一种耐钙镁离子土压平衡盾构用泡沫剂及其制备方法与流程

1.本发明属于盾构施工技术领域，特别是涉及一种耐钙镁离子土压平衡盾构用泡沫剂及其制备方法。


背景技术：

2.目前盾构已广泛应用于各类隧道工程的建设，而我国幅员辽阔，地质条件复杂多样，不同施工地区或施工段的地下水质均存在较大的差异，而现实中很难找到一种对各类水质环境具有普适性的盾构用泡沫剂；
3.泡沫剂主要是由各类表面活性剂进行复配得到，而无机盐对离子型表面活性剂的溶解性影响很大，可使离子表面活性剂自溶液中盐析出来；此外表面活性剂对多价金属离子很敏感，如水中的ca
2
、mg
2
，会与羧酸盐类表面活性剂作用而使之发生沉淀，导致泡沫剂的性能急剧下降；
4.但现有的技术中的泡沫剂不能够有效的降低土体的扭矩，盾构机在施工时，刀具的磨损较大，电能消耗较大，导致盾构施工效率较差，且不能够满足土压平衡式盾构在不同地区或施工段施工的条件。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种耐钙镁离子土压平衡盾构用泡沫剂及其制备方法，以解决了现有的问题：现有的技术中的泡沫剂不能够有效的降低土体的扭矩，盾构机在施工时，刀具的磨损较大，电能消耗较大，导致盾构施工效率较差，且不能够满足土压平衡式盾构在不同地区或施工段施工的条件。
6.为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
7.本发明为一种耐钙镁离子土压平衡盾构用泡沫剂及其制备方法，包括有以下重量份的原料：
8.表面活性剂：46.1％；～64.2％；；
9.稳泡剂：8.6％；～13.9％；；
10.增稠：6.7％；～9.8％；
11.磷酸钠缓冲剂：11.9％；～21.8％；
12.防腐剂：3.7％；～5.3％；
13.其他助剂：5.7％；～7.9％；
14.水:余量。
15.进一步地，所述表面活性剂为十二烷基硫酸钠、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、椰油酰胺丙基甜菜碱中的一种或多种。
16.进一步地，所述稳泡剂为改性硅树脂聚醚乳液、聚丙烯酰胺、聚乙二醇中的一种或多种。
17.进一步地，所述增稠剂为羧甲基纤维素钠、氯化钠、氯化铵、聚乙烯醇中的一种或
多种。
18.进一步地，所述防腐剂为甲基氯异咪唑啉酮、苯甲酸钠、山梨酸钾的一种或多种。
19.进一步地，所述其他助剂为乙二胺四乙酸二钠、多聚磷酸钠、甘油、十二醇的一种或多种。
20.进一步地，所述水为去离子水、自来水、矿泉水、河水中的一种。
21.进一步地，所述自来水的ca2 含量为0.02～0.05g/l；
22.所述矿泉水的ca2 含量为0.1～0.2g/l；
23.所述河水的ca2 含量为0.5～1.0g/l。
24.一种耐钙镁离子土压平衡盾构用泡沫剂的制备方法，包括有以下步骤：
25.原料采集，对表面活性剂、稳泡剂、增稠、磷酸钠缓冲剂、防腐剂、其他助剂和水进行采集；
26.原料混合，将各个原料混合在一起；
27.原料搅拌，使用搅拌机械对原料进行搅拌，直至各个原料均匀的混合在一起。
28.本发明具有以下有益效果：
29.本发明通过泡沫剂各个原料的配比，使泡沫剂具有优异的发泡倍率和半衰期，表现出良好的耐盐性，能够有效的降低土体的扭矩，降低盾构机刀盘和螺旋排土器的扭矩，减少刀具的磨损，对刀具进行保护，降低电耗，节约能源，从而大大的提高盾构施工的效率，可以满足土压平衡式盾构在不同地区或施工段施工，且生产工艺较为简单。
附图说明
30.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
31.图1为本发明实施例十一土质未改性与fir＝30％时转速与扭矩对应关系曲线图；
32.图2为本发明实施例十二土质未改性与fir＝30％时转速与扭矩对应关系曲线图；
33.图3为本发明实施例十三土质未改性与fir＝30％时转速与扭矩对应关系曲线图。
具体实施方式
34.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
35.实施例一：
36.本发明为一种耐钙镁离子土压平衡盾构用泡沫剂，包括有以下重量份的原料：
37.表面活性剂：46.1％；～64.2％；
38.在此，所述表面活性剂为十二烷基硫酸钠、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、椰油酰胺丙基甜菜碱中的一种或多种；
