CN114395400A - 一种盾构机用泡沫剂及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用作盾构机用泡沫剂的组合物，以总质量100份计，所述组合物的原料包括：阴离子表面活性剂1‑15份、非离子表面活性剂2‑20份、两性表面活性剂1‑10份、稳泡剂0.5‑3份、增粘剂0.5‑2份、防腐剂0.5‑2份、防锈剂0.1‑2份，余量为水；所述阴离子表面活性剂、非离子表面活性剂和两性表面活性剂的总质量份为4～45份。本发明还提供上述组合物的制备方法以及应用。本发明提供的盾构机用泡沫剂具有高低温稳定性优异、发泡倍数高、稳泡时间长、环保无污染、对设备不造成腐蚀等特点。
Description
技术领域
本发明属于土壤调节材料领域，具体涉及盾构机用泡沫剂及其制备方法和应用。
背景技术
盾构技术是目前广泛采用的地下隧洞全机械化开挖施工技术。盾构机是盾构法施工中的主要施工机械。盾构机(Tunneling Boring Machine，简称TBM，又称全断面隧道挖掘机)按盾构方式分为泥浆式盾构机和土压平衡式盾构机，其中土压平衡式盾构机是目前应用的主流机型。
土压平衡式盾构主要由盾壳、刀盘、盾构千斤顶、螺旋排土器、管片拼装机以及盾尾密封装置等组成。在盾构中部有一个密封的隔板，隔板把盾构开挖面与隧道分开，使密封隔板和开挖面土层之间形成一个密封舱，又称压力舱，刀盘在压力舱内工作。密封隔板后装有螺旋排土器，当盾构在动力作用下向前推进时，由刀盘切削下来的开挖土充满压力舱和螺旋排土器壳体内的全部空间，同时依靠充满的开挖土来支护开挖面上的土水压力平衡。土压平衡式盾构需要在压力舱内充满开挖的泥土，通过对开挖土体施加压力来平衡开挖面上的土压力和水压力，因此土压平衡式盾构压力舱内土体的理想状态应为“塑性流动状态”，否则容易发生“闭塞”、“喷涌”、“结饼”等问题。
现有技术中通常采用膨润土泥浆、泡沫和泡沫泥浆对土体进行改良。其中，泡沫改良作用最好，适用于各种土质。盾构机用泡沫长期以来进口，价格高，限制了其应用。近年来，国内研究人员陆续开展盾构机用泡沫的研究，以期能够替代进口，降低成本。
如中国发明专利申请CN104946263A(公开日2015年9月30日)披露了一种土压平衡盾构泡沬剂，原料组成为：十二烷基硫酸钠4-15％、十六烷基三甲基氯化铵1-10％、椰油酰胺基丙基甜菜碱2-8％、十二烷基二甲基氧化铵1-5％、乙二胺四乙酸二钠0.1-0.5％、增粘剂0.1-2.0％和余量的水。又如中国发明专利申请CN106190136A(公开日2016年12月7日)也披露了一种盾构机用泡沫剂，原料组成为：十二烷基硫酸钠4％-6％、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠2％-4％、α-烯基磺酸钠1％-2％、改性硅树脂聚醚乳液1％-2％和水87％-92％。
但是，我国自主研发的泡沫剂在发泡能力、泡沫均匀性和稳定性等方面与进口产品相比还有一定的距离。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种盾构机用泡沫剂。该泡沫剂发泡倍数达到9～17，产生的泡沫稳定性好，泡沫半衰期在6min以上。
为了实现上述技术效果，本发明采用了如下的技术方案：
一种组合物，以总质量100份计，所述组合物的原料包括：
