本文是一篇土木工程论文， 本课题基于变形磨损理论及相似理论，提出了风沙试验相似准则，该准则明确了实验室模拟风沙试验中各项参数的取值，限制了风沙试验相似准则的适用范围，提高了实验室模拟风沙试验的准确性，建立了实际工况下材料冲蚀损伤和实验室模拟工况下材料冲蚀损伤的对应关系。研究者运用该准则，通过实验室试验可以模拟工程材料在特定区域风沙环境下一定时间内的损伤程度，也可以预测工程材料在特定区域风沙环境下的使用寿命。
第一章  绪论
1.1  研究背景及研究意义
内蒙古中西部地区气候干旱少雨，且分布有我国四大沙漠和两大沙地，属于沙尘天气频发地区，许多建筑物、构筑物及道路等分布于沙漠附近或者在沙漠区域内。随着该地区建筑物服役时间的增加，风沙环境对建筑材料的冲蚀损伤作用日趋明显，该地区的房屋、公路、桥梁、输电塔等基础设施长期受到沙尘暴的侵害，不仅使结构的耐久性降低，严重时甚至影响结构的安全性。内蒙古沙漠地区建筑物的采光玻璃，在服役一段时间后，透光率会有明显的下降；该地区约有超过 95%的公路受到不同程度的风沙冲蚀损伤破坏[1]；该地区钢结构出现因涂层破坏导致锈蚀的概率，要远远高于其它地区。风沙冲蚀作用已成为影响该地区工程项目耐久性的主要因素之一。
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1.2  风沙环境下工程材料冲蚀损伤研究现状
固体颗粒冲蚀材料表面是一个十分复杂的过程，国内外学者开展了很多冲蚀试验研究，冲蚀试验方法主要有旋臂式冲蚀试验、颗粒投掷式冲损试验、喷嘴式冲蚀试验。目前最为常用的固体颗粒冲蚀试验研究装置为喷嘴式冲蚀磨损试验装置及其改进版试验装置，许多研究者根据各自研究对象的特点，自主设计了固体颗粒冲蚀试验系统[2,3],并将试验数据结果与经验试验结果进行比较，所得到试样的冲蚀速率、冲蚀速度及下沙量三者的关系较为接近，验证了试验装置可靠性。有国外学者对传统喷嘴式冲蚀装置进行了改进，并利用该装置对试样材料进行纯冲蚀、流动腐蚀和冲蚀腐蚀的交互作用试验，采用常规的重量法和现场电化学腐蚀分析法揭示了试样材料质量损失与电化学测量之间的协同作用[4]。还有学者利用非侵入式超声设备研究了材料在气固两相流中冲蚀速度、颗粒大小对冲蚀速率的影响[5]。
受到冲蚀的材料不同，固体颗粒冲蚀行为的特性也不相同，国内外学者针对于不同材料受到固体颗粒的冲蚀行为进行了研究，并取得了一定成果。
对于钢材受到固体颗粒的冲蚀行为，有国外学者对不锈钢材料进行冲蚀磨损试验，测量 AE 声发射的机械瞬变，并捕捉试样材料通过电化学电流变化瞬间，结合失重法得出试样材料冲蚀程度与倾斜角度的关系[6]。有国内学者利用气流喷砂式冲蚀试验机及天然混合沙，对不同种类的钢轨材料进行了实验室风沙冲蚀试验，对比了各种多种钢轨材料的抗冲蚀性能，并对钢轨材料的主要冲蚀损伤特征进行了归纳；有学者针对于新疆特大风区铁路钢轨遭受风沙冲蚀现状，采用气流挟沙法分别对分别对焊缝及母材试样进行风沙冲蚀试验，结果表明：冲蚀速度及冲蚀角度是影响焊缝和母材冲蚀率的主要因素，冲蚀速度越大，冲蚀率越大，冲蚀角度越大，冲蚀率越小，相同情况下，母材的冲蚀率大于焊缝区的冲蚀率[7]。
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第二章  内蒙古中西部风沙环境资料收集及分析
2.1  沙尘天气分类
内蒙古中西部地区气候干燥少雨，并且我国两条沙尘暴的主要路线都途径内蒙古中西部地区，这些因素共同导致内蒙古中西部地区成为了沙尘天气灾害最为严重的地区之一。对近十年内蒙古地区的沙尘暴年暴发次数数据进行分析，得到对应于实验室模拟风沙试验参数的环境参数（沙尘浓度、年高风速冲蚀时间、冲蚀风速）的取值，该参数是分析模拟风沙试验结果及预测材料在实际风沙环境中损伤程度的前提。
