CN109054842A - 一种土压平衡盾构渣土改良用泡沫剂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种土压平衡盾构渣土改良用泡沫剂及其制备方法，所述土压平衡盾构渣土改良用泡沫剂由下列组分按重量百分比组成为：α‑烯基磺酸钠4%~8%，十二烷基硫酸钠8%~12%，烷基酚聚氧乙烯醚3%~5%，黄原胶0.05%~0.2%，椰子油脂肪酸二乙醇酰胺1%~4%，葡萄糖酸钠1%~3%，聚氧化乙烯0.5~2%，聚天冬胺酸1%~2%，余量为水。本发明采用α‑烯基磺酸钠、十二烷基硫酸钠以及烷基酚聚氧乙烯醚为发泡剂，三者配伍协同作用发泡能力增强，泡沫剂的发泡倍数大于30倍；同时采用椰子油脂肪酸二乙醇酰胺协同增强气泡表面作用力，提高泡沫在刀盘高速剪切作用下的稳定性，减小土仓压力波动，提升盾构开挖面的稳定性。
Description
技术领域
本发明属于盾构施工材料领域，具体是一种土压平衡盾构渣土改良用泡沫剂及其制备方法。
背景技术
随着我国城市迅速发展，人口数量急剧上升，交通出行压力骤增，地铁和隧道进入快速建设和发展期。在地下交通建设中，土压平衡式盾构机因其经济上的优越性成为应用最广泛的盾构机类型。而在土压平衡盾构施工中，决定掘进效率重要因素是渣土改良效果。渣土改良就是通过盾构机上的专用设备向开挖面或土舱内注入泡沫，将切削下来的土体调整成“塑性流动状态”，这些具有一定流动性能的渣土，首先在舱内形成“土塞”，使舱内具有适当压力与开挖面水土压力平衡，维护开挖面稳定，对地层扰动较少。同时，这些改良的渣土还要具有良好的可塑性、较低的渗透性和较小的摩擦阻力，易于从土仓输送至盾构机尾部，从而保证盾构掘进的顺利进行。土压平衡盾构施工工艺在国内属于起用阶段，渣土改良用泡沫剂主要依靠国外产品，应用效果较好，但成本极高。近几年，国内渣土改良用泡沫剂大量投放市场，市场占有率逐步扩大，但现有产品依然暴露出诸多不足，主要表现为：产品发泡倍数低，应用掺量大，施工成本优势不明显；制备出的泡沫稳定性差，半衰期短，导致渣土出土过程极易出现堆积的现象，影响掘进效率；制备出的泡沫直径分布范围过大，对于粉细砂层地质渣土改良效果差，复杂地质盾构施工仍然无法摆脱对国外进口盾构泡沫剂的依赖。
经过改良，目前国内多数泡沫剂产品发泡倍数、半衰期有所提升，但提升效果不够明显，效果达不到预期，同时在刀盘高速剪切情况下的泡沫剂的稳定性较差，在实际施工中泡沫在刀盘处的高速剪切稳定性与静置稳定性存在着本质差别，泡沫在土舱中受到刀盘高速剪切和土压作用，高速剪切稳定性极易急剧变差，导致土舱压力出现明显波动，易发生开挖面失稳和螺旋输送机口喷涌现象，从而影响盾构机掘进。
发明内容
本发明的目的在于提供一种土压平衡盾构渣土改良用泡沫剂及其制备方法，该泡沫剂适用于粘土层、砂层和圆砾层地质土压平衡盾构施工渣土改良，本发明在泡沫剂有较高的发泡倍数以及半衰期的基础上，提高泡沫剂剪切作用下的稳定性，从而显著提升渣土的黏聚性和流塑性，维持刀盘土仓处压力恒定，保证开挖面稳定，进而提升盾构掘进效率。
一种土压平衡盾构渣土改良用泡沫剂，由下列组分按重量百分比组成为：α-烯基磺酸钠4％～8％，十二烷基硫酸钠8％～12％，烷基酚聚氧乙烯醚3％～5％，黄原胶0.05％～0.2％，椰子油脂肪酸二乙醇酰胺1％～4％，葡萄糖酸钠1％～3％，聚氧化乙烯0.5～2％，聚天冬胺酸1％～2％，余量为水。
