本發(fā)明屬于土壓平衡盾構(gòu)施工材料領(lǐng)域，具體涉及一種復(fù)雜地層盾構(gòu)施工用穩(wěn)定泡沫劑及其制備方法與應(yīng)用。

背景技術(shù)：

目前，土壓平衡盾構(gòu)施工過(guò)程中需要向開(kāi)挖面或土艙里注入特殊氣泡，將開(kāi)挖面切削下來(lái)的土體在壓力艙內(nèi)調(diào)整成一種“塑性流動(dòng)狀態(tài)”，避免發(fā)生噴涌、閉塞、結(jié)餅以及施工開(kāi)挖面失穩(wěn)等一系列問(wèn)題，以保證盾構(gòu)施工過(guò)程的安全穩(wěn)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(zhì)和結(jié)構(gòu)構(gòu)造決定了各種類型巖層的物理、力學(xué)性質(zhì)，如巖石的強(qiáng)度、硬度、彈塑性、脆性、水溶性和水化性等，盾構(gòu)過(guò)程中出現(xiàn)的各種復(fù)雜情況與巖石性質(zhì)密切相關(guān)。另外，巖層在形成過(guò)程中或形成以后，在扭轉(zhuǎn)、擠壓、風(fēng)化、搬運(yùn)、沉積、溶蝕等內(nèi)、外地質(zhì)作用下，形成松散層、破碎帶、孔隙環(huán)境、裂隙環(huán)境以及溶隙性環(huán)境。所以，復(fù)雜地層，一些主要表現(xiàn)為井壁直接松散、破碎，一些表現(xiàn)為漏水、涌水等，還有的地層有多種復(fù)雜表現(xiàn)。這些地層都會(huì)對(duì)盾構(gòu)施工過(guò)程產(chǎn)生一定的影響。

現(xiàn)有技術(shù)中已經(jīng)通過(guò)泡沫劑對(duì)復(fù)雜地層的土體進(jìn)行改良，使其滿足盾構(gòu)的要求。在相同發(fā)泡條件下，氣泡的發(fā)泡率越高，相同泡沫劑發(fā)出的泡沫體積越多，泡沫內(nèi)存留的未發(fā)揮作用的泡沫劑溶液越少，泡沫劑利用越充分，對(duì)開(kāi)挖土的改良效果越好，泡沫劑的成本越低；半衰期越長(zhǎng)，經(jīng)泡沫劑改良后的改良土性能維持時(shí)間更長(zhǎng)，對(duì)于工程而言會(huì)更好。但是發(fā)泡率與產(chǎn)生的泡沫的穩(wěn)定性(即泡沫半衰期)兩者之間是相互影響的，較高的發(fā)泡率是犧牲泡沫穩(wěn)定性為代價(jià)的。

目前，應(yīng)用于土壓平衡式盾構(gòu)施工中的泡沫劑的發(fā)泡倍率較低、半衰期較短。而某些復(fù)雜地層的盾構(gòu)施工時(shí)，對(duì)泡沫劑的用量及半衰期要求較為嚴(yán)格，如果泡沫劑的發(fā)泡倍數(shù)和半衰期較短時(shí)，不但會(huì)影響工程的進(jìn)度，還會(huì)大大增加工程施工的成本。而且不同性質(zhì)的地層對(duì)泡沫劑的發(fā)泡率和泡沫半衰期的要求不同?，F(xiàn)有技術(shù)中的泡沫劑的發(fā)泡率和半衰期的可調(diào)整范圍較小，同一種泡沫劑難以滿足各種地層盾構(gòu)施工的要求。

此外，在盾構(gòu)施工過(guò)程中，盾構(gòu)機(jī)經(jīng)常會(huì)遇到硬水環(huán)境，而現(xiàn)有的泡沫劑在硬水環(huán)境中的發(fā)泡性能大大降低，更難以滿足施工要求。

綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)中對(duì)于泡沫劑的發(fā)泡倍數(shù)及發(fā)泡倍數(shù)可調(diào)范圍達(dá)不到要求、泡沫半衰期較短及其可調(diào)范圍較小、在硬水環(huán)境中泡沫劑的發(fā)泡性能大大降低，導(dǎo)致難以滿足復(fù)雜地層盾構(gòu)施工的要求的問(wèn)題，尚缺乏有效的解決方案。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供了一種復(fù)雜地層盾構(gòu)施工用穩(wěn)定泡沫劑，由以下組分組成：發(fā)泡劑8-14％、增稠劑0.2-0.5％、穩(wěn)泡劑0.1-0.5％，余量為水，其中的％是指質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。

