不同冻融次数下堆石混凝土骨胶界面剪切破坏声发射特征研究

doi:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2026.0252

硅酸盐通报 ›› 2026, Vol. 45 ›› Issue (9): 3092-3108.DOI: 10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2026.0252

不同冻融次数下堆石混凝土骨胶界面剪切破坏声发射特征研究

张天祺¹(), 王安海¹, 周泽阳², 罗滔³(), 李黎³, 张琪⁴^,⁵

^1.西京学院陕西省混凝土结构安全与耐久性重点实验室，西安 710123
^2.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065
^3.西北农林科技大学水利与建筑工程学院，咸阳 712100
^4.中交第一公路勘察设计研究院有限公司，西安 710065
^5.极端环境绿色长寿道路工程全国重点实验室，西安 710065

收稿日期:2026-03-19 修订日期:2026-04-06 出版日期:2026-09-15 发布日期:2026-10-09
通信作者: 罗滔，博士，副教授。E-mail： luotao19870426@126.com
作者简介:张天祺（1990—），男，博士，副教授。主要从事寒区堆石混凝土冻融损伤机理的研究。E-mail： kasonxt2022@163.com
基金资助:
陕西省自然科学基础研究计划项目(2024JC-YBQN-0284);国家自然科学基金项目(42501169);陕西省秦创原人才项目(QCYRCXM-2023-185);陕西省“校招共用”人才支持项目;陕西省教育厅政企联合资助项目(25JE020)

Acoustic Emission Characteristics of Shear Failure of Rock-Filled Concrete Aggregate-Paste Interface under Various Freeze-Thaw Cycles

ZHANG Tianqi¹(), WANG Anhai¹, ZHOU Zeyang², LUO Tao³(), LI Li³, ZHANG Qi⁴^,⁵

^1.Shaanxi Key Laboratory of Safety and Durability of Concrete Structures，Xijing University，Xi’an 710123，China
^2.Power China Northwest Engineering Corporation Limited，Xi’an 710065，China
^3.College of Water Resources and Architectural Engineering，Northwest A&F University，Xianyang 712100，China
^4.CCCC First Highway Consultants Co. ，Ltd，Xi’an 710065，China
^5.State Key Laboratory of Green and Long-Life Road Engineering in Extreme Environment，Xi’an 710065，China

Received:2026-03-19 Revised:2026-04-06 Published:2026-09-15 Online:2026-10-09

摘要/Abstract

摘要：

在寒区高频冻融环境下，堆石混凝土（RFC）中的堆石与自密实混凝土形成的大尺度界面（骨胶界面）更易遭受冻融破坏，这种破坏直接影响RFC工程的长期性能。基于声发射技术监测了不同冻融次数下骨胶界面的剪切破坏过程，分析了界面剪切强度的劣化规律，明确了不同阶段的剪切破坏模式，并构建了基于声发射参数的界面损伤模型。结果表明：随着冻融次数增加，由于界面间滑动摩擦与静摩擦交替作用，抗剪强度-剪切位移曲线在次峰之后出现上下波动振荡现象，且该现象所对应的剪切位移不断增大；骨胶界面峰值抗剪强度、次峰抗剪强度、残余抗剪强度降低至0.72、0.19、0.13 MPa，降幅分别为66.04%、81.55%、86.32%；基于累计振铃计数，可将剪切破坏过程划分为四个阶段，随着冻融次数增加，阶段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的剪切裂纹占比降低，而阶段Ⅳ的剪切裂纹占比从66.9%增加到78.7%。冻融作用下，骨胶界面的主导破坏模式为剪切破坏，且基于声发射能量构建的损伤模型可较好地描述界面损伤演化过程。研究结果可为寒区堆石混凝土工程长期服役性能评估提供理论参考。

关键词: 堆石混凝土, 骨-胶界面, 冻融循环, 抗剪性能, 声发射, 损伤模型

Abstract:

Under high-frequency freeze-thaw environment in cold regions， the large-scale interface （aggregate-paste interface） formed between rockfill and self-compacting concrete in rock-filled concrete （RFC） is more susceptible to freeze-thaw damage， and this damage directly affects the long-term performance of RFC structures. In this paper， the shear failure process of the aggregate-paste interface under different freeze-thaw cycles was monitored based on acoustic emission technology， the degradation law of interfacial shear strength was analyzed， the shear failure modes at different stages were clarified， and an interfacial damage model based on acoustic emission parameters was constructed. The results show that with the increase of freeze-thaw cycles， due to the alternating effect of sliding friction and static friction at the interface， the shear strength-shear displacement curve exhibits an up-and-down oscillation phenomenon after the secondary peak， and the shear displacement at which this phenomenon occurs is continuously increased； the peak shear strength， secondary peak shear strength， and residual shear strength of the aggregate-paste interface decrease to 0.72， 0.19， and 0.13 MPa， with reductions of 66.04%， 81.55%， and 86.32%， respectively； based on the cumulative ringing count， the shear failure process can be divided into four stages. With the increase of freeze-thaw cycles， the proportion of shear cracks in stages Ⅰ， Ⅱ， and Ⅲ decreases， while the proportion of shear cracks in stage Ⅳ increases from 66.9% to 78.7%. Under freeze-thaw action， the dominant failure mode of the aggregate-paste interface is shear failure， and the damage model constructed based on acoustic emission energy can well describe the interfacial damage evolution process. The research results can provide a theoretical reference for the long-term service performance evaluation of rock-filled concrete projects in cold regions.