进一步地，所述土压平衡盾构渣土改良用泡沫剂由下列组分按重量百分比组成为：α-烯基磺酸钠5％～7％，十二烷基硫酸钠10％～11％，烷基酚聚氧乙烯醚3％～5％，黄原胶0.1％～0.2％，椰子油脂肪酸二乙醇酰胺2.5％～4％，葡萄糖酸钠2％～3％，聚氧化乙烯0.5～1％，聚天冬胺酸1％～2％，余量为水。
进一步地，所述α-烯基磺酸钠为碳数范围12～16中的一种或多种。
进一步地，所述十二烷基硫酸钠中活性物含量不低于94％、石油醚可溶物含量不大于1.0％。
进一步地，所述烷基酚聚氧乙烯醚为壬基酚聚氧乙烯醚和/或辛基酚聚氧乙烯醚。
进一步地，所述烷基酚聚氧乙烯醚为壬基酚聚氧乙烯醚和辛基酚聚氧乙烯醚按质量比1：2～3组合而成的混合物。
进一步地，所述黄原胶分子量为1000万～3000万，所述聚氧化乙烯分子量为20万～50万。
进一步地，所述聚天冬胺酸中固体含量不低于45.0％。
一种上述所述的土压平衡盾构渣土改良用泡沫剂的制备方法，包括以下步骤：(1)将黄原胶、葡萄糖酸钠、聚氧化乙烯在粉料搅拌机中混合均匀；(2)向步骤(1)制得的混合料中缓慢加入适量的水，并以60～100rpm的搅拌速度搅拌20～30min；(3)将α-烯基磺酸钠、十二烷基硫酸钠、烷基酚聚氧乙烯醚、椰子油脂肪酸二乙醇酰胺、聚天冬胺酸依次均匀加入步骤(2)所得溶液中，以30～50rpm的搅拌速度充分搅拌，得到所述泡沫剂。
本发明的有益效果：
1、α-烯基磺酸钠、十二烷基硫酸钠、烷基酚聚氧乙烯醚为发泡剂，三者配伍协同作用发泡能力增强，泡沫剂的发泡倍数大于30倍；其中烷基酚聚氧乙烯醚优选壬基酚聚氧乙烯醚和辛基酚聚氧乙烯醚按质量比1：2～3组合而成的混合物。
2、椰子油脂肪酸二乙醇酰胺能增强气泡表面作用力，增加吸附膜强度，提高泡沫稳定性，特别是提高泡沫在刀盘高速剪切作用下的稳定性，减小土仓压力波动，提升了开挖面稳定性。
3、黄原胶、聚氧化乙烯具有增粘、润滑作用，提高液相粘度，增大泡沫壁厚度，并降低土体内摩擦力，改善土体触变性，显著提升渣土的黏聚性和流塑性，提升土压平衡盾构施工掘进效率。
4、聚天冬胺酸、葡萄糖酸钠对离子有极强的螯合能力，具有良好的分散、乳化、渗透性能，协同作用下，发挥增大泡沫剂发泡倍数、提升泡沫抗剪切稳定性的效用。
本发明适用于粘土层、砂层和圆砾层地质土压平衡盾构施工渣土改良，所述泡沫剂发泡倍数大于30倍，气泡半衰期长达60min，产生的泡沫具有小而细腻、粘性强、抗剪切稳定性好等特性，解决泡沫注入刀盘处后，泡沫稳定性差的难题，显著提升渣土的黏聚性和流塑性，维持刀盘土仓处压力恒定，保证开挖面稳定，提升盾构掘进效率。
具体实施方式
下述实施例是对于本发明内容的进一步说明以作为对本发明技术内容的阐释，但本发明的实质内容并不仅限于下述实施例所述，本领域的普通技术人员可以且应当知晓任何基于本发明实质精神的简单变化或替换均应属于本发明所要求的保护范围。
以下实验例所用原材料生产厂家及其型号如下：α-烯基磺酸钠为中轻化工股份有限公司生产，型号为AOS46/92；十二烷基硫酸钠定制生产于郑州盛泰化工有限公司，活性物含量大于94％；壬基酚聚氧乙烯醚和辛基酚聚氧乙烯醚为江苏省海安石油化工厂生产，型号分别为TX-9和OP-10；黄原胶为淄博海澜化工有限公司生产，型号为Haizan DHV；椰子油脂肪酸二乙醇酰胺为郑州盛泰化工有限公司生产，型号为6501(1:1.5)；葡萄糖酸钠购至新乡市中信化工有限公司，工业级；聚氧化乙烯购至上海优道奥巴化工有限公司，原产商为美国陶氏化学，型号为N-3000；聚天冬胺酸为河北协同环保科技股份有限公司生产，型号为工业专用。