所述發(fā)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(fā)泡劑，烷基多苷主要起輔助發(fā)泡作用，可以有效提高泡沫劑的發(fā)泡倍數(shù)，使發(fā)泡倍數(shù)可以達(dá)到18-35倍，顯著提高了泡沫劑的最大發(fā)泡倍數(shù)，而且提高了發(fā)泡倍數(shù)的可調(diào)節(jié)范圍，使其可以應(yīng)用在多種復(fù)雜地層的盾構(gòu)施工中。

烷基多苷還具有良好的增稠效果，在輔助發(fā)泡的基礎(chǔ)上，可協(xié)同增稠劑對(duì)主發(fā)泡劑進(jìn)行增稠，協(xié)同穩(wěn)泡劑對(duì)所發(fā)泡沫進(jìn)行穩(wěn)泡，延長(zhǎng)了泡沫的半衰期，使泡沫半衰期達(dá)到11-30min。提高了泡沫半衰期的最大值，明顯提高了對(duì)泡沫半衰期要求較高的盾構(gòu)施工中的土體改良效果；同時(shí)增大了泡沫半衰期的可調(diào)范圍，使其可以應(yīng)用在多種復(fù)雜地層的盾構(gòu)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(xié)同作用，同時(shí)提高了泡沫劑的發(fā)泡率和泡沫半衰期，并提高了兩者的可調(diào)范圍，明顯提高了泡沫劑的性能。使其可以應(yīng)用在多種復(fù)雜地層的盾構(gòu)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，使制備得到的發(fā)泡劑在硬水環(huán)境中的發(fā)泡性能也能遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足盾構(gòu)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(huán)境中，幾天之內(nèi)即可完全降解，無(wú)毒無(wú)害，不會(huì)對(duì)施工區(qū)域造成環(huán)境污染。

所以，本發(fā)明的泡沫劑中可以有效解決現(xiàn)有技術(shù)中的土壓平衡盾構(gòu)用泡沫劑存在的發(fā)泡率低下、泡沫穩(wěn)定性能差、非綠色、不環(huán)保且抗硬水性能差的問(wèn)題。

進(jìn)一步的，所述發(fā)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(jìn)一步的，所述發(fā)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(fā)泡劑可以使泡沫劑具有更好的發(fā)泡倍數(shù)，可以更好地延長(zhǎng)泡沫的半衰期。

進(jìn)一步的，所述增稠劑包括椰油酰胺基丙基甜菜堿和聚氧化乙烯。

椰油酰胺基丙基甜菜堿抗硬水性能較好，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，其與椰油酰胺基丙基甜菜堿協(xié)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(wěn)泡劑配合，對(duì)泡沫進(jìn)行穩(wěn)泡，延長(zhǎng)了泡沫的半衰期。

進(jìn)一步的，所述增稠劑中，椰油酰胺基丙基甜菜堿和聚氧化乙烯的質(zhì)量比為1:1-1:4。

進(jìn)一步的，所述穩(wěn)泡劑為改性硅樹(shù)脂聚醚乳液。

為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供了上述泡沫劑的制備方法，包括如下步驟：

首先向水中加入α-烯基磺酸鈉，進(jìn)行攪拌，攪拌過(guò)程中，依次加入α-磺基脂肪酸甲酯、烷基多苷、增稠劑和穩(wěn)泡劑，攪拌均勻后即得。

向水中加入α-烯基磺酸鈉后，進(jìn)行攪拌時(shí)，保證混合溶液不產(chǎn)生氣泡或只產(chǎn)生少量的氣泡。

如果攪拌過(guò)快會(huì)造成泡沫劑中存在較多的氣泡，影響泡沫劑原液的質(zhì)量。

為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供了上述泡沫劑在盾構(gòu)施工中的應(yīng)用。

本發(fā)明的有益效果為：

1)本泡沫劑發(fā)泡性能高效穩(wěn)定，其發(fā)泡率可達(dá)18-35倍，泡沫半衰期11-30min，可以滿足復(fù)雜地層盾構(gòu)施工的要求，應(yīng)用到盾構(gòu)施工中可以有效避免噴涌、閉塞、結(jié)餅以及施工開(kāi)挖面失穩(wěn)等問(wèn)題，有效保證盾構(gòu)施工的安全穩(wěn)定；

