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)

長距離調(diào)水工程對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、磨損等病害問題[3-4]。為延長輸水建筑物服役時間，對輸水建筑物的表面病害治理越來越受到重視。

防護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材料可分為無機防護材料(地聚合物、水泥基滲透結(jié)晶等)、有機防護材料(環(huán)氧樹脂、聚脲等)和有機-無機類防護材料(聚合物砂漿等)[5-7]。目前的研究主要集中在防護材料與混凝土結(jié)構(gòu)間的黏結(jié)、抗?jié)B、抗凍等耐久性能[8-10]，針對輸水工程中高速水流沖刷下混凝土防護層的沖蝕特性研究較少，多見于對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]對不同空隙率的SMA-13瀝青混合料進行動水沖刷試驗，基于試驗結(jié)果提出了抗沖刷評價指標(biāo)。Yin等[13]探討了水工混凝土在不同沖擊角度下的沖蝕機制。此外還有針對不同的沖刷環(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]等對混凝土沖蝕磨損特征進行的研究。而在不多的混凝土防護層受高速水流沖刷作用的研究中，焦明東等[18]為檢驗橋梁樁基用玄武巖復(fù)合纖維護筒的抗沖磨效果，基于水下鋼球法開展了玄武巖復(fù)合纖維板材的抗沖磨試驗研究；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體界面的剝離破壞過程，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)沙沖蝕機制，提出了相應(yīng)的沖蝕評價方法。

綜上，國內(nèi)外研究主要集中在混凝土結(jié)構(gòu)的沖蝕特性、機制及損傷模型等方面，對于混凝土-防護層這種二元體的沖蝕損傷研究較少。文獻[20-21]中的鋼結(jié)構(gòu)防腐涂層厚度僅100 μm左右，與實際混凝土表面2～5 mm的防護厚度不符，兩者的沖蝕特性也會有很大差異。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)改性水泥作為防護層具有黏結(jié)強度高、抗?jié)B性能優(yōu)異、經(jīng)濟性好的特點，在隧道、橋梁等修補工程中應(yīng)用廣泛[22-23]。因此，本文通過改進的高壓水槍試驗設(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防護層沖蝕損傷的影響，建立防護層蝕變深度預(yù)測模型。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)、路基護坦等)表面防護的抗沖蝕設(shè)計與評估提供參考。

1 試 驗

1.1 原材料

試驗所用的試樣由混凝土基體和聚合物水泥防護層組成?；炷恋呐浜媳热绫?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，細骨料的細度模數(shù)為2.3，粗骨料為5～20 mm連續(xù)級配的碎石，減水劑為粉體聚羧酸減水劑，摻入質(zhì)量分數(shù)為0.15%?；炷?8 d抗壓強度為45.6 MPa。

表1 混凝土配合比

聚合物水泥防護層由聚合物-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)量分數(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聚合物水泥防護層和基體間黏結(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，以保證澆筑的防護層厚度為5 mm。之后將實驗室攪拌好的聚合物水泥防護層涂抹在基體表面，如圖1(b)所示。靜置1 d后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室養(yǎng)護28 d后進行抗沖蝕特性試驗。通過直接拉拔法測試的防護層與混凝土的28 d黏結(jié)強度為3.24 MPa，30和90 d全浸黏結(jié)強度為3.41和3.18 MPa。

圖1 混凝土-聚合物水泥防護層試樣制備

1.3 試驗方法

1.3.1 抗沖蝕試驗設(shè)計

采用自行設(shè)計的混凝土聚合物水泥防護層抗沖蝕試驗設(shè)備進行研究，試驗裝置如圖2(a)所示。通過超高壓清洗機可實現(xiàn)0～18 MPa噴射水壓的施加，試驗支架上部預(yù)留孔洞用于固定噴槍，下部底板放置測試試樣。試驗過程中通過調(diào)整噴槍位置使噴射頭與測試試樣表面垂直，并控制噴嘴至試樣表面的距離為15 cm。

試驗中考慮不同噴射壓力、噴射長度、噴射角度及噴射時間對混凝土聚合物水泥防護層抗沖蝕特性的影響，具體試驗設(shè)計方案如表2所示。噴射壓力設(shè)置5、10和15 MPa 3個壓力等級。噴射長度通過調(diào)整噴嘴形式實現(xiàn)，如圖2(b)所示噴射長度分別為0.5、4.0和6.6 cm。不同噴射角度通過調(diào)整測試試樣位置實現(xiàn)，該角度為噴射水流與試樣表面的夾角(圖2(b))，試驗設(shè)置22.5°、45°、67.5°和90°共計4種噴射角度。經(jīng)過前期預(yù)實驗發(fā)現(xiàn)，在試驗工況7的條件下，混凝土表面防護層在沖蝕90 min時已與基體脫離。因此，設(shè)置的沖蝕時間為10、20、30、40、50、60和90 min，每次沖蝕時間結(jié)束后，通過三維掃描技術(shù)獲得沖蝕表面的形貌特征，用于定量損傷評估。

