一种陶粒橡胶复合吸能材料及其制备方法与应用

本发明属于吸能材料，具体涉及一种陶粒橡胶复合吸能材料及其制备方法与应用。

背景技术：

1、软岩隧道挤压大变形是地下工程施工中公认的难题，在高地应力、强流变软弱地层隧道开挖后，围岩将产生持续、收敛量巨大的挤压变形，极易引发钢拱架扭曲失稳、二次衬砌开裂、剥落乃至整体支护结构破坏。

2、传统刚性支护体系仅侧重承载，无法同步实现围岩应力释放与变形协调，难以适配软岩大变形的防控需求。目前工程上主流处置手段包括布设可压缩钢支撑、提前预留围岩变形量等，整体仍以刚性承载结构为核心、柔性卸压措施作为辅助手段，卸压缓冲能力有限，无法充分耗散围岩集聚的高地应力，服役过程中二次衬砌易受压开裂、破损，严重时诱发支护整体失稳。传统柔性缓冲材料多为单一橡胶、泡沫材料或纯陶粒制品，单一橡胶材料刚度偏低、长期蠕变变形过大，支撑承载力不足；纯陶粒脆性大、变形协调能力差，受压易破碎失效，二者均无法兼顾稳定支撑与大变形吸能双重效果；将二者进行复合理论上能够实现兼顾稳定支撑与大变形吸能，但陶粒与橡胶基体界面结合力弱，受力后易出现两相剥离，大幅降低材料吸能效率；同时材料刚度、变形量难以精准调控，难以匹配不同地层软岩的流变速率与挤压荷载，且地下隧道长期渗水、腐蚀、冻融复杂环境下，复合材料力学与吸能性能衰减显著，长效卸压支护效果难以保障。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种陶粒橡胶复合吸能材料及其制备方法与应用，从而克服现有技术的不足，该材料能够在受压条件下发生压缩变形，吸收围岩释放的变形能和应力，用于降低软岩隧道围岩大变形对二次衬砌的不利影响。

2、为了实现上述目的，本发明的技术方案为：

3、第一方面，本发明提供了一种陶粒橡胶复合吸能材料，按质量份数计由以下组分组成：橡胶颗粒300-400份、页岩陶粒150-250份、偏高岭土100-200份、水泥80-120份、水80-120份和乳胶粉2-10份。

4、该陶粒橡胶复合吸能材料中的水泥与偏高岭土作为高强度低脆性无机胶凝基体，橡胶颗粒与页岩陶粒形成多级吸能骨架，乳胶粉改善骨架与基体两相界面结合强度，形成稳定水化成型体系。

5、第二方面，本发明提供了陶粒橡胶复合吸能材料的制备方法，包括以下步骤：

6、将页岩陶粒放入水浸泡，浸泡完成后捞出并去除表面的水，得到预处理后的页岩陶粒；

7、将偏高岭土、水泥、橡胶颗粒、乳胶粉和预处理后页岩陶粒搅拌混匀，制得干燥粉料；

8、将水加入干燥粉料中搅拌混匀，制得陶粒橡胶复合材料拌合物；

9、把陶粒橡胶复合材料拌合物加入模具中进行养护，养护完成后脱模，即得陶粒橡胶复合吸能材料。

10、该制备方法步骤简单、易操作、无需复杂设备，适合批量制备。

11、第三方面，本发明提供了陶粒橡胶复合吸能材料在软岩隧道大变形控制中的应用。

12、该陶粒橡胶复合吸能材料兼具可控支撑刚度、大变形协调吸能能力与优良密实抗渗性能，适配软岩隧道支护界面长期高地应力流变卸压服役需求。

13、第四方面，本发明提供了一种软岩隧道大变形控制的方法，将陶粒橡胶复合吸能材料铺设于软岩隧道围岩与初期支护之间及初期支护与二次衬砌之间。陶粒橡胶复合吸能材料在软岩围岩持续挤压作用下能够逐级吸收应力和变形能，降低传递至二次衬砌的荷载峰值，进而达到保护二次衬砌的效果。

14、本发明的有益效果：

15、（1）橡胶组分提供弹性变形和回复能力，陶粒组分提供空隙压密、局部破碎及骨架调控的作用，从而使材料在软岩围岩持续挤压作用下能够逐级吸收应力和变形能，降低传递至二次衬砌的荷载峰值，进而达到保护二次衬砌的目的。

16、（2）该制备方法先对页岩陶粒进行饱和面干预处理，可避免多孔陶粒大量吸收拌和水破坏体系水胶比，保障胶凝材料充分水化；采用干料预混再加水拌合，能够让偏高岭土、水泥、乳胶粉、橡胶颗粒与预处理页岩陶粒充分均匀分散，有效减少局部组分聚集、界面缺陷等问题，提升复合体系整体性；将拌合物直接入模一体成型后统一养护，成型工序简单连贯，无需复杂压片、烧结等特殊设备，工艺可控性强、便于现场批量施工成型，养护硬化后即可形成界面结合牢固。

1.一种陶粒橡胶复合吸能材料，其特征在于，按质量份数计由以下组分组成：橡胶颗粒300-400份、页岩陶粒150-250份、偏高岭土100-200份、水泥80-120份、水80-120份和乳胶粉2-10份。

2.如权利要求1所述的陶粒橡胶复合吸能材料，其特征在于，所述橡胶颗粒的粒径为2-4；所述页岩陶粒的粒径为2-5，堆积密度为350-450kg/m3。

3.如权利要求1所述的陶粒橡胶复合吸能材料，其特征在于，所述偏高岭土的粒径为1200-1300目；所述水泥为po42.5硅酸盐水泥。

4.如权利要求1所述的陶粒橡胶复合吸能材料，其特征在于，所述陶粒橡胶复合吸能材料的抗压强度≥0.2mpa。

5.一种权利要求1-4任一项所述的陶粒橡胶复合吸能材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

6.如权利要求5所述的陶粒橡胶复合吸能材料的制备方法，其特征在于，浸泡的时间为0.5-1.5h，搅拌混匀的时间为2-3min。

7.如权利要求5所述的陶粒橡胶复合吸能材料的制备方法，其特征在于，所述养护为先在室温下养护40-50h后进行脱模，然后放入标准养护室中养护10-15天。

8.一种权利要求1-3任一项所述的陶粒橡胶复合吸能材料在软岩隧道大变形控制中的应用。

9.一种软岩隧道大变形控制的方法，其特征在于，将权利要求1-4任一项所述的陶粒橡胶复合吸能材料铺设于初期支护与二次衬砌之间。

10.如权利要求9所述的软岩隧道大变形控制的方法，其特征在于，所述陶粒橡胶复合吸能材料为片状结构。