複雜地層盾構施工用穩定泡沫劑及其製備方法與應用與流程
2023-05-13 15:45:56
本發明屬於土壓平衡盾構施工材料領域，具體涉及一種複雜地層盾構施工用穩定泡沫劑及其製備方法與應用。
背景技術：
目前，土壓平衡盾構施工過程中需要向開挖面或土艙裡注入特殊氣泡，將開挖面切削下來的土體在壓力艙內調整成一種「塑性流動狀態」，避免發生噴湧、閉塞、結餅以及施工開挖面失穩等一系列問題，以保證盾構施工過程的安全穩定。
但是地層是由各種造巖礦物以不同集合形式組成，礦物的成分、性質和結構構造決定了各種類型巖層的物理、力學性質，如巖石的強度、硬度、彈塑性、脆性、水溶性和水化性等，盾構過程中出現的各種複雜情況與巖石性質密切相關。另外，巖層在形成過程中或形成以後，在扭轉、擠壓、風化、搬運、沉積、溶蝕等內、外地質作用下，形成鬆散層、破碎帶、孔隙環境、裂隙環境以及溶隙性環境。所以，複雜地層，一些主要表現為井壁直接鬆散、破碎，一些表現為漏水、湧水等，還有的地層有多種複雜表現。這些地層都會對盾構施工過程產生一定的影響。
現有技術中已經通過泡沫劑對複雜地層的土體進行改良，使其滿足盾構的要求。在相同發泡條件下，氣泡的發泡率越高，相同泡沫劑發出的泡沫體積越多，泡沫內存留的未發揮作用的泡沫劑溶液越少，泡沫劑利用越充分，對開挖土的改良效果越好，泡沫劑的成本越低；半衰期越長，經泡沫劑改良後的改良土性能維持時間更長，對於工程而言會更好。但是發泡率與產生的泡沫的穩定性(即泡沫半衰期)兩者之間是相互影響的，較高的發泡率是犧牲泡沫穩定性為代價的。
目前，應用於土壓平衡式盾構施工中的泡沫劑的發泡倍率較低、半衰期較短。而某些複雜地層的盾構施工時，對泡沫劑的用量及半衰期要求較為嚴格，如果泡沫劑的發泡倍數和半衰期較短時，不但會影響工程的進度，還會大大增加工程施工的成本。而且不同性質的地層對泡沫劑的發泡率和泡沫半衰期的要求不同。現有技術中的泡沫劑的發泡率和半衰期的可調整範圍較小，同一種泡沫劑難以滿足各種地層盾構施工的要求。
此外，在盾構施工過程中，盾構機經常會遇到硬水環境，而現有的泡沫劑在硬水環境中的發泡性能大大降低，更難以滿足施工要求。
綜上所述，現有技術中對於泡沫劑的發泡倍數及發泡倍數可調範圍達不到要求、泡沫半衰期較短及其可調範圍較小、在硬水環境中泡沫劑的發泡性能大大降低，導致難以滿足複雜地層盾構施工的要求的問題，尚缺乏有效的解決方案。
技術實現要素：
為了解決上述現有技術中存在的不足，本發明提供了一種複雜地層盾構施工用穩定泡沫劑，由以下組分組成：發泡劑8-14％、增稠劑0.2-0.5％、穩泡劑0.1-0.5％，餘量為水，其中的％是指質量百分數。
所述發泡劑由α-烯基磺酸鈉、α-磺基脂肪酸甲酯及烷基多苷組成。
以上泡沫劑組分中，α-烯基磺酸鈉和α-磺基脂肪酸甲酯為主要發泡劑，烷基多苷主要起輔助發泡作用，可以有效提高泡沫劑的發泡倍數，使發泡倍數可以達到18-35倍，顯著提高了泡沫劑的最大發泡倍數，而且提高了發泡倍數的可調節範圍，使其可以應用在多種複雜地層的盾構施工中。
烷基多苷還具有良好的增稠效果，在輔助發泡的基礎上，可協同增稠劑對主發泡劑進行增稠，協同穩泡劑對所發泡沫進行穩泡，延長了泡沫的半衰期，使泡沫半衰期達到11-30min。提高了泡沫半衰期的最大值，明顯提高了對泡沫半衰期要求較高的盾構施工中的土體改良效果；同時增大了泡沫半衰期的可調範圍，使其可以應用在多種複雜地層的盾構施工中。
α-烯基磺酸鈉、α-磺基脂肪酸甲酯、烷基多苷和增稠劑協同作用，同時提高了泡沫劑的發泡率和泡沫半衰期，並提高了兩者的可調範圍，明顯提高了泡沫劑的性能。使其可以應用在多種複雜地層的盾構施工中。
此外，α-烯基磺酸鈉、α-磺基脂肪酸甲酯及烷基多苷均具有良好的抗硬水性能，使製備得到的發泡劑在硬水環境中的發泡性能也能遠遠滿足盾構施工的要求。而且，α-烯基磺酸鈉、α-磺基脂肪酸甲酯和烷基多苷的生物降解性能好，在自然環境中，幾天之內即可完全降解，無毒無害，不會對施工區域造成環境汙染。
