特性。尽管取得了一定应用，目前的缓冲材料仍具有明显的缺陷，如大体积泡沫混凝土在大规模浇筑时其存在底部气泡性能不稳定、易塌模、填充成本高以及浇筑后填充材料干缩和接顶不足等问题。EPS混凝土在制备过程中由于EPS泡沫密度较小易上浮而导致明显分层现象。

    为此，中国科学院武汉岩土力学研究所岩土工程抗震研究团队基于大粒径球形高吸水性树脂(SAP)的优良物理造孔性能，研发了一种隧道新型脆性缓冲材料。研究团队首先基于SAP材料的吸释水特性，探索了系统的制备-浇筑-养护流程。随后通过常规物理特征试验、CT扫描、SEM扫描、单轴压缩试验、三轴压缩、落锤冲击试验，系统研究了新型缓冲材料的物理与力学特性。研究结果表明：采用不同粒径的SAP颗粒，缓冲材料孔洞尺寸可在mm~cm级内调配，通过采用不同体积比的SAP颗粒，孔洞率可在30~70%范围内调配，通过采用不同强度水泥胶凝剂，强度可在1~7MPa内调配，极大方便了根据缓冲层性能要求设计缓冲材料配比。SAP混充材料在浇筑时的层析现象不显著，大体积浇筑时孔洞分布均匀，施工可保障。SAP的内养护作用使得孔洞壁形成致密的钙矾石“蛋壳”，不易渗水，使得材料等效渗流断面小，抗渗能力优于其它多孔混凝土材料。力学测试表明本材料具有脆性力学性质，脆-延转换门槛高(>2MPa)，脆性破坏后可消纳较大压缩变形，屈服后强度的迅速跌落，不会将较大的荷载传递至隧道二衬，是具有良好潜力的缓冲材料。其缓冲吸能性能经过了模型试验的验证。

    研究成果发表于武汉理工大学学报、Soil Dynamics and Earthquake Engineering、Mechanics of Advanced Materials and Structures等期刊。研究工作得到了国家重点研发计划青年科学家项目(编号2023YFB2390400)、水利部重大科技项目课题(SKS-2022103)，国家自然科学基金(52079133,52309123)，水资源工程与调度全国重点实验室开放研究基金项目资助(2023SGG07)，水利部水网工程与调度重点实验室开放研究基金项目资助(QTKS0034W23291) 等项目的资助。

论文链接：

doi:10.3963/j. issn.1671-4431.2023.12.012

doi: 10.3973/j.issn.2096-4498.2023.12.008

图1  SAP混凝土缓冲材料剖面图

图2  新缓冲材料与泡沫混凝土应力应变曲线对比