混凝土聚合物水泥防護(hù)層沖蝕損傷及評(píng)估模型

唐建輝，陳徐東，白 銀，曹小武

(1.河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院，南京 210098； 2.南京水利科學(xué)研究院 材料結(jié)構(gòu)研究所，南京 210029；3.深圳市東江水源工程管理處，廣東 深圳 518036)

長(zhǎng)距離調(diào)水工程對(duì)于緩解城市用水壓力起到重要的作用，如南水北調(diào)工程、東江水源工程等[1-2]。這類輸水工程通常包含渠道、管道、隧洞等多種混凝土建筑物。但在長(zhǎng)期高速水流沖刷下，這些混凝土建筑物表面出現(xiàn)了不同程度的剝落、磨損等病害問(wèn)題[3-4]。為延長(zhǎng)輸水建筑物服役時(shí)間，對(duì)輸水建筑物的表面病害治理越來(lái)越受到重視。

防護(hù)涂層是一種快速提高既有混凝土結(jié)構(gòu)耐久性能的有效措施，從化學(xué)成分上看混凝土表面防護(hù)材料可分為無(wú)機(jī)防護(hù)材料(地聚合物、水泥基滲透結(jié)晶等)、有機(jī)防護(hù)材料(環(huán)氧樹脂、聚脲等)和有機(jī)-無(wú)機(jī)類防護(hù)材料(聚合物砂漿等)[5-7]。目前的研究主要集中在防護(hù)材料與混凝土結(jié)構(gòu)間的黏結(jié)、抗?jié)B、抗凍等耐久性能[8-10]，針對(duì)輸水工程中高速水流沖刷下混凝土防護(hù)層的沖蝕特性研究較少，多見(jiàn)于對(duì)不同混凝土種類抗沖蝕特性的研究。如李久存等[11]研究了橡膠混凝土的抗沖蝕特性，發(fā)現(xiàn)孔隙率與混凝土沖蝕率呈線性正相關(guān)關(guān)系。周志剛等[12]對(duì)不同空隙率的SMA-13瀝青混合料進(jìn)行動(dòng)水沖刷試驗(yàn)，基于試驗(yàn)結(jié)果提出了抗沖刷評(píng)價(jià)指標(biāo)。Yin等[13]探討了水工混凝土在不同沖擊角度下的沖蝕機(jī)制。此外還有針對(duì)不同的沖刷環(huán)境，如低速水流[14]、高速水流[15]、含沙水流[16]、風(fēng)沙環(huán)境[17]等對(duì)混凝土沖蝕磨損特征進(jìn)行的研究。而在不多的混凝土防護(hù)層受高速水流沖刷作用的研究中，焦明東等[18]為檢驗(yàn)橋梁樁基用玄武巖復(fù)合纖維護(hù)筒的抗沖磨效果，基于水下鋼球法開(kāi)展了玄武巖復(fù)合纖維板材的抗沖磨試驗(yàn)研究；李炳奇等[19]采用內(nèi)聚力模型表征了聚脲基涂層與泄洪建筑物防護(hù)體界面的剝離破壞過(guò)程，并建立了高速水流聚脲涂層的剝離破壞模型；劉明偉等[20]研究了內(nèi)河碼頭鋼構(gòu)件防腐涂層的沖蝕損傷特性，提出了相應(yīng)的沖蝕損傷模型；郝贠洪等[21]研究了鋼結(jié)構(gòu)表面涂層受風(fēng)沙沖蝕機(jī)制，提出了相應(yīng)的沖蝕評(píng)價(jià)方法。