圖2 抗沖蝕試驗設(shè)備及試驗工況

表2 聚合物水泥防護層抗沖蝕試驗工況

1.3.2 三維掃描技術(shù)

采用三維掃描儀對高速水流沖蝕后的混凝土聚合物水泥防護層表面進行掃描,三維掃描儀的掃描精度高達0.05 mm,滿足試驗需求。首先在試樣表面粘貼標(biāo)記點，如圖3(a)所示，每3個標(biāo)記點為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，打開三維掃描儀獲得試樣表面的點云數(shù)據(jù)集(圖3(b))。之后通過Geomagic studio軟件將點云數(shù)據(jù)進行組合、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，獲得防護層損傷區(qū)域的損傷深度云圖、長度、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 試驗結(jié)果與分析

2.1 聚合物水泥防護層沖蝕損傷形態(tài)分析

圖4為沖蝕90 min時混凝土表面聚合物水泥防護層在不同沖蝕試驗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、噴射長度及噴射角度對防護層沖蝕的影響。在噴射長度為0.5 cm、噴射角度為90°的工況下，噴射水流作用在防護層上類似于點狀沖擊，在5 MPa水壓下僅在表面留下淺淺的凹痕，壓力增大到10 MPa時凹痕的深度有明顯加深，再次增壓到15 MPa時防護層中心損傷區(qū)域的面積明顯增大，最大損傷深度達到了7 mm左右，超過了防護層的厚度，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)的防護層與周圍防護層出現(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荷的水流到達防護層與混凝土的界面時，沿著界面處的微裂隙擴展，當(dāng)水壓力超過了防護層與混凝土基體的黏結(jié)力時，首先會產(chǎn)生與基體的脫粘，水壓力超過防護層抗折強度時也就導(dǎo)致了防護層的開裂。

圖4 沖蝕90 min時聚合物水泥防護層的損傷深度云圖

當(dāng)增大噴射長度時(4.0和6.6 cm)，5 MPa噴射壓力下在防護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孔。壓力增大至10 MPa時，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，更大的噴射長度對防護層表面沖蝕損傷影響降低。這是因為噴射長度的增大分散了噴射的動水壓力，即作用到防護層表面的荷載降低了，在防護層表面產(chǎn)生的損傷減弱。

當(dāng)噴射壓力和噴射長度固定時(15 MPa-4.0 cm)，噴射角度越小，防護層的損傷越輕。在22.5°的噴射工況下，防護層表面未有可見損傷；增大噴射角度至45°及67.5°時，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 噴射壓力和長度對聚合物水泥防護層的沖蝕損傷過程分析

根據(jù)表2所示的不同噴射工況，通過對沖蝕區(qū)域的三維表面形貌分析，選取了沖蝕最大長度、最大寬度、最大深度和沖蝕體積4個表征聚合物水泥防護層沖蝕損傷特征參數(shù)進行分析。圖5～7分別為噴射長度0.5、4.0和6.6 cm工況下防護層在不同噴射壓力作用下沖蝕損傷特征參數(shù)隨沖蝕時間的變化曲線。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)均隨著沖蝕時間的增加而增加；更大的噴射壓力會造成更大的沖蝕損傷。但在不同噴射壓力下防護層的損傷發(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下防護層的沖蝕損傷特征參數(shù)均隨沖蝕時間的增加呈現(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，防護層損傷特征參數(shù)曲線在不同沖蝕時刻出現(xiàn)了明顯的突增點。其中，沖蝕最大長度和沖蝕體積的突增發(fā)生在60 min時，沖蝕最大深度在40 min時出現(xiàn)陡增。這種損傷特征參數(shù)出現(xiàn)陡增時間差異的現(xiàn)象反映了沖蝕損傷的不同階段。沖蝕時間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層已被高速水流擊穿，水流到達了混凝土基體處；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程，水壓力在防護層和混凝土基體界面處的微缺陷處聚集；50～60 min內(nèi)，積聚的水壓力超過了防護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)域也因此進一步擴大；繼續(xù)沖蝕至90 min時，損傷中心處的水壓力沿著界面繼續(xù)往四周擴展，水壓力超過防護層的抗折強度時也就發(fā)生了圖4的圓形破壞形態(tài)。

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

當(dāng)增大噴射長度至4.0 cm時(圖6)，沖蝕最大長度隨著沖蝕時間的增加而呈緩慢遞增的特征，這也表明沖蝕時間對沖蝕長度的影響并不顯著。但噴射壓力的增加對沖蝕區(qū)域的長度、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，沖蝕最大深度隨著沖蝕時間的增加變化緩慢。而在15 MPa條件下沖蝕60 min時刻的最大深度出現(xiàn)突增，最大沖蝕深度超過防護層的厚度。繼續(xù)沖蝕至90 min時，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，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)增大噴射長度至6.6 cm時(圖7)，從整體上看聚合物水泥防護層的沖蝕損傷特征參數(shù)與圖6相同，但除了沖蝕最大長度外，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時最大深度也僅達到1 mm，遠小于另外兩種噴射長度。這也表明了增大噴射長度可以有效降低高速水流對聚合物水泥防護層的損傷程度。

