CN114381274A - 滨海淤泥土层盾构渣土改良用泡沫剂、制备及使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种滨海淤泥土层盾构渣土改良用泡沫剂，包括泡沫剂基液，长青分散剂、粉料黄蜀葵胶、亚麻籽胶、水；泡沫剂基液与水的体积份数为4～12：100，液料添加剂与水的体积份数比为2～10：100，粉料添加剂与水的体积份数比为0.01～0.12：100，粉料黄蜀葵胶和亚麻籽胶的质量份数比为1：1；泡沫剂基液包括液料烷基蔗糖苷和固料脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠，体积份数比为2.5:1。本发明还公开了其制备方法、使用方法。泡沫剂发泡倍率均高于25倍，半衰期高于1500s，5min内半衰期为零，泡沫稳定性高，气‑液面强度高且泡沫密集度高，有利于进入土体空隙改善土体流塑性，降低淤泥粘性土的粘附性。
Description
技术领域
本发明涉及工程施工材料技术领域，具体涉及一种盾构渣土泡沫剂、制备方法及使用方法，特别适用于滨海淤泥土层。
背景技术
滨海存在深厚的淤泥土层，地层复杂且恶劣，其黏粒含量高，土层的粘附性极大，缺乏流塑性，采用单纯的泡沫剂难以解决土块的分散问题，盾构施工极易造成结“泥饼”和出渣困难等问题，从而影响掘进效率。同时，伴随着我国城市地下工程建设的迅猛发展，盾构在滨海淤泥土层掘进的实例越来越多，渣土改良用泡沫消耗量巨大，研制适用于滨海淤泥土层的新型泡沫剂迫在眉睫。有必要在泡沫剂的基础上，加入一定量的添加剂研制新型泡沫剂，改善滨海淤泥土的流塑性，降低粘附性，有效避免刀盘结“泥饼”和出渣困难等问题。
发明内容
本发明旨在提供一种适用于滨海淤泥土层的高性价比、对环境友好、稳定可靠的新型泡沫剂，以解决盾构在滨海淤泥土层掘进时淤泥土体粘性大、缺乏流塑性带来的潜在风险。
为此，本发明采用的技术方案为：一种滨海淤泥土层盾构渣土改良用泡沫剂，包括泡沫剂基液，液料长青分散剂、粉料黄蜀葵胶和亚麻籽胶分别作为添加剂，以及水；所述泡沫剂基液与水的体积份数为4～12：100，液料添加剂与水的体积份数比为2～10：100，粉料添加剂与水的体积份数比为0.01～0.12：100，粉料黄蜀葵胶和亚麻籽胶的质量份数比为1：1；所述泡沫剂基液包括液料烷基蔗糖苷作为主泡沫剂，固料脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠作为副泡沫剂，且烷基蔗糖苷、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠的体积份数比为2.5:1。
同时，本发明还公开了滨海淤泥土层盾构渣土改良用泡沫剂的制备方法，步骤为：
(a)采用液料烷基蔗糖苷作为主泡沫剂，固料脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠作为副泡沫剂，按照体积份数比2.5:1配置成泡沫剂基液；
(b)先将液料长青分散剂作为添加剂，并按照添加剂与水的体积份数比为2～10：100添加到水中；
(c)再将粉料黄蜀葵胶和亚麻籽胶作为添加剂，并按照添加剂与水的质量份数比为0.01～0.12：100添加到步骤(b)的水中，粉料黄蜀葵胶和亚麻籽胶的质量份数比为1：1；
(d)最后按照泡沫剂基液与水的体积份数为4～12：100，将步骤(c)中的水缓慢添加到泡沫剂基液中，搅拌30min以上至混合均匀，即得泡沫剂原液。
另外，本发明还公开了一种滨海淤泥土层盾构渣土改良用泡沫剂的使用方法，步骤为：
(1)将上述的配置好的泡沫剂原液通过泡沫溶液箱运输至施工现场的盾构内部；
(2)向泡沫剂原液中加入水进行稀释作为最终发泡溶液用于改良土体。
作为上述方案的优选，步骤(2)中，当开挖滨海淤泥土层含水率为30％～55％时，泡沫剂原液体积浓度占比为2％～4％，发泡溶液的注入比为40％～60％。
步骤(2)中，当开挖滨海淤泥土层含水率低于30％时，采用发泡溶液的注入比大于60％，或采用注入水与注入泡沫剂交替作业的方式进行掘进。
