CN106929023A - 复杂地层盾构施工用稳定泡沫剂及其制备方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复杂地层盾构施工用稳定泡沫剂及其制备方法与应用，它解决了现有技术中的土压平衡盾构用泡沫剂存在的发泡率低下、泡沫稳定性能差、非绿色、不环保且抗硬水性能差的问题，具有发泡倍数高、泡沫半衰期长以及生物降解性能好的优点。泡沫剂由以下组分组成：发泡剂8‑14％、增稠剂0.2‑0.5％、稳泡剂0.1‑0.5％，余量为水，其中的％是指质量百分数，其中，所述发泡剂由α‑烯基磺酸钠、α‑磺基脂肪酸甲酯及烷基多苷组成。

Description

复杂地层盾构施工用稳定泡沫剂及其制备方法与应用

技术领域

本发明属于土压平衡盾构施工材料领域，具体涉及一种复杂地层盾构施工用稳定泡沫剂及其制备方法与应用。

背景技术

目前，土压平衡盾构施工过程中需要向开挖面或土舱里注入特殊气泡，将开挖面切削下来的土体在压力舱内调整成一种“塑性流动状态”，避免发生喷涌、闭塞、结饼以及施工开挖面失稳等一系列问题，以保证盾构施工过程的安全稳定。

但是地层是由各种造岩矿物以不同集合形式组成，矿物的成分、性质和结构构造决定了各种类型岩层的物理、力学性质，如岩石的强度、硬度、弹塑性、脆性、水溶性和水化性等，盾构过程中出现的各种复杂情况与岩石性质密切相关。另外，岩层在形成过程中或形成以后，在扭转、挤压、风化、搬运、沉积、溶蚀等内、外地质作用下，形成松散层、破碎带、孔隙环境、裂隙环境以及溶隙性环境。所以，复杂地层，一些主要表现为井壁直接松散、破碎，一些表现为漏水、涌水等，还有的地层有多种复杂表现。这些地层都会对盾构施工过程产生一定的影响。

现有技术中已经通过泡沫剂对复杂地层的土体进行改良，使其满足盾构的要求。在相同发泡条件下，气泡的发泡率越高，相同泡沫剂发出的泡沫体积越多，泡沫内存留的未发挥作用的泡沫剂溶液越少，泡沫剂利用越充分，对开挖土的改良效果越好，泡沫剂的成本越低；半衰期越长，经泡沫剂改良后的改良土性能维持时间更长，对于工程而言会更好。但是发泡率与产生的泡沫的稳定性(即泡沫半衰期)两者之间是相互影响的，较高的发泡率是牺牲泡沫稳定性为代价的。

目前，应用于土压平衡式盾构施工中的泡沫剂的发泡倍率较低、半衰期较短。而某些复杂地层的盾构施工时，对泡沫剂的用量及半衰期要求较为严格，如果泡沫剂的发泡倍数和半衰期较短时，不但会影响工程的进度，还会大大增加工程施工的成本。而且不同性质的地层对泡沫剂的发泡率和泡沫半衰期的要求不同。现有技术中的泡沫剂的发泡率和半衰期的可调整范围较小，同一种泡沫剂难以满足各种地层盾构施工的要求。

此外，在盾构施工过程中，盾构机经常会遇到硬水环境，而现有的泡沫剂在硬水环境中的发泡性能大大降低，更难以满足施工要求。

综上所述，现有技术中对于泡沫剂的发泡倍数及发泡倍数可调范围达不到要求、泡沫半衰期较短及其可调范围较小、在硬水环境中泡沫剂的发泡性能大大降低，导致难以满足复杂地层盾构施工的要求的问题，尚缺乏有效的解决方案。

发明内容

为了解决上述现有技术中存在的不足，本发明提供了一种复杂地层盾构施工用稳定泡沫剂，由以下组分组成：发泡剂8-14％、增稠剂0.2-0.5％、稳泡剂0.1-0.5％，余量为水，其中的％是指质量百分数。