阴离子表面活性剂1-15份、非离子表面活性剂2-20份、两性表面活性剂1-10份、稳泡剂0.5-3份、增粘剂0.5-2份、防腐剂0.5-2份、防锈剂0.1-2份，余量为水；所述阴离子表面活性剂、非离子表面活性剂和两性表面活性剂的总质量份为4～45份；
其中，所述阴离子表面活性剂选自十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠、α-烯基磺酸钠、聚氧乙烯十二烷基醚硫酸钠和脂肪酸甲酯α-磺酸钠中的一种或任意比例的多种；
所述非离子表面活性剂选自脂肪醇聚环氧乙稀醚(AEO-9)、N,N-二(羟基乙基)椰油酸胺、月桂醇聚氧乙烯醚和烷基葡萄糖苷(APG)中的一种或任意比例的多种；
所述两性表面活性剂选自N-十二烷基-β-氨基二丙酸钠、椰油酰胺丙基甜菜碱、十二烷基二甲基氧化铵、椰基酰胺丙基氧化铵、月桂酰氨丙基氧化铵、月桂酰氨基丙基甜菜碱和十二烷基甜菜碱中的一种或任意比例的多种。
优选地，以总质量100份计，所述组合物的原料包括：
阴离子表面活性剂2-10份、非离子表面活性剂5-15份、两性表面活性剂1-5份、稳泡剂0.5-3份、增粘剂0.5-2份、防腐剂0.5-2份、防锈剂0.1-2份，余量为水；所述阴离子表面活性剂、非离子表面活性剂和两性表面活性剂的总质量份为8～30份；
其中所述阴离子表面活性剂、非离子表面活性剂和两性表面活性如前所定义。
优选地，所述阴离子表面活性剂选自脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠、α-烯基磺酸钠和聚氧乙烯十二烷基醚硫酸钠中的一种或任意比例的多种。
优选地，所述非离子表面活性剂选自椰油酰胺丙基甜菜碱和椰基酰胺丙基氧化铵中的一种或任意比例的两种。
优选地，所述两性表面活性剂选自脂肪醇聚环氧乙稀醚(AEO-9)和N,N-二(羟基乙基)椰油酸胺中的一种或任意比例的两种。
优选地，所述稳泡剂选自聚乙二醇、十二醇、聚丙酰胺、环烷酸钠、乙酸钠、氯化钠、氯化铵和硫酸铵中的一种或任意比例的多种。
更优选地，所述稳泡剂选自聚乙二醇、十二醇和氯化钠中的一种或任意比例的多种。
优选地，所述增粘剂选自瓜尔胶、羟丙基三甲基氯化铵、黄原胶、聚乙烯醇和羟乙基纤维素中的一种或任意比例的多种。
更优选地，所述增粘剂选自黄原胶和聚乙烯醇中的一种或任意比例的两种。
优选地，所述防腐剂选自异噻唑啉酮、苯甲酸钠、氯甲基异噻唑啉酮和山梨酸钾中的一种或任意比例的多种。
更优选地，所述防腐剂选自异噻唑啉酮和苯甲酸钠中的一种或任意比例的两种。
优选地，所述防锈剂选自偏硅酸钠、硼砂、苯并三氮唑和钼酸盐中的一种或任意比例的多种。
更优选地，所述防锈剂偏硅酸钠和硼砂中的一种或任意比例的两种。
本发明还有一个目的在于提供上述组合物的制备方法，包括如下步骤：
I.按照所述质量份准备各原料；
II.在容器中加入所述质量份的水，加热至40～50℃并保温，加入所述质量份的阴离子表面活性剂、非离子表面活性剂和两性表面活性剂，以60～120r/min搅拌1～2h，至完全溶解；
III.停止加热，冷却至常温，然后加入所述质量份的稳泡剂、增粘剂、防腐剂和防锈剂，以30～60r/min搅拌1～2h，至完全溶解。
此外，本发明还提供上述组合物或按照上述制备方法得到的组合物作为盾构机用泡沫剂的应用。
本发明提供一种利用上述盾构机用泡沫剂发泡的工艺，包括如下步骤：
S-1.开启泡沫发生系统设备电源，设置体积稀释比例为2-4％；
S-2.将本发明所述泡沫剂1-10L注入所述泡沫发生系统，开启水路开关，待泡沫溶液箱水位到达预估水位时，关闭上水；
