水下结构修复过程中混凝土-CURG复合材料的界面分离与损伤演化：一种机理分析方法

《Construction and Building Materials》：Interfacial splitting and damage evolution of concrete–CURG composites in underwater structures undergoing repair: A mechanistic approach

　　摘要：水泥基水下修复浆料被用于水下混凝土结构的裂缝密封、缺陷填充及局部强化，其作用机制在于形成混凝土与浆料的复合界面。本研究探讨了在湿度条件与界面倾角共同作用下，粗糙化的混凝土-水泥基修复浆料复合界面的开裂失效行为以及基于声发射的损伤演化规律。研究采用了巴西圆盘试件，在干燥状态和饱和水状态下，分别以0°、30°、45°、60°和90°的不同界面倾角进行测试，并结合界面应力分析、数字图像相关技术以及多尺度声发射分析方法。试验结果表明，随着界面倾角的增大，试件的峰值载荷从干燥状态下的10.9千牛升至18.5千牛，而饱和水状态下的峰值载荷则从8.5千牛上升至14.1千牛。水饱和状态使峰值载荷降低了22%–24%，这表明由于粘结力减弱以及粗糙界面间的互锁作用下降，界面传力能力随之降低。随着倾角增大，界面处的作用模式由以开裂为主逐渐转变为开裂与滑动耦合，最终发展为受压约束的基体开裂或界面附近开裂。数字图像相关技术分析显示，水饱和状态会加剧界面附近的应变局部化、裂缝偏转及裂纹分支现象。声发射分析识别出了三个损伤阶段，而基于随机振幅-频率分析的聚类结果表明，在水饱和及较大界面倾角条件下，损伤以拉伸主导的微裂纹形式出现，且局部剪切相关损伤更为严重。多种声发射指标共同揭示了从分散性微裂纹向不稳定宏观裂纹扩展的过渡过程。这些研究结果为水下混凝土修复界面的开裂失效评估及损伤识别提供了理论依据。

引言：暴露在水力环境及水下环境中的混凝土结构，如水坝、泄洪墩、输水隧道、港口结构及水下基础等，会在使用过程中面临水蚀、水压、温度变化、干湿循环、冻融作用、离子侵蚀以及外部荷载等多重作用。这些环境与机械因素可能促使裂缝扩展、渗漏通道形成、局部缺陷发展，进而导致结构完整性下降[1]、[2]、[3]。一旦出现裂缝或局部损伤区域[4]、[5]、[6]，水和腐蚀性介质便可通过这些裂缝和孔隙进一步渗透，从而降低结构的防渗性能及使用安全性[7]。因此，快速、可靠且适用于水下环境的裂缝及局部缺陷修复与加固措施，对于延长水下混凝土结构的使用寿命及保障工程安全至关重要。

灌浆修复技术具有施工干扰小、能适应复杂水下环境、可填充裂缝与孔隙等优点，已成为水下混凝土结构裂缝密封、渗漏控制及局部缺陷修复的重要手段[8]、[9]。现有的水下修复工艺通常包括缺陷检测、表面清理、局部开槽、管道安装、裂缝密封以及压力灌浆等步骤[9]、[10]。然而，在较深的水深、能见度低、水温较低或持续存在水压的条件下，依赖人工开槽、钻孔以及精细表面处理的传统方法，在施工效率、操作精度及安全方面仍存在局限。因此，对于深水修复或界面条件复杂的情形，可采用局部密封、压力灌浆与外部水泥基修复层相结合的策略，以提高浆料的留存率及修复覆盖范围[11]。在此类修复体系中，修复材料与原有混凝土基底之间的相容性及界面性能，直接影响修复的整体效果与耐久性。