39.稳泡剂：8.6％；～13.9％；
40.在此，所述稳泡剂为改性硅树脂聚醚乳液、聚丙烯酰胺、聚乙二醇中的一种或多种；
41.增稠：6.7％；～9.8％；
42.在此，所述增稠剂为羧甲基纤维素钠、氯化钠、氯化铵、聚乙烯醇中的一种或多种；
43.磷酸钠缓冲剂：11.9％；～21.8％；
44.防腐剂：3.7％；～5.3％；
45.在此，所述防腐剂为甲基氯异咪唑啉酮、苯甲酸钠、山梨酸钾的一种或多种；
46.其他助剂：5.7％；～7.9％；
47.在此，所述其他助剂为乙二胺四乙酸二钠、多聚磷酸钠、甘油、十二醇的一种或多种；
48.水:余量；
49.在此，所述水为去离子水、自来水、矿泉水、河水中的一种；
50.且，其中所述自来水的ca2 含量为0.02～0.05g/l；所述矿泉水的ca2 含量为0.1～0.2g/l；所述河水的ca2 含量为0.5～1.0g/l。
51.实施例二：
52.在实施例一的基础上公开了一种耐钙镁离子土压平衡盾构用泡沫剂，包括有以下重量份的原料：
53.脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠：32.7％；
54.在此，所述脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠是一种阴离子型表面活性剂，它常温下呈膏状，具有优良的发泡性能，起泡力高、泡沫丰富细腻，易生物降解，并在碱性介质中稳定，能够协同增效发泡倍率；
55.椰油酰胺丙基甜菜碱：20.9％；
56.在此，椰油酰胺丙基甜菜碱是一种两性离子表面活性剂，其抗硬水性能较好，与其它表面活性剂相容性较好，两性离子表面活性剂兼有阴离子和阳离子表面活性的优点，其在酸性环境中呈阳离子性，在碱性环境中呈阴离子性，而在中性环境下呈非离子性，通过将阴离子表面活性剂与两性离子表面活性剂进行复配，可以进一步拓宽盾构泡沫剂使用的范围，有利于其在不同土壤中发挥作用；
57.改性硅树脂聚醚乳液：9.3％；
58.在此，改性硅树脂聚醚乳液(硅树脂和环氧乙烷的加成物)，其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，使得泡沫的抗压能力增强，并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，其对阴离子表面活性如k12、aes、aos均有效，能产生复配效果；
59.多聚磷酸钠：4.9％；
60.在此，多聚磷酸钠是一种无机表面活性剂，具有较高的洗涤增效功能，此外多聚磷酸钠对钙镁离子具有较强的络合力(螯合力)，能显著改善水硬度对泡沫剂效能的影响，ca
2
、mg
2
是影响水硬度的主要阳离子，不同地区地下水的硬度不同，它们会与表面活性剂中的脂肪酸根形成难溶的脂肪酸钙或脂肪酸镁，从而影响发泡剂的效能；
61.氯化铵：9.8％；
62.磷酸钠缓冲剂：21.8％；
63.在此，磷酸钠缓冲溶液具有较强的缓冲能力，同时与其他表面活性剂相配，能显著提高体系的粘度，保证泡沫在酸性条件下也具有良好的稳定性，
64.苯甲酸钠：3.9％；
65.甘油：7.9％；
66.去离子水：余量。
67.实施例三：
68.在实施例一的基础上公开了一种耐钙镁离子土压平衡盾构用泡沫剂，包括有以下重量份的原料：
69.脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠：34.2％；
70.椰油酰胺丙基甜菜碱：13.5％；
71.改性硅树脂聚醚乳液：9.3％；
72.多聚磷酸钠：4.9％；
73.氯化铵：9.8％；
74.磷酸钠缓冲剂：21.3％；
75.苯甲酸钠:：3.9％；
76.甘油：7.9％；
77.去离子水：余量。
78.实施例四：
79.在实施例一的基础上公开了一种耐钙镁离子土压平衡盾构用泡沫剂，包括有以下重量份的原料：
80.脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠：35.3％；
81.椰油酰胺丙基甜菜碱：20.9％；
82.改性硅树脂聚醚乳液：10.9％；
83.多聚磷酸钠：4.9％；
84.氯化铵：9.8％；
85.磷酸钠缓冲剂：20.7％；
86.苯甲酸钠：3.9％；
87.甘油：6.6％；