2)本泡沫劑各組分均為綠色環(huán)保型材料，特別是主發(fā)泡材料以天然動(dòng)植物油脂為原材料制得，生物降解性能好，數(shù)天之內(nèi)即可自然降解，無(wú)毒無(wú)害，不會(huì)對(duì)施工區(qū)土質(zhì)及地下水造成影響；

3)本泡沫劑主發(fā)泡材料以天然動(dòng)植物油脂為原材料，經(jīng)過(guò)一系列的化學(xué)反應(yīng)制得，來(lái)源廣泛；

4)α-烯基磺酸鈉、α-磺基脂肪酸甲酯、烷基多苷及椰油酰胺基丙基甜菜堿在硬水中性能折減率較低，導(dǎo)致本泡沫劑具有較好的抗硬水性能。

具體實(shí)施方式

應(yīng)該指出，以下詳細(xì)說(shuō)明都是例示性的，旨在對(duì)本申請(qǐng)?zhí)峁┻M(jìn)一步的說(shuō)明。除非另有指明，本文使用的所有技術(shù)和科學(xué)術(shù)語(yǔ)具有與本申請(qǐng)所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員通常理解的相同含義。

需要注意的是，這里所使用的術(shù)語(yǔ)僅是為了描述具體實(shí)施方式，而非意圖限制根據(jù)本申請(qǐng)的示例性實(shí)施方式。如在這里所使用的，除非上下文另外明確指出，否則單數(shù)形式也意圖包括復(fù)數(shù)形式，此外，還應(yīng)當(dāng)理解的是，當(dāng)在本說(shuō)明書(shū)中使用術(shù)語(yǔ)“包含”和/或“包括”時(shí)，其指明存在特征、步驟、操作、器件、組件和/或它們的組合。

術(shù)語(yǔ)解釋部分：

發(fā)泡倍數(shù)：是指一定體積的泡沫劑溶液(一定濃度)所發(fā)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(fā)出的氣泡的體積。發(fā)泡倍數(shù)實(shí)際測(cè)定中，按測(cè)試要求配制好一定濃度的泡沫劑溶液，混合均勻，注入到發(fā)泡試驗(yàn)裝置的加壓液體儲(chǔ)罐中，按測(cè)試要求調(diào)節(jié)好氣液比，進(jìn)行發(fā)泡，待泡沫生成穩(wěn)定后，用量筒收集生成的泡沫，并對(duì)量筒和泡沫進(jìn)行稱重，本文中的發(fā)泡倍數(shù)按下式計(jì)算：

發(fā)泡倍數(shù)＝v/(m2-m1)，式中，v為泡沫體積，m1為量筒質(zhì)量，m2為泡沫和量筒的總質(zhì)量。

改性硅樹(shù)脂聚醚乳液，簡(jiǎn)稱mps，作為穩(wěn)泡劑組分使用在泡沫劑產(chǎn)品中。

本文中泡沫半衰期測(cè)定方法：

按測(cè)試要求配制好一定濃度的泡沫劑溶液，混合均勻，注入到發(fā)泡試驗(yàn)裝置的加壓液體儲(chǔ)罐中，按測(cè)試要求調(diào)節(jié)好氣液比，進(jìn)行發(fā)泡，待泡沫生成穩(wěn)定后，用底部帶有10mm有機(jī)玻璃密封孔的玻璃筒收集生成的泡沫(泡沫收集須在20s內(nèi)完成)，泡沫收集完成后開(kāi)始計(jì)時(shí)，并對(duì)量筒和泡沫進(jìn)行稱重，當(dāng)收集的泡沫液為收集泡沫總質(zhì)量的一半，即，收集的泡沫液質(zhì)量為(m2-m1)/2時(shí)(其中，m1為量筒質(zhì)量，m2為泡沫和量筒的總質(zhì)量)，記下所耗時(shí)間t，此時(shí)間t即為泡沫半衰期。

實(shí)施例1

配制1000g復(fù)雜地層盾構(gòu)施工用環(huán)保高效穩(wěn)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

