桥墩冲蚀磨损破坏是指水流长期挟带推移质或悬移质泥沙运动，沙粒以一定的动能对桥墩壁面反复地冲击和切削，造成桥墩表面的破坏. 我国幅员辽阔，河流众多，年平均输砂量在1000万t以上的河流有40余条^[1]，含砂水流对桥梁下部结构的冲蚀磨损破坏屡见不鲜. 1998年，美国为修复由于冲蚀磨损造成的桥梁损害，共花费了1550亿美元，其中，部分桥梁的维修费用竟然高达当初建设费用的4倍^[2]. 湖南省张家界慈利县慈利澧水大桥仅仅通车了6年，其桥墩桩基便已伤痕累累，桥墩桩基混凝土大量剥落，有如“虫蛀”^[2]. 在我国岷江上游，很多桥梁仅在桥梁设计使用年限的1/10内，就出现了不同程度的冲蚀磨损破坏^[3].

聚乙烯醇（polyvinyl alcohol，PVA）纤维是以高聚合度的优质聚乙烯醇为原料，采用特定的技术加工而成的一种合成纤维. PVA纤维具有优良的物理特性，抗拉强度明显高于其他合成纤维（如聚丙烯纤维、聚酯纤维等），杨氏模量也比其他合成纤维高出数倍，PVA纤维是极好的水泥基增强材料. PVA纤维对水泥基材料基本力学性能的改善已得到较为广泛的研究^[4]. 许有俊等^[5]研究了不同长度的PVA纤维对混凝土抗压强度和轴心抗压强度的影响，研究得出：混凝土中掺入纤维后，抗压强度会降低，轴心抗压强度变化不大. 郑德路^[4]研究了PVA纤维掺量对冲击韧性的影响，研究表明：随着PVA纤维掺量的增加，材料的冲击韧性提高. Li 等^[6]通过实验研究了纤维表面处理和含砂量对复合材料性能的影响，研制了一种高性能聚乙烯醇纤维增强工程水泥基复合材料（PVA-engineered cementitious composite，PVA-ECC），这种复合材料的极限应变超过4%，极限强度为4.5 MPa. Shafiq等^[7]通过21根梁的弯曲试验，研究了纤维种类（玄武岩纤维和PVA纤维）和体积掺量（1%、2%和3%）对纤维增强混凝土力学性能的影响. Woo等^[8]研究了粉煤灰和PVA纤维掺量对大坝混凝土耐久性的影响，研究结果表明：当粉煤灰掺量为15%，PVA纤维掺量为0.9 kg/m³时，大坝混凝土的各项力学性能较好.

Woo等^[9]研究了掺有粉煤灰和PVA纤维的面板混凝土的抗渗透性、抗耐磨性和抗冻融性能. Abid等^[10]用水射流法，对长200 mm、厚度50 mm的方形ECC板试件进行了磨损试验，研究了不同纤维种类（PP （polypropylene）纤维和PVA纤维）和掺量对材料耐磨性的影响. 王彦平等^[11]使用气流携砂喷射法对PVA纤维水泥基材料的抗冲蚀磨损性能进行了研究，研究的因素包括气流流速、冲击角度和冲蚀时间. 但是，目前对PVA纤维水泥基复合材料抗冲蚀磨损性能、特别是冲蚀机理的研究尚不够深入，需要深入研究.

水泥基材料的抗压强度对冲蚀磨损性能有直接影响. 本文以普通砂浆作为参照，先采用正交试验方法测试了PVA纤维水泥基复核材料的抗压强度，再采用高速水流挟沙喷射法，通过自主设计的冲蚀磨损试验装置，对PVA纤维水泥基复合材料的冲蚀磨损性能进行试验研究，探究冲蚀磨损的影响因素和产生机理，最后采用计算流体力学程序开展仿真分析，从流场的角度深入讨论冲蚀磨损机理.