一种土压平衡盾构渣土改良用泡沫剂，由下列组分按重量百分比组成为：α-烯基磺酸钠4％～8％，十二烷基硫酸钠8％～12％，烷基酚聚氧乙烯醚3％～5％，黄原胶0.05％～0.2％，椰子油脂肪酸二乙醇酰胺1％～4％，葡萄糖酸钠1％～3％，聚氧化乙烯0.5～2％，聚天冬胺酸1％～2％，余量为水。
其制备方法包括以下步骤：包括以下步骤：(1)将黄原胶、葡萄糖酸钠、聚氧化乙烯在粉料搅拌机中混合均匀；(2)向步骤(1)制得的混合料中缓慢加入水，并以60～100rpm的搅拌速度搅拌20～30min；(3)将α-烯基磺酸钠、十二烷基硫酸钠、烷基酚聚氧乙烯醚、椰子油脂肪酸二乙醇酰胺、聚天冬胺酸依次均匀加入步骤(2)所得溶液中，以30～50rpm的搅拌速度充分搅拌，得到所述泡沫剂。以下实施例1-10的制备过程均采用上述制备方法。
实施例1
土压平衡盾构渣土改良用泡沫剂重量百分比组成如下：
α-烯基磺酸钠：4％
十二烷基硫酸钠：12％
壬基酚聚氧乙烯醚：3％
黄原胶：0.1％
椰子油脂肪酸二乙醇酰胺：1％
葡萄糖酸钠：2％
聚氧化乙烯：1％
聚天冬胺酸：1％
水：74.9％；
实施例2
土压平衡盾构渣土改良用泡沫剂重量百分比组成如下：
α-烯基磺酸钠：8％
十二烷基硫酸钠：8％
壬基酚聚氧乙烯醚：4％
黄原胶：0.05％
椰子油脂肪酸二乙醇酰胺：1％
葡萄糖酸钠：1％
聚氧化乙烯：2％
聚天冬胺酸：2％
水：72.95％；
实施例3
土压平衡盾构渣土改良用泡沫剂重量百分比组成如下：
α-烯基磺酸钠：6％
十二烷基硫酸钠：10％
壬基酚聚氧乙烯醚：5％
黄原胶：0.2％
椰子油脂肪酸二乙醇酰胺：2.5％
葡萄糖酸钠：3％
聚氧化乙烯：1％
聚天冬胺酸：1％
水：71.3％；
实施例4
土压平衡盾构渣土改良用泡沫剂重量百分比组成如下：
α-烯基磺酸钠：6％
十二烷基硫酸钠：10％
壬基酚聚氧乙烯醚：4％
黄原胶：0.1％
椰子油脂肪酸二乙醇酰胺：4％
葡萄糖酸钠：2％
聚氧化乙烯：1％
聚天冬胺酸：1.5％
水：71.4％；
实施例5
土压平衡盾构渣土改良用泡沫剂重量百分比组成如下：
α-烯基磺酸钠：4％
十二烷基硫酸钠：12％
辛基酚聚氧乙烯醚：3％
黄原胶：0.1％
椰子油脂肪酸二乙醇酰胺：2％
葡萄糖酸钠：2％
聚氧化乙烯：1％
聚天冬胺酸：1.5％
水：74.4％；
实施例6
土压平衡盾构渣土改良用泡沫剂重量百分比组成如下：
α-烯基磺酸钠：5％
十二烷基硫酸钠：11％
辛基酚聚氧乙烯醚：5％
黄原胶：0.15％
椰子油脂肪酸二乙醇酰胺：3％
葡萄糖酸钠：1％
聚氧化乙烯：0.8％
聚天冬胺酸：2％
水：72.05％；
实施例7
土压平衡盾构渣土改良用泡沫剂重量百分比组成如下：
α-烯基磺酸钠：6％
十二烷基硫酸钠：9％
辛基酚聚氧乙烯醚：5％
黄原胶：0.1％
椰子油脂肪酸二乙醇酰胺：2％
葡萄糖酸钠：2％
聚氧化乙烯：1％
聚天冬胺酸：1％
水：73.9％；
实施例8
土压平衡盾构渣土改良用泡沫剂重量百分比组成如下：
α-烯基磺酸钠：6％
十二烷基硫酸钠：9％
壬基酚聚氧乙烯醚：2％
辛基酚聚氧乙烯醚：3％
黄原胶：0.1％
椰子油脂肪酸二乙醇酰胺：2％
葡萄糖酸钠：2％
聚氧化乙烯：1％