水泥基水下修复浆料是一种极具应用前景的材料，可用于水下混凝土结构的裂缝密封、缺陷填充及局部强化，因为它可直接在水中使用，且能在几乎不造成施工干扰的情况下填充不规则的裂缝与空洞。为满足水下修复的需求，这类浆料通常应具备良好的流动性、抗冲刷能力、浆料留存能力以及硬化后的力学性能[12]。先前的研究表明，通过调整水泥基粘结剂、絮凝成分、促凝剂以及黏度调节剂的配比，可提升水下修复材料的抗分散性能、凝固特性及硬化后的性能[13]、[14]。不过，水下修复的效果不仅取决于浆料本身的内在属性，还与修复材料与原有混凝土基底之间形成的复合界面密切相关。

在实际修复体系中，被修复区域并非单一材质构成，而是由原有的混凝土基底、已硬化的修复浆料或外部修复层，以及二者之间的界面共同组成。这一复合界面的力学性能直接影响修复材料与基底之间的协同承重能力，以及整个修复体系的稳定性。因此，仅评估浆料本身的流动性、抗冲刷性能、早期强度及防渗性是远远不够的，还需进一步关注混凝土与修复浆料复合界面的粘结失效机制、裂缝扩展路径以及损伤演化规律[15]、[16]。

水泥基修复体系的界面行为与基底湿度、表面粗糙度、机械互锁效应以及新旧材料之间的相容性密切相关。对于混凝土与混凝土之间的界面，已有研究[17]表明，基底表面的粗糙度会显著影响其在拉伸及剪切载荷作用下的粘结强度。在水利及水下结构中，根据其所在位置的不同，修复界面可能会处于不同的湿度环境中，例如相对干燥的区域、水位波动区、潮汐或飞溅区以及完全饱和的淹没区。水分会削弱界面间的粘结力与摩擦互锁作用，进而促使裂缝沿薄弱区域扩展[18]、[19]、[20]、[21]、[22]。同时，由于裂缝轨迹、开槽方向、密封边界以及外部修复层几何形状的不规则性，修复界面可能会相对于加载方向产生倾斜。界面倾角的变化会影响正常开裂、切向滑动以及受压约束三种作用方式的相对贡献，进而影响裂缝的起始、偏转、沿界面扩展或跨界面穿透行为[16]、[23]。

巴西劈裂试验因其试件制备简单且加载方式明确，已被广泛用于研究岩石、混凝土以及界面复合圆盘试件的间接拉伸破坏行为[24]、[25]。先前的研究已经表明，界面倾角会显著影响岩石-混凝土或混凝土-混凝土复合试件的峰值载荷、裂缝扩展路径以及破坏模式[26]、[27]。加载角度还会改变I型断裂与II型断裂模式的相对贡献，进而影响裂缝的起始位置、扩展方向以及断裂形态[28]。然而，目前大多数研究主要集中在岩石-混凝土复合材料、预先设置有裂缝的试件或传统的修复砂浆体系上，对于在湿度条件与界面倾角共同作用下的混凝土-水泥基修复浆料复合界面的劈裂破坏行为及裂缝扩展机制，仍缺乏足够的了解。

除了宏观力学响应之外，复合界面的损伤过程——从微裂纹的起始与稳定扩展，到宏观裂纹的贯穿与不稳定破坏——也需要进一步深入研究。诸如峰值载荷、载荷-位移曲线以及最终破坏形态等传统指标虽能反映结构的整体承载能力与宏观破坏模式，但难以揭示损伤积累与裂缝演化的动态过程[29]、[30]。数字图像相关技术能够提供全场表面的位移与应变信息，有助于识别应变局部化区域及裂缝扩展路径。声发射监测技术则可以实时捕捉内部微裂纹生长、界面脱粘、摩擦滑动以及宏观裂纹聚合过程中产生的瞬态弹性波信号[31]、[32]、[33]。此外，基于声发射的多尺度分析方法，包括随机振幅-频率分析、b值法、基于熵的指标以及雪崩统计法等，可用于识别裂纹扩展模式、损伤尺度转变以及临界不稳定的前兆现象[34]、[35]、[36]、[37]、[38]。不过，将这些方法综合应用于混凝土-水泥基水下修复复合界面方面的研究仍然较为有限。

