新型环保SMW工法桩起拔减摩材料试验研究

王 涛，王 博，王贵和，黄 吉，刘延超，陈子文

(1.北京市政路桥股份有限公司，北京 100045； 2.中国地质大学工程技术学院，北京 100083)

0 引言

SMW工法桩作为工程中常用的基坑支护结构形式，具有整体结构性好、防渗性能高、适用地层广、施工成本低等特点[1-3]。对于工法桩而言，施工完毕后型钢能否正常有效回收，直接影响工程的经济效益[4-5]。在型钢起拔过程中，可以明显看到型钢起拔时快时慢、时走时停的现象，这种现象被称为爬行现象，对于型钢的起拔有指导意义[6]。国内外对SMW工法桩型钢-水泥土的相互作用[7-8]、破坏机理[9-10]研究较多，但关于工法桩新型减摩材料的研究较少。工程上一般使用较难降解的沥青质物质作为减摩材料，通过现场调研发现部分型钢拔出困难，且存在起拔力过大导致结构破坏等问题，容易引发工程事故，如图1所示。张冠军等[7]通过室内试验分析了不同减摩材料的减摩效果。郑刚等[11]通过改变减摩材料等条件，对组合梁的抗弯性能和型钢与水泥土之间的相互作用进行对比。在型钢起拔初始阶段，外力主要克服型钢与水泥土之间的化学胶结力，继续起拔胶结力变为动摩擦力[12]。因此型钢与水泥土之间的胶结力与摩擦力对型钢起拔有很大影响。

减摩材料的作用机理是在金属表面形成一层润滑膜，用润滑膜代替摩擦副之间的干摩擦，能够有效降低摩擦力。对于工法桩而言，减摩材料在早期可以提高型钢与水泥土的复合作用，后期会降低握裹力，实现型钢起拔[13]。工程上可以通过降低型钢与水泥土之间的摩擦力，提高型钢的起拔率。为降低型钢与水泥土之间的摩擦力及考虑材料环保性，研制一种新型环保减摩材料，同时对减摩材料性能进行评价，为减摩材料的制配及应用提供参考。

1 型钢与水泥土黏结研究

1.1 型钢-水泥土界面

在多种材料的复合系统中，材料与材料之间存在物理或法线方向的界面。关于界面的形成机理，国内外学者进行了大量研究。目前普遍认为主要是由化学键、分子扩散作用及机械作用形成，大多数情况下界面是由多种机理复合组成[14]。对于SMW工法桩而言，型钢起拔初期，隔离界面发生剪切破坏，使起拔阻力减小[15]。

1.2 影响黏结性能的因素

影响型钢与水泥土之间黏结力的因素主要有以下几个方面。

1)混凝土强度[16]随水泥土强度的提高，黏结力增强。

2)型钢埋置深度[16]型钢界面一定，当埋深达到一定深度时，继续增加埋深对握裹力影响不大。

3)型钢表面状况型钢表面粗糙度会对型钢与水泥土之间的化学胶结力产生影响，同时对摩擦系数产生影响。

4)加载方式 水泥土受压时产生的裂缝较小，黏结力较高；受拉时产生的裂缝较大，导致位移量增加，黏结强度减小。

5)减摩材料性能 减摩材料性能会对型钢与水泥土之间的黏结强度产生重要影响。

2 试验器材及制备方法

2.1 试验器材

主要材料：烃类混合物A，B，高分子化合物A，B；辅助材料：高分子化合物C，D，E，抗氧抗腐剂，有机化合物，阻燃剂，醇酯化合物，多酚类物质，现场用减摩材料，脱模剂，厂商样品。试验仪器：立式砂浆搅拌机(JZ-15)，恒速加热机械搅拌机(XFK-JJA3H)，电子吊秤(1T)，周转箱(525mm×380mm×285mm)，烧杯，苏测拉力计SH-Ⅲ-500N，Q235铁片(300mm×30mm×3mm)。

2.2 新型环保减摩材料制备方法

将基础材料加入恒速加热机械搅拌机，转速缓慢增加至150～180r/min，加热至130～150℃，搅拌1～2h，以便充分搅拌均匀。搅拌均匀后加入辅助材料, 增加转速至180～220r/min，温度140～150℃，加热搅拌30～60min。搅拌完成后进行编号。