所述发泡剂由α-烯基磺酸钠、α-磺基脂肪酸甲酯及烷基多苷组成。

以上泡沫剂组分中，α-烯基磺酸钠和α-磺基脂肪酸甲酯为主要发泡剂，烷基多苷主要起辅助发泡作用，可以有效提高泡沫剂的发泡倍数，使发泡倍数可以达到18-35倍，显著提高了泡沫剂的最大发泡倍数，而且提高了发泡倍数的可调节范围，使其可以应用在多种复杂地层的盾构施工中。

烷基多苷还具有良好的增稠效果，在辅助发泡的基础上，可协同增稠剂对主发泡剂进行增稠，协同稳泡剂对所发泡沫进行稳泡，延长了泡沫的半衰期，使泡沫半衰期达到11-30min。提高了泡沫半衰期的最大值，明显提高了对泡沫半衰期要求较高的盾构施工中的土体改良效果；同时增大了泡沫半衰期的可调范围，使其可以应用在多种复杂地层的盾构施工中。

α-烯基磺酸钠、α-磺基脂肪酸甲酯、烷基多苷和增稠剂协同作用，同时提高了泡沫剂的发泡率和泡沫半衰期，并提高了两者的可调范围，明显提高了泡沫剂的性能。使其可以应用在多种复杂地层的盾构施工中。

此外，α-烯基磺酸钠、α-磺基脂肪酸甲酯及烷基多苷均具有良好的抗硬水性能，使制备得到的发泡剂在硬水环境中的发泡性能也能远远满足盾构施工的要求。而且，α-烯基磺酸钠、α-磺基脂肪酸甲酯和烷基多苷的生物降解性能好，在自然环境中，几天之内即可完全降解，无毒无害，不会对施工区域造成环境污染。

所以，本发明的泡沫剂中可以有效解决现有技术中的土压平衡盾构用泡沫剂存在的发泡率低下、泡沫稳定性能差、非绿色、不环保且抗硬水性能差的问题。

进一步的，所述发泡剂由以下重量份的组分组成：α-烯基磺酸钠35-75份、α-磺基脂肪酸甲酯25-65份，烷基多苷5-15份。

进一步的，所述发泡剂由以下重量份的组分组成：α-烯基磺酸钠60-70份、α-磺基脂肪酸甲酯25-35份，烷基多苷5-7份。

该配比的发泡剂可以使泡沫剂具有更好的发泡倍数，可以更好地延长泡沫的半衰期。

进一步的，所述增稠剂包括椰油酰胺基丙基甜菜碱和聚氧化乙烯。

椰油酰胺基丙基甜菜碱抗硬水性能较好，与其它表面活性剂相容性较好，聚氧化乙烯具有一定的增稠作用，其与椰油酰胺基丙基甜菜碱协同作用，提高了泡沫剂的增稠效果。

而且，聚氧化乙烯与烷基多苷和稳泡剂配合，对泡沫进行稳泡，延长了泡沫的半衰期。

进一步的，所述增稠剂中，椰油酰胺基丙基甜菜碱和聚氧化乙烯的质量比为1:1-1:4。

进一步的，所述稳泡剂为改性硅树脂聚醚乳液。

为了解决上述现有技术中存在的不足，本发明提供了上述泡沫剂的制备方法，包括如下步骤：

首先向水中加入α-烯基磺酸钠，进行搅拌，搅拌过程中，依次加入α-磺基脂肪酸甲酯、烷基多苷、增稠剂和稳泡剂，搅拌均匀后即得。

向水中加入α-烯基磺酸钠后，进行搅拌时，保证混合溶液不产生气泡或只产生少量的气泡。

如果搅拌过快会造成泡沫剂中存在较多的气泡，影响泡沫剂原液的质量。

为了解决上述现有技术中存在的不足，本发明提供了上述泡沫剂在盾构施工中的应用。

本发明的有益效果为：

1)本泡沫剂发泡性能高效稳定，其发泡率可达18-35倍，泡沫半衰期11-30min，可以满足复杂地层盾构施工的要求，应用到盾构施工中可以有效避免喷涌、闭塞、结饼以及施工开挖面失稳等问题，有效保证盾构施工的安全稳定；