88.去离子水：余量。
89.实施例五：
90.在实施例一的基础上公开了一种耐钙镁离子土压平衡盾构用泡沫剂，包括有以下重量份的原料：
91.脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠：37.4％；
92.椰油酰胺丙基甜菜碱：20.9％；
93.改性硅树脂聚醚乳液：9.5％；
94.多聚磷酸钠：4.7％；
95.氯化铵：9.8％；
96.磷酸钠缓冲剂：19.9％；
97.苯甲酸钠：3.8％；
98.甘油：6.6％；
99.去离子水：余量。
100.实施例六：
101.在实施例一的基础上公开了一种耐钙镁离子土压平衡盾构用泡沫剂，包括有以下重量份的原料：
102.脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠：38.5％；
103.椰油酰胺丙基甜菜碱：20.9％；
104.改性硅树脂聚醚乳液：9.8％；
105.多聚磷酸钠：4.7％；
106.氯化铵：9.8％；
107.磷酸钠缓冲剂：19.2％；
108.苯甲酸钠：3.8％；
109.甘油：6.6％；
110.去离子水：余量。
111.实施例七：
112.在实施例一的基础上公开了一种耐钙镁离子土压平衡盾构用泡沫剂，包括有以下重量份的原料：
113.脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠：38.2％；
114.椰油酰胺丙基甜菜碱：13.5％；
115.改性硅树脂聚醚乳液：11.4％；
116.多聚磷酸钠：4.7％；
117.氯化铵：9.8％；
118.磷酸钠缓冲剂：18.7％；
119.苯甲酸钠：3.8％；
120.甘油：6.6％；
121.去离子水：余量。
122.实施例八：
123.在实施例一的基础上公开了一种耐钙镁离子土压平衡盾构用泡沫剂，包括有以下重量份的原料：
124.脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠：38.2％；
125.椰油酰胺丙基甜菜碱：13.5％；
126.改性硅树脂聚醚乳液：11.4％；
127.多聚磷酸钠：4.7％；
128.氯化铵：9.8％；
129.磷酸钠缓冲剂：18.7％；
130.苯甲酸钠：3.8％；
131.甘油：6.6％；
132.自来水(cca2 ：0.05g/l)：余量。
133.实施例九：
134.在实施例一的基础上公开了一种耐钙镁离子土压平衡盾构用泡沫剂，包括有以下重量份的原料：
135.脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠：38.2％；
136.椰油酰胺丙基甜菜碱：13.5％；
137.改性硅树脂聚醚乳液：11.4％；
138.多聚磷酸钠：4.7％；
139.氯化铵：9.8％；
140.磷酸钠缓冲剂：18.7％；
141.苯甲酸钠：3.8％；
142.甘油：6.6％；
143.矿泉水(cca2 ：0.2g/l)：余量。
144.实施例十：
145.在实施例一的基础上公开了一种耐钙镁离子土压平衡盾构用泡沫剂，包括有以下重量份的原料：
146.脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠：38.2％；
147.椰油酰胺丙基甜菜碱：13.5％；
148.改性硅树脂聚醚乳液：11.4％；
149.多聚磷酸钠：4.7％；
150.氯化铵：9.8％；
151.磷酸钠缓冲剂：18.7％；
152.苯甲酸钠：3.8％；
153.甘油：6.6％；
154.河水(cca2 ：1.0g/l)：余量。
155.实施例十一：
156.在实施例一的基础上公开了一种耐钙镁离子土压平衡盾构用泡沫剂，包括有以下重量份的原料：
157.脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠：32.7％；
158.椰油酰胺丙基甜菜碱：20.9％；
159.改性硅树脂聚醚乳液：9.3％；
160.多聚磷酸钠：4.9％；
161.氯化铵：9.8％；
162.磷酸钠缓冲剂：21.8％；
163.苯甲酸钠：3.9％；
164.甘油：7.9％；
165.去离子水：余量。
166.实施例十二：
167.在实施例一的基础上公开了一种耐钙镁离子土压平衡盾构用泡沫剂，包括有以下重量份的原料：