S-3.开启空压机，设定气路流量40-100L/min，输出压力为0.2-1MPa，溶液流量4-10L/min，在发泡时空压机需保持压力不低于0.4MPa，开启自动模式，待发出稳定的泡沫，即可从盾构机最前端处喷出到土体中。
优选地，所述步骤S-3中，所述气路流量为45L/min。
优选地，所述步骤S-3中，所述输出压力为0.4MPa。
优选地，所述步骤S-3中，所述溶液流量为5L/min。
本发明提供的用作盾构机泡沫剂的组合物包括复配的特定的阴离子表面活性剂、非离子表面活性剂和两性表面活性剂，以及各种助剂。各成分协同增效，使得所述组合物发泡倍率高，泡沫细腻、稳定。其中：
所述阴离子表面活性剂具有优良的发泡性能，起泡力高，泡沫丰富细腻，在碱性介质中稳定，能够和本发明所述非离子表面活性剂和两性表面活性剂协同增效，提高发泡倍率。
所述非离子表面活性剂具有均匀的起泡性能、润湿性、渗透性和乳化性能，与本发明组合物中的阴离子表面活性剂和两性表面活性剂以及其他助剂配合使用，从而获得协同效应和高性能产品。
所述两性表面活性剂具有良好的耐强酸、强碱和电解质性能,具有优异的发泡力及泡沫稳定性，生成的泡沫丰富、细腻。
所述稳定剂通过提高泡沫粘度或使表面活性剂分子在气泡液膜进行有序分布而提高泡沫的结构稳定性，延长泡沫破灭半衰期。
所述增粘剂通过离子的同性静电斥力，分子链由螺旋状伸展为棒状，从而提高了水相的黏度。此外，所述增粘剂还能增加表面活性剂胶束缔合数，使得球形胶束向棒状胶束转化而使粘度有所增加，进一步增加了的泡沫的稳定性，延长了泡沫的稳定时间。
本发明所述的组合物是低浓度的水溶液，长期贮存或者在炎热潮湿的环境中容易滋生细菌。所述防腐剂能破坏微生物的细胞膜，使细胞内的蛋白质变性，并能抑制细胞的呼吸酶系的活性。
本发明所述组合物中的防锈剂能够减少所述组合物对各种金属容器、管路、切削刀等的腐蚀，从而保护盾构机。
总之，与现有泡沫剂相比，本发明提供的泡沫剂具有优异的高低温稳定性、发泡倍数高、稳泡时间长、环保无污染、对设备不造成腐蚀等特点，成本低，制备工艺简单。本发明泡沫剂的各项指标均能符合盾构施工要求，可以满足握裹土压平衡式盾构施工对土体改良的需要。
具体实施方式
以下参照具体的实施例来说明本发明。本领域技术人员能够理解，这些实施例仅用于说明本发明，其不以任何方式限制本发明的范围。
下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所用的表面活性剂、稳泡剂、增粘剂、防腐剂和防锈剂均购自国药集团化学试剂有限公司。
各实施例和对比例的用作盾构机用泡沫剂的组合物，都通过如下方法制备：
I.按照所述质量份准备各原料；
II.在容器中加入所述质量份的水，加热至40～50℃并保温，加入所述质量份的表面活性剂，以60～120r/min搅拌1～2h，至完全溶解；
III.停止加热，冷却至常温，然后加入所述质量份的其他助剂(包括稳泡剂、增粘剂、防腐剂和防锈剂中的几种或全部)，以30～60r/min搅拌1～2h，至完全溶解。
各实施例和对比例的所述泡沫剂均通过如下工艺步骤发泡：
S-1.开启泡沫发生系统设备电源，设置体积稀释比例为2-4％；
S-2.将本发明所述泡沫剂1-10L注入所述泡沫发生系统，开启水路开关，待泡沫溶液箱水位到达预估水位时，关闭上水；
S-3.开启空压机，设定气路流量45L/min，输出压力为0.4MPa，溶液流量5L/min，在发泡时空压机需保持压力不低于0.4MPa，开启自动模式，待发出稳定的泡沫。