1.   试验方案

1.1   试验原材料

水泥采用都江堰拉法基水泥有限公司P.O 42.5水泥；硅灰密度2.14 g/m³，SiO₂含量94.5%；骨料采用石英砂和河沙，石英砂采用佳美牌石英砂，规格为70～140目，密度2.65 g/cm³；微珠产自于成都恒瑞源环保材料有限公司，形状呈完全球形，平均直径约1.8 μm，比表面积：3300 m²/kg，主要化学成分为SiO₂，含量为56.5%；河沙为中砂，细度模数为2.81，堆积密度1460 kg/m³，表观密度2500 kg/m³；减水剂采用sika聚羧酸减水剂，减水率约为30%，含固量为27%，符合《混凝土外加剂》（GB 8076—2008）^[12]要求；PVA纤维长度12 mm；水采用实验室自来水；冲蚀用砂是石英砂，粒径为0.5～1.0 mm.

1.2   正交试验方案设计

本文将硅灰掺量、微珠掺量和水胶比设为影响PVA纤维水泥基复合材料抗冲蚀磨损性能的主要因素，采用3因素3水平的正交试验方案设计，选用L9(3⁴)的正交表，如表1所示. 其中：L是正交表代号；9是试验次数（即正交表的横行数）；3代表位级（因素水平）；4代表试验参数（因素）. 本文将PVA纤维水泥基复合材料抗冲蚀磨损性能与普通砂浆抗冲蚀磨损性能进行对比，普通砂浆各材料用量为水∶水泥∶砂=160∶533∶1407，水胶比为0.3，配合比编号为W1.

表  1  PVA纤维水泥基复合材料抗冲蚀性能正交试验方案配合比

Table  1.  Mix proportion of PVA fiber reinforced cement based composites in orthogonal test scheme on anti-abrasion performance

编号	材料/（kg•m−3）								掺量比重
	水	水泥	硅灰	微珠	砂	减水剂	PVA纤维		水胶比	硅灰	微珠
El	381	1080	64	127	457	19	26		0.30	0.05	0.10
E2	381	953	127	191	457	19	26		0.30	0.10	0.15
E3	381	826	191	254	457	19	26		0.30	0.15	0.20
E4	432	987	62	185	444	19	26		0.35	0.05	0.15
E5	432	864	123	247	444	19	26		0.35	0.10	0.20
E6	432	925	185	123	444	19	26		0.35	0.15	0.10
E7	480	899	60	240	432	18	26		0.40	0.05	0.20
E8	480	959	120	120	432	18	26		0.40	0.10	0.10
E9	480	839	180	180	432	18	26		0.40	0.15	0.15
注：PVA纤维掺量占其余材料总体积的百分数为 2%.

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1.3   冲蚀磨损试验装置研制

目前，关于混凝土冲蚀磨损的试验方法和试验标准还没有统一，现行的混凝土冲蚀磨损试验方法主要有^[13]：气流挟沙喷射法、圆环法、水下钢球法、普通水流挟沙喷射法、高速水流挟沙喷射法等. 本文设计了一种能实现不同冲击角度、不同冲击速度和不同含砂量的混凝土试块冲蚀磨损试验装置，如图1所示. 该试验装置工作原理为：用水泵将水桶中的含砂水流沿管道和喷嘴冲击到试块表面，冲击完之后流回到桶中，循环利用. 污水泵转速由变频器控制，通过变频器改变污水泵电机转速来调节污水泵出口流量，从而改变出口流速. 为了实现高速水流，在水管端部连接变截面喷嘴，使得过流断面直径从7.5 cm缩小到喷嘴出口的2.0 cm，喷嘴出口流速最大可达到32.85 m/s. 试块固定装置能在0°～90° 内调节冲击角度 $\theta$，如图1所示.

图  1  冲蚀磨损试验装置

Figure  1.  Hydro-abrasion testing device

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1.4   试验流程和工况介绍

1） 制作PVA纤维水泥基复合材料和普通砂浆配合比试块（100 mm × 100 mm × 100 mm）并养护；2） 养护完成后，试块做饱水处理，将试块在水中浸泡24 h，如果两次称重的质量差值不大于0.1 g，说明试块已达到浸水饱和；3） 调节好冲击角度并固定试块，将称量好的水和砂放入桶中，先让搅拌机先开始工作，再打开污水泵冲击试块到规定时间；4） 取出试块并擦干，拍摄试块表面外貌，称量试块质量，计算试块质量损失ΔM. 每一工况重复3次，并取3次结果的平均值作为该工况的质量损失. 试验中，主要研究冲击时长和冲击角度对冲蚀磨损程度的影响. 因此出口流速调节为22.88 m/s并保持不变，水中含砂量为50 kg/m³，冲击角度分别为30° 和90°.

