緩沖層是目前隧道面臨軟巖大變形、活動(dòng)斷層錯(cuò)斷、大幅值地震等強(qiáng)烈外擾動(dòng)時(shí)的有效防護(hù)手段。其中，緩沖材料是緩沖層結(jié)構(gòu)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(jī)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(yīng)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(guī)模澆筑時(shí)其存在底部氣泡性能不穩(wěn)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(dǎo)致明顯分層現(xiàn)象。

為此，中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所巖土工程抗震研究團(tuán)隊(duì)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(tuán)隊(duì)首先基于SAP材料的吸釋水特性，探索了系統(tǒng)的制備-澆筑-養(yǎng)護(hù)流程。隨后通過(guò)常規(guī)物理特征試驗(yàn)、CT掃描、SEM掃描、單軸壓縮試驗(yàn)、三軸壓縮、落錘沖擊試驗(yàn)，系統(tǒng)研究了新型緩沖材料的物理與力學(xué)特性。研究結(jié)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(jí)內(nèi)調(diào)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(nèi)調(diào)配，通過(guò)采用不同強(qiáng)度水泥膠凝劑，強(qiáng)度可在1~7MPa內(nèi)調(diào)配，極大方便了根據(jù)緩沖層性能要求設(shè)計(jì)緩沖材料配比。SAP混充材料在澆筑時(shí)的層析現(xiàn)象不顯著，大體積澆筑時(shí)孔洞分布均勻，施工可保障。SAP的內(nèi)養(yǎng)護(hù)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?jié)B能力優(yōu)于其它多孔混凝土材料。力學(xué)測(cè)試表明本材料具有脆性力學(xué)性質(zhì)，脆-延轉(zhuǎn)換門檻高(>2MPa)，脆性破壞后可消納較大壓縮變形，屈服后強(qiáng)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(yàn)的驗(yàn)證。

研究成果發(fā)表于武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)、Soil Dynamics and Earthquake Engineering、Mechanics of Advanced Materials and Structures等期刊。研究工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃青年科學(xué)家項(xiàng)目(編號(hào)2023YFB2390400)、水利部重大科技項(xiàng)目課題(SKS-2022103)，國(guó)家自然科學(xué)基金(52079133,52309123)，水資源工程與調(diào)度全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放研究基金項(xiàng)目資助(2023SGG07)，水利部水網(wǎng)工程與調(diào)度重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放研究基金項(xiàng)目資助(QTKS0034W23291) 等項(xiàng)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(yīng)力應(yīng)變曲線對(duì)比