超疏水技术被广泛认为是提升水泥基材料抗侵蚀、抗结冰和自清洁能力的重要途径，有望延长交通基础设施的使用寿命。然而，大量研究表明，在实验室条件下表现出优异静态超疏水性的材料，一旦进入实际服役环境——尤其是面临动态交通荷载、水流冲刷、干湿循环等多因素耦合侵蚀时——往往迅速发生功能退化。这种"理想性能"与"快速失效"之间的巨大反差，暴露出当前超疏水材料设计准则的根本性局限。

近日，陈德老师团队在《Construction and Building Materials》发表题为"From extreme water repellency to interfacial toughness: Long-term durability of superhydrophobic cementitious materials under dynamic water-mechanical coupling"的研究论文，提出了一个核心观点：在动态水-力耦合作用下，界面韧性而非静态疏水性，才是决定超疏水水泥基材料长期性能的首要因素。

三种界面体系：刚性离子键、刚性共价键与柔性交联网络

研究团队在水泥基体中构建了三种化学性质与键合特征迥异的界面体系：

SA体系：硬脂酸与水泥孔溶液中的Ca²⁺反应，通过离子键形成刚性结晶界面；

FS体系：氟硅烷通过水解-缩合反应形成致密硅氧烷薄膜，构建超低表面能的刚性共价界面；

SiOx体系：由柔性PDMS链段与TEOS交联点构成柔性交联网络界面。

通过FTIR、XPS、SEM、XRD等多尺度表征，研究证实三种改性剂均能在水泥基体表面形成稳定界面层，但其本质结构截然不同：SA为刚性结晶界面，FS为刚性致密薄膜界面，SiOx为柔性交联网络界面。这一分子与微观尺度的本征差异，为后续宏观性能分化奠定了材料基础。

静态性能：疏水性与力学性能的权衡

在静态性能方面，三种体系均成功将原本强亲水的水泥基表面转变为稳定超疏水状态：SA接触角153.5°，FS为157.5°，SiOx达到158.4°。但SiOx体系在动态润湿指标——滑动角上表现更优，仅为6.8°，显著低于SA的8.7°和FS的9.8°，表明其表面液滴附着力更低、更易滚落。 

然而，疏水改性不可避免地带来力学性能损失。SA体系抗压强度仅为对照组的约62%，FS约为63%，而SiOx体系保持了最高的强度保留率，达到74%，同时抗折抗压比提升约26%，展现出优异的强韧协同优势。研究指出，追求极致静态疏水性往往以不成比例的力学性能损失为代价。

动态水-力耦合：静态相似，动态分化

为模拟实际服役中的动态水-力耦合侵蚀，研究团队采用自主研制的往复摩擦磨损试验机，在干燥、湿润（模拟间歇降雨）和全浸没（模拟持续水淹）三种工况下开展2000次循环测试。

结果揭示了显著的"静态相似—动态分化"现象：在干燥条件下，各体系摩擦系数均呈现"跑合-稳定"两阶段特征，差异不大；一旦引入水环境，界面性能演化立即发生根本性分化。SA和FS两种刚性界面体系在湿润和浸没条件下均表现出典型的"跑合-衰减-稳定"三阶段失稳特征，摩擦系数大幅下降；而SiOx柔性界面在两种水环境下均保持稳定，仅随循环次数缓慢均匀变化。

定量分析显示，浸没条件下SiOx体系的摩擦系数保留率为46.1%，显著高于SA的37.6%和FS的40.5%。其退化速率常数k仅为17.01×10⁻⁵，远低于SA的28.62×10⁻⁵和FS的31.45×10⁻⁵（p<0.01），状态变异系数Cv同样保持最低。即使在更高载荷（20 N）、更低频率（2 Hz）和更长循环（5000次）条件下，SiOx体系始终维持最低退化率，验证了其优越的界面韧性。

从"防水"到"功能增益"：工程价值凸显

研究进一步引入摩擦系数保留率与改性增益率两个工程指标。湿润条件下，SA和FS的保留率仅为34.94%和36.85%，与未改性基体（36.07%）相当；而SiOx体系达到41.03%。浸没条件下，SiOx进一步提升至46.10%，而SA和FS仅为37.61%和40.47%。

更值得注意的是改性增益率：湿润条件下，SA和FS分别为96.88%和102.16%，仅能勉强"抵消"水致损伤；而SiOx高达113.74%，意味着其柔性界面在雨水侵蚀场景下可提供比未改性基体高13.74%的摩擦磨损抗力，实现真正的正向性能放大。浸没条件下，SA和FS增益率骤降至84.44%和90.87%，出现显著负增益；SiOx仍稳定在103.50%。

机制揭示：界面韧性的决定性作用

研究从能量耗散角度揭示了三种界面体系失效机制的本质差异：

SA体系：离子键在水环境中易发生离子交换和水解，失效以界面化学降解为主导；

FS体系：共价键化学稳定性高，但刚性薄膜缺乏变形能力，在循环应力下易开裂脱粘，失效以物理脆性断裂为主导；

SiOx体系：PDMS链段的高分子运动性允许链构象在应力下重排，将机械能转化为热能耗散，防止应力集中；交联密度可调控，平衡网络完整性与链段运动性，从而有效抑制水-力耦合下的正反馈损伤过程。

磨损轨迹三维形貌分析进一步证实：SA和FS表现为片状剥落和薄膜脱层，而SiOx仅出现轻微划痕，无脱粘迹象，兼具良好粘附韧性与本征韧性。

设计范式转变：从静态指标导向到动态服役导向

该研究明确提出，对于承受动态水-力耦合作用的交通基础设施材料（如透水路面、海洋结构），设计目标应从追求"静态超疏水性"转向"界面韧性"的系统设计与主动调控。应优先选择能够构建柔性交联网络的改性剂（如有机硅低聚物体系），实现疏水功能与力学韧性的本征融合，并以动态服役条件下的低退化速率k、低状态变异系数Cv、高摩擦保留率及超过100%的改性增益率作为核心评价准则与工程验收依据。

该研究通过系统对比三种典型超疏水改性体系，证实了界面韧性而非静态疏水性主导着水泥基材料在动态水-力耦合下的长期性能，提出的"韧性疏水界面"设计策略为高耐久超疏水材料提供了可量化的评价标准与设计指导。

论文信息：

Li, Y., Wang, T., Su, Q., Chen, D. From extreme water repellency to interfacial toughness: Long-term durability of superhydrophobic cementitious materials under dynamic water-mechanical coupling. Construction and Building Materials, 539 (2026) 147459.

DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2026.147459