Key words: rock-filled concrete, aggregate-paste interface, freeze-thaw cycle, shear performance, acoustic emission, damage model

中图分类号:

TV431

张天祺, 王安海, 周泽阳, 罗滔, 李黎, 张琪. 不同冻融次数下堆石混凝土骨胶界面剪切破坏声发射特征研究[J]. 硅酸盐通报, 2026, 45(9): 3092-3108.

ZHANG Tianqi, WANG Anhai, ZHOU Zeyang, LUO Tao, LI Li, ZHANG Qi. Acoustic Emission Characteristics of Shear Failure of Rock-Filled Concrete Aggregate-Paste Interface under Various Freeze-Thaw Cycles[J]. BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY, 2026, 45(9): 3092-3108.

图/表 24

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Workability	Slump/mm	Slump flow/mm	V funnel transit time/s	Air mass fraction/%
Standard	260~280	650~750	7~25	3~4
Test result	265	690	10.5	3.3

Workability	Slump/mm	Slump flow/mm	V funnel transit time/s	Air mass fraction/%
Standard	260~280	650~750	7~25	3~4
Test result	265	690	10.5	3.3

Freeze-thaw cycles	I			P			P_S			T
Freeze-thaw cycles	Shear displacement	Change rate/%	p value	Shear displacement	Change rate/%	p value	Shear displacement	Change rate/%	p value	Shear displacement	Change rate/%	p value
0	1.37	—	0.003	2.00	—	0.003	2.05	—	0.003	2.71	—	0.044
10	0.85	-37.96		1.58	-21.00		1.64	-20.00		2.95	10.70
20	0.49	-64.23		1.19	-40.50		1.23	-40.00		2.73	12.92
30	0.16	-88.32		0.69	-65.50		0.75	-63.41		3.04	15.87
40	0.10	-92.70		0.62	-69.00		0.71	-65.37		3.07	14.39
50	0.05	-96.35		0.51	-74.50		0.64	-68.78		3.11	14.76

Freeze-thaw cycles	I			P			P_S			T
Freeze-thaw cycles	Shear displacement	Change rate/%	p value	Shear displacement	Change rate/%	p value	Shear displacement	Change rate/%	p value	Shear displacement	Change rate/%	p value
0	1.37	—	0.003	2.00	—	0.003	2.05	—	0.003	2.71	—	0.044
10	0.85	-37.96		1.58	-21.00		1.64	-20.00		2.95	10.70
20	0.49	-64.23		1.19	-40.50		1.23	-40.00		2.73	12.92
30	0.16	-88.32		0.69	-65.50		0.75	-63.41		3.04	15.87
40	0.10	-92.70		0.62	-69.00		0.71	-65.37		3.07	14.39
50	0.05	-96.35		0.51	-74.50		0.64	-68.78		3.11	14.76

Freeze-thaw cycles	Change rate of peak shear strength/%	Change rate of secondary peak shear strength/%	Change rate of residual shear strength/%
0	0	0	0
10	-36.32	-60.19	-67.37
20	-45.75	-66.02	-71.58
30	-57.55	-69.90	-73.68
40	-61.79	-73.79	-80.00
50	-66.04	-81.55	-86.32

不同冻融次数下堆石混凝土骨胶界面剪切破坏声发射特征研究

Acoustic Emission Characteristics of Shear Failure of Rock-Filled Concrete Aggregate-Paste Interface under Various Freeze-Thaw Cycles

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Freeze-thaw cycles	Point A	Point B	Point C	Point P_S
0	14 050	29 626	256 554	257 184
10	10 266	25 769	179 588	180 100
20	33 916	67 679	118 800	120 613
30	3 854	10 801	61 493	63 129
40	4 121	10 107	55 535	62 251
50	3 997	6 964	52 830	56 878

Freeze-thaw cycles	Percentage of shear crack/%
Freeze-thaw cycles	Stage Ⅰ	Stage Ⅱ	Stage Ⅲ	Stage Ⅳ	Overall stage
0	57.2	58.4	59.1	66.9	58.0
10	55.8	56.2	56.8	68.7	56.5
20	53.5	54.2	55.4	72.1	54.3
30	51.2	51.9	53.2	74.6	53.7
40	50.4	51.3	52.4	76.4	52.4
50	48.8	49.7	50.8	78.7	50.2