所以，本發明的泡沫劑中可以有效解決現有技術中的土壓平衡盾構用泡沫劑存在的發泡率低下、泡沫穩定性能差、非綠色、不環保且抗硬水性能差的問題。
進一步的，所述發泡劑由以下重量份的組分組成：α-烯基磺酸鈉35-75份、α-磺基脂肪酸甲酯25-65份，烷基多苷5-15份。
進一步的，所述發泡劑由以下重量份的組分組成：α-烯基磺酸鈉60-70份、α-磺基脂肪酸甲酯25-35份，烷基多苷5-7份。
該配比的發泡劑可以使泡沫劑具有更好的發泡倍數，可以更好地延長泡沫的半衰期。
進一步的，所述增稠劑包括椰油醯胺基丙基甜菜鹼和聚氧化乙烯。
椰油醯胺基丙基甜菜鹼抗硬水性能較好，與其它表面活性劑相容性較好，聚氧化乙烯具有一定的增稠作用，其與椰油醯胺基丙基甜菜鹼協同作用，提高了泡沫劑的增稠效果。
而且，聚氧化乙烯與烷基多苷和穩泡劑配合，對泡沫進行穩泡，延長了泡沫的半衰期。
進一步的，所述增稠劑中，椰油醯胺基丙基甜菜鹼和聚氧化乙烯的質量比為1:1-1:4。
進一步的，所述穩泡劑為改性矽樹脂聚醚乳液。
為了解決上述現有技術中存在的不足，本發明提供了上述泡沫劑的製備方法，包括如下步驟：
首先向水中加入α-烯基磺酸鈉，進行攪拌，攪拌過程中，依次加入α-磺基脂肪酸甲酯、烷基多苷、增稠劑和穩泡劑，攪拌均勻後即得。
向水中加入α-烯基磺酸鈉後，進行攪拌時，保證混合溶液不產生氣泡或只產生少量的氣泡。
如果攪拌過快會造成泡沫劑中存在較多的氣泡，影響泡沫劑原液的質量。
為了解決上述現有技術中存在的不足，本發明提供了上述泡沫劑在盾構施工中的應用。
本發明的有益效果為：
1)本泡沫劑發泡性能高效穩定，其發泡率可達18-35倍，泡沫半衰期11-30min，可以滿足複雜地層盾構施工的要求，應用到盾構施工中可以有效避免噴湧、閉塞、結餅以及施工開挖面失穩等問題，有效保證盾構施工的安全穩定；
2)本泡沫劑各組分均為綠色環保型材料，特別是主發泡材料以天然動植物油脂為原材料製得，生物降解性能好，數天之內即可自然降解，無毒無害，不會對施工區土質及地下水造成影響；
3)本泡沫劑主發泡材料以天然動植物油脂為原材料，經過一系列的化學反應製得，來源廣泛；
4)α-烯基磺酸鈉、α-磺基脂肪酸甲酯、烷基多苷及椰油醯胺基丙基甜菜鹼在硬水中性能折減率較低，導致本泡沫劑具有較好的抗硬水性能。
具體實施方式
應該指出，以下詳細說明都是例示性的，旨在對本申請提供進一步的說明。除非另有指明，本文使用的所有技術和科學術語具有與本申請所屬技術領域的普通技術人員通常理解的相同含義。
需要注意的是，這裡所使用的術語僅是為了描述具體實施方式，而非意圖限制根據本申請的示例性實施方式。如在這裡所使用的，除非上下文另外明確指出，否則單數形式也意圖包括複數形式，此外，還應當理解的是，當在本說明書中使用術語「包含」和/或「包括」時，其指明存在特徵、步驟、操作、器件、組件和/或它們的組合。
術語解釋部分：
發泡倍數：是指一定體積的泡沫劑溶液(一定濃度)所發出的氣泡體積與泡沫劑溶液體積的比值，即每體積泡沫劑溶液所發出的氣泡的體積。發泡倍數實際測定中，按測試要求配製好一定濃度的泡沫劑溶液，混合均勻，注入到發泡試驗裝置的加壓液體儲罐中，按測試要求調節好氣液比，進行發泡，待泡沫生成穩定後，用量筒收集生成的泡沫，並對量筒和泡沫進行稱重，本文中的發泡倍數按下式計算：
發泡倍數＝v/(m2-m1)，式中，v為泡沫體積，m1為量筒質量，m2為泡沫和量筒的總質量。
改性矽樹脂聚醚乳液，簡稱mps，作為穩泡劑組分使用在泡沫劑產品中。
本文中泡沫半衰期測定方法：