2)本泡沫剂各组分均为绿色环保型材料，特别是主发泡材料以天然动植物油脂为原材料制得，生物降解性能好，数天之内即可自然降解，无毒无害，不会对施工区土质及地下水造成影响；

3)本泡沫剂主发泡材料以天然动植物油脂为原材料，经过一系列的化学反应制得，来源广泛；

4)α-烯基磺酸钠、α-磺基脂肪酸甲酯、烷基多苷及椰油酰胺基丙基甜菜碱在硬水中性能折减率较低，导致本泡沫剂具有较好的抗硬水性能。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

术语解释部分：

发泡倍数：是指一定体积的泡沫剂溶液(一定浓度)所发出的气泡体积与泡沫剂溶液体积的比值，即每体积泡沫剂溶液所发出的气泡的体积。发泡倍数实际测定中，按测试要求配制好一定浓度的泡沫剂溶液，混合均匀，注入到发泡试验装置的加压液体储罐中，按测试要求调节好气液比，进行发泡，待泡沫生成稳定后，用量筒收集生成的泡沫，并对量筒和泡沫进行称重，本文中的发泡倍数按下式计算：

发泡倍数＝V/(m₂-m₁)，式中，V为泡沫体积，m₁为量筒质量，m₂为泡沫和量筒的总质量。

改性硅树脂聚醚乳液，简称MPS，作为稳泡剂组分使用在泡沫剂产品中。

本文中泡沫半衰期测定方法：

按测试要求配制好一定浓度的泡沫剂溶液，混合均匀，注入到发泡试验装置的加压液体储罐中，按测试要求调节好气液比，进行发泡，待泡沫生成稳定后，用底部带有10mm有机玻璃密封孔的玻璃筒收集生成的泡沫(泡沫收集须在20s内完成)，泡沫收集完成后开始计时，并对量筒和泡沫进行称重，当收集的泡沫液为收集泡沫总质量的一半，即，收集的泡沫液质量为(m₂-m₁)/2时(其中，m₁为量筒质量，m₂为泡沫和量筒的总质量)，记下所耗时间T，此时间T即为泡沫半衰期。

实施例1

配制1000g复杂地层盾构施工用环保高效稳定泡沫剂各组分重量分别为：

α-烯基磺酸钠：70g

α-磺基脂肪酸甲酯：56g

烷基多苷：14g

椰油酰胺基丙基甜菜碱：1g

聚氧化乙烯：1g

改性硅树脂聚醚乳液：1g

水：857g。

常温下，首先将α-烯基磺酸钠加入到354g水中，进行搅拌，搅拌过程中，依次加入α-磺基脂肪酸甲酯、烷基多苷、椰油酰胺基丙基甜菜碱、聚氧化乙烯和改性硅树脂聚醚乳液，搅拌均匀后加入剩余的水，搅拌均匀后即得。

制备得到的泡沫剂膨胀率因外界温度不同、水的硬度不同，发泡倍数能达到29-35倍，泡沫半衰期为11-16min。

实施例2

配制1000g复杂地层盾构施工用环保高效稳定泡沫剂各组分重量分别为：

α-烯基磺酸钠：40g

α-磺基脂肪酸甲酯：60g

烷基多苷：10g

椰油酰胺基丙基甜菜碱：2g

聚氧化乙烯：1g

改性硅树脂聚醚乳液：2g

水：885g。

常温下，首先将α-烯基磺酸钠加入到水中，进行搅拌，搅拌过程中，依次加入α-磺基脂肪酸甲酯、烷基多苷、椰油酰胺基丙基甜菜碱、聚氧化乙烯和改性硅树脂聚醚乳液，搅拌均匀后即得。

制备得到的泡沫剂膨胀率因外界温度不同、水的硬度不同，发泡倍数能达到18～22倍，泡沫半衰期为18～25min。

实施例3

配制1000g复杂地层盾构施工用环保高效稳定泡沫剂各组分重量分别为：

α-烯基磺酸钠：65g

α-磺基脂肪酸甲酯：30g

烷基多苷：5g

椰油酰胺基丙基甜菜碱：1g

聚氧化乙烯：4g

改性硅树脂聚醚乳液：5g

水：890g。

常温下，首先将α-烯基磺酸钠加入到水中，进行搅拌，搅拌过程中，依次加入α-磺基脂肪酸甲酯、烷基多苷、椰油酰胺基丙基甜菜碱、聚氧化乙烯和改性硅树脂聚醚乳液，搅拌均匀后即得。