綜上，國(guó)內(nèi)外研究主要集中在混凝土結(jié)構(gòu)的沖蝕特性、機(jī)制及損傷模型等方面，對(duì)于混凝土-防護(hù)層這種二元體的沖蝕損傷研究較少。文獻(xiàn)[20-21]中的鋼結(jié)構(gòu)防腐涂層厚度僅100 μm左右，與實(shí)際混凝土表面2～5 mm的防護(hù)厚度不符，兩者的沖蝕特性也會(huì)有很大差異。此外，涉水工程建筑物混凝土表面潮濕，利用聚合物(丙乳、苯乳等)改性水泥作為防護(hù)層具有黏結(jié)強(qiáng)度高、抗?jié)B性能優(yōu)異、經(jīng)濟(jì)性好的特點(diǎn)，在隧道、橋梁等修補(bǔ)工程中應(yīng)用廣泛[22-23]。因此，本文通過(guò)改進(jìn)的高壓水槍試驗(yàn)設(shè)備模擬輸水隧洞混凝土表面經(jīng)受高速水流沖刷工況，研究不同沖刷工況對(duì)防護(hù)層沖蝕損傷的影響，建立防護(hù)層蝕變深度預(yù)測(cè)模型。研究成果可為類似經(jīng)受高速水流沖刷混凝土結(jié)構(gòu)(如橋梁基礎(chǔ)、路基護(hù)坦等)表面防護(hù)的抗沖蝕設(shè)計(jì)與評(píng)估提供參考。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

試驗(yàn)所用的試樣由混凝土基體和聚合物水泥防護(hù)層組成。混凝土的配合比如表1所示，水灰質(zhì)量比為0.4，砂率為45%。其中，采用的水泥為普通硅酸鹽P·O 42.5海螺水泥，細(xì)骨料的細(xì)度模數(shù)為2.3，粗骨料為5～20 mm連續(xù)級(jí)配的碎石，減水劑為粉體聚羧酸減水劑，摻入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%。混凝土28 d抗壓強(qiáng)度為45.6 MPa。

表1 混凝土配合比

聚合物水泥防護(hù)層由聚合物-丙烯酸酯共聚乳液(丙乳)和P·O 42.5海螺水泥組成，丙乳與水泥的質(zhì)量比為1∶2.5。其中，采用的丙乳固質(zhì)量分?jǐn)?shù)為(40±1)%，pH為2.0～4.0。

1.2 試樣制備

為避免混凝土基體表面浮漿對(duì)聚合物水泥防護(hù)層和基體間黏結(jié)效果的影響，將制備的混凝土大板(45 cm×35 cm×10 cm)切割成尺寸為22 cm×17 cm×5 cm的小板試樣，如圖1(a)所示。然后將試樣切割面作為防護(hù)層澆筑面，在基體四周粘貼厚為5 mm的海綿膠帶，以保證澆筑的防護(hù)層厚度為5 mm。之后將實(shí)驗(yàn)室攪拌好的聚合物水泥防護(hù)層涂抹在基體表面，如圖1(b)所示。靜置1 d后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行抗沖蝕特性試驗(yàn)。通過(guò)直接拉拔法測(cè)試的防護(hù)層與混凝土的28 d黏結(jié)強(qiáng)度為3.24 MPa，30和90 d全浸黏結(jié)強(qiáng)度為3.41和3.18 MPa。

圖1 混凝土-聚合物水泥防護(hù)層試樣制備

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 抗沖蝕試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用自行設(shè)計(jì)的混凝土聚合物水泥防護(hù)層抗沖蝕試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行研究，試驗(yàn)裝置如圖2(a)所示。通過(guò)超高壓清洗機(jī)可實(shí)現(xiàn)0～18 MPa噴射水壓的施加，試驗(yàn)支架上部預(yù)留孔洞用于固定噴槍，下部底板放置測(cè)試試樣。試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)調(diào)整噴槍位置使噴射頭與測(cè)試試樣表面垂直，并控制噴嘴至試樣表面的距離為15 cm。