聚天冬胺酸：1％
水：73.9％；
实施例9
土压平衡盾构渣土改良用泡沫剂重量百分比组成如下：
α-烯基磺酸钠：7％
十二烷基硫酸钠：11％
壬基酚聚氧乙烯醚：3％
黄原胶：0.1％
椰子油脂肪酸二乙醇酰胺：2.5％
葡萄糖酸钠：3％
聚氧化乙烯：0.5％
聚天冬胺酸：1.5％
水：71.4％；
实施例10
土压平衡盾构渣土改良用泡沫剂重量百分比组成如下：
α-烯基磺酸钠：7％
十二烷基硫酸钠：11％
壬基酚聚氧乙烯醚：1％
辛基酚聚氧乙烯醚：2％
黄原胶：0.1％
椰子油脂肪酸二乙醇酰胺：2.5％
葡萄糖酸钠：3％
聚氧化乙烯：0.5％
聚天冬胺酸：1.5％
水：71.4％；
对比例1
土压平衡盾构泡沫剂重量百分比组成如下：
α-烯基磺酸钠：2％
十二烷基硫酸钠：7％
黄原胶：0.2％
葡萄糖酸钠：3％
聚氧化乙烯：2％
聚天冬胺酸：2％
水：83.8％
对比例2
土压平衡盾构泡沫剂重量百分比组成如下：
十二烷基硫酸钠：9％
壬基酚聚氧乙烯醚：5％
黄原胶：0.02％
葡萄糖酸钠：3％
聚氧化乙烯：0.4％
聚天冬胺酸：2％
水：81.58％
对比例3
土压平衡盾构渣土改良用泡沫剂重量百分比组成如下：
α-烯基磺酸钠：6％
壬基酚聚氧乙烯醚：5％
黄原胶：0.1％
葡萄糖酸钠：3％
聚氧化乙烯：1％
聚天冬胺酸：2％
水：82.4％；
对比例4
土压平衡盾构泡沫剂重量百分比组成如下：
α-烯基磺酸钠：6％
十二烷基硫酸钠：9％
壬基酚聚氧乙烯醚：5％
黄原胶：0.1％
葡萄糖酸钠：2％
聚氧化乙烯：1％
聚天冬胺酸：1％
水：75.9％；
对比例5
土压平衡盾构泡沫剂重量百分比组成如下：
α-烯基磺酸钠：4％
十二烷基硫酸钠：12％
辛基酚聚氧乙烯醚：3％
黄原胶：0.1％
葡萄糖酸钠：2％
聚氧化乙烯：1％
聚天冬胺酸：1.5％
水：76.4％；
对比例6
市售泡沫剂。
表1为实施例1-10制备的泡沫剂与对比例1-6制备的泡沫剂的发泡剂倍数和静置状态下的半衰期的数据：
从表1可知，实施例1-10与对比例1-3及对比例6相比，按本发明所采用的配方比制备的泡沫剂的发泡倍数均达到30倍以上，静置半衰期均在65min以上；且当α-烯基磺酸钠、十二烷基硫酸钠、烷基酚聚氧乙烯醚采用的配方比分别选取在5％～7％、10％～11％、3％～5％时，制备的泡沫剂的发泡倍数均在40倍以上，静置半衰期均在75min以上；从实施例7与实施例8的对比以及实施例9与实施例10的对比，当烷基酚聚氧乙烯醚采用壬基酚聚氧乙烯醚和辛基酚聚氧乙烯醚的混合物时，所制备的泡沫剂的发泡倍数与半衰期均优于单独采用壬基酚聚氧乙烯醚或辛基酚聚氧乙烯醚。
泡沫与渣土混合料后抗剪切稳定性也是评价泡沫剂优良的重要标志，利用自制砂卵石土进行模拟试验，其中砂卵石土级配(0.075～0.25mm占10％，0.25～0.5mm占25％，0.5～2mm占35％，2～5mm占20％，5～10mm占10％)，将各组泡沫剂样品用自来水按3％比例稀释，分别用室内发泡装置发泡，称取20kg自制砂卵石土，并按泡沫注入率30％(体积/质量)量取泡沫，两者同时加入混凝土搅拌机中，搅拌1min、5min、10min，每次搅拌结束后，称取改良后的渣土10kg，分别测定改良渣土的体积，通过体积变化来间接反映渣土中的泡沫在剪切荷载作用下的稳定性。
表2为实施例1-10与对比例1-6的泡沫抗剪切稳定性结果：