2.   结果与讨论

2.1   抗压强度

根据《混凝土物理力学性能试验方法标准》（GB/T 50081—2019）^[14] 第6条的规定，采用100 mm × 100 mm × 100 mm立方体试块进行抗压强度测试，尺寸换算系数为0.95，加压速率为0.5 MPa/s. PVA纤维水泥基各组试块和普通砂浆试块的抗压强度如图2所示. 可见：PVA纤维水泥基各组试块的抗压强度基本上在40.0 MPa以上，高于普通砂浆试块抗压强度35.7 MPa. PVA纤维水泥基各组试块被压坏后依然连接在一起，并没有破碎散落成块，如图3所示. 因为PVA纤维水泥基复合材料具有很好的韧性，纤维的拉结作用使碎裂的各部分连接在一起. 普通砂浆试块抗压强度测试后，试块完全被压碎. 抗压强度极差和方差计算结果表明：影响抗压强度主次因素的顺序为水胶比 > 硅灰掺量 > 微珠掺量. 以空白列作为误差项，分析各因素对试验结果影响的显著水平，当信度取0.05时，水胶比和硅灰掺量对抗压强度有较显著影响. PVA纤维水泥基各组试块抗压强度随着水胶比和硅灰掺量变化情况如图4所示. 可见：试块的抗压强度随着硅灰掺量的增加而提高，随着水胶比的增大而显著减小. 即增加硅灰掺量、降低水胶比，能提高材料的抗压强度.

图  2  PVA纤维水泥基试块和普通砂浆试块抗压强度

Figure  2.  Compressive strengths of PVA fiber reinforced cement based blocks and ordinary mortar blocks

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图  3  PVA纤维水泥基部分试块抗压强度测试后破碎形状

Figure  3.  Shapes of crushed PVA fiber reinforced cement based blocks after compressive strength test

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图  4  水胶比和硅灰掺量对PVA纤维水泥基试块抗压强度的影响

Figure  4.  Effect of water binder ratio and silica fume content on compressive strengths of PVA fiber cementitious testing block

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2.2   冲蚀角度和冲蚀时间对冲蚀磨损性能的影响

水砂混合物的含砂量为50 kg/m³，出口流速为22.88 m/s时，PVA纤维水泥基各组试块和普通砂浆试块在30° 和90° 冲击条件下的质量损失如图5所示. 可见：1） 各试块的质量损失在30° 冲击角度较小，在90° 冲击条件下较大；2） 普通砂浆试块质量损失大于PVA纤维水泥基试块（E1～E9）质量损失.

图  5  PVA纤维水泥基试块和普通砂浆试块质量损失

Figure  5.  Weight loss of PVA fiber reinforced cement based blocks and ordinary mortar blocks

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PVA纤维水泥基各组试块的质量损失随着水胶比和硅灰掺量变化情况如图6所示. 可见：试块的质量损失随着硅灰掺量的增加而减小，随着水胶比的增大而显著增大. 即增加硅灰掺量和降低水胶比，能提高材料的抗冲蚀磨损性能，这与抗压强度的结果的影响因素是一致的. 冲蚀磨损质量损失极差和方差计算结果表明：不同冲击角度下，影响材料抗冲蚀磨损性能主次因素的顺序为：水胶比 > 硅灰掺量 > 微珠掺量. 分析表明：水胶比和硅灰掺量对抗压强度有较显著的影响.