在国家标准《沙尘暴天气等级》（GB/T 20480-2006）[36]中，根据风速、空气混浊程度、水平能见度将沙尘天气划分为 5 个等级，分类方法如表 2-1 所示。
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强风是沙尘天气对建筑造成损害的主要因素之一，风速越高，沙尘天气对建筑造成的损害就越大，为了能够更准确的通过风速划分沙尘天气的等级，气象上通常将最大风速≥20m/s、最低能见度≤200m 者定为强沙尘暴,最大风速≥25m/s,最低能见度≤50m 者为特强沙尘暴[37]。根据近年来内蒙古沙尘天气的气象数据，内蒙古中西部地区所暴发沙尘暴的最大风速的范围为 14.58~27.9m/s，某些平坦空旷地区风速可能更大，甚至达到 30m/s 以上[38]。
空气中大量的悬浮颗粒物是沙尘天气对建筑造成损害的主要因素之二，空气中的悬浮颗粒物浓度越高，沙尘天气对建筑造成的损害就越大，学者们从沙尘浓度的角度对沙尘天气进行分类。万本太等学者提出了基于悬浮颗粒物浓度的沙尘天气分级标准，如表 2-2 所示[27]。
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2.2 内蒙古中西部沙尘天气成因
内蒙古中西部地区自西向东有巴丹吉林沙漠、腾格里沙漠、乌兰布和沙漠、库布其沙漠和毛乌素沙地、浑善达克沙地，为沙尘暴形成提供了丰富的沙尘物质，沙尘物质的主要搬用过程如图 2-1 所示；内蒙古中西部地区位于我国北疆,是各路冷空气进入我国的必经之地,多大风天气(尤其在春季),为沙尘暴天气的形成提供了动力条件；加之该地区干燥少雨，极易起沙。多风的气象条件和干旱气候构成了内蒙古中西部地区强及特强沙尘暴多发的因素。
沙尘暴的形成和运行路线与大气环流、大的山体走向有极大关系。我国北方地处北半球西风环流带,西北地区多西—东和北西—南东走向的山脉,山体交汇处多聚风的峡谷。现代大范围沙尘暴较为集中的运行路线有两条：第一条形成于东疆戈壁地区，在甘肃河西走廊和内蒙古阿拉善地区形成强大的沙尘暴，横扫宁夏、鄂尔多斯高原和陕北、陇西、陇东、关中平原,势力减弱后进入中原地区，一直影响到长江流域；另一条主要线路一般形成于中蒙边境戈壁地区，在内蒙古高原得到加强，从西北部进入河北省，越过燕山进入北京后成为尘暴[40]。我国两条沙尘暴的主要路线都途径内蒙古中西部地区，这也使得内蒙古中西部地区成为了沙尘天气灾害最为严重的地区之一。
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第三章  工程材料风沙冲蚀损伤的相似性研究 .............................. 13
3.1  相似理论 ................................... 13
3.1.1  相似理论的概念 ......................... 13
3.1.2  相似三定理 ............................. 14
第四章  风沙试验相似准则的实际应用 ................................... 25
4.1  钢结构涂层材料在风沙环境中的损伤预测 ................................. 25
4.1.1  模拟风沙试验的试验参数 ................................... 25
4.1.2  模拟风沙试验的试件制备与筛选 ................................ 27
结论 .............................. 54