实施例1～7一种用作盾构机用泡沫剂的组合物及制备的盾构机用泡沫剂
实施例1～7所述组合物的组成，见表1所示，按照上面列出的方法制备得到盾构机用泡沫剂。实施例1～7制备得到的泡沫剂均为澄清的溶液。
表1实施例1～7所述组合物的原料组成(1份＝1kg)
对比例1～5一种用作盾构机用泡沫剂的组合物及其制备的盾构机用泡沫剂
对比例1～5所述组合物的组成，见表2所示，按照上面列出的方法制备得到盾构机用泡沫剂。
表2对比例1～5的组合物的原料组成(1份＝1kg)
应用和测试例
分别测定实施例1～7和对比例1～7的泡沫剂的密度、pH值、高温稳定性((60±2)℃，6h)、低温稳定性((0±2)℃，24h)。
按照前面所述的发泡工艺，分别用实施例1～7和对比例1～7的泡沫剂发泡。测定泡沫剂的发泡倍数、泡沫半衰期、腐蚀速率。
其中，涉及的测定方法如下：
(1)密度：按照GB/T4472-2011中4.3方法3密度计法进行。
(2)pH值：按照GB/T6368进行。
(3)高温稳定性和低温稳定性：按照GB/T35759进行。
(4)发泡倍数：发泡倍数N的计算：
N＝ρV1/M
式中：V1为泡沫容积，mL；
M为泡沫的质量，g；
ρ为泡沫溶液密度，g/cm3。
(5)泡沫半衰期：是指由泡沫中排出的液体质量为泡沫未排液时全部质量的一半所需的时间(min)。
(6)腐蚀速率：按JB/T 7901进行，20#钢板状试样：50×25×2mm，悬挂孔径
试验溶液温度：(40±2)℃，时间24h。
测定结果见表3和表4。
表3实施例1～7的泡沫剂的性能测定结果
表4对比例1～7的泡沫剂的性能测定结果
实施例1～7以阴离子、非离子、两性表面活性剂协同作用，配合稳泡剂、增粘剂等制成的泡沫剂，本身稳定好，经发泡后泡沫细腻均匀、稳泡时间适宜、高低温稳定性好、发泡倍数均在9～17、半衰期在6～9min、腐蚀速率小于0.11mm/a。综合考虑成本，发泡倍数在9～17完全可以满足盾构机的要求，保证挖掘压力，降低刀盘扭矩。泡沫半衰期在6～9min既能满足泡沫与土混合时间，又能在出土后泡沫及时破灭。本发明的泡沫剂中的防腐剂避免了储存过程中的变质、失效的问题。泡沫剂总的防锈剂可以有效保护设备，避免泡沫剂中大量的水对设备的腐蚀。
对比例1～7的泡沫剂，综合发泡倍数、泡沫半衰期、对金属的腐蚀性等性能均不及本发明的泡沫剂，无法满足使用要求。
Claims (10)
1.一种组合物，以总质量100份计，所述组合物的原料包括：
阴离子表面活性剂1-15份、非离子表面活性剂2-20份、两性表面活性剂1-10份、稳泡剂0.5-3份、增粘剂0.5-2份、防腐剂0.5-2份、防锈剂0.1-2份，余量为水；所述阴离子表面活性剂、非离子表面活性剂和两性表面活性剂的总质量份为4～45份；
其中，所述阴离子表面活性剂选自十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠、α-烯基磺酸钠、聚氧乙烯十二烷基醚硫酸钠和脂肪酸甲酯α-磺酸钠中的一种或任意比例的多种；
所述非离子表面活性剂选自脂肪醇聚环氧乙稀醚(AEO-9)、N,N-二(羟基乙基)椰油酸胺、月桂醇聚氧乙烯醚和烷基葡萄糖苷中的一种或任意比例的多种；
所述两性表面活性剂选自N-十二烷基-β-氨基二丙酸钠、椰油酰胺丙基甜菜碱、十二烷基二甲基氧化铵、椰基酰胺丙基氧化铵、月桂酰氨丙基氧化铵、月桂酰氨基丙基甜菜碱和十二烷基甜菜碱中的一种或任意比例的多种。
2.根据权利要求1所述的组合物，其特征在于，以总质量100份计，所述组合物的原料包括：