本发明的有益效果：该泡沫剂具有发泡能力强和泡沫稳定性好的特性，产生的泡沫颗粒均匀，绿色无污染，其99％以上的成分在暴露空气中可以被生物降解，对环境没有污染。各成分具体有益效果如下：
1.烷基蔗糖苷为主发泡剂。烷基蔗糖苷在低浓度2％～6％时，发泡倍率较为稳定，为15倍左右，半衰期表现并不理想均低于500s；5min内半消泡率最高超过30％，烷基蔗糖苷是一种完全绿色可生物完全降解且价格低廉的材料发泡剂材料。本方案选用烷基蔗糖苷为主发泡剂，利用其价格低廉、绿色降解的优势，大大降低了制造成本。
2.脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠为副发泡剂。脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠在低浓度2％～4％时，具有较高的发泡倍率，发泡倍率大于20倍；半衰期表现一般基本维持在600s上下；5min内消泡率处于5％～10％区间内；材料易生物降解，自然降解度大于90％，对环境没有污染，目前盾构渣土改良施工中大多数以其作为主发泡剂使用，然而指导浓度较高一般在10％左右，但其成本昂贵。脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠本身为胶状，现场搅拌无法完全溶解于水中，搅拌后依然会有大量沉淀造成浪费严重，并且单独使用半衰期与5min内消泡率依然无法满足施工要求，通常作为主发泡剂使用。本方案选用脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠为副发泡剂，完美避开了其价格昂贵的不足，充分利用其发泡倍率高的特点。
3.长青分散剂为高效分散剂，能降低滨海淤泥粘性土颗粒间的粘聚力，分散淤泥土块，其为无色略粘稠液体，易溶解，具有环境友好，经济性等特点。该分散剂主要借助纳米级的材料分子的微电荷矩阵作用力，将分散剂分子吸附于粘土表面；然后通过渗透作用，分散剂分子迅速地进入土体内部，快速将大块的土体进行分散，分离；通过屏蔽土体上带的负电荷，降低淤泥粘土对盾构刀具和其它机械的粘附力，完美解决了烷基蔗糖苷、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠单独使用时滨海淤泥依然结块严重问题，能有效地解决刀盘结“泥饼”和出土困难等施工问题。
4.黄蜀葵胶为稳定剂。黄蜀葵胶在水中具有较高的粘度，能够作为增稠剂、稳定剂提高泡沫稳定性，其在水中溶解后也能够提供一定的润滑作用，减少土体与刀盘间的摩擦力。但黄蜀葵胶目前多应用于食品、医药、日常化工等少数产业并未在盾构渣土改良中得到具体应用，其自身天然无污染，价格低廉能够解决现在施工所遗留的环境问题以及成本问题。
5.亚麻籽胶为稳定剂，是以亚麻种子或籽皮为原料，经提取、浓缩精制而成的粉状制品，可用作稳定剂，在泡沫剂制备过程中能够促进泡沫基液的发泡，提高发泡倍率，和泡沫基液具有协同作用；同时亚麻籽胶与黄蜀葵胶采用1:1的质量比配合使用，能够显著提高泡沫的半衰期，其自身天然无污染，价格低廉能够解决现在施工所遗留的环境问题以及成本问题。
在试验过程中，最初设想是将烷基蔗糖苷为主发泡剂、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠为副发泡剂，并考虑到烷基蔗糖苷的自热降解程度高于脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠，烷基蔗糖苷的成本远低于脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠，作为主发泡剂能够提高发泡剂整体自然降解率，同时降低生产成本，并在一定程度上解决脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠无法完全溶解于水而导致的浪费问题。