从表2对比实施例1-10和对比例1-3以及对比例6的结果可发现，采用本发明所述的发明方法制备出的土压平衡盾构渣土改良用泡沫剂抗剪切稳定性在5min和10min明显优于对比例1-3和对比例6；从表1对比例4-5可知，制备的泡沫剂的发泡倍数与半衰期虽达到实施例的程度，但对比例4-5的5min和10min的抗剪切稳定性要远低于实施例，由此可见在本发明中加入椰子油脂肪酸二乙醇酰胺能增加气泡表面作用力，增加吸附膜强度，提高泡沫稳定性，特别是提高泡沫在刀盘高速剪切作用下的稳定性，减小土仓压力波动，提升了开挖面稳定性。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对实施案例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施案例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种土压平衡盾构渣土改良用泡沫剂，其特征在于：由下列组分按重量百分比组成为：α-烯基磺酸钠4%~8%，十二烷基硫酸钠8%~12%，烷基酚聚氧乙烯醚3%~5%，黄原胶0.05%~0.2%，椰子油脂肪酸二乙醇酰胺1%~4%，葡萄糖酸钠1%~3%，聚氧化乙烯0.5~2%，聚天冬胺酸1%~2%，余量为水。
2.如权利要求1所述的土压平衡盾构渣土改良用泡沫剂，其特征在于：由下列组分按重量百分比组成为：α-烯基磺酸钠5%~7%，十二烷基硫酸钠10%~11%，烷基酚聚氧乙烯醚3%~5%，黄原胶0.1%~0.2%，椰子油脂肪酸二乙醇酰胺2.5%~4%，葡萄糖酸钠2%~3%，聚氧化乙烯0.5~1%，聚天冬胺酸1%~2%，余量为水。
3.如权利要求1或2所述的土压平衡盾构渣土改良用泡沫剂，其特征在于：所述α-烯基磺酸钠为碳数范围12~16中的一种或多种。
4.如权利要求1或2所述的土压平衡盾构渣土改良用泡沫剂，其特征在于：所述十二烷基硫酸钠中活性物含量不低于94%、石油醚可溶物含量不大于1.0%。
5.如权利要求1或2所述的土压平衡盾构渣土改良用泡沫剂，其特征在于：所述烷基酚聚氧乙烯醚为壬基酚聚氧乙烯醚和/或辛基酚聚氧乙烯醚。
6.如权利要求5所述的土压平衡盾构渣土改良用泡沫剂，其特征在于：所述烷基酚聚氧乙烯醚为壬基酚聚氧乙烯醚和辛基酚聚氧乙烯醚按质量比1：1.5~2组合而成的混合物。
7.如权利要求1或2所述的土压平衡盾构渣土改良用泡沫剂，其特征在于：所述黄原胶分子量为1000万～3000万，所述聚氧化乙烯分子量为20万~50万。
8.如权利要求1或2所述的土压平衡盾构渣土改良用泡沫剂，其特征在于：所述聚天冬胺酸中固体含量不低于45.0%。
9.一种如权利要求1或2所述的土压平衡盾构渣土改良用泡沫剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）将黄原胶、葡萄糖酸钠、聚氧化乙烯在粉料搅拌机中混合均匀；（2）向步骤（1）制得的混合料中缓慢加入适量的水，并以60~100rpm的搅拌速度搅拌20~30min；（3）将α-烯基磺酸钠、十二烷基硫酸钠、烷基酚聚氧乙烯醚、椰子油脂肪酸二乙醇酰胺、聚天冬胺酸依次均匀加入步骤（2）所得溶液中，以30~50rpm的搅拌速度充分搅拌，得到所述泡沫剂。
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