图  6  水胶比和硅灰掺量对PVA纤维水泥基试块冲蚀质量的影响

Figure  6.  Effect of water binder ratio and silica fume content on hydro-abrasion mass loss of PVA fiber reinforced cement based blocks

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图7展示了表1中E3配合比和普通水泥砂浆试块冲蚀磨损质量随冲蚀时间的变化情况（图中n为单位时间（5 min）的序号）. 由图7（a）可知：试块在很短的时间内（前5 min）就发生了冲蚀磨损破坏，并且是后续各单位时间内质量损失最大的阶段，这符合脆性材料冲蚀磨损随冲蚀时间的变化规律^[15]，即：脆性材料的冲蚀磨损过程不存在孕育期. E3试块单位时间的质量损失，以及累积质量损失，都比普通砂浆试块小. 由图7（b）可知：随着冲击时间的增加，两者的累计损失都增加，大致呈线性变化.

图  7  E3配合比试块和普通砂浆试块质量损失与冲蚀时间的关系

Figure  7.  Relationship between mass loss and hydro-abrasion time of E3 testing blocks and ordinary mortar testing blocks

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2.3   冲蚀磨损特征对比分析

图8、9分别展示了当冲击角度为90° 和30° 时，PVA纤维水泥基试块（以E2配合比为代表）和普通砂浆试块的冲蚀特征.

图  8  冲击角度为90° 时各试块冲蚀磨损特征

Figure  8.  Hydro-abrasion characteristics of testing blocks when impacting angle is 90°

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冲击角度为90° 时，试块表面形成圆环状冲蚀坑，如图8（a）中区域4和图8（b）中区域2所示. 区域4圆环状冲蚀坑的外径为4.0～4.2 cm，区域2外径约为4.5 cm，两者的内径大致相同，约为1.0 cm. 普通砂浆试块冲蚀后，骨料外露明显，在整个试块表面都有损伤，在冲蚀坑外的表面基本被细长的放射状沟槽覆盖，如图8（b）中区域1所示；E2试块在冲蚀坑外也存在细长的放射状沟槽，但不明显，如图8（a）中区域5所示.

图  9  冲击角度为30° 时各试块冲蚀磨损特征

Figure  9.  Hydro-abrasion characteristics of testing blocks when impacting angle is 30°

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冲击角度为30° 时，E2试块的冲蚀坑呈马蹄形，冲蚀深度比90° 时浅，如图9（a）中区域1所示.

在图9（a）中区域2表面被沟槽覆盖，但这些沟槽的冲蚀深度远小于区域1的冲蚀深度，区域3的损伤最轻微. 普通砂浆试块的马蹄形冲蚀坑不明显，主要原因是水泥砂浆抗冲蚀磨损性能差，骨料周围的水泥石会逐渐被冲磨掉，出现明显的厚度损失，如图9（b）中区域1所示. 对比图8（b）与图9（b）可见：对于普通砂浆试块而言，90° 冲击角度下冲蚀导致骨料脱落质量和冲蚀范围，都明显大于30° 冲击角度下对应的量值，即冲击角度较小时冲蚀磨损较为轻微.

2.4   冲蚀磨损机理分析

水泥基材料主要由水泥石和砂组成，水泥石包裹着砂，形成一种多组分、非均质的脆性材料，其表面、亚表面和内部都有大量的缺陷（裂缝、孔洞和气泡等）. 试块冲蚀磨损破坏的过程是：携砂水流冲击试块表面时，易在试块表面薄弱处形成微裂缝，在砂粒持续不断地撞击下，裂缝不断扩展和交叉，在表面形成相互交错的放射状裂纹，产生微断裂后从试块表面脱落.

