新型環(huán)保SMW工法樁起拔減摩材料試驗研究

王 濤，王 博，王貴和，黃 吉，劉延超，陳子文

(1.北京市政路橋股份有限公司，北京 100045； 2.中國地質(zhì)大學工程技術(shù)學院，北京 100083)

0 引言

SMW工法樁作為工程中常用的基坑支護結(jié)構(gòu)形式，具有整體結(jié)構(gòu)性好、防滲性能高、適用地層廣、施工成本低等特點[1-3]。對于工法樁而言，施工完畢后型鋼能否正常有效回收，直接影響工程的經(jīng)濟效益[4-5]。在型鋼起拔過程中，可以明顯看到型鋼起拔時快時慢、時走時停的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象被稱為爬行現(xiàn)象，對于型鋼的起拔有指導意義[6]。國內(nèi)外對SMW工法樁型鋼-水泥土的相互作用[7-8]、破壞機理[9-10]研究較多，但關(guān)于工法樁新型減摩材料的研究較少。工程上一般使用較難降解的瀝青質(zhì)物質(zhì)作為減摩材料，通過現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)部分型鋼拔出困難，且存在起拔力過大導致結(jié)構(gòu)破壞等問題，容易引發(fā)工程事故，如圖1所示。張冠軍等[7]通過室內(nèi)試驗分析了不同減摩材料的減摩效果。鄭剛等[11]通過改變減摩材料等條件，對組合梁的抗彎性能和型鋼與水泥土之間的相互作用進行對比。在型鋼起拔初始階段，外力主要克服型鋼與水泥土之間的化學膠結(jié)力，繼續(xù)起拔膠結(jié)力變?yōu)閯幽Σ亮12]。因此型鋼與水泥土之間的膠結(jié)力與摩擦力對型鋼起拔有很大影響。

減摩材料的作用機理是在金屬表面形成一層潤滑膜，用潤滑膜代替摩擦副之間的干摩擦，能夠有效降低摩擦力。對于工法樁而言，減摩材料在早期可以提高型鋼與水泥土的復合作用，后期會降低握裹力，實現(xiàn)型鋼起拔[13]。工程上可以通過降低型鋼與水泥土之間的摩擦力，提高型鋼的起拔率。為降低型鋼與水泥土之間的摩擦力及考慮材料環(huán)保性，研制一種新型環(huán)保減摩材料，同時對減摩材料性能進行評價，為減摩材料的制配及應用提供參考。

1 型鋼與水泥土黏結(jié)研究

1.1 型鋼-水泥土界面

在多種材料的復合系統(tǒng)中，材料與材料之間存在物理或法線方向的界面。關(guān)于界面的形成機理，國內(nèi)外學者進行了大量研究。目前普遍認為主要是由化學鍵、分子擴散作用及機械作用形成，大多數(shù)情況下界面是由多種機理復合組成[14]。對于SMW工法樁而言，型鋼起拔初期，隔離界面發(fā)生剪切破壞，使起拔阻力減小[15]。

1.2 影響?zhàn)そY(jié)性能的因素

影響型鋼與水泥土之間黏結(jié)力的因素主要有以下幾個方面。

1)混凝土強度[16]隨水泥土強度的提高，黏結(jié)力增強。

2)型鋼埋置深度[16]型鋼界面一定，當埋深達到一定深度時，繼續(xù)增加埋深對握裹力影響不大。

3)型鋼表面狀況型鋼表面粗糙度會對型鋼與水泥土之間的化學膠結(jié)力產(chǎn)生影響，同時對摩擦系數(shù)產(chǎn)生影響。

4)加載方式 水泥土受壓時產(chǎn)生的裂縫較小，黏結(jié)力較高；受拉時產(chǎn)生的裂縫較大，導致位移量增加，黏結(jié)強度減小。

5)減摩材料性能 減摩材料性能會對型鋼與水泥土之間的黏結(jié)強度產(chǎn)生重要影響。

2 試驗器材及制備方法

2.1 試驗器材

主要材料：烴類混合物A，B，高分子化合物A，B；輔助材料：高分子化合物C，D，E，抗氧抗腐劑，有機化合物，阻燃劑，醇酯化合物，多酚類物質(zhì)，現(xiàn)場用減摩材料，脫模劑，廠商樣品。試驗儀器：立式砂漿攪拌機(JZ-15)，恒速加熱機械攪拌機(XFK-JJA3H)，電子吊秤(1T)，周轉(zhuǎn)箱(525mm×380mm×285mm)，燒杯，蘇測拉力計SH-Ⅲ-500N，Q235鐵片(300mm×30mm×3mm)。

2.2 新型環(huán)保減摩材料制備方法

將基礎材料加入恒速加熱機械攪拌機，轉(zhuǎn)速緩慢增加至150～180r/min，加熱至130～150℃，攪拌1～2h，以便充分攪拌均勻。攪拌均勻后加入輔助材料, 增加轉(zhuǎn)速至180～220r/min，溫度140～150℃，加熱攪拌30～60min。攪拌完成后進行編號。

