Deterioration mechanism of adhesion properties of FRP-soil interface induced by moisture

Abstract

The deterioration of fiber-reinforced polymer (FRP)–soil interfacial adhesion due to water intrusion has been a core issue in geotechnical engineering, but its microscopic mechanism remains unclear. In this study, molecular dynamics (MD) simulation method is employed to reveal the microscopic deterioration mechanism of water on adhesion properties of epoxy–quartz (i.e., FRP–soil subsystem) interface, the structural and dynamic characteristics of interlayer water film. The steered molecular dynamics pulling simulation and the modified Bell's model are used to evaluate the adhesion energy of epoxy–quartz interface in dry and wet cases. The simulation results show that (1) the interfacial water film weakens adhesion strength of epoxy–quartz interface, playing a dual role in “interface isolation” and “lubrication”, aggravating the interfacial debonding. (2) The work of adhesion, maximum pulling force, potential of mean force, and adhesion energy of dry system are significantly higher than those of wet system. (3) The interlayer water film has a distinct layered structure: bound, free, and sparse water layers, which have different angle orientations and density distributions. (4) The diffusion coefficient increases with the rising thickness of free water layer, which may trigger a capillary-seepage effect and aggravate interface deterioration. This study provides atomic-scale insights into moisture-induced FRP–soil interface failure mechanism. La détérioration de l'adhésion interfaciale du PRFV et du sol due à l'intrusion d'eau a été un problème central en génie géotechnique, mais son mécanisme microscopique reste flou. Dans cette étude, la méthode de simulation par dynamique moléculaire (DM) est utilisée pour révéler le mécanisme de détérioration microscopique de l'eau sur les propriétés d'adhésion de l'interface époxy-quartz (c.-à-d. le sous-système PRFV-sol), ainsi que les caractéristiques structurales et dynamiques du film d'eau intercalé. La simulation de traction par dynamique moléculaire dirigée et le modèle de Bell modifié sont utilisés pour évaluer l’énergie d'adhésion de l'interface époxy-quartz dans les cas secs et humides. Les résultats de la simulation montrent que (1) le film d'eau interfacial affaiblit la résistance d'adhésion de l'interface époxy-quartz, jouant un double rôle dans « l'isolation de l'interface » et la « lubrification », aggravant le décollement interfacial. (2) Le travail d'adhésion, la force de traction maximale, le PMF et l'énergie d'adhésion du système sec sont significativement plus élevés que ceux du système humide. (3) Le film d'eau intercalaire a une structure stratifiée distincte : couches d'eau liées, libres et éparse, qui ont des orientations angulaires et des distributions de densité différentes. (4) Le coefficient de diffusion augmente avec l'épaisseur croissante de la couche d'eau libre, ce qui peut déclencher un effet de capillarité-infiltration et aggraver la détérioration de l'interface. Cette étude fournit des perspectives à l'échelle atomique sur le mécanisme de défaillance de l'interface PRFV-sol induit par l'humidité.