本發(fā)明涉及土壓平衡盾構(gòu)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種土壓平衡盾構(gòu)泡沫劑及其制備方法。
背景技術(shù)：
我國各大城市近年來都在大力發(fā)展地下隧道交通，土壓平衡盾構(gòu)施工法因其對周圍環(huán)境影響小成為目前應(yīng)用最廣泛的城市隧道施工方法。土壓平衡盾構(gòu)施工法使用的是土壓平衡盾構(gòu)機，土壓平衡盾構(gòu)機是利用安裝在盾構(gòu)最前面的全斷面切削刀盤，將正面土體切削下來進入刀盤后面的貯留密封艙內(nèi)，并使艙內(nèi)具有適當壓力與開挖面水土壓力平衡，以減少盾構(gòu)推進對地層土體的擾動，從而控制地表沉降，在出土?xí)r由安裝在密封艙下部的螺旋運輸機向排土口連續(xù)的將土渣排出。在土壓平衡盾構(gòu)的施工中，開挖的渣土不僅需要支撐開挖面的穩(wěn)定，同時要便于傳送，這就要求渣土必須具有一般土壤不具備的特性：良好的塑性變形及軟稠度，內(nèi)摩擦角及滲透率小。渣土要達到開挖要求就必須對土體進行改良。目前土體改良劑主要有粘土、膨潤土、泡沫劑等，由于泡沫劑具有更好的使用效果，成為用量最大的土體改良劑。泡沫劑主要作用可歸納為：(1)潤滑：泡沫將土體顆粒包裹后，起到介質(zhì)作用，潤滑性加大，能有效地降低刀盤和螺旋機的轉(zhuǎn)矩，減少刀具的磨損。(2)穩(wěn)定土艙內(nèi)的壓力：泡沫中的氣泡具有較強的壓縮性，能減少土艙壓力的波動，較好地建立土壓平衡，維持開挖面的穩(wěn)定。(3)改善土體的塑流性：降低土層黏性，使其不黏附在刀盤和土艙壁上，產(chǎn)生堵艙現(xiàn)象；增加砂土塑性流動度。(4)阻水：氣泡填充了土體顆粒間的孔隙，使得滲透系數(shù)減小，止水性能提高。(5)環(huán)保：泡沫經(jīng)過一定時間會自行消融，土體恢復(fù)原狀。通過泡沫劑的使用，大大降低了刀盤扭矩，達到穩(wěn)定開挖面土體、改良土體塑流性能、降低刀盤扭矩、提高掘進和出土效率的目的。
目前國內(nèi)地鐵盾構(gòu)施工中所用的泡沫劑多為從國外進口或國外配方國內(nèi)生產(chǎn)的，其運輸費用或生產(chǎn)成本大，提高了盾構(gòu)施工的造價，難以在盾構(gòu)施工中大量使用；而國內(nèi)自主開發(fā)的泡沫劑技術(shù)仍尚未成熟，國產(chǎn)泡沫劑的發(fā)泡能力、泡沫均勻性和穩(wěn)定性等與進口產(chǎn)品相比還有一定的距離，且適應(yīng)性較差。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本申請實施例提供了一種土壓平衡盾構(gòu)泡沫劑及其制備方法，該土壓平衡盾構(gòu)泡沫劑發(fā)泡性能優(yōu)良且生產(chǎn)成本低，能大大降低土壓平衡盾構(gòu)施工的造價成本。
為達到上述目的，本申請主要提供如下技術(shù)方案：
一方面，本申請?zhí)峁┝艘环N土壓平衡盾構(gòu)泡沫劑，其包括以下重量份的組分：10-20份脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉，10-30份十二烷基硫酸鈉，10-20份α-烯基磺酸鈉，1-10份椰油酰胺基丙基甜菜堿，1-10份椰油基葡糖苷，0-2份增稠劑。