試驗(yàn)中考慮不同噴射壓力、噴射長(zhǎng)度、噴射角度及噴射時(shí)間對(duì)混凝土聚合物水泥防護(hù)層抗沖蝕特性的影響，具體試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案如表2所示。噴射壓力設(shè)置5、10和15 MPa 3個(gè)壓力等級(jí)。噴射長(zhǎng)度通過(guò)調(diào)整噴嘴形式實(shí)現(xiàn)，如圖2(b)所示噴射長(zhǎng)度分別為0.5、4.0和6.6 cm。不同噴射角度通過(guò)調(diào)整測(cè)試試樣位置實(shí)現(xiàn)，該角度為噴射水流與試樣表面的夾角(圖2(b))，試驗(yàn)設(shè)置22.5°、45°、67.5°和90°共計(jì)4種噴射角度。經(jīng)過(guò)前期預(yù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在試驗(yàn)工況7的條件下，混凝土表面防護(hù)層在沖蝕90 min時(shí)已與基體脫離。因此，設(shè)置的沖蝕時(shí)間為10、20、30、40、50、60和90 min，每次沖蝕時(shí)間結(jié)束后，通過(guò)三維掃描技術(shù)獲得沖蝕表面的形貌特征，用于定量損傷評(píng)估。

圖2 抗沖蝕試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)工況

表2 聚合物水泥防護(hù)層抗沖蝕試驗(yàn)工況

1.3.2 三維掃描技術(shù)

采用三維掃描儀對(duì)高速水流沖蝕后的混凝土聚合物水泥防護(hù)層表面進(jìn)行掃描,三維掃描儀的掃描精度高達(dá)0.05 mm,滿足試驗(yàn)需求。首先在試樣表面粘貼標(biāo)記點(diǎn)，如圖3(a)所示，每3個(gè)標(biāo)記點(diǎn)為1組，均勻分布于試樣沖蝕區(qū)域附近。然后將試樣放置在啞光布上，打開(kāi)三維掃描儀獲得試樣表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)集(圖3(b))。之后通過(guò)Geomagic studio軟件將點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行組合、重構(gòu)和坐標(biāo)信息轉(zhuǎn)換等處理，再將處理好的數(shù)據(jù)導(dǎo)入三維表面形貌分析軟件Mountainsmap中，獲得防護(hù)層損傷區(qū)域的損傷深度云圖、長(zhǎng)度、寬度、深度、體積等特征，如圖3(c)所示。

圖3 沖蝕損傷三維掃描及數(shù)據(jù)處理

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 聚合物水泥防護(hù)層沖蝕損傷形態(tài)分析

圖4為沖蝕90 min時(shí)混凝土表面聚合物水泥防護(hù)層在不同沖蝕試驗(yàn)工況下的損傷深度云圖，X為選取沖蝕區(qū)域的橫坐標(biāo)，相應(yīng)的Y代表縱坐標(biāo)，圖中的顏色代表不同的深度(單位mm)。從這些云圖中可以非常直觀地看到噴射壓力、噴射長(zhǎng)度及噴射角度對(duì)防護(hù)層沖蝕的影響。在噴射長(zhǎng)度為0.5 cm、噴射角度為90°的工況下，噴射水流作用在防護(hù)層上類似于點(diǎn)狀沖擊，在5 MPa水壓下僅在表面留下淺淺的凹痕，壓力增大到10 MPa時(shí)凹痕的深度有明顯加深，再次增壓到15 MPa時(shí)防護(hù)層中心損傷區(qū)域的面積明顯增大，最大損傷深度達(dá)到了7 mm左右，超過(guò)了防護(hù)層的厚度，沖蝕形態(tài)呈現(xiàn)“沙漏”狀。此外，圍繞損傷中心半徑約30 mm內(nèi)的防護(hù)層與周圍防護(hù)層出現(xiàn)圓形破壞裂紋，表現(xiàn)出明顯的水力劈裂破壞特征。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因在于具有高動(dòng)荷的水流到達(dá)防護(hù)層與混凝土的界面時(shí)，沿著界面處的微裂隙擴(kuò)展，當(dāng)水壓力超過(guò)了防護(hù)層與混凝土基體的黏結(jié)力時(shí)，首先會(huì)產(chǎn)生與基體的脫粘，水壓力超過(guò)防護(hù)層抗折強(qiáng)度時(shí)也就導(dǎo)致了防護(hù)層的開(kāi)裂。