基于上述考虑，本研究制备了具有粗糙界面的混凝土-水泥基修复浆料复合巴西圆盘试件，旨在模拟水下裂缝密封及局部强化过程中所形成的可控混凝土-修复浆料复合界面。需要指出的是，实际水利结构中修复界面的应力状态要比巴西圆盘试件中的更为复杂。尽管如此，巴西劈裂试验仍能为评估复合界面的拉伸劈裂响应及倾角敏感性提供一种简单且可重复的加载方式。因此，本研究主要采用该试验来比较不同湿度条件及界面倾角下混凝土-水泥基修复界面的相对破坏行为，而非试图完全再现实际水下修复结构中的所有应力状态。研究中设置了两种湿度条件——干燥状态与饱和水状态，以及五种界面倾角——0°、30°、45°、60°和90°。通过界面应力分析，明确了不同界面倾角下的正常开裂、切向滑动以及受压约束作用机制。随后，结合巴西劈裂试验、数字图像相关监测以及多参数声发射分析，研究了湿度条件与界面倾角对峰值承载能力、裂缝扩展路径、微裂纹扩展模式以及多尺度损伤演化过程的影响。期望这些研究结果能为水下混凝土修复界面的劈裂失效评估、损伤识别以及修复设计优化提供实验依据与机理阐释。

材料制备：所研究的复合试件由混凝土基底与水泥基修复浆料组成。混凝土基底采用两种粒径级的粗骨料配制，粗骨料粒径分别为5–20毫米和20–40毫米，最大骨料粒径为40毫米。具体的混合比例见表1。该混合比例是根据中国某水坝项目实际使用的混凝土配合比设计的。经检测，混凝土基底的28天抗压强度为24.5兆帕，90天抗压强度为34.2兆帕。

基本界面应力场：为分析巴西劈裂加载作用下混凝土与水泥基修复浆料复合体的界面应力状态，将试件简化为直径为D、厚度为t的圆形圆盘，如图3(a)所示。需注意的是，实际的混凝土-水泥基修复浆料界面存在规则的沟槽与机械互锁结构，并非平坦的接触面。在本次理论分析中，仅为简化计算，将带沟槽的界面视为一个等效的理想平面。

宏观破坏形态：图4展示了在不同界面倾角下，干燥状态与饱和水状态试件的宏观破坏形态。所有试件均表现出以加载方向为主导的裂缝扩展特征，这说明在径向压缩作用下，沿加载直径方向的劈裂是主要的宏观破坏模式。不过，界面倾角与湿度条件会影响裂缝的扩展路径，从而导致不同程度的裂缝偏转现象。

结论：本研究探讨了用于水下修复的混凝土-水泥基修复浆料复合界面的劈裂失效行为以及基于声发射的损伤演化规律。研究准备了不同湿度条件及界面倾角下的粗糙化巴西圆盘试件，并结合巴西劈裂试验、界面应力分析、数字图像相关技术以及多尺度声发射分析方法，分析了干燥状态、饱和水状态以及界面倾角对结构承载能力、裂缝扩展、表面状况等方面的影响。

作者贡献说明：陈宇志：研究工作执行；马红燕：研究工作执行；孙晓：监督工作、资源协调、项目管理、方法设计、资金申请；卢凯龙：文本撰写与修订、初稿撰写、可视化处理、方法设计、研究工作执行、定量分析；陈旭东：研究工作执行。

关于写作过程中生成式人工智能及人工智能辅助技术的声明：在撰写本论文时，作者们使用了ChatGPT工具来检查语法并润色文本。在使用该工具/服务之后，作者们对内容进行了必要的审阅与修改，并对最终发表的内容承担全部责任。

利益冲突声明：作者们声明不存在任何可能影响本文研究工作的已知财务利益或个人关系。

致谢：作者们感谢国家自然科学基金（项目编号：52279131）以及中国国家青年科学基金项目（项目编号：2024YFB3714900）所提供的财政支持，同时也感谢江苏省青蓝工程的支持。

卢凯龙|孙晓|陈旭东|马红燕|陈宇志
中国人民共和国南京市河海大学土木与交通工程学院，邮编210098