緩沖層是目前隧道面臨軟巖大變形、活動(dòng)斷層錯斷、大幅值地震等強烈外擾動(dòng)時(shí)的有效防護手段。其中，緩沖材料是緩沖層結構的關(guān)鍵所在，泡沫混凝土和聚苯乙烯泡沫塑料(EPS)混凝土是目前常用的緩沖材料，其緩沖吸能的關(guān)鍵機理是材料需要具備足夠的蜂窩狀孔洞，具有體積壓縮的力學(xué)特性。盡管取得了一定應用，目前的緩沖材料仍具有明顯的缺陷，如大體積泡沫混凝土在大規模澆筑時(shí)其存在底部氣泡性能不穩定、易塌模、填充成本高以及澆筑后填充材料干縮和接頂不足等問(wèn)題。EPS混凝土在制備過(guò)程中由于EPS泡沫密度較小易上浮而導致明顯分層現象。

為此，中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所巖土工程抗震研究團隊基于大粒徑球形高吸水性樹(shù)脂(SAP)的優(yōu)良物理造孔性能，研發(fā)了一種隧道新型脆性緩沖材料。研究團隊首先基于SAP材料的吸釋水特性，探索了系統的制備-澆筑-養護流程。隨后通過(guò)常規物理特征試驗、CT掃描、SEM掃描、單軸壓縮試驗、三軸壓縮、落錘沖擊試驗，系統研究了新型緩沖材料的物理與力學(xué)特性。研究結果表明：采用不同粒徑的SAP顆粒，緩沖材料孔洞尺寸可在mm~cm級內調配，通過(guò)采用不同體積比的SAP顆粒，孔洞率可在30~70%范圍內調配，通過(guò)采用不同強度水泥膠凝劑，強度可在1~7MPa內調配，極大方便了根據緩沖層性能要求設計緩沖材料配比。SAP混充材料在澆筑時(shí)的層析現象不顯著(zhù)，大體積澆筑時(shí)孔洞分布均勻，施工可保障。SAP的內養護作用使得孔洞壁形成致密的鈣礬石“蛋殼”，不易滲水，使得材料等效滲流斷面小，抗滲能力優(yōu)于其它多孔混凝土材料。力學(xué)測試表明本材料具有脆性力學(xué)性質(zhì)，脆-延轉換門(mén)檻高(>2MPa)，脆性破壞后可消納較大壓縮變形，屈服后強度的迅速跌落，不會(huì )將較大的荷載傳遞至隧道二襯，是具有良好潛力的緩沖材料。其緩沖吸能性能經(jīng)過(guò)了模型試驗的驗證。

研究成果發(fā)表于武漢理工大學(xué)學(xué)報、Soil Dynamics and Earthquake Engineering、Mechanics of Advanced Materials and Structures等期刊。研究工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計劃青年科學(xué)家項目(編號2023YFB2390400)、水利部重大科技項目課題(SKS-2022103)，國家自然科學(xué)基金(52079133,52309123)，水資源工程與調度全國重點(diǎn)實(shí)驗室開(kāi)放研究基金項目資助(2023SGG07)，水利部水網(wǎng)工程與調度重點(diǎn)實(shí)驗室開(kāi)放研究基金項目資助(QTKS0034W23291) 等項目的資助。

論文鏈接：

doi:10.3963/j. issn.1671-4431.2023.12.012

doi: 10.3973/j.issn.2096-4498.2023.12.008

圖1??SAP混凝土緩沖材料剖面圖

圖2? 新緩沖材料與泡沫混凝土應力應變曲線(xiàn)對比