作為優(yōu)選，所述土壓平衡盾構(gòu)泡沫劑包括以下重量份的組分：10-15份脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉，10-20份十二烷基硫酸鈉，10-15份α-烯基磺酸鈉，1-8份椰油酰胺基丙基甜菜堿，1-8份椰油基葡糖苷，0-2份增稠劑。
作為優(yōu)選，所述土壓平衡盾構(gòu)泡沫劑包括以下重量份的組分：10-12份脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉，10-15份十二烷基硫酸鈉，10-12份α-烯基磺酸鈉，1-5份椰油酰胺基丙基甜菜堿，1-5份椰油基葡糖苷，0-1份增稠劑。
作為優(yōu)選，所述增稠劑為聚乙二醇或聚丙酰胺。
另一方面，本申請?zhí)峁┝松鲜鐾翂浩胶舛軜?gòu)泡沫劑的制備方法，包括：將脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉、十二烷基硫酸鈉、α-烯基磺酸鈉、椰油酰胺基丙基甜菜堿和椰油基葡糖苷加入到溫水中，攪拌均勻，制得所述土壓平衡盾構(gòu)泡沫劑；或?qū)⒃龀韯┘尤氲綔厮?，攪拌直至充分溶解，然后加入脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉、十二烷基硫酸鈉、α-烯基磺酸鈉、椰油酰胺基丙基甜菜堿和椰油基葡糖苷，攪拌均勻，制得所述土壓平衡盾構(gòu)泡沫劑。
本申請實施例中提供的一個或多個技術(shù)方案，至少具有如下技術(shù)效果或優(yōu)點：
本申請?zhí)峁┑耐翂浩胶舛軜?gòu)泡沫劑采用市場價格低廉的無毒無害原料，通過對原料配比進行優(yōu)化，具有優(yōu)良的發(fā)泡能力和發(fā)泡穩(wěn)定性，使泡沫劑的性價比提高，進而降低了盾構(gòu)施工的造價，同時綠色環(huán)保，不會對環(huán)境造成污染。
具體實施方式
下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細描述，但不作為對本發(fā)明的限定。為更進一步闡述本發(fā)明為達成預(yù)定發(fā)明目的所采取的技術(shù)手段及功效，以下結(jié)合較佳實施例，對依據(jù)本發(fā)明申請的具體實施方式、結(jié)構(gòu)、特征及其功效，詳細說明如后。在下述說明中，不同的“一實施例”或“實施例”指的不一定是同一實施例。此外，一或多個實施例中的特定特征、結(jié)構(gòu)、或特點可由任何合適形式組合。
實施例
本申請實施例1-3按照以下制備方法制備土壓平衡盾構(gòu)泡沫劑：按表1中的含量稱取各組分，再將脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉、十二烷基硫酸鈉、α-烯基磺酸鈉、椰油酰胺基丙基甜菜堿和椰油基葡糖苷加入到0.5l40℃-70℃的溫水中，攪拌均勻后制成外觀為透明的水溶性液體，即為土壓平衡盾構(gòu)泡沫劑成品。
本申請實施例4-14按照以下制備方法制備土壓平衡盾構(gòu)泡沫劑：按表1中的含量稱取各組分，先將增稠劑并加入到0.5l40℃-70℃的溫水中，攪拌直至充分溶解，然后按表1中的用量加入脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉、十二烷基硫酸鈉、α-烯基磺酸鈉、椰油酰胺基丙基甜菜堿和椰油基葡糖苷，攪拌均勻后制成外觀為透明的水溶性液體，即為土壓平衡盾構(gòu)泡沫劑成品。