阴离子表面活性剂2-10份、非离子表面活性剂5-15份、两性表面活性剂1-5份、稳泡剂0.5-3份、增粘剂0.5-2份、防腐剂0.5-2份、防锈剂0.1-2份，余量为水；所述阴离子表面活性剂、非离子表面活性剂和两性表面活性剂的总质量份为8～30份；
其中所述阴离子表面活性剂、非离子表面活性剂和两性表面活性如权利要求1中所定义。
3.根据权利要求1或2所述的组合物，其特征在于，所述阴离子表面活性剂选自脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠、α-烯基磺酸钠和聚氧乙烯十二烷基醚硫酸钠中的一种或任意比例的多种；
优选地，所述非离子表面活性剂选自椰油酰胺丙基甜菜碱和椰基酰胺丙基氧化铵中的一种或任意比例的两种；
优选地，所述两性表面活性剂选自脂肪醇聚环氧乙稀醚和N,N-二(羟基乙基)椰油酸胺中的一种或任意比例的两种。
4.根据权利要求1或2所述的组合物，其特征在于，所述稳泡剂选自聚乙二醇、十二醇、聚丙酰胺、环烷酸钠、乙酸钠、氯化钠、氯化铵和硫酸铵中的一种或任意比例的多种；
优选地，所述稳泡剂选自聚乙二醇、十二醇和氯化钠中的一种或任意比例的多种。
5.根据权利要求1或2所述的组合物，其特征在于，所述增粘剂选自瓜尔胶、羟丙基三甲基氯化铵、黄原胶、聚乙烯醇和羟乙基纤维素中的一种或任意比例的多种；
优选地，所述增粘剂选自黄原胶和聚乙烯醇中的一种或任意比例的两种。
6.根据权利要求1或2所述的组合物，其特征在于，所述防腐剂选自异噻唑啉酮、苯甲酸钠、氯甲基异噻唑啉酮和山梨酸钾中的一种或任意比例的多种；
优选地，所述防腐剂选自异噻唑啉酮和苯甲酸钠中的一种或任意比例的两种；
优选地，所述防锈剂选自偏硅酸钠、硼砂、苯并三氮唑和钼酸盐中的一种或任意比例的多种；
更优选地，所述防锈剂偏硅酸钠和硼砂中的一种或任意比例的两种。
7.权利要求1至6中任一项所述的组合物的制备方法，包括如下步骤：
I.按照所述质量份准备各原料；
II.在容器中加入所述质量份的水，加热至40～50℃并保温，加入所述质量份的阴离子表面活性剂、非离子表面活性剂和两性表面活性剂，以60～120r/min搅拌1～2h，至完全溶解；
III.停止加热，冷却至常温，然后加入所述质量份的稳泡剂、增粘剂、防腐剂和防锈剂，以30～60r/min搅拌1～2h，至完全溶解。
8.权利要求1至6中任一项所述的组合物或按照权利要求7所述制备方法得到的组合物作为盾构机用泡沫剂的应用。
9.一种盾构机用泡沫剂的发泡工艺，所述发泡工艺以权利要求1至6中任一项所述的组合物或按照权利要求7所述制备方法得到的组合物作为泡沫剂，包括如下步骤：
S-1.开启泡沫发生系统设备电源，设置体积稀释比例为2-4％；
S-2.将所述泡沫剂1-10L注入所述泡沫发生系统，开启水路开关，待泡沫溶液箱水位到达预估水位时，关闭上水；
S-3.开启空压机，设定气路流量40-100L/min，输出压力为0.2-1MPa，溶液流量4-10L/min，在发泡时空压机需保持压力不低于0.4MPa，开启自动模式，待发出稳定的泡沫，即可从盾构机最前端处喷出到土体中。
10.根据权利要求9所述的发跑工艺，其特征在于，所述步骤S-3中，所述气路流量为45L/min；
优选地，所述步骤S-3中，所述输出压力为0.4MPa；
优选地，所述步骤S-3中，所述溶液流量为5L/min。
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