CN103708757A

CN103708757A - 一种土压平衡盾构机用发泡剂

Info

Publication number: CN103708757A
Application number: CN201310618001.8A
Authority: CN
Inventors: 石鸿; 张肃正; 王浩宇; 李美超; 褚晓晖
Original assignee: China Railway No 3 Engineering Group Co Ltd
Current assignee: China Railway No 3 Engineering Group Co Ltd
Priority date: 2013-11-29
Filing date: 2013-11-29
Publication date: 2014-04-09
Anticipated expiration: 2033-11-29
Also published as: CN103708757B

Abstract

本发明属发泡剂技术领域，为解决目前国产泡沫剂泡沫均匀性、稳定性、润滑性和渗透性等各项性能不能完全满足盾构施工中对泡沫的要求，且适应性有一定的限制，提供了一种土压平衡盾构机用发泡剂。由十二烷基硫酸钠、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠、α-烯基磺酸钠、改性硅树脂聚醚乳液、水按一定比例制备而成。本发明所述发泡剂性能稳定，发泡效果好，稳泡时间长，能够很好地在硬塑、软塑膨胀性粘土中进行渣土改良，可以提高开挖土体的流塑性和止水性，可以防止泥土的压密粘附，防止刀盘结饼，并依靠气泡的支承作用，保持土仓压力；其原料易得，价格低廉，有效降低施工成本；采用了大宗化工产品，产品无污染，对渣土及周边环境无任何毒副作用。

Description

一种土压平衡盾构机用发泡剂

技术领域

本发明属于发泡剂技术领域，具体涉及一种土压平衡盾构机用发泡剂。

背景技术

近年来地铁隧道工程都采用一种叫盾构机的机械设备来开挖，目前所应用的盾构机类型主要为土压平衡式盾构机，其特点是用开挖出的渣土作为支撑开挖面稳定的介质，这要求作为支撑介质的渣土具有良好的塑性变形、软稠度以及渗透率小。由于一般土壤不能完全满足这些特性，所以要进行改良，其技术要点是在盾构机刀盘前部和泥土仓中注入泡沫等混合添加材料，经强力搅拌，改善开挖的渣土的塑性、流动性，降低渣土的透水性。这种泡沫是由一种盾构专用发泡剂在盾构机上的泡沫系统中产生的。目前，国内地铁盾构施工用的发泡剂主要从国外进口，其生产成本和运输费用大，价格高昂，难以在隧道盾构施工中大量使用。而国内生产的发泡剂，通常是依据泡沫混凝土、气泡混合轻质土等其它土工领域用发泡剂的配方，采用传统洗涤原料调制出来，其泡沫均匀性、稳定性、润滑性和渗透性等各项性能较进口产品还有一定的距离，且适应性有一定的限制。国内在泡沫剂配方上研究不多，大多都是采用阴离子表面活性剂和非离子表面活性剂进行复配，辅以助剂，采用正交的方法进行配置。

近年来，国内多所科研单位均开展了泡沫胶的研究，但大多的研究方向均为砂卵石地层或含沙砾地层，针对硬塑、软塑膨胀性粘土中的泡沫剂研究较少，在此类地层中所运用的泡沫剂均为进口产品，价格昂贵，施工成本高。

阴离子表面活性剂具有较好的去污、发泡、分散、乳化、润湿等特性；广泛用作洗涤剂、起泡剂、润湿剂、乳化剂和分散剂；产量占表面活性剂的首位，价格低廉，容易取得，用以配置泡沫剂有较好的条件和经济性。

发明内容

本发明为了解决目前国产泡沫剂泡沫均匀性、稳定性、润滑性和渗透性等各项性能不能完全满足盾构施工中对泡沫的要求，且适应性有一定的限制，提供了一种土压平衡盾构机用发泡剂。

本发明是由如下技术方案实现的：一种土压平衡盾构机用发泡剂，由下列质量百分比的原料在30~50℃水温下混合搅拌均匀而制成：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%、水87%-92%。

所述十二烷基硫酸钠、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠、α-烯基磺酸钠的质量百分数之和低于11%。所述改性硅树脂聚醚乳液的用量为所述十二烷基硫酸钠、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠和α-烯基磺酸钠有效成分质量百分数之和的10%。

优选配比为：十二烷基硫酸钠6%、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠2%、α-烯基磺酸钠1.5%、改性硅树脂聚醚乳液1.5%、水89%。