圖4 沖蝕90 min時(shí)聚合物水泥防護(hù)層的損傷深度云圖

當(dāng)增大噴射長(zhǎng)度時(shí)(4.0和6.6 cm)，5 MPa噴射壓力下在防護(hù)層沖蝕中心未觀察到突出的損傷區(qū)域，相反表面僅散亂地分布些許細(xì)孔。壓力增大至10 MPa時(shí)，聚合物表面出現(xiàn)條狀的損傷區(qū)域，并從損傷中央向外呈現(xiàn)出損傷深度降低的特征。繼續(xù)增加噴射壓力至15 MPa，條狀損傷區(qū)域的深度有明顯的增加。但在同等噴射壓力下，更大的噴射長(zhǎng)度對(duì)防護(hù)層表面沖蝕損傷影響降低。這是因?yàn)閲娚溟L(zhǎng)度的增大分散了噴射的動(dòng)水壓力，即作用到防護(hù)層表面的荷載降低了，在防護(hù)層表面產(chǎn)生的損傷減弱。

當(dāng)噴射壓力和噴射長(zhǎng)度固定時(shí)(15 MPa-4.0 cm)，噴射角度越小，防護(hù)層的損傷越輕。在22.5°的噴射工況下，防護(hù)層表面未有可見(jiàn)損傷；增大噴射角度至45°及67.5°時(shí)，出現(xiàn)了顯著的條形損傷區(qū)域，但與噴射角度90°工況相比其損傷深度云圖分布并不均勻，呈現(xiàn)由表向里斜向遞增的特征，這是水流的切削作用產(chǎn)生的。

2.2 噴射壓力和長(zhǎng)度對(duì)聚合物水泥防護(hù)層的沖蝕損傷過(guò)程分析

根據(jù)表2所示的不同噴射工況，通過(guò)對(duì)沖蝕區(qū)域的三維表面形貌分析，選取了沖蝕最大長(zhǎng)度、最大寬度、最大深度和沖蝕體積4個(gè)表征聚合物水泥防護(hù)層沖蝕損傷特征參數(shù)進(jìn)行分析。圖5～7分別為噴射長(zhǎng)度0.5、4.0和6.6 cm工況下防護(hù)層在不同噴射壓力作用下沖蝕損傷特征參數(shù)隨沖蝕時(shí)間的變化曲線。整體上可以觀察到以下相同特征：4種沖蝕損傷特征參數(shù)均隨著沖蝕時(shí)間的增加而增加；更大的噴射壓力會(huì)造成更大的沖蝕損傷。但在不同噴射壓力下防護(hù)層的損傷發(fā)展程度表現(xiàn)出明顯的差異。以圖5為例，噴射壓力在5和10 MPa下防護(hù)層的沖蝕損傷特征參數(shù)均隨沖蝕時(shí)間的增加呈現(xiàn)近似線性增加的特征，兩者之間的損傷特征參數(shù)在數(shù)值上也相差較小。當(dāng)噴射壓力增加到15 MPa時(shí)，防護(hù)層損傷特征參數(shù)曲線在不同沖蝕時(shí)刻出現(xiàn)了明顯的突增點(diǎn)。其中，沖蝕最大長(zhǎng)度和沖蝕體積的突增發(fā)生在60 min時(shí)，沖蝕最大深度在40 min時(shí)出現(xiàn)陡增。這種損傷特征參數(shù)出現(xiàn)陡增時(shí)間差異的現(xiàn)象反映了沖蝕損傷的不同階段。沖蝕時(shí)間30～40 min階段(圖5(c))，沖蝕最大深度也從2.6 mm升至5.0 mm左右，這表明混凝土表面的防護(hù)層已被高速水流擊穿，水流到達(dá)了混凝土基體處；40～50 min階段，沖蝕最大深度增加十分緩慢，同樣地沖蝕最大深度和沖蝕體積也未明顯增加。這一階段為水力劈裂逐漸作用的過(guò)程，水壓力在防護(hù)層和混凝土基體界面處的微缺陷處聚集；50～60 min內(nèi)，積聚的水壓力超過(guò)了防護(hù)層與混凝土的界面黏聚力，界面處發(fā)生脫粘破壞，沖蝕區(qū)域也因此進(jìn)一步擴(kuò)大；繼續(xù)沖蝕至90 min時(shí)，損傷中心處的水壓力沿著界面繼續(xù)往四周擴(kuò)展，水壓力超過(guò)防護(hù)層的抗折強(qiáng)度時(shí)也就發(fā)生了圖4的圓形破壞形態(tài)。