但在不断调整配比的试验过程中发现，将烷基蔗糖苷、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠的体积份数比控制在2.5:1，同时将食品行业里使用的黄蜀葵胶作为稳定剂创造性地引入盾构泡沫剂中，与亚麻籽胶采用1:1的质量比配合使用，竟然能很好地扬长避短，并使所得泡沫剂发泡倍率保持高于20倍，半衰期得到极大提升最低值高于1200s，完美解决了烷基蔗糖苷、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠单独使用，或烷基蔗糖苷、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠混合使用同样存在的半衰期短、5min消泡率高、成本高、沉淀造成浪费严重无法满足现场要求的一系列问题。
针对滨海淤泥土层粘附性大，极易造成刀盘结“泥饼”和出渣困难，试验过程中加入长青分散剂，发现加入长青分散剂后可进一步解决固料脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠沉淀现象，不仅能使固料脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠得到有效利用，更能显著改善淤泥土的流塑性。后续试验过程中尝试加入亚麻籽胶，发现可进一步提高发泡倍率，极大提升半衰期最低值，在不断调整配比过程中，发现添加剂粉料黄蜀葵胶和亚麻籽胶质量份数比为1:1时，改良的泡沫剂发泡倍率与半衰期达到最优值，发泡倍率保持大于25倍，半衰期最低值高于1500s。
综上所述，本发明适用于滨海淤泥土层土压平衡盾构渣土改良施工，泡沫剂发泡倍率均高于25倍，半衰期高于1500s，5min内半衰期为零，所产生泡沫稳定性高，气-液面强度高且泡沫密集度高，有利于进入土体空隙改善土体流塑性，降低土体的粘附性，有效避免盾构刀盘结“泥饼”和出渣困难等问题。
具体实施方式
下面通过实施例，对本发明作进一步说明：
一种滨海淤泥土层盾构渣土改良用泡沫剂，包括泡沫剂基液，液料长青分散剂、粉料黄蜀葵胶和亚麻籽胶分别作为添加剂，以及水。泡沫剂基液与水的体积份数为4～12：100，液料添加剂与水的体积份数比为2～10：100，粉料添加剂与水的体积份数比为0.01～0.12：100，粉料黄蜀葵胶和亚麻籽胶的质量份数比为1：1。泡沫剂基液包括液料烷基蔗糖苷作为主泡沫剂，固料脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠作为副泡沫剂，且烷基蔗糖苷、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠的体积份数比为2.5:1。
一种滨海淤泥土层盾构渣土改良用泡沫剂的制备方法，步骤为：
(a)采用液料烷基蔗糖苷作为主泡沫剂，固料脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠作为副泡沫剂，按照体积份数比2.5:1配置成泡沫剂基液。
(b)先将液料长青分散剂作为添加剂，并按照添加剂与水的体积份数比为2～10：100添加到水中。
(c)再将粉料黄蜀葵胶和亚麻籽胶作为添加剂，并按照添加剂与水的质量份数比为0.01～0.12：100添加到步骤(b)的水中，粉料黄蜀葵胶和亚麻籽胶的质量份数比为1：1。
(d)最后按照泡沫剂基液与水的体积份数为4～12：100，将步骤(c)中的水缓慢添加到泡沫剂基液中，搅拌30min以上至混合均匀，即得泡沫剂原液。
一种滨海淤泥土层盾构渣土改良用泡沫剂的使用方法，步骤为：
(1)将上述的配置好的泡沫剂原液通过泡沫溶液箱运输至施工现场的盾构内部；
(2)向泡沫剂原液中加入水进行稀释作为最终发泡溶液用于改良土体。
在步骤(2)中，当开挖滨海淤泥土层含水率为30％～55％时，泡沫剂原液体积浓度占比为2％～4％，发泡溶液的注入比为40％～60％；当开挖滨海淤泥土层含水率低于30％时，采用发泡溶液的注入比大于60％，或采用注入水与注入泡沫剂交替作业的方式进行掘进，具体参数根据具体情况确定。