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

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

通過對比相同噴射壓力下噴射長度對聚合物水泥防護層沖蝕效果的影響發(fā)現(xiàn)，噴射長度對沖蝕最大長度起到了決定性的影響，相對而言沖蝕時間的影響較小。正如2.1和2.2節(jié)分析的，噴射長度的降低使得噴射的水流動能更加集中，也就能更快地穿透聚合物水泥防護層。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，對比噴射長度0.5和4.0 cm，因為噴射長度顯著增加，沖蝕區(qū)域的長度也明顯增加，最終噴射長度4.0 cm條件下的沖蝕體積最大。

2.3 噴射角度對聚合物水泥防護層的沖蝕損傷過程分析

在噴射壓力15 MPa、噴射長度4.0 cm的工況下繪制了不同噴射角度下聚合物水泥防護層沖蝕損傷特征參數(shù)隨沖蝕時間的變化，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時噴射角度22.5°、45°、67.5°和90°條件下對應(yīng)的噴射最大長度分別為45.5、50.0、54.0和55.0 mm，相比初始噴射長度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)防護層表面出現(xiàn)明顯損傷區(qū)域時，損傷區(qū)域內(nèi)反射的水流又會進一步加快區(qū)域邊緣的損傷，最終產(chǎn)生的沖蝕長度、寬度、深度以及體積也就更大。當(dāng)噴射角度越小時，作用在聚合物水泥防護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，沖蝕損傷程度就會有明顯的降低。

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

3 混凝土表面聚合物水泥防護層蝕變深度評估模型

混凝土表面防護的意義在于免受動水荷載對混凝土基體的持續(xù)沖蝕，若高速水流擊穿防護層作用到了混凝土基體上就失去了防護效果。因此，選擇沖蝕最大深度作為損傷評估模型的目 標(biāo)值，針對不同的噴射長度和噴射角度，構(gòu)建混凝土聚合物水泥防護層沖蝕最大深度隨噴射壓力和沖蝕時間變化的蝕變模型。經(jīng)過模型評估，選擇Logistic 回歸函數(shù)作為不同噴射長度下混凝土聚合物水泥防護層蝕變深度模型，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為沖蝕時間，min；a、b、c、d、f為模型參數(shù)?；诖四Ｐ瞳@得的噴射長度為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)測值與試驗值關(guān)系。根據(jù)回歸系數(shù)R2得知，該回歸模型與試驗值有很好的相關(guān)性，可以精確地表征蝕變深度隨噴射壓力和噴射時間的變化特征。

表3 不同噴射工況下聚合物水泥防護層的蝕變模型參數(shù)

圖9 不同噴射長度下聚合物水泥防護層蝕變深度評估模型

由2.3節(jié)可知，當(dāng)噴射壓力和噴射長度固定時，噴射角度的變化對沖蝕損傷也會產(chǎn)生很大的影響。為了能夠評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層蝕變深度模型，獲得了圖10所示的聚合物水泥防護層蝕變深度隨噴射角度和沖蝕時間的演變模型，蝕變模型相關(guān)參數(shù)如表3所示?；貧w模型的R2僅有0.768 5，表明模型預(yù)測值與實測值之間的差異性較為明顯，尤其是噴射角度為45°的試驗值均高于預(yù)測值。事實上，當(dāng)噴射角度改變時，作用在防護層表面的沖擊形式發(fā)生了變化，從90°時的正向沖擊作用轉(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)測模型與實際值偏差較大。

圖10 聚合物水泥防護層蝕變深度隨噴射角度和沖蝕時間的演變模型

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

4 結(jié) 論

1)不同的噴射長度和噴射角度在混凝土表面聚合物水泥防護層產(chǎn)生的沖蝕形態(tài)不同。噴射長度的增加(從噴射長度為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，聚合物水泥防護層沖蝕最大長度、最大寬度、最大深度以及體積都隨著噴射壓力和沖蝕時間的增加而增加。當(dāng)噴射壓力在15 MPa、噴射長度為0.5 cm時，聚合物水泥防護層先被擊穿，而后在水力劈裂作用下防護層與混凝土基體發(fā)生脫粘破壞；當(dāng)噴射長度加大后，未發(fā)生水力劈裂破壞，說明噴射而出的水流動能被分散。

3)噴射長度和噴射角度的增加會大大降低聚合物水泥防護層的沖蝕損傷程度，但兩者的作用機制不同。增加噴射長度，降低了作用于防護層表明的水流動能；降低噴射角度后防護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層蝕變深度預(yù)測模型對于不同噴射長度下的沖蝕深度預(yù)測具有很好的準(zhǔn)確性，可以用于指導(dǎo)沖刷環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)工程防護層的設(shè)計。但該模型在噴射角度和沖蝕時間因素下的預(yù)測效果較差，這可能與噴射角度變化下防護層復(fù)雜的受力特點有關(guān)，后續(xù)應(yīng)著重進行這方面的研究。