圖5 噴射長(zhǎng)度0.5 cm下聚合物水泥防護(hù)層沖蝕損傷特征參數(shù)隨沖蝕時(shí)間的變化

當(dāng)增大噴射長(zhǎng)度至4.0 cm時(shí)(圖6)，沖蝕最大長(zhǎng)度隨著沖蝕時(shí)間的增加而呈緩慢遞增的特征，這也表明沖蝕時(shí)間對(duì)沖蝕長(zhǎng)度的影響并不顯著。但噴射壓力的增加對(duì)沖蝕區(qū)域的長(zhǎng)度、寬度、深度和體積有明顯的影響。從圖6(c)中觀察到，噴射壓力在5和10 MPa時(shí)，沖蝕最大深度隨著沖蝕時(shí)間的增加變化緩慢。而在15 MPa條件下沖蝕60 min時(shí)刻的最大深度出現(xiàn)突增，最大沖蝕深度超過(guò)防護(hù)層的厚度。繼續(xù)沖蝕至90 min時(shí)，沖蝕深度從5.1 mm增加至5.3 mm，增幅十分緩慢，這是水流作用在了混凝土基體的緣故。與此同時(shí)，沖蝕的寬度在高速水流的沖擊作用下不斷增加，相應(yīng)的沖蝕體積也在持續(xù)增大。繼續(xù)增大噴射長(zhǎng)度至6.6 cm時(shí)(圖7)，從整體上看聚合物水泥防護(hù)層的沖蝕損傷特征參數(shù)與圖6相同，但除了沖蝕最大長(zhǎng)度外，其余具體損傷數(shù)值均小于圖6。尤其是圖7(c)的最大深度，在噴射壓力為15 MPa時(shí)最大深度也僅達(dá)到1 mm，遠(yuǎn)小于另外兩種噴射長(zhǎng)度。這也表明了增大噴射長(zhǎng)度可以有效降低高速水流對(duì)聚合物水泥防護(hù)層的損傷程度。

圖6 噴射長(zhǎng)度4.0 cm下聚合物水泥防護(hù)層沖蝕損傷特征參數(shù)隨沖蝕時(shí)間的變化

圖7 噴射長(zhǎng)度6.6 cm下聚合物水泥防護(hù)層沖蝕損傷特征參數(shù)隨沖蝕時(shí)間的變化

通過(guò)對(duì)比相同噴射壓力下噴射長(zhǎng)度對(duì)聚合物水泥防護(hù)層沖蝕效果的影響發(fā)現(xiàn)，噴射長(zhǎng)度對(duì)沖蝕最大長(zhǎng)度起到了決定性的影響，相對(duì)而言沖蝕時(shí)間的影響較小。正如2.1和2.2節(jié)分析的，噴射長(zhǎng)度的降低使得噴射的水流動(dòng)能更加集中，也就能更快地穿透聚合物水泥防護(hù)層。再考慮到集中水流下的水力劈裂作用，沖蝕最大寬度也高于其余兩組。就沖蝕體積而言，對(duì)比噴射長(zhǎng)度0.5和4.0 cm，因?yàn)閲娚溟L(zhǎng)度顯著增加，沖蝕區(qū)域的長(zhǎng)度也明顯增加，最終噴射長(zhǎng)度4.0 cm條件下的沖蝕體積最大。