其中十二烷基硫酸钠K12、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠AES、α-烯基磺酸钠AOS为阴离子表面活性剂，其质量百分数之和不得大于11%，改性硅树脂聚醚乳液MPS为稳泡剂，其用量为上述阴离子表面活性剂有效成分的10%。较佳地，改性硅树脂聚醚乳液为市售纯度55%的化工产品；阴离子表面活性剂的总体浓度达到临界胶束浓度。

所述十二烷基硫酸钠K12是一种白色粉末，有特殊气味，能配制气泡性良好的香波；所述脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠AES是一种阴离子型表面活性剂，具有优良的发泡性能，起泡力高、泡沫丰富细腻，而且刺激性低、无毒、生物降解性好、耐硬水，所产生的泡沫与渣土接触时通过机械搅拌，能迅速作用于渣土，改良其和易性和润滑性。

α-烯基磺酸钠AOS是一种优良的阴离子表面活性剂，有较好的发泡性，较强的湿润力，能将水的表面张力从72mN.m-1降至30-40mN.m-1左右，在阴离子表面活性剂复配中可以以较低的掺量达到在水中缔合形成胶束的临界胶束浓度，从而减少表面活性剂的用量。

稳泡剂采用的改性硅树脂聚醚乳液MPS通过改变分子内部排列顺序，使表面活性剂泡与泡之间排列紧密整齐，从而形成致密的内层膜，使得抗压能力增强,能够控制气泡液膜的结构稳定性，使表面活性剂分子在气泡的液膜上有秩序的分布，赋予泡沫良好的弹性和自修复能力，从而达到特别理想的稳泡作用。

本发明所述发泡剂同现有泡沫剂对比，具有配方简单，针对粘土适用的特点。现有泡沫剂主要为阴离子和中性离子复配，掺加了渗透剂、分散剂等外加剂，使得泡沫剂的应用范围和附加功能增加，产品附加值进一步增大。但是在膨胀粘土中，渗透和分散极不容易实现，需要单独的产品（分散剂）浸泡3天时间以上，所以本产品采用阴离子表面活性剂复配，能够采用简单有效的组方达到泡沫剂应有的效果，并且由于其稳泡性能良好，正好能改良和承载大块的粘土；泡沫剂全部为阴离子，正好同粘土的阳离子结合，达到重塑粘土的作用。

本发明所述发泡剂所发的泡沫泡径均一，气泡稳定，稳泡时间为15-21分钟，发泡倍率为12~18倍，不易消泡，能够提供均匀、可控的支撑压力和刀盘工作面稳定性；能使渣土具有较好的流塑形，使土体易于分离、运输；能够有效降低土体内摩擦力，减少土壤在刀盘、螺旋输送机、运输带的磨损；能降低土体的黏度，防止堵塞的发生。本发明所述发泡剂在常温下性能稳定且可以长期存储。本发明的发泡剂采用了大宗化工产品，产品无污染，对渣土及周边环境无任何毒副作用。

本发明所述发泡剂性能稳定，发泡效果好，稳泡时间长，能够很好地在硬塑、软塑膨胀性粘土中进行渣土改良，可以提高开挖土体的流塑性和止水性，可以防止泥土的压密粘附，防止刀盘结饼，并依靠气泡的支承作用，保持土仓压力；其原料易得，价格低廉，有效降低施工成本；采用了大宗化工产品，产品无污染，对渣土及周边环境无任何毒副作用。

具体实施方式

下面举例对本发明进一步作详细的描述。

实施例1：一种土压平衡盾构机用发泡剂，由下列质量百分比的原料在30~50℃水温下混合搅拌均匀而制成：十二烷基硫酸钠(K12)6%、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠(AES)2%、α-烯基磺酸钠(AOS)1.5%、改性硅树脂聚醚乳液(MPS)1.5%、水89%。

本实施例生产出的泡沫剂采用2%的用量，经实验，在常温下稳泡时间为21min，发泡倍率为18倍，泡沫承载能力好。现场使用效果良好，达到进口产品水平，其稳泡效果表现优异。

实施例2：一种土压平衡盾构机用发泡剂，由下列质量百分比的原料在30~50℃水温下混合搅拌均匀而制成：十二烷基硫酸钠(K12)5%,脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠(AES)4%,α-烯基磺酸钠(AOS)1.5%,改性硅树脂聚醚乳液(MPS)1.3%,水88.2%。