本申請實施例制備的土壓平衡盾構(gòu)泡沫劑成品可根據(jù)實際現(xiàn)場情況進行稀釋后再使用。為了測試上述本申請實施例制備的土壓平衡盾構(gòu)泡沫劑成品的性能，在此各取上述本申請實施例制備的土壓平衡盾構(gòu)泡沫劑成品5g，分別加入到1l水中，攪拌均勻后得到泡沫材料樣品，再采用以下測試方法測試這些泡沫材料樣品的發(fā)泡能力和泡沫穩(wěn)定性：在攪拌杯中加入初始體積為100ml的泡沫材料樣品，采用電動攪拌機(＞1000r/min)以固定轉(zhuǎn)速在泡沫材料樣品中高速旋轉(zhuǎn)，使空氣進入泡沫材料樣品形成泡沫；攪拌60s后停止攪拌，記錄產(chǎn)生的泡沫體積，即為發(fā)泡體積，發(fā)泡體積與泡沫材料樣品體積之比即為泡沫材料樣品的發(fā)泡倍數(shù)，表征其發(fā)泡能力；從停止攪拌時立即開始計時，記錄從泡沫中析出50ml液體的時間作為泡沫材料樣品的半衰期，用于衡量泡沫材料樣品的泡沫穩(wěn)定性。
通過對本申請實施例制備的土壓平衡盾構(gòu)泡沫劑成品進行發(fā)泡體積和泡沫穩(wěn)定性的測試，得到如表1中所示的測試結(jié)果。其中表1中的市售樣品1為國產(chǎn)品牌科隆aos盾構(gòu)泡沫劑，市售樣品2為進口品牌tg盾構(gòu)泡沫劑，稱取該國產(chǎn)品牌科隆aos盾構(gòu)泡沫劑和進口品牌tg盾構(gòu)泡沫劑各5g，分別加入到1l水中，攪拌均勻后得到泡沫材料樣品，再分別按照上述測試方法對其進行性能測試，得到如表1所示的測試結(jié)果。
表1.土壓平衡盾構(gòu)泡沫劑的各組分含量及其性能測試結(jié)果
從表1的測試結(jié)果可以看出，本申請實施例制備的土壓平衡盾構(gòu)泡沫劑的發(fā)泡倍數(shù)均在9倍以上，且氣泡的半衰期均在11min以上，目前一般用于盾構(gòu)中的泡沫劑發(fā)泡率要求為5-20倍，氣泡的半衰期大于5min，說明本申請實施例制備的土壓平衡盾構(gòu)泡沫劑均滿足盾構(gòu)施工要求。本申請實施例制備的土壓平衡盾構(gòu)泡沫劑同市售的國產(chǎn)品牌科隆aos盾構(gòu)泡沫劑和進口品牌tg盾構(gòu)泡沫劑相比，具有更高的發(fā)泡倍數(shù)和更長的半衰期，即具有更好的發(fā)泡能力和泡沫穩(wěn)定性。而在實際使用過程中，結(jié)合工程的具體地質(zhì)情況，對于具有更高發(fā)泡倍數(shù)和更長半衰期的盾構(gòu)泡沫劑，每m3掘進土體使用的泡沫劑數(shù)量將減少，能提高土倉內(nèi)渣土的流動性，利于螺旋輸送機順利排土。因此，本申請實施例制備的土壓平衡盾構(gòu)泡沫劑同市售的盾構(gòu)泡沫劑相比，對土壤改良的性能更優(yōu)良。同時，本申請實施例提供的盾構(gòu)泡沫劑的原料主要為脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉、十二烷基硫酸鈉、α-烯基磺酸鈉、椰油酰胺基丙基甜菜堿和椰油基葡糖苷，這些原料的價格低廉，盾構(gòu)泡沫劑的制備方法簡便，盾構(gòu)泡沫劑本身的生產(chǎn)成本小，且在盾構(gòu)施工中為達到相同的發(fā)泡效果，本申請實施例提供的盾構(gòu)泡沫劑的使用量更少，使得盾構(gòu)施工的造價成本降低。本申請實施例提供的盾構(gòu)泡沫劑是一種泡沫性能優(yōu)良且生產(chǎn)成本和使用成本均較低的泡沫劑。
