專利名稱：降低隧道挖鑿機切削頭磨損的方法和組合物的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在硬質(zhì)巖石中挖鑿隧道的方法和輔助此類挖鑿的組合物。
在硬質(zhì)巖石如石灰?guī)r、變成巖或火成巖中挖鑿隧道總會比在較軟的巖石中挖鑿呈現(xiàn)出更多的問題。在此類巖石中進行隧道挖鑿最常用的方