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为满足泡沫混凝土作为隧道围岩支护预留变形层填充介质力学性能要求，研制了一种微量碳纳米管增强粉煤灰泡沫混凝土（CNTAFC）的新型变形层填充材料。基于单因素分析，利用Box-Behnken Design响应面法，建立CNTAFC抗压强度预测模型，对其制备参数进行优化。此外，联合单轴压缩试验与数字散斑采集技术，对CNTAFC试样的荷载变形特征进行研究。结果表明：CNTAFC抗压强度回归模型合理有效，当碳纳米管（CNTs）掺量0.13%，骨胶比24.75%，粉煤灰掺量70.57%时，其28d抗压强度预测值最大为5.936MPa，误差为2.54%。CNTAFC试样提高了峰值强度，延性增强，其平均峰后强度大于峰值强度的60%，峰后曲线应变范围占极限应变的30%以上，满足围岩卸压吸能材料的性能要求。CNTAFC变形局部化启动可分为应变条件和应力条件，且选择应变确定条件为宜。在变形局部化启动时，CNTAFC强度接近峰值强度，泊松比显著提升。