在寒冷地区，水浇铸型工程水泥基复合材料（WECC）与普通混凝土之间的界面粘结特性

《Cold Regions Science and Technology》：Interfacial bonding characteristics between water-castable engineered cementitious composites (WECC) and normal concrete in cold regions

混凝土面板堆石坝（CFRDs）在寒冷地区因冻融循环易导致面板开裂，修复时新旧混凝土界面结合力弱。本文通过剪切试验和CT扫描，研究水 castable engineered cementitious composites（WECC）与常态混凝土界面在冻融循环（0、25、50、100次）及不同粗糙度（0、0.91、1.87mm）下的性能演变规律，揭示孔隙劣化与界面剪切强度降低的关联机制，提出包含孔隙演化与冻融损伤的界面剪切强度预测模型。

　　

张天云|高淑玲

河北工业大学土木与交通工程学院，天津 300401，中国

摘要

在寒冷地区，混凝土面板堆石坝（CFRD）的使用环境非常恶劣，这使得面板极易出现裂缝。在用新混凝土进行修复的过程中，CFRD的性能会受到严重影响，新混凝土与面板界面之间的粘结力也会变弱。为了解决这个问题，本研究调查了在冻融（F-T）循环后，WECC与普通混凝土界面（WC界面）的粘结性能退化情况，以及在水下修复后该界面的独特冻融退化机制。通过剪切试验研究了F-T循环（0次、25次、50次和100次）和粗糙度（0毫米、0.91毫米和1.87毫米）对界面行为的影响。利用计算机断层扫描（CT）分析了不同界面区域的孔隙劣化情况，揭示了孔隙分布模式以及孔隙率随粗糙度和F-T循环变化的情况。鉴于WECC水下浇筑的特殊性（无法进行振动），提出了WC界面的特定冻融退化机制。基于CT和剪切试验结果，开发了考虑界面孔隙劣化和F-T损伤的剪切应力-滑移和剪切强度预测模型。WECC与普通混凝土具有很强的协同作用。WCFT1.87由于其显著的机械互锁性和丰富的孔隙，表现出较高的F-T抗性。与WCFT1.80相比，WCFT1.87-100的剪切强度和最终滑移量分别降低了34.18%和32.23%。这项研究为WECC在寒冷地区的应用提供了宝贵的数据和理论支持。

引言

混凝土面板堆石坝（CFRD）因其结构稳定性而被广泛使用，但混凝土面板容易受到冻融侵蚀，尤其是在寒冷地区。在水位波动区域，温度和湿度的频繁变化会加剧这些面板的冻融损伤。例如，中国刘沟水库和张家嘴头水库以及捷克共和国的奥尔利克大坝都经历了冻融侵蚀（Li等人，2024a；Lyu等人，2024）。冻融侵蚀会导致面板出现裂缝，从而降低其不透水性和承载能力。如果这些受损区域没有及时修复，水分渗透可能会使大坝体不稳定，导致周围结构发生沉降，并带来严重的安全隐患。

在修复过程中，增加普通混凝土的粗糙度可以显著提高界面粘结性能。这种增强主要是由于较高的粗糙度增强了修复材料与普通混凝土之间的化学粘附力、机械互锁力和范德华力（Raposo等人，2024）。研究表明，在相同条件下，未经处理的普通混凝土的界面剪切强度为0.53 MPa，而经过粗糙处理的普通混凝土的界面剪切强度增加到2.82 MPa。连接修复材料与普通混凝土的界面的抗冻性能是衡量修复效果的关键指标。许多学者研究了界面在冻融循环下的性能。Subramaniam等人（Subramaniam等人，2008）发现，随着F-T循环次数的增加，修复材料与普通混凝土之间的粘结性能显著下降。Tian等人（Tian等人，2019a）观察到，增加界面粗糙度可以提高抗冻性能并延长使用寿命。Fan等人（Fan和Zhang，2021）表明，F-T循环会显著增加界面孔隙率，从而削弱粘结强度。Zhou等人（Zhou等人，2024）研究了界面处的水分迁移情况。随着F-T循环次数的增加，微孔中的水分逐渐迁移到中孔和大孔中，导致冻胀力作用下孔隙直径增大，进一步损害了界面。Manawadu（Manawadu等人，2023）和Tang（Tang等人，2023）开发了考虑界面特性的F-T循环下界面的损伤模型和剪切强度预测模型。