对于PVA纤维水泥基试块，当冲击角度为90° 时，试验中发现在距离冲蚀坑较远处的孔洞有水喷出，如图8（a）中区域1中展示的孔洞. 说明试块内部存在相互贯通的孔洞或裂缝. 当试块表面孔洞受到垂直冲击时，孔洞会经历扩大→消失的过程：即当孔洞内壁被水流掏蚀之后，孔洞被扩大；当孔洞周围的厚度损失大于孔洞的深度时，孔洞将被冲蚀坑覆盖，此孔洞消失，而在冲蚀坑底部新的孔洞会暴露出来，之后会经历相同的发展过程. 随着试块表面材料脱落，内部的PVA纤维会逐渐裸露，如图8（a）区域3中白色条纹所示. PVA纤维可以提高水泥基材料的抗冲蚀磨损性能，因为：1） 纤维在拌合的过程中会随机不均匀地分散在试块内部，形成三维乱向的承托网，对相邻部分形成较好的约束，使其不易被含砂水流冲走；2） 纤维质地柔软、裸露的纤维可以对砂粒的撞击起到缓冲作用，在一定程度上保护了纤维下面的部分基材；3） 纤维具有增强增韧阻裂的效应，当内部有微裂缝形成时，PVA纤维能阻止裂缝发展. 在30° 冲击角度下，冲击方向与试块表面的夹角较小，试块表面主要受到砂粒沿试块表面的切削作用. 当试块表面材料要脱离试块时，PVA纤维的约束作用阻止其从基体中剥落，即材料的剥离需要消耗更多的能量. 因此，掺入PVA纤维也可以明显提高材料在30° 冲击角度下的抗冲蚀磨损性能.

普通砂浆是砂、水泥、水拌合而成，表面水泥石强度低. 不论是在30° 冲击条件下，还是在90° 冲击条件下，冲蚀磨损首先从砂浆表面的水泥石开始. 随着表面的水泥石被冲磨掉，细骨料外露；当细骨料外露后，由水泥石和细骨料共同抵抗含砂水流的冲击作用. 因骨料的抗冲蚀磨损性能优于水泥石，骨料能够抵御砂粒的撞击；但骨料与周围的水泥石会产生裂隙，水泥石不断破碎和断裂导致裂隙不断拓展，水泥石对骨料的包裹程度越来越低，最终导致骨料脱落. 新的水泥石暴露出来，开始新一轮的冲蚀过程，水泥石和骨料的脱落交替循环. 可见：水泥砂浆的抗冲磨损性能主要取决于水泥石强度和水泥石与细骨料之间的结合强度.

为了进一步对试块表面冲蚀特征形成的原因进行分析，本文使用 ANSYS FLUENT对冲蚀流场进行数值模拟，计算模型如图10所示. 数值模型完全按照试验模型设置，即出口流速为22.28 m/s，含砂量为50 kg/m³. 图10中的试块没有材料属性，仅从流场角度分析PVA纤维水泥基试块或普通水泥砂浆试块冲蚀特征形成的原因.

图  10  数值模型示意

Figure  10.  Schematic of numerical model

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在90° 冲击角度下，试块表面流场如图11所示. 可见：水流流速关于冲击中心呈轴对称分布，在试块的中心位置水流速度接近0 （滞点），从撞击中心往四周，流速先增加再缓慢降低. 距离冲击中心1.0～2.0 cm内是高流速区，如图11（a）. 这是因为试块表面与含砂水流冲击方向垂直，含砂水流遇到试块时发生绕流，如图11（b）. 由于水流的裹挟作用，砂粒撞击试块表面后也不会沿入射角镜像对称反弹，而是沿着试块表面向冲击中心外侧运动，如图11（c）. 砂粒撞击试块表面的撞击信息如图12所示. 可见，由于水流的裹挟作用，砂粒以一定的角度撞击试块表面，砂粒撞击试块表面的角度呈圆环状分布，在喷嘴出口正对位置（即撞击中心），撞击角度最大，沿四周降低，如图12（a）.

图  11  90° 冲击角度下试块表面流场

Figure  11.  Flow field on testing block surface when impacting angle is 90°

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图  12  90° 冲击角度下试块表面砂粒撞击信息分布

Figure  12.  Distribution of sand particle impacting information on testing block surface when impacting angle is 90°

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由图12（b）可知，砂粒撞击试块表面的速度相比于出口速度有所降低，这是因为在冲蚀过程中，试块表面会形成一层“挤压膜”^[16]，挤压膜是将砂粒与试块分离的一层薄层液体，对砂粒的动能有一定的削弱. 砂粒撞击试块表面速度分布与撞击角度的分布大致相反，即在撞击中心，砂粒撞击的速度最低，并沿四周先增大后降低. 试块表面的流场信息解释了圆环状冲蚀坑形成的原因：在喷嘴出口正对面，砂粒撞击角度大，但水流速度小，砂粒撞击速度小，撞击频率相对较低；在冲蚀坑范围内，撞击速度大，砂粒撞击角度有所减小（30°～50°），砂粒沿试块表面法向方向的垂直撞击作用和切向方向的切削作用同时存在，两者相互促进，加剧了冲蚀磨损程度.