椰油酰胺基丙基甜菜堿：1g

聚氧化乙烯：1g

改性硅樹(shù)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(jìn)行攪拌，攪拌過(guò)程中，依次加入α-磺基脂肪酸甲酯、烷基多苷、椰油酰胺基丙基甜菜堿、聚氧化乙烯和改性硅樹(shù)脂聚醚乳液，攪拌均勻后加入剩余的水，攪拌均勻后即得。

制備得到的泡沫劑膨脹率因外界溫度不同、水的硬度不同，發(fā)泡倍數(shù)能達(dá)到29-35倍，泡沫半衰期為11-16min。

實(shí)施例2

配制1000g復(fù)雜地層盾構(gòu)施工用環(huán)保高效穩(wěn)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

椰油酰胺基丙基甜菜堿：2g

聚氧化乙烯：1g

改性硅樹(shù)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(jìn)行攪拌，攪拌過(guò)程中，依次加入α-磺基脂肪酸甲酯、烷基多苷、椰油酰胺基丙基甜菜堿、聚氧化乙烯和改性硅樹(shù)脂聚醚乳液，攪拌均勻后即得。

制備得到的泡沫劑膨脹率因外界溫度不同、水的硬度不同，發(fā)泡倍數(shù)能達(dá)到18～22倍，泡沫半衰期為18～25min。

實(shí)施例3

配制1000g復(fù)雜地層盾構(gòu)施工用環(huán)保高效穩(wěn)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

椰油酰胺基丙基甜菜堿：1g

聚氧化乙烯：4g

改性硅樹(shù)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(jìn)行攪拌，攪拌過(guò)程中，依次加入α-磺基脂肪酸甲酯、烷基多苷、椰油酰胺基丙基甜菜堿、聚氧化乙烯和改性硅樹(shù)脂聚醚乳液，攪拌均勻后即得。

制備得到的泡沫劑膨脹率因外界溫度不同、水的硬度不同，發(fā)泡倍數(shù)能達(dá)到27～35倍，泡沫半衰期為20～30min。

對(duì)比例1

與實(shí)施例3的區(qū)別是，對(duì)比例1中沒(méi)有加入烷基多苷，其他的物質(zhì)的加入量以及制備方法與實(shí)施例3的相同。制備得到的泡沫劑膨脹率因外界溫度不同、水的硬度不同，發(fā)泡倍數(shù)能達(dá)到14～17倍，泡沫半衰期為5～13min。

對(duì)比例2

與實(shí)施例3的區(qū)別是，對(duì)比例1中沒(méi)有加入α-磺基脂肪酸甲酯，其他的物質(zhì)的加入量以及制備方法與實(shí)施例3的相同。制備得到的泡沫劑膨脹率因外界溫度不同、水的硬度不同，發(fā)泡倍數(shù)能達(dá)到16～21倍，泡沫半衰期為4～16min。

對(duì)比例3

與實(shí)施例3的區(qū)別是，對(duì)比例1中沒(méi)有加入α-烯基磺酸鈉，其他的物質(zhì)的加入量以及制備方法與實(shí)施例3的相同。制備得到的泡沫劑膨脹率因外界溫度不同、水的硬度不同，發(fā)泡倍數(shù)能達(dá)到12～15倍，泡沫半衰期為6～16min。

綜上，本申請(qǐng)的實(shí)施例取得了如下技術(shù)效果：

1)根據(jù)實(shí)施例3、對(duì)比例1、對(duì)比例2以及對(duì)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，可以大幅度提高制備得到的泡沫劑的發(fā)泡倍數(shù)、泡沫半衰期以及兩者的可調(diào)節(jié)范圍；同時(shí)能更好地適應(yīng)硬水環(huán)境，使制備得到的泡沫劑在硬水環(huán)境中發(fā)泡性能可以滿足多種復(fù)雜地層盾構(gòu)施工的要求；

如果將單獨(dú)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(jù)實(shí)施例1、實(shí)施例2和實(shí)施例3可知，本申請(qǐng)中的各組分之間的配比對(duì)本發(fā)明中泡沫劑性能影響較大，通過(guò)合理配比，才能制備出符合要求的泡沫劑。

以上所述僅為本申請(qǐng)的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本申請(qǐng)，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，本申請(qǐng)可以有各種更改和變化。凡在本申請(qǐng)的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本申請(qǐng)的保護(hù)范圍之內(nèi)。