第四章  风沙试验相似准则的实际应用
4.1  钢结构涂层材料在风沙环境中的损伤预测
本课题组已对各类工程材料受到风沙冲蚀损伤问题做了长时间的研究，取得了一定的成果，积累了大量的试验经验及试验数据。风沙试验相似准则的提出，为实现实验室模拟风沙试验的试验结果和实际风沙环境下工程材料的损伤程度的相互转换提供了理论依据。本章运用风沙相似准则以及内蒙古中西部风沙天气的气象资料，分析混凝土、玻璃的模拟风沙试验的试验数据，对两种材料在内蒙古中西部风沙环境中的全服役期冲蚀损伤程度进行了初步预测；进行涂层材料损伤预测冲蚀及寿命预测模拟风沙试验，对涂层材料在内蒙古风沙环境中的耐久性进行可靠性分析，并对两种加速模拟风沙试验的方法（提高冲蚀速度和提高沙尘浓度）的数据准确性作出了评价。
运用风沙试验相似准则以及内蒙古中西部风沙天气的气象资料，通过设计并进行损伤预测冲蚀模拟风沙试验和寿命预测模拟风沙试验，对钢结构涂层材料在内蒙古中西部实际风沙环境中的耐久性进行综合评价。
为方便实验室模拟风沙试验进行，根据以往的实验经验，设定w 的值为 1，即钢结构涂层在实际风沙环境与在实验室模拟风沙环境受到的风沙冲蚀损伤的程度是相同的；设定t 的值为 600,即钢结构涂层在实际风沙环境中放置 1 年等效于在实验室模拟风沙环境中放置 1 分钟；设定 Vm为 30m/s,即设定实验室模拟风沙环境与实际风沙环境具有相同的冲蚀速度。两种工况下已知的环境参数如下表所示：
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结论
本文对内蒙古地区的风沙天气进行了系统的调查和统计，得到对应于实验室模拟风沙试验参数的实际环境参数。在变形磨损理论及相似理论的基础上，结合以往的冲蚀试验的试验结果及试验现象，提出风沙试验相似准则。利用该准则，对混凝土试件及普通玻璃的模拟风沙试验的试验数据进行分析，预测两种材料在全服役期的损伤程度；设计并进行三组试验参数不同的实验室风沙冲蚀试验，以之模拟钢结构涂层在内蒙古中西部实际环境下受到的风沙冲蚀作用，通过分析试验结果，得到钢结构涂层的冲蚀损伤时变曲线及基于可靠性的使用寿命预测结果，利用相对信息理论分析三组试验的数据结果，定量地对实验数据的准确性进行评定。结论如下：
1.根据内蒙古中西部的气象资料，经过分析及计算得到实际风沙环境的基本环境参数为：冲蚀速度为 30m/s，沙尘浓度为 10mg/m3，年平均高风速冲蚀时间为 36000s ，明确实际风沙环境的基本参数是进行实验室模拟风沙环境试验的前提。
2.  本课题基于变形磨损理论及相似理论，提出了风沙试验相似准则，该准则明确了实验室模拟风沙试验中各项参数的取值，限制了风沙试验相似准则的适用范围，提高了实验室模拟风沙试验的准确性，建立了实际工况下材料冲蚀损伤和实验室模拟工况下材料冲蚀损伤的对应关系。研究者运用该准则，通过实验室试验可以模拟工程材料在特定区域风沙环境下一定时间内的损伤程度，也可以预测工程材料在特定区域风沙环境下的使用寿命。 针对于聚氨酯涂层材料，运用相对信息理论，全面且定量的分析了两种不同加速风沙试验方法（提个冲蚀速度与提高沙尘浓度）得到的试验数据，最终得到的结果为：提高冲蚀速度的加速风沙试验方法要优于提高沙尘浓度的加速风沙试验方法，但两种加速方法造成的数据差异不大，且均具有较好的有效性，利用两种加速方法设计的风沙试验都可以用来模拟工程材料在实际风沙环境中的冲蚀损伤过程。
3.  利用所提出风沙相似准则，分析了混凝土试件、普通玻璃试件、聚氨酯涂层试件的风沙模拟试验数据，对三种材料在内蒙古中西部风沙环境下的冲蚀损伤程度进行了预测。通过对于风沙相似准则的实际应用，验证了该准则在指导实验室模拟风沙试验方面的适用性及可行性。