当冲击角度为30° 时，试块表面流场信息如图13所示. 含砂水流撞击试块，沿试块表面向下运动过程，流速逐渐增大，如图13（a）所示. 受制于水流的裹挟作用和试块表面向下倾斜导流作用，砂粒撞击试块后也沿试块表面向下运动，如图13（b）所示. 结合图9（a）、图13（b）与图14，图9（a）区域1中马蹄形冲蚀坑形成的过程为：喷嘴出口距离图14（c）中区域2 （与图9（a）中区域1对应）最近，砂粒最先撞击到该区域，相比于试块表面的其他区域，砂粒撞击该处的角度最大，撞击速度也普遍较大，如图14（a）所示. 在图14（c）中区域2，砂粒沿壁面法向方向的垂直撞击使得该处产生微裂缝，同时砂粒的切削作用对微裂缝的形成到断裂过程有促进作用，致使该处最先形成冲蚀坑. 在图14（c）中区域3，同一高度内砂粒撞击两侧的角度大，撞击中间的角度相对较小；撞击角度大的地方，砂粒沿法向方向的冲击作用越强，冲蚀坑向图14（c）中区域6发展，最终马蹄形冲蚀坑的形成. 撞击图14（c）中区域2的砂粒反弹后具有垂直于试块表面倾斜向上运动趋势，这些砂粒与撞向图14（c）中区域4 （对应图9（a）中区域3）的砂粒一起，受到沿着试块表面向下高速流动的水体的裹挟作用，沿着试块表面向下运动，如图13（b）所示，导致砂粒撞击图14中区域4的频率较低，如图14（b）中区域4所示，冲蚀磨损程度较轻微，如图9（a）中区域3所示. 砂粒沿着试块表面运动一段距离之后，在喷口水流的作用下又会撞击试块表面，在图14（c）中区域5产生很高的撞击频率，如图14（b）中区域5所示，但是该区域内砂粒撞击角度偏小，如图14（c）中区域5所示，砂粒的冲蚀作用以切削为主，导致该区域内产生很多细长的放射状沟槽，如图9（a）中区域2所示.

图  13  30° 冲击角度下试块表面流场

Figure  13.  Flow field on testing block surface when impacting angle is 30°

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图  14  30° 冲击角度下试块表面砂粒撞击信息分布

Figure  14.  Distribution of sand particle impacting information on testing block surface when impacting angle is 30°

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从上面的分析可见：桥墩冲蚀磨损不仅与材料本身相关，还与流场特性密切相关. 这也解释了实际工程中圆形桥墩迎水面冲蚀磨损较小，迎水面和侧面之间部位冲蚀磨损严重的原因.

3.   结　论

本文利用自主设计的冲蚀磨损试验装置对PVA纤维水泥基复合材料的冲蚀磨损特征、影响因素以及产生机理进行了研究，主要结论如下：

1） 减小水胶比，增大硅灰掺量，可提高PVA纤维水泥基复合材料抗压强度和抗冲蚀磨损性能.

2） 在90° 冲蚀条件下，试块的冲蚀坑呈圆环状，在30° 冲击条件下，试块的冲蚀坑呈马蹄形. 主要原因是冲击角度不同时，砂粒撞击试块各位置的速度、角度和频率不同.

3） 普通砂浆和E3配合比试块单位冲蚀时间内质量损失随冲击时间增加而逐渐减小.

4） PVA纤维水泥基材料的冲蚀磨损从缺陷处或薄弱处开始，内部分散的纤维能对材料的脱落有约束作用；普通砂浆中水泥石先发生脱落，然后水泥石和细骨料交替脱落. 两者发生冲蚀磨损的机理不同.

5） 相同水胶比下，PVA纤维水泥基复合材料的抗冲蚀磨损性能优于普通砂浆，其中 E3配合比的抗冲蚀磨损性能最佳.