修复材料必须具有与普通混凝土相似的特性，以防止F-T循环期间由于变形差异导致的界面开裂。具有高抗拉强度、抗裂性和与普通混凝土良好相容性的ECC越来越多地用于修复混凝土结构（Zheng等人，2016；Hu等人，2025；Qin等人，2023；Feng等人，2026）。与传统混凝土相比，ECC由于内部纤维的存在和丰富的孔隙而具有更好的F-T抗性（Gao等人，2023；Gao和Xie，2022；?ahmaran等人，2012）。ECC与普通混凝土之间表现出良好的粘结性，并已成功应用于受损混凝土构件的修复（Kunieda和Rokugo，2006；Xu和Li，2008；Gao等人，2019）。然而，在水位波动区域使用ECC修复受损面板存在挑战，因为该区域必须保持干燥，这可能会影响CFRD的整体性能。

由于ECC的增强作用和出色的F-T抗性，我们的团队率先开发了可水浇筑的工程水泥基复合材料（WECC），并证明了其与普通混凝土之间的强粘结性能（Zhang等人，2024；Zhang和Gao，2024）。

尽管已有大量研究探讨了修复材料与普通混凝土之间的界面粘结性能，但关于水下浇筑修复材料与普通混凝土之间界面特性的研究仍然有限。由于水下浇筑过程中缺乏传统的振动和压实工艺，WC界面及其内部孔隙与陆上修复的情况存在显著差异。此外，水位波动区域的面板长期处于冻融循环中。因此，为了评估WECC修复面板的长期使用安全性，有必要阐明WC界面在F-T循环下的孔隙劣化过程和界面粘结性能退化机制。

本研究以F-T循环和粗糙度为变量，研究了WC界面的抗冻性能。利用CT扫描分析了不同界面区域的孔隙劣化情况，揭示了孔隙分布模式和孔隙率随粗糙度和F-T循环变化的情况。考虑到水下浇筑过程中无法进行振动，提出了WC界面的特定冻融退化机制。开发了考虑界面孔隙劣化和F-T损伤的界面剪切应力-滑移和剪切强度预测模型。这些发现为WECC在寒冷地区的应用提供了理论和数据支持。

材料制备

普通混凝土和WECC的组成及混合比例见表1和表2。洗过的海砂的组成见表3。PVA纤维的物理性能见表4。WECC和普通混凝土的浇筑、制备和养护程序遵循Zhang（Zhang和Gao，2024）描述的方法。

剪切试样的设计

剪切试验被广泛用于分析普通混凝土和修复材料之间的界面性能（Bai等人，2024；Zeng

WECC和混凝土的抗冻性能

图5(a)和图5(b)展示了经过F-T循环的WECC和普通混凝土试样的形态、相对动态弹性模量和重量损失率。重量损失率和相对动态弹性模量是按照中国标准GB/T 50082–2009（Gao等人，2024）的方法计算的。

与传统混凝土相比，WECC表现出更强的抗冻性能。经过50次F-T循环后，表面层出现了明显的剥落现象

结论

本研究探讨了WC界面在F-T循环和不同粗糙度下的粘结性能。通过CT分析界面孔隙劣化过程，得出以下结论：

1. 随着F-T循环次数的增加，WC界面的粘结性能显著下降，但较高的基底粗糙度可以有效缓解这种劣化。WCFT0–100的界面完全失效，而WCFT0.91–100的剪切强度相比WCFT0.91–0降低了

作者贡献声明

张天云：撰写 – 审稿与编辑、验证、方法论、研究、数据分析、概念化。高淑玲：撰写 – 审稿与编辑、资源获取、方法论、研究、资金筹集。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究部分得到了国家自然科学基金[项目编号52179127]、河北省自然科学基金[项目编号E2023202030]、国家自然科学基金[项目编号51978234]和河北省科技计划[项目编号19217617D]的支持。本研究在河北工业大学完成，特此表示感谢。