2.3 噴射角度對(duì)聚合物水泥防護(hù)層的沖蝕損傷過(guò)程分析

在噴射壓力15 MPa、噴射長(zhǎng)度4.0 cm的工況下繪制了不同噴射角度下聚合物水泥防護(hù)層沖蝕損傷特征參數(shù)隨沖蝕時(shí)間的變化，如圖8所示，總體上看4種沖蝕特征參數(shù)隨著噴射角度的增加而增加。從圖8(a)中的沖蝕最大深度看，沖蝕90 min時(shí)噴射角度22.5°、45°、67.5°和90°條件下對(duì)應(yīng)的噴射最大長(zhǎng)度分別為45.5、50.0、54.0和55.0 mm，相比初始噴射長(zhǎng)度40.0 mm 均有明顯增加，但明顯的更大的噴射角度產(chǎn)生更大的沖蝕長(zhǎng)度。產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因在于噴射角度越大，高速水流的正向沖擊作用更加集中，沖蝕損傷的速率也就越快。當(dāng)防護(hù)層表面出現(xiàn)明顯損傷區(qū)域時(shí)，損傷區(qū)域內(nèi)反射的水流又會(huì)進(jìn)一步加快區(qū)域邊緣的損傷，最終產(chǎn)生的沖蝕長(zhǎng)度、寬度、深度以及體積也就更大。當(dāng)噴射角度越小時(shí)，作用在聚合物水泥防護(hù)層表面的水流以切削作用為主導(dǎo)，分散到表面的垂直沖擊力減弱，沖蝕損傷程度就會(huì)有明顯的降低。

圖8 不同噴射角度下聚合物水泥防護(hù)層沖蝕損傷特征參數(shù)隨沖蝕時(shí)間的變化

3 混凝土表面聚合物水泥防護(hù)層蝕變深度評(píng)估模型

混凝土表面防護(hù)的意義在于免受動(dòng)水荷載對(duì)混凝土基體的持續(xù)沖蝕，若高速水流擊穿防護(hù)層作用到了混凝土基體上就失去了防護(hù)效果。因此，選擇沖蝕最大深度作為損傷評(píng)估模型的目 標(biāo)值，針對(duì)不同的噴射長(zhǎng)度和噴射角度，構(gòu)建混凝土聚合物水泥防護(hù)層沖蝕最大深度隨噴射壓力和沖蝕時(shí)間變化的蝕變模型。經(jīng)過(guò)模型評(píng)估，選擇Logistic 回歸函數(shù)作為不同噴射長(zhǎng)度下混凝土聚合物水泥防護(hù)層蝕變深度模型，如式(1)所示：

(1)

式中：H為沖蝕深度，mm；H0為初始沖蝕深度，mm；p為噴射壓力，MPa；T為沖蝕時(shí)間，min；a、b、c、d、f為模型參數(shù)。基于此模型獲得的噴射長(zhǎng)度為0.5、4.0和6.6 cm的蝕變模型參數(shù)如表3所示，圖9為蝕變模型預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)值關(guān)系。根據(jù)回歸系數(shù)R2得知，該回歸模型與試驗(yàn)值有很好的相關(guān)性，可以精確地表征蝕變深度隨噴射壓力和噴射時(shí)間的變化特征。

表3 不同噴射工況下聚合物水泥防護(hù)層的蝕變模型參數(shù)

