新型環(huán)保SMW工法樁起拔減摩材料試驗(yàn)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(guó)地質(zhì)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，北京 100083)

0 引言

SMW工法樁作為工程中常用的基坑支護(hù)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(diǎn)[1-3]。對(duì)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(jì)效益[4-5]。在型鋼起拔過(guò)程中，可以明顯看到型鋼起拔時(shí)快時(shí)慢、時(shí)走時(shí)停的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象被稱為爬行現(xiàn)象，對(duì)于型鋼的起拔有指導(dǎo)意義[6]。國(guó)內(nèi)外對(duì)SMW工法樁型鋼-水泥土的相互作用[7-8]、破壞機(jī)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(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)部分型鋼拔出困難，且存在起拔力過(guò)大導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞等問(wèn)題，容易引發(fā)工程事故，如圖1所示。張冠軍等[7]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)分析了不同減摩材料的減摩效果。鄭剛等[11]通過(guò)改變減摩材料等條件，對(duì)組合梁的抗彎性能和型鋼與水泥土之間的相互作用進(jìn)行對(duì)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(xué)膠結(jié)力，繼續(xù)起拔膠結(jié)力變?yōu)閯?dòng)摩擦力[12]。因此型鋼與水泥土之間的膠結(jié)力與摩擦力對(duì)型鋼起拔有很大影響。

減摩材料的作用機(jī)理是在金屬表面形成一層潤(rùn)滑膜，用潤(rùn)滑膜代替摩擦副之間的干摩擦，能夠有效降低摩擦力。對(duì)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(fù)合作用，后期會(huì)降低握裹力，實(shí)現(xiàn)型鋼起拔[13]。工程上可以通過(guò)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(shí)對(duì)減摩材料性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，為減摩材料的制配及應(yīng)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(fù)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(jī)理，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究。目前普遍認(rèn)為主要是由化學(xué)鍵、分子擴(kuò)散作用及機(jī)械作用形成，大多數(shù)情況下界面是由多種機(jī)理復(fù)合組成[14]。對(duì)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(gè)方面。

1)混凝土強(qiáng)度[16]隨水泥土強(qiáng)度的提高，黏結(jié)力增強(qiáng)。

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

3)型鋼表面狀況型鋼表面粗糙度會(huì)對(duì)型鋼與水泥土之間的化學(xué)膠結(jié)力產(chǎn)生影響，同時(shí)對(duì)摩擦系數(shù)產(chǎn)生影響。

4)加載方式 水泥土受壓時(shí)產(chǎn)生的裂縫較小，黏結(jié)力較高；受拉時(shí)產(chǎn)生的裂縫較大，導(dǎo)致位移量增加，黏結(jié)強(qiáng)度減小。

5)減摩材料性能 減摩材料性能會(huì)對(duì)型鋼與水泥土之間的黏結(jié)強(qiáng)度產(chǎn)生重要影響。

2 試驗(yàn)器材及制備方法

2.1 試驗(yàn)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(jī)化合物，阻燃劑，醇酯化合物，多酚類物質(zhì)，現(xiàn)場(chǎng)用減摩材料，脫模劑，廠商樣品。試驗(yàn)儀器：立式砂漿攪拌機(jī)(JZ-15)，恒速加熱機(jī)械攪拌機(jī)(XFK-JJA3H)，電子吊秤(1T)，周轉(zhuǎn)箱(525mm×380mm×285mm)，燒杯，蘇測(cè)拉力計(jì)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(chǔ)材料加入恒速加熱機(jī)械攪拌機(jī)，轉(zhuǎn)速緩慢增加至150～180r/min，加熱至130～150℃，攪拌1～2h，以便充分?jǐn)嚢杈鶆颉嚢杈鶆蚝蠹尤胼o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(jìn)行編號(hào)。

2.3 減摩劑涂抹方法

用細(xì)毛刷進(jìn)行涂抹，確保涂抹均勻及涂抹長(zhǎng)度一致。對(duì)涂抹鋼片進(jìn)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(jiǎn)化模擬型鋼插拔過(guò)程，養(yǎng)護(hù)14d后進(jìn)行起拔試驗(yàn)。

2.5 性能評(píng)價(jià)方法

采用模型試驗(yàn)方法，根據(jù)起拔力大小對(duì)減摩劑效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。具體試驗(yàn)流程如圖2所示。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 基礎(chǔ)材料選取試驗(yàn)

采用Q235鐵片300mm×30mm×3mm簡(jiǎn)化模擬型鋼，在鐵片一端設(shè)置直徑8mm的圓孔，以便拉力計(jì)拉拔。通過(guò)周轉(zhuǎn)箱及帶孔鐵片對(duì)不同試驗(yàn)材料進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試方案及結(jié)果如表1所示。

由表1試驗(yàn)結(jié)果可以看出基礎(chǔ)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(chǎng)減摩劑，說(shuō)明基礎(chǔ)材料為烴類混合物A+B的減摩劑減摩效果較優(yōu)。對(duì)比前5組試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)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(chǔ)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(yàn)結(jié)果

3.2 減摩劑最優(yōu)配合比試驗(yàn)

高分子化合物E也是一種應(yīng)用廣泛的減摩材料，因此采取正交試驗(yàn)，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(yàn)[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?jǐn)?shù)，試驗(yàn)配合比具體如表2所示。

表2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

圖3拉拔試驗(yàn)結(jié)果為正交試驗(yàn)組及現(xiàn)場(chǎng)用減摩材料(10號(hào)組)和不涂抹減摩材料的對(duì)照試驗(yàn)組(11號(hào)組，未拔出)。根據(jù)圖3分析各材料對(duì)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?jǐn)?shù)3%時(shí)達(dá)到最小。根據(jù)正交試驗(yàn)得出的基礎(chǔ)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(yàn)結(jié)果

圖4 各材料對(duì)起拔力的影響分析

3.3 減摩劑性能試驗(yàn)

針對(duì)主要添加材料開展配方試驗(yàn)，測(cè)試輔助添加材料對(duì)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(yàn)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(yàn)分組

每個(gè)試驗(yàn)方案設(shè)置3組試驗(yàn)，模型放置14d后對(duì)型鋼進(jìn)行起拔，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。對(duì)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(shuō)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(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了以上結(jié)論。

表5 拉拔試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)比方案1與方案3、方案2與方案4，研究輔助材料對(duì)整體配方的影響。由試驗(yàn)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(chǔ)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(huì)降低主要材料的減摩性能，反而會(huì)有略微的提升。

通過(guò)以上試驗(yàn)，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(yǔ)

通過(guò)試配試驗(yàn)、正交試驗(yàn)、模型試驗(yàn)，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(shí)對(duì)環(huán)境影響程度也遠(yuǎn)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(yīng)用前景。