Document	Method number	Load test	Sample type	Boundary	Dominant failure mode
［26］	M1	Four-point bending test	Reinforced concrete beam	AF=0.8 RA	Shear
［27］	M2	Compression test	Fiber concrete	AF=0.1 RA	Stretching
［28］	M2	Split tensile test	Fiber concrete	AF=0.1 RA	Shear
［29］	M3	Compression test	Concrete	AF=80 RA	Shear
［30］	M4	Cut （cloth） on the bias	Rock-concrete	AF=RA	Stretching
［31］	M5	Three-point bending test	Rock	AF=66.67 RA	Stretching
［32］	M6	Brazilian splitting test	Concrete-rock interlayer	AF=70 RA	Stretching

Freeze-thaw cycles	Proportion of shear crack/%
Freeze-thaw cycles	M1	M2	M3	M4	M5	M6	GMM
0	52.6	19.0	87.8	55.8	87.6	87.6	58.0
10	46.3	24.8	83.9	49.7	83.6	83.7	56.5
20	33.2	8.4	68.4	36.0	68.2	68.2	54.3
30	13.5	3.2	29.4	14.8	29.2	29.2	53.7
40	16.5	3.1	34.9	17.9	34.8	34.8	52.4
50	44.6	15.5	71.7	46.8	71.4	71.4	50.2

Freeze-thaw cycles	A	B	C	R²
0	112 368.17	-0.54	3 015.50	0.96
10	1 246.29	3.66	5 697.57	0.96
20	2 713.32	2.65	4 902.32	0.97
30	0.62	10.97	2 549.17	0.96
40	16.84	7.46	665.42	0.99
50	281.15	4.35	1 035.57	0.99

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[7]	李彤, 王庆贺, 张逸超. 冻融循环作用下相变混凝土温度响应及热力场调控机理研究[J]. 硅酸盐通报, 2026, 45(1): 69-80.
[8]	孙浩浩, 王一菲, 刘化威, 武怡文, 王有强, 刘超. 3D打印混凝土砌体抗剪性能试验与数值模拟研究[J]. 硅酸盐通报, 2025, 44(8): 2814-2822.
[9]	王佳慧, 王凤池, 孙畅. 回收轮胎聚合物纤维水泥改良碳酸盐渍土抗冻性能研究[J]. 硅酸盐通报, 2025, 44(7): 2720-2729.
[10]	任恩重, 张翔, 董珑慧. 冻融循环下灌浆修复裂缝混凝土试件力学特性研究[J]. 硅酸盐通报, 2025, 44(6): 2135-2148.
[11]	倪静, 朱莉莉, 耿雪玉. 生物聚合物联合纤维固化黄土的耐久性研究[J]. 硅酸盐通报, 2025, 44(6): 2222-2232.
[12]	刘昊信, 乔宏霞, 马法荣, 付勇, 魏定邦, 张磊. 复合盐冻融循环下机制砂混凝土的劣化规律及寿命预测[J]. 硅酸盐通报, 2025, 44(5): 1634-1645.
[13]	薛刚, 姚文龙, 邵建文, 朱浩君, 许胜, 董伟. 冻融循环对橡胶混凝土抗疲劳性能的影响[J]. 硅酸盐通报, 2025, 44(4): 1448-1457.
[14]	安然, 蔡苏童, 张先伟, 高浩东, 姚淼, 刘魁. 基于单轴压缩与CT扫描的矿渣固化土细观裂隙及损伤模型研究[J]. 硅酸盐通报, 2025, 44(4): 1495-1503.
[15]	王强, 王嘉成, 王南, 张伟, 徐东宇. 高温后纤维混凝土受压破坏力学及声发射特性研究[J]. 硅酸盐通报, 2025, 44(3): 915-923.

Sample	FT0-0.5	FT10-0.5	FT20-0.5	FT30-0.5	FT40-0.5	FT50-0.5
SCC
Rockfill

Sample	FT0-0.5	FT10-0.5	FT20-0.5	FT30-0.5	FT40-0.5	FT50-0.5
SCC
Rockfill

Freeze-thaw cycles	Tensile crack length/mm
Freeze-thaw cycles	Stage Ⅰ	Stage Ⅱ	Stage Ⅲ	Stage Ⅳ
0	0	25.31	25.51	29.26
10	0	27.03	37.72	46.34
20	0	31.70	40.36	48.03
30	0	32.70	43.92	51.32
40	0	37.68	47.42	54.75
50	0	40.49	51.30	57.36

Freeze-thaw cycles	Tensile crack length/mm
Freeze-thaw cycles	Stage Ⅰ	Stage Ⅱ	Stage Ⅲ	Stage Ⅳ
0	0	25.31	25.51	29.26
10	0	27.03	37.72	46.34
20	0	31.70	40.36	48.03
30	0	32.70	43.92	51.32
40	0	37.68	47.42	54.75
50	0	40.49	51.30	57.36