2.3 减摩剂涂抹方法

用细毛刷进行涂抹，确保涂抹均匀及涂抹长度一致。对涂抹钢片进行称量，确保涂抹减摩剂量一致，涂抹完成后放置阴凉处冷却。

2.4 模型箱制备

采用525mm×80mm×285mm的周转箱作为模型箱外边界，模拟工法桩浇筑。用带孔铁片简化模拟型钢插拔过程，养护14d后进行起拔试验。

2.5 性能评价方法

采用模型试验方法，根据起拔力大小对减摩剂效果进行评价。具体试验流程如图2所示。

3 试验结果与讨论

3.1 基础材料选取试验

采用Q235铁片300mm×30mm×3mm简化模拟型钢，在铁片一端设置直径8mm的圆孔，以便拉力计拉拔。通过周转箱及带孔铁片对不同试验材料进行测试，测试方案及结果如表1所示。

由表1试验结果可以看出基础材料为烃类混合物A+B的减摩剂拉拔力明显小于脱模剂和现场减摩剂，说明基础材料为烃类混合物A+B的减摩剂减摩效果较优。对比前5组试验发现基础材料为烃类混合物A+B，添加材料为高分子化合物D的减摩材料效果更好。因此，减摩剂基础材料确定为烃类混合物A+B和高分子化合物D。

表1 拉拔试验结果

3.2 减摩剂最优配合比试验

高分子化合物E也是一种应用广泛的减摩材料，因此采取正交试验，确定4种材料的含量，选出一种最优配合比。采用四因素三水平正交试验[17]，高分子化合物D，E的含量为烃类混合物A+B总和的质量百分数，试验配合比具体如表2所示。

表2 正交试验设计

图3拉拔试验结果为正交试验组及现场用减摩材料(10号组)和不涂抹减摩材料的对照试验组(11号组，未拔出)。根据图3分析各材料对起拔力的影响，结果如图4所示。由图4可以发现拉拔力随烃类混合物A的增加逐渐增加；随烃类混合物B的含量、高分子化合物D比例增加而减小；在高分子化合物E含量为烃类混合物A+B质量百分数3%时达到最小。根据正交试验得出的基础材料优化配比为：烃类混合物A为25g，烃类混合物B为300g，高分子化合物D为20%，高分子化合物E为3%。

图3 拉拔试验结果

图4 各材料对起拔力的影响分析

3.3 减摩剂性能试验

针对主要添加材料开展配方试验，测试辅助添加材料对整体减摩性能的影响情况。主要添加材料比例为：烃类混合物A为25g，烃类混合物B为300g，高分子化合物D掺入量为20% (65g)，高分子化合物E掺入量3%(9.75g)。辅助添加材料的作用和含量如表3所示，试验分组及每组所含成分如表4所示。

表3 辅助材料作用及含量

表4 试验分组

每个试验方案设置3组试验，模型放置14d后对型钢进行起拔，试验结果如表5所示。对比方案1与方案2发现，方案2的平均起拔力小于方案1，说明添加高分子化合物E具有一定的减摩作用，方案3和方案4的试验结果验证了以上结论。

表5 拉拔试验结果

对比方案1与方案3、方案2与方案4，研究辅助材料对整体配方的影响。由试验结果发现，添加了辅助材料的方案3与方案4拉拔力小于方案1与方案2。分析其原因可能是由于加入醇酯化合物作为乳化剂，使基础材料烃类混合物A、B、高分子化合物D之间混合更加充分、均匀，提高了减摩效果。因此，添加辅助材料并不会降低主要材料的减摩性能，反而会有略微的提升。

通过以上试验，确定了一种减摩剂的配制方法。组成成分和含量如表6所示。

表6 减摩剂配方成分

4 结语

通过试配试验、正交试验、模型试验，研制出了主要添加材料为烃类混合物A，B及高分子化合物D，E的新型环保减摩材料。该材料可以很好地降低SMW工法桩中型钢的起拔力，同时对环境影响程度也远小于沥青质减摩材料，是一种环境友好型材料，具有较为广阔的应用前景。