实施例1滨海淤泥土层盾构渣土改良用泡沫剂，包括泡沫剂基液，液料长青分散剂、粉料黄蜀葵胶和亚麻籽胶分别作为添加剂，以及水。泡沫剂基液与水的体积份数为4：100，液料添加剂与水的体积份数比为2：100，粉料添加剂与水的体积份数比为0.05：100，粉料黄蜀葵胶和亚麻籽胶的质量份数比为1：1。泡沫剂基液包括液料烷基蔗糖苷作为主泡沫剂，固料脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠作为副泡沫剂，且烷基蔗糖苷、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠的体积份数比为2.5:1。
实施例2滨海淤泥土层盾构渣土改良用泡沫剂，包括泡沫剂基液，液料长青分散剂、粉料黄蜀葵胶和亚麻籽胶分别作为添加剂，以及水。泡沫剂基液与水的体积份数为4：100，液料添加剂与水的体积份数比为3：100，粉料添加剂与水的体积份数比为0.05：100，粉料黄蜀葵胶和亚麻籽胶的质量份数比为1：1。泡沫剂基液包括液料烷基蔗糖苷作为主泡沫剂，固料脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠作为副泡沫剂，且烷基蔗糖苷、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠的体积份数比为2.5:1。
实施例3滨海淤泥土层盾构渣土改良用泡沫剂，包括泡沫剂基液，液料长青分散剂、粉料黄蜀葵胶和亚麻籽胶分别作为添加剂，以及水。泡沫剂基液与水的体积份数为4：100，液料添加剂与水的体积份数比为2：100，粉料添加剂与水的体积份数比为0.075：100，粉料黄蜀葵胶和亚麻籽胶的质量份数比为1：1。泡沫剂基液包括液料烷基蔗糖苷作为主泡沫剂，固料脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠作为副泡沫剂，且烷基蔗糖苷、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠的体积份数比为2.5:1。
实施例4滨海淤泥土层盾构渣土改良用泡沫剂，包括泡沫剂基液，液料长青分散剂、粉料黄蜀葵胶和亚麻籽胶分别作为添加剂，以及水。泡沫剂基液与水的体积份数为6：100，液料添加剂与水的体积份数比为2：100，粉料添加剂与水的体积份数比为0.05：100，粉料黄蜀葵胶和亚麻籽胶的质量份数比为1：1。泡沫剂基液包括液料烷基蔗糖苷作为主泡沫剂，固料脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠作为副泡沫剂，且烷基蔗糖苷、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠的体积份数比为2.5:1。
对比例1粘性土层盾构渣土泡沫剂，包括液料脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠、水；液料脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠体积占比3％。
对比例2粘性土层盾构渣土通用型泡沫剂，包括液料APG2000、水；液料APG2000体积占比3％。
对比例3粘性土层盾构渣土泡沫剂，包括泡沫剂基液、液料长青分散剂、粉料黄蜀葵胶作为添加剂，以及水。泡沫剂基液与水的体积份数为4：100，液料添加剂与水的体积份数比为2：100，粉料添加剂与水的质量份数比为0.05：100。泡沫剂基液包括液料烷基蔗糖苷作为主泡沫剂，固料脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠作为副泡沫剂，且烷基蔗糖苷、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠的体积份数比为2.5:1。
表1为实施例1—4制备的泡沫剂与对比例1—3制备的泡沫剂的发泡倍率和静置状态下的半衰期的实验结果：
表1不同泡沫剂种类发泡性能实验结果
| 泡沫剂种类 | 发泡倍率 | 半衰期(s) | 5min内消泡率(％) |
| 实施例1 | 26.87 | 1550 | 0 |
| 实施例2 | 26.80 | 1578 | 0 |
| 实施例3 | 26.67 | 1921 | 0 |