本实例生产出的泡沫剂采用2%的用量，经实验，在常温下稳泡时间为18min，发泡倍率为15倍，泡沫承载能力好。现场使用效果好，较实例1成本经济，渣土改良效果好。

实施例3:一种土压平衡盾构机用发泡剂，由下列质量百分比的原料在30~50℃水温下混合搅拌均匀而制成：十二烷基硫酸钠(K12)5%,脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠(AES)3%,α-烯基磺酸钠(AOS)2%,改性硅树脂聚醚乳液(MPS)1.5%，水88.5%。

本实例生产出的泡沫剂采用2%的用量，经实验，在常温下稳泡时间为15min，发泡倍率为12倍，泡沫承载能力好。现场使用效果好，渣土改良效果好。

实施例4：一种土压平衡盾构机用发泡剂，由下列质量百分比的原料在30~50℃水温下混合搅拌均匀而制成：十二烷基硫酸钠(K12)4%,脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠(AES)4%,α-烯基磺酸钠(AOS)2%,改性硅树脂聚醚乳液(MPS)1.5%，水88.5%。

本实例生产出的泡沫剂采用2%的用量，经实验，在常温下稳泡时间为17min，发泡倍率为14倍，泡沫承载能力好。现场使用效果好，渣土改良效果好。

实施例5：一种土压平衡盾构机用发泡剂，由下列质量百分比的原料在30~50℃水温下混合搅拌均匀而制成：十二烷基硫酸钠(K12)6%,脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠(AES)3%,α-烯基磺酸钠(AOS)2%,改性硅树脂聚醚乳液(MPS)2%，水87%。

本实施例生产出的泡沫剂采用2%的用量，经实验，在常温下稳泡时间为19min，发泡倍率为16倍，泡沫承载能力好。现场使用效果好，渣土改良效果好。

实验例1：对于现阶段国内泡沫剂的生产和检测尚未有标准出台，已有的也只有企标。根据文献资料，盾构施工对泡沫的要求：满足盾构施工用气泡的稳定性指标应满足:5min以内气泡基本不消散，消泡率<5%。本次对比采用这一指标。

选择常用的几种土压平衡用土壤泡沫剂进行对比，采用的试验方法：常压常温（25℃）下采用2%的原液配制100ml混合液，通过搅拌制取泡沫进行比对，制取方法和时间一致，比对发泡率和消泡率，结果如下：

序号	泡沫剂	发泡率（倍）	稳定性min（半消期即消泡率50%的时间）	备注
					1	BASF MEYCO SLF 32	19	20	进口.德国
2	康达克 PMJ-01	16	16	国产.南昌
					3	CONDAT CLB	18	19	进口.法国
4	HERRICK 800	16	17	国产.成都
					5	本发明实施例1所制产品	18	21	本产品

从表中可以看出，本产品在常压下性能较其他泡沫剂有着优良的性能。本发明其他实施例所制泡沫剂检测显示，其发泡率、常温下稳泡时间以及泡沫承载能力均与本发明实施例1所制产品发泡率、常温稳泡时间以及泡沫承载能力无明显差异。

阴离子表面活性剂复配泡沫剂同以上泡沫剂对比，具有配方简单，针对粘土适用的特点。其他泡沫剂主要为阴离子和中性离子复配，掺加了渗透剂、分散剂等外加剂，使得泡沫剂的应用范围和附加功能增加，产品附加值进一步增大。但是在膨胀粘土中，渗透和分散极不容易实现，需要单独的产品（分散剂）浸泡3天时间以上，所以本产品采用阴离子表面活性剂复配，能够采用简单有效的组方达到泡沫剂应有的效果，并且由于其稳泡性能良好，正好能改良和承载大块的粘土；泡沫剂全部为阴离子，正好同粘土的阳离子结合，达到重塑粘土的作用。该产品下一步将进一步进行研究，针对砂卵石地层。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种土压平衡盾构机用发泡剂，其特征在于：由下列质量百分比的原料在30~50℃水温下混合搅拌均匀而制成：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%、水87%-92%。

2.根据权利要求1所述的一种土压平衡盾构机用发泡剂，其特征在于：所述十二烷基硫酸钠、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠、α-烯基磺酸钠的质量百分数之和低于11%。

3.根据权利要求1所述的一种土压平衡盾构机用发泡剂，其特征在于：所述改性硅树脂聚醚乳液的用量为所述十二烷基硫酸钠、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠、α-烯基磺酸钠有效成分质量百分数之和的10%。

4.根据权利要求1所述的一种土压平衡盾构机用发泡剂，其特征在于：由下列质量百分比的原料在30~50℃水温下混合搅拌均匀而制成：十二烷基硫酸钠6%、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠2%、α-烯基磺酸钠1.5%、改性硅树脂聚醚乳液1.5%、水89%。