2.3 減摩劑涂抹方法

用細毛刷進行涂抹，確保涂抹均勻及涂抹長度一致。對涂抹鋼片進行稱量，確保涂抹減摩劑量一致，涂抹完成后放置陰涼處冷卻。

2.4 模型箱制備

采用525mm×80mm×285mm的周轉(zhuǎn)箱作為模型箱外邊界，模擬工法樁澆筑。用帶孔鐵片簡化模擬型鋼插拔過程，養(yǎng)護14d后進行起拔試驗。

2.5 性能評價方法

采用模型試驗方法，根據(jù)起拔力大小對減摩劑效果進行評價。具體試驗流程如圖2所示。

3 試驗結(jié)果與討論

3.1 基礎材料選取試驗

采用Q235鐵片300mm×30mm×3mm簡化模擬型鋼，在鐵片一端設置直徑8mm的圓孔，以便拉力計拉拔。通過周轉(zhuǎn)箱及帶孔鐵片對不同試驗材料進行測試，測試方案及結(jié)果如表1所示。

由表1試驗結(jié)果可以看出基礎材料為烴類混合物A+B的減摩劑拉拔力明顯小于脫模劑和現(xiàn)場減摩劑，說明基礎材料為烴類混合物A+B的減摩劑減摩效果較優(yōu)。對比前5組試驗發(fā)現(xiàn)基礎材料為烴類混合物A+B，添加材料為高分子化合物D的減摩材料效果更好。因此，減摩劑基礎材料確定為烴類混合物A+B和高分子化合物D。

表1 拉拔試驗結(jié)果

3.2 減摩劑最優(yōu)配合比試驗

高分子化合物E也是一種應用廣泛的減摩材料，因此采取正交試驗，確定4種材料的含量，選出一種最優(yōu)配合比。采用四因素三水平正交試驗[17]，高分子化合物D，E的含量為烴類混合物A+B總和的質(zhì)量百分數(shù)，試驗配合比具體如表2所示。

表2 正交試驗設計

圖3拉拔試驗結(jié)果為正交試驗組及現(xiàn)場用減摩材料(10號組)和不涂抹減摩材料的對照試驗組(11號組，未拔出)。根據(jù)圖3分析各材料對起拔力的影響，結(jié)果如圖4所示。由圖4可以發(fā)現(xiàn)拉拔力隨烴類混合物A的增加逐漸增加；隨烴類混合物B的含量、高分子化合物D比例增加而減小；在高分子化合物E含量為烴類混合物A+B質(zhì)量百分數(shù)3%時達到最小。根據(jù)正交試驗得出的基礎材料優(yōu)化配比為：烴類混合物A為25g，烴類混合物B為300g，高分子化合物D為20%，高分子化合物E為3%。

圖3 拉拔試驗結(jié)果

圖4 各材料對起拔力的影響分析

3.3 減摩劑性能試驗

針對主要添加材料開展配方試驗，測試輔助添加材料對整體減摩性能的影響情況。主要添加材料比例為：烴類混合物A為25g，烴類混合物B為300g，高分子化合物D摻入量為20% (65g)，高分子化合物E摻入量3%(9.75g)。輔助添加材料的作用和含量如表3所示，試驗分組及每組所含成分如表4所示。

表3 輔助材料作用及含量

表4 試驗分組

每個試驗方案設置3組試驗，模型放置14d后對型鋼進行起拔，試驗結(jié)果如表5所示。對比方案1與方案2發(fā)現(xiàn)，方案2的平均起拔力小于方案1，說明添加高分子化合物E具有一定的減摩作用，方案3和方案4的試驗結(jié)果驗證了以上結(jié)論。

表5 拉拔試驗結(jié)果

對比方案1與方案3、方案2與方案4，研究輔助材料對整體配方的影響。由試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，添加了輔助材料的方案3與方案4拉拔力小于方案1與方案2。分析其原因可能是由于加入醇酯化合物作為乳化劑，使基礎材料烴類混合物A、B、高分子化合物D之間混合更加充分、均勻，提高了減摩效果。因此，添加輔助材料并不會降低主要材料的減摩性能，反而會有略微的提升。

通過以上試驗，確定了一種減摩劑的配制方法。組成成分和含量如表6所示。

表6 減摩劑配方成分

4 結(jié)語

通過試配試驗、正交試驗、模型試驗，研制出了主要添加材料為烴類混合物A，B及高分子化合物D，E的新型環(huán)保減摩材料。該材料可以很好地降低SMW工法樁中型鋼的起拔力，同時對環(huán)境影響程度也遠小于瀝青質(zhì)減摩材料，是一種環(huán)境友好型材料，具有較為廣闊的應用前景。