制备得到的泡沫剂膨胀率因外界温度不同、水的硬度不同，发泡倍数能达到27～35倍，泡沫半衰期为20～30min。

对比例1

与实施例3的区别是，对比例1中没有加入烷基多苷，其他的物质的加入量以及制备方法与实施例3的相同。制备得到的泡沫剂膨胀率因外界温度不同、水的硬度不同，发泡倍数能达到14～17倍，泡沫半衰期为5～13min。

对比例2

与实施例3的区别是，对比例1中没有加入α-磺基脂肪酸甲酯，其他的物质的加入量以及制备方法与实施例3的相同。制备得到的泡沫剂膨胀率因外界温度不同、水的硬度不同，发泡倍数能达到16～21倍，泡沫半衰期为4～16min。

对比例3

与实施例3的区别是，对比例1中没有加入α-烯基磺酸钠，其他的物质的加入量以及制备方法与实施例3的相同。制备得到的泡沫剂膨胀率因外界温度不同、水的硬度不同，发泡倍数能达到12～15倍，泡沫半衰期为6～16min。

综上，本申请的实施例取得了如下技术效果：

1)根据实施例3、对比例1、对比例2以及对比例3可知，α-烯基磺酸钠、α-磺基脂肪酸甲酯和烷基多苷按一定比例配合使用，可以大幅度提高制备得到的泡沫剂的发泡倍数、泡沫半衰期以及两者的可调节范围；同时能更好地适应硬水环境，使制备得到的泡沫剂在硬水环境中发泡性能可以满足多种复杂地层盾构施工的要求；

如果将单独使用这三者中的一种或两种的混合物，都难以取得良好的效果。

2)根据实施例1、实施例2和实施例3可知，本申请中的各组分之间的配比对本发明中泡沫剂性能影响较大，通过合理配比，才能制备出符合要求的泡沫剂。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种复杂地层盾构施工用稳定泡沫剂，其特征在于：由以下组分组成：发泡剂8-14％、增稠剂0.2-0.5％、稳泡剂0.1-0.5％，余量为水，其中的％是指质量百分数；

所述发泡剂由α-烯基磺酸钠、α-磺基脂肪酸甲酯及烷基多苷组成。

2.根据权利要求1所述的泡沫剂，其特征在于：所述发泡剂由以下重量份的组分组成：α-烯基磺酸钠35-75份、α-磺基脂肪酸甲酯25-65份，烷基多苷5-15份。

3.根据权利要求1所述的泡沫剂，其特征在于：所述发泡剂由以下重量份的组分组成：α-烯基磺酸钠60-70份、α-磺基脂肪酸甲酯25-35份，烷基多苷5-7份。

4.根据权利要求1所述的泡沫剂，其特征在于：由以下重量份的组分组成：α-烯基磺酸钠65份、α-磺基脂肪酸甲酯30份，烷基多苷5份。

5.根据权利要求4所述的泡沫剂，其特征在于：所述增稠剂包括椰油酰胺基丙基甜菜碱和聚氧化乙烯。

6.根据权利要求4所述的泡沫剂，其特征在于：所述增稠剂中，椰油酰胺基丙基甜菜碱和聚氧化乙烯的质量比为1:1-1:4。

7.根据权利要求6所述的泡沫剂，其特征在于：所述增稠剂中，椰油酰胺基丙基甜菜碱和聚氧化乙烯的质量比为1:1-1:2。

8.根据权利要求4所述的泡沫剂，其特征在于：所述稳泡剂为改性硅树脂聚醚乳液。

9.权利要求4-7任一所述泡沫剂的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

首先向水中加入α-烯基磺酸钠，进行搅拌，搅拌过程中，依次加入α-磺基脂肪酸甲酯、烷基多苷、增稠剂和稳泡剂，搅拌均匀后即得。

10.权利要求4-7任一所述泡沫剂在盾构施工中的应用。