| 实施例4 | 29.31 | 1616 | 0 |
| 对比例1 | 17.13 | 616 | 8.23 |
| 对比例2 | 16.17 | 652 | 10.28 |
| 对比例3 | 23.89 | 1376 | 0 |
从表1可知，实施例1—4与对比例1—3相比，按本发明所采用的配方比制备的泡沫剂的发泡倍数能够达到25倍以上，半衰期高于1500s，5min内消泡率几乎为零。稳定剂黄蜀葵胶和亚麻籽胶具有协同作用，比单一用黄蜀葵胶的效果更好，同时亚麻籽胶能略微提高发泡倍率。
为了进一步验证本发明的改良效果，选取若干环进行现场施工试验。结果表明本发明所采用的配方比显著降低了刀盘扭矩，对比例的刀盘扭矩值为1500～2300KNm，实施例的刀盘扭矩值为1200～1450KNm；盾构总推力也有所降低；说明本发明所采用的配方比能够有效降低土体粘附性，可降低刀盘、刀具的磨损，减少换刀的频率，从而避免盾构停机的发生。采用本发明配比能有效降低渣温，工后渣土温度从24.6～29.5℃下降到21.8～26.7℃，避免刀盘在滨海淤泥土层时温度上升过快，并超出刀盘的正常工作温度。同时采用本发明所采用的配方比有效增加试验段渣土流塑性，所得渣土塌落度为101～127mm，同样地层与施工条件情况下，采用粘性土层通用型泡沫剂出渣土结块明显，出渣土样较干，渣土塑性、流动性不好，工后渣土塌落度为0mm。通过实际工程的应用，本发明在现场施工效果、材料价格与环保等方面具有很大的优势，对实际盾构施工有一定的指导意义。
本发明中所涉及的原材料均无毒害，能够为环境自然降解，属于绿色型材料。
Claims (5)
1.一种滨海淤泥土层盾构渣土改良用泡沫剂，其特征在于：包括泡沫剂基液，液料长青分散剂、粉料黄蜀葵胶和亚麻籽胶分别作为添加剂，以及水；所述泡沫剂基液与水的体积份数为4～12：100，液料添加剂与水的体积份数比为2～10：100，粉料添加剂与水的体积份数比为0.01～0.12：100，粉料黄蜀葵胶和亚麻籽胶的质量份数比为1：1；所述泡沫剂基液包括液料烷基蔗糖苷作为主泡沫剂，固料脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠作为副泡沫剂，且烷基蔗糖苷、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠的体积份数比为2.5:1。
2.一种滨海淤泥土层盾构渣土改良用泡沫剂的制备方法，其特征在于，步骤为：
(a)采用液料烷基蔗糖苷作为主泡沫剂，固料脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠作为副泡沫剂，按照体积份数比2.5:1配置成泡沫剂基液；
(b)先将液料长青分散剂作为添加剂，并按照添加剂与水的体积份数比为2～10：100添加到水中；
(c)再将粉料黄蜀葵胶和亚麻籽胶作为添加剂，并按照添加剂与水的质量份数比为0.01～0.12：100添加到步骤(b)的水中，粉料黄蜀葵胶和亚麻籽胶的质量份数比为1：1；
(d)最后按照泡沫剂基液与水的体积份数为4～12：100，将步骤(c)中的水缓慢添加到泡沫剂基液中，搅拌30min以上至混合均匀，即得泡沫剂原液。
3.一种滨海淤泥土层盾构渣土改良用泡沫剂的使用方法，其特征在于，步骤为：
(1)将权利要求1或2所述的配置好的泡沫剂原液通过泡沫溶液箱运输至施工现场的盾构内部；
(2)向泡沫剂原液中加入水进行稀释作为最终发泡溶液用于改良土体。
4.按照权利要求3所述的滨海淤泥土层盾构渣土改良用泡沫剂的使用方法，其特征在于，步骤(2)中，当开挖滨海淤泥土层含水率为30％～55％时，泡沫剂原液体积浓度占比为2％～4％，发泡溶液的注入比为40％～60％。
5.按照权利要求3所述的滨海淤泥土层盾构渣土改良用泡沫剂的使用方法，其特征在于，步骤(2)中，当开挖滨海淤泥土层含水率低于30％时，采用发泡溶液的注入比大于60％，或采用注入水与注入泡沫剂交替作业的方式进行掘进。
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