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緩沖層是目前隧道面臨軟巖大變形、活動斷層錯斷、大幅值地震等強烈外擾動時的有效防護手段。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題。EPS混凝土在制備過程中由于EPS泡沫密度較小易上浮而導(dǎo)致明顯分層現(xiàn)象。
為此，中國科學院武漢巖土力學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(tǒng)的制備-澆筑-養(yǎng)護流程。隨后通過常規(guī)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(tǒng)研究了新型緩沖材料的物理與力學特性。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級內(nèi)調(diào)配，通過采用不同體積比的SAP顆粒，孔洞率可在30~70%范圍內(nèi)調(diào)配，通過采用不同強度水泥膠凝劑，強度可在1~7MPa內(nèi)調(diào)配，極大方便了根據(jù)緩沖層性能要求設(shè)計緩沖材料配比。SAP混充材料在澆筑時的層析現(xiàn)象不顯著，大體積澆筑時孔洞分布均勻，施工可保障。SAP的內(nèi)養(yǎng)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?jié)B能力優(yōu)于其它多孔混凝土材料。力學測試表明本材料具有脆性力學性質(zhì)，脆-延轉(zhuǎn)換門檻高(>2MPa)，脆性破壞后可消納較大壓縮變形，屈服后強度的迅速跌落，不會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)過了模型試驗的驗證。
研究成果發(fā)表于武漢理工大學學報、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研發(fā)計劃青年科學家項目(編號2023YFB2390400)、水利部重大科技項目課題(SKS-2022103)，國家自然科學基金(52079133,52309123)，水資源工程與調(diào)度全國重點實驗室開放研究基金項目資助(2023SGG07)，水利部水網(wǎng)工程與調(diào)度重點實驗室開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(yīng)力應(yīng)變曲線對比