本申請實施例制備的土壓平衡盾構(gòu)泡沫劑組分中，脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉，十二烷基硫酸鈉和α-烯基磺酸鈉為陰離子型表面活性劑，椰油酰胺基丙基甜菜堿為兩性型表面活性劑，椰油基葡糖苷為非離子型表面活性劑，本申請實施例通過采用以上三種陰離子型表面活性劑作為主發(fā)泡劑，與兩性型表面活性劑和非離子型表面活性劑進行復(fù)配，一方面可以提高泡沫劑的起泡能力，使泡沫劑的發(fā)泡體積顯著增加，另一方面可以形成穩(wěn)定細膩的氣泡，顯著延長泡沫的半衰期。
本申請實施例制備的土壓平衡盾構(gòu)泡沫劑的各組分為以下重量份時：10-20份脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉，10-30份十二烷基硫酸鈉，10-20份α-烯基磺酸鈉，1-10份椰油酰胺基丙基甜菜堿，1-10份椰油基葡糖苷，0-2份增稠劑，土壓平衡盾構(gòu)泡沫劑的性價比較高，具有比市售盾構(gòu)泡沫劑更優(yōu)良的發(fā)泡性能。
作為優(yōu)選，土壓平衡盾構(gòu)泡沫劑的各組分為以下重量份時：10-15份脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉，10-20份十二烷基硫酸鈉，10-15份α-烯基磺酸鈉，1-8份椰油酰胺基丙基甜菜堿，1-8份椰油基葡糖苷，0-2份增稠劑，盾構(gòu)泡沫劑的性價比更優(yōu)。從本申請實施例10-12可以看出，土壓平衡盾構(gòu)泡沫劑的組分含量采用上述配比時，所制備的盾構(gòu)泡沫劑成品中實際有效成分含量更少，但發(fā)泡體積和半衰期并未明顯下降，即發(fā)泡性能仍保持穩(wěn)定，說明實施例10-12中的盾構(gòu)泡沫劑成品性價比更優(yōu)。
作為優(yōu)選，土壓平衡盾構(gòu)泡沫劑的各組分為以下重量份時：10-12份脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉，10-15份十二烷基硫酸鈉，10-12份α-烯基磺酸鈉，1-5份椰油酰胺基丙基甜菜堿，1-5份椰油基葡糖苷，0-1份增稠劑，盾構(gòu)泡沫劑的性價比最優(yōu)。從本申請實施例3、13和14可以看出，土壓平衡盾構(gòu)泡沫劑的組分含量采用上述配比時，所制備的盾構(gòu)泡沫劑成品中實際有效成分含量比實施例10-12的更少，但發(fā)泡體積和半衰期并未明顯下降，即發(fā)泡性能仍保持穩(wěn)定，說明實施例3、13和14中的盾構(gòu)泡沫劑成品性價比更優(yōu)。
本申請實施例通過在土壓平衡盾構(gòu)泡沫劑的組分中加入增稠劑進行復(fù)配，提高液相的粘度，降低液膜流動度，減緩泡沫排液速度，使發(fā)出的泡沫具有粘性，一是有助于泡沫的穩(wěn)定，泡沫在土中發(fā)揮作用的時間更長，二是泡沫粘性的提高和攜土能力的增強更利于盾構(gòu)中螺旋排土器中砂土的排出。但隨著加入增稠劑的用量提高，盾構(gòu)泡沫劑半衰期會延長，泡沫高度會下降，因此，土壓平衡盾構(gòu)泡沫劑中增稠劑的重量份含量控制在0-2份時，土壓平衡盾構(gòu)泡沫劑總體發(fā)泡性能較好?？紤]到實際復(fù)配時增稠劑的溶解度和黏度，優(yōu)先土壓平衡盾構(gòu)泡沫劑中增稠劑的重量份含量為0-1份。本申請實施例制備的土壓平衡盾構(gòu)泡沫劑組分中增稠劑為聚乙二醇或聚丙酰胺，這兩種增稠劑性價比高，能提高土壓平衡盾構(gòu)泡沫劑的性價比。
最后說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當理解，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當中。