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目前，我国地下交通隧道工程已经步入大规模建设时期，其中有不少是采用盾构工法修建的盾构隧道，而作为盾构隧道衬砌结构主体的管片，同时也是盾构隧道的防水抗渗主体，管片的抗渗性能对盾构隧道的耐久性和服役寿命具有决定性的影响，因此，开展管片材料的设计与性能研究，对提高管片的抗渗性能具有重要的意义。本论文从功能梯度材料设计原理角度出发，并应用于盾构管片材料设计。根据材料学原理和施工工艺，制备出具有较高早期强度和高抗渗性能的材料。其技术核心为：高抗渗材料的设计与研究；梯度混凝土（Gradient Structural Concrete，以下简称为GSC）材料渗透性能及其评价方法的研究。主要工作及研究成果如下：根据混凝土耐久性与渗透性的关系及混凝土材料破坏的原理，对高抗渗材料进行了三组份设计：密实填充组份、抗裂功能组份、界面强化组份。其中密实填充组份采用三元胶凝材料体系设计，依据不同胶凝材料的次第水化效应，满足早期强度及长期耐久性的要求；抗裂功能组份采用有机混杂纤维和化学减缩材料复合使用，正交试验结果及单因素试验结果均显示，聚丙烯纤维加入硅灰混凝土中，对混凝土渗透性能无显著影响，大体积掺量的聚丙烯纤维可能会增加硅灰混凝土的渗透性。对于硅灰混凝土，聚丙烯纤维的体积掺量应不超过0.10％；界面强化组份主要采用优化了颗粒级配及粒径的集料，通过调整集料的体积分数及集料间距强化界面性能。本论文对GSC材料渗透性能的评价方法为：氯离子在电场作用下的加速扩散方法、自然扩散方法和水压渗透方法。其中通过快速试验方法（NEL法）对材料参数进行选择优化；采用6h电通量方法（ASTM C1202）研究GSC材料随龄期增长氯离子渗透性能的变化规律；通过自然扩散法和水压渗透法研究材料在模拟服役环境条件下的渗透性能。GSC材料的渗透性能与高抗渗层材料密切相关。对采用不同高抗渗层材料的GSC材料，高抗渗层材料渗透性越低，则GSC材料渗透性能越低。渗透性测试结果显示，GSC材料中结构层与高抗渗层材料抗渗性大小依次为：无细观界面过渡区水泥基复合材料（Meso Interfacial Transition Zone Free Cement-based Material，以下简称MIF）＞低渗透混凝土（Low Permeability Concrete，以下简称LPC）＞结构层材料。NEL测试结果显示，MIF材料的氯离子扩散系数仅为0.5×10-13m2／s左右，比结构层材料的氯离子扩散系数提高了两个数量级；与之对应的LPC材料的氯离子扩散系数约为3.0×10-13m2／s。MIF材料表观氯离子扩散系数不到结构层材料的1／5，90d的氯离子（氯离子浓度为4mol／L）渗透深度仅为8mm；而LPC及结构层材料的氯离子渗透深度均在15mm左右且最表层氯离子浓度约为MIF材料的2倍。根据逾渗理论，介质在多孔材料中的渗透与结构的长程连通性相关。对于水泥基材料毛细孔孔隙率和界面过渡区厚度是影响材料长程连通性的重要参数。试样压汞法测试结果显示，MIF材料水泥石中大于10nm的孔仅为总孔隙的60％；LPC材料中大于10nm的孔为总孔隙的77％左右；结构层材料的孔均大于10nm，说明以上多孔材料的连通性依次为：MIF＞LPC＞结构层材料。显微硬度测试和扫描电镜观察结果显示，结构层材料界面区厚度在40μm以上，界面处疏松且有定向排列的Ca（OH）2，界面处与水泥石本体显微硬度的差值在40％左右；而LPC材料的界面区厚度有所降低，差值也减至30％左右；MIF材料的界面区差值小于25％，且从界面处至水泥石本体，显微硬度值是渐变地，说明MIF材料确实大幅弱化甚至消除传统意义上的界面过渡区。