168.脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠：32.7％；
169.椰油酰胺丙基甜菜碱：20.9％；
170.改性硅树脂聚醚乳液：9.3％；
171.多聚磷酸钠：4.9％；
172.氯化铵：9.8％；
173.磷酸钠缓冲剂：21.8％；
174.苯甲酸钠：3.9％；
175.甘油：7.9％；
176.去离子水：余量。
177.实施例十三：
178.在实施例一的基础上公开了一种耐钙镁离子土压平衡盾构用泡沫剂，包括有以下重量份的原料：
179.脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠：32.7％；
180.椰油酰胺丙基甜菜碱：20.9％；
181.改性硅树脂聚醚乳液：9.3％；
182.多聚磷酸钠：4.9％；
183.氯化铵：9.8％；
184.磷酸钠缓冲剂：21.8％；
185.苯甲酸钠：3.9％；
186.甘油：7.9％；
187.去离子水：余量。
188.发泡剂的发泡性能以发泡倍率(fer)为指标，指一定体积的泡沫剂溶液产生的泡沫体积与原泡沫剂溶液体积的比值。其定义式如下：fer＝v
f
/v
l
，式中v
f
为产生的泡沫体积；v
l
为泡沫剂溶液体积。
189.而泡沫的稳定性以半衰期(τ
1/2
)为指标，指一定体积的泡沫液中析出一半液体所需的时间。
190.上述实施例均于室温下在实验室内进行测试，通过在直径为50mm的填充细陶粒的玻璃管一端同时注入泡沫剂和空气，在另一端采集一定体积的泡沫，由生成泡沫和泡沫剂体积比计算发泡倍率。并在50mm砂芯层析柱中加入一定质量的泡沫，通过测定流出液的质量达到泡沫质量50％；时所需时间确定为半衰期。
191.实施例二～实施例十三泡沫剂均采用3％；的用量并于0.4mpa空气压力下进行发泡，测定数据列于下表：
[0192][0193][0194]
由上表可以看出，即使是水的硬度达到1.0g/l的情况下，耐钙镁离子土压平衡盾构用泡沫剂依然可以达到较优的发泡和稳泡性能，表现出了优异的耐盐性，完全能够满足盾构施工的要求。
[0195]
泡沫剂对渣土流变性能的改善，选取液塑限分别为w
p
:5.99，w
l
:31.09的砂土；w
p
:30.67，w
l
:49.54的中性土；w
p
:54.45，w
l
:86.89(选取液塑限分别为w
p
＝5.99、w
l
＝31.09、i
p
＝25.10的砂土；w
p
＝30.67、w
l
＝49.54,、i
p
＝18.87的中性土；w
p
＝54.45、w
l
＝86.89、i
p
＝32.44的粘土共三种模型土。)的粘土共三种模型土。并将上述实施例二制备出的泡沫应用于土壤的改性。对每种土型均采取fir＝30％；的泡沫掺入率进行渣土改性，并采用高速大扭矩机械搅拌器于不同转速下进行扭矩的监测；
[0196]
请参阅图1
‑
3所示，分别是实施例十一、实施例十二、实施例十三三种土质条件下，未改性与fir＝30％；时转速与扭矩对应关系曲线图，其改性数据如图所示。
[0197]
实施例十四：
[0198]
在以上实施例的基础上公开了一种耐钙镁离子土压平衡盾构用泡沫剂的制备方法，所述制备方法包括有以下步骤：
[0199]
s1：原料采集，按照表面活性剂：46.1％；～64.2％、稳泡剂：8.6％；～13.9％、增稠：6.7％；～9.8％、磷酸钠缓冲剂：11.9％；～21.8％、防腐剂：3.7％；～5.3％、其他助剂：5.7％；～7.9％、水：余量的比例对原料进行采集；
[0200]
s2：原料混合，将各个原料混合在一起；
[0201]
s3：原料搅拌，使用搅拌机械对原料进行搅拌，直至各个原料均匀的混合在一起。
[0202]
综上，本发明通过泡沫剂各个原料的配比，使泡沫剂具有优异的发泡倍率和半衰期，表现出良好的耐盐性，能够有效的降低土体的扭矩，降低盾构机刀盘和螺旋排土器的扭矩，减少刀具的磨损，对刀具进行保护，降低电耗，节约能源，从而大大的提高盾构施工的效率，可以满足土压平衡式盾构在不同地区或施工段施工，且生产工艺较为简单。
[0203]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0204]
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。