圖9 不同噴射長(zhǎng)度下聚合物水泥防護(hù)層蝕變深度評(píng)估模型

由2.3節(jié)可知，當(dāng)噴射壓力和噴射長(zhǎng)度固定時(shí)，噴射角度的變化對(duì)沖蝕損傷也會(huì)產(chǎn)生很大的影響。為了能夠評(píng)估其余噴射角度的影響程度，基于上述建立的聚合物水泥防護(hù)層蝕變深度模型，獲得了圖10所示的聚合物水泥防護(hù)層蝕變深度隨噴射角度和沖蝕時(shí)間的演變模型，蝕變模型相關(guān)參數(shù)如表3所示。回歸模型的R2僅有0.768 5，表明模型預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值之間的差異性較為明顯，尤其是噴射角度為45°的試驗(yàn)值均高于預(yù)測(cè)值。事實(shí)上，當(dāng)噴射角度改變時(shí)，作用在防護(hù)層表面的沖擊形式發(fā)生了變化，從90°時(shí)的正向沖擊作用轉(zhuǎn)變?yōu)榍邢骱蜎_擊共同作用，這兩種作用力的主次轉(zhuǎn)化過(guò)程更加復(fù)雜。而圖10中90°噴射條件下水流的作用形式單一，均為正向沖擊，這也導(dǎo)致了預(yù)測(cè)模型與實(shí)際值偏差較大。

圖10 聚合物水泥防護(hù)層蝕變深度隨噴射角度和沖蝕時(shí)間的演變模型

對(duì)比圖9和10可以看出，噴射長(zhǎng)度和噴射角度的降低可以顯著降低聚合物水泥防護(hù)層的沖蝕深度，這可以為實(shí)際混凝土工程抗沖刷防護(hù)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。如長(zhǎng)期經(jīng)受高速水流沖刷的橋梁基礎(chǔ)、路基護(hù)坦、長(zhǎng)距離輸調(diào)水隧洞等，在對(duì)這些工程中受損的混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行防護(hù)時(shí)，可以通過(guò)改變水流沖擊的角度或者避免高速集中水流的產(chǎn)生等方式來(lái)提高防護(hù)層的服役壽命。

4 結(jié) 論

1)不同的噴射長(zhǎng)度和噴射角度在混凝土表面聚合物水泥防護(hù)層產(chǎn)生的沖蝕形態(tài)不同。噴射長(zhǎng)度的增加(從噴射長(zhǎng)度為0.5 cm增加到6.6 cm)使“沙漏”狀沖蝕形態(tài)向“條形”沖蝕形態(tài)轉(zhuǎn)變，噴射角度增大后聚合物水泥防護(hù)層沖蝕區(qū)域呈現(xiàn)由表向里斜向遞增沖蝕特征，這表明高速水流的切削作用逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位。

2)相同工況下，聚合物水泥防護(hù)層沖蝕最大長(zhǎng)度、最大寬度、最大深度以及體積都隨著噴射壓力和沖蝕時(shí)間的增加而增加。當(dāng)噴射壓力在15 MPa、噴射長(zhǎng)度為0.5 cm時(shí)，聚合物水泥防護(hù)層先被擊穿，而后在水力劈裂作用下防護(hù)層與混凝土基體發(fā)生脫粘破壞；當(dāng)噴射長(zhǎng)度加大后，未發(fā)生水力劈裂破壞，說(shuō)明噴射而出的水流動(dòng)能被分散。

3)噴射長(zhǎng)度和噴射角度的增加會(huì)大大降低聚合物水泥防護(hù)層的沖蝕損傷程度，但兩者的作用機(jī)制不同。增加噴射長(zhǎng)度，降低了作用于防護(hù)層表明的水流動(dòng)能；降低噴射角度后防護(hù)層受到的法向荷載降低，切削荷載增大。

4)基于Logistic回歸函數(shù)建立的混凝土表面聚合物水泥防護(hù)層蝕變深度預(yù)測(cè)模型對(duì)于不同噴射長(zhǎng)度下的沖蝕深度預(yù)測(cè)具有很好的準(zhǔn)確性，可以用于指導(dǎo)沖刷環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)工程防護(hù)層的設(shè)計(jì)。但該模型在噴射角度和沖蝕時(shí)間因素下的預(yù)測(cè)效果較差，這可能與噴射角度變化下防護(hù)層復(fù)雜的受力特點(diǎn)有關(guān)，后續(xù)應(yīng)著重進(jìn)行這方面的研究。