按測試要求配製好一定濃度的泡沫劑溶液，混合均勻，注入到發泡試驗裝置的加壓液體儲罐中，按測試要求調節好氣液比，進行發泡，待泡沫生成穩定後，用底部帶有10mm有機玻璃密封孔的玻璃筒收集生成的泡沫(泡沫收集須在20s內完成)，泡沫收集完成後開始計時，並對量筒和泡沫進行稱重，當收集的泡沫液為收集泡沫總質量的一半，即，收集的泡沫液質量為(m2-m1)/2時(其中，m1為量筒質量，m2為泡沫和量筒的總質量)，記下所耗時間t，此時間t即為泡沫半衰期。
實施例1
配製1000g複雜地層盾構施工用環保高效穩定泡沫劑各組分重量分別為：
α-烯基磺酸鈉：70g
α-磺基脂肪酸甲酯：56g
烷基多苷：14g
椰油醯胺基丙基甜菜鹼：1g
聚氧化乙烯：1g
改性矽樹脂聚醚乳液：1g
水：857g。
常溫下，首先將α-烯基磺酸鈉加入到354g水中，進行攪拌，攪拌過程中，依次加入α-磺基脂肪酸甲酯、烷基多苷、椰油醯胺基丙基甜菜鹼、聚氧化乙烯和改性矽樹脂聚醚乳液，攪拌均勻後加入剩餘的水，攪拌均勻後即得。
製備得到的泡沫劑膨脹率因外界溫度不同、水的硬度不同，發泡倍數能達到29-35倍，泡沫半衰期為11-16min。
實施例2
配製1000g複雜地層盾構施工用環保高效穩定泡沫劑各組分重量分別為：
α-烯基磺酸鈉：40g
α-磺基脂肪酸甲酯：60g
烷基多苷：10g
椰油醯胺基丙基甜菜鹼：2g
聚氧化乙烯：1g
改性矽樹脂聚醚乳液：2g
水：885g。
常溫下，首先將α-烯基磺酸鈉加入到水中，進行攪拌，攪拌過程中，依次加入α-磺基脂肪酸甲酯、烷基多苷、椰油醯胺基丙基甜菜鹼、聚氧化乙烯和改性矽樹脂聚醚乳液，攪拌均勻後即得。
製備得到的泡沫劑膨脹率因外界溫度不同、水的硬度不同，發泡倍數能達到18～22倍，泡沫半衰期為18～25min。
實施例3
配製1000g複雜地層盾構施工用環保高效穩定泡沫劑各組分重量分別為：
α-烯基磺酸鈉：65g
α-磺基脂肪酸甲酯：30g
烷基多苷：5g
椰油醯胺基丙基甜菜鹼：1g
聚氧化乙烯：4g
改性矽樹脂聚醚乳液：5g
水：890g。
常溫下，首先將α-烯基磺酸鈉加入到水中，進行攪拌，攪拌過程中，依次加入α-磺基脂肪酸甲酯、烷基多苷、椰油醯胺基丙基甜菜鹼、聚氧化乙烯和改性矽樹脂聚醚乳液，攪拌均勻後即得。
製備得到的泡沫劑膨脹率因外界溫度不同、水的硬度不同，發泡倍數能達到27～35倍，泡沫半衰期為20～30min。
對比例1
與實施例3的區別是，對比例1中沒有加入烷基多苷，其他的物質的加入量以及製備方法與實施例3的相同。製備得到的泡沫劑膨脹率因外界溫度不同、水的硬度不同，發泡倍數能達到14～17倍，泡沫半衰期為5～13min。
對比例2
與實施例3的區別是，對比例1中沒有加入α-磺基脂肪酸甲酯，其他的物質的加入量以及製備方法與實施例3的相同。製備得到的泡沫劑膨脹率因外界溫度不同、水的硬度不同，發泡倍數能達到16～21倍，泡沫半衰期為4～16min。
對比例3
與實施例3的區別是，對比例1中沒有加入α-烯基磺酸鈉，其他的物質的加入量以及製備方法與實施例3的相同。製備得到的泡沫劑膨脹率因外界溫度不同、水的硬度不同，發泡倍數能達到12～15倍，泡沫半衰期為6～16min。
綜上，本申請的實施例取得了如下技術效果：
1)根據實施例3、對比例1、對比例2以及對比例3可知，α-烯基磺酸鈉、α-磺基脂肪酸甲酯和烷基多苷按一定比例配合使用，可以大幅度提高製備得到的泡沫劑的發泡倍數、泡沫半衰期以及兩者的可調節範圍；同時能更好地適應硬水環境，使製備得到的泡沫劑在硬水環境中發泡性能可以滿足多種複雜地層盾構施工的要求；
如果將單獨使用這三者中的一種或兩種的混合物，都難以取得良好的效果。
2)根據實施例1、實施例2和實施例3可知，本申請中的各組分之間的配比對本發明中泡沫劑性能影響較大，通過合理配比，才能製備出符合要求的泡沫劑。
以上所述僅為本申請的優選實施例而已，並不用於限制本申請，對於本領域的技術人員來說，本申請可以有各種更改和變化。凡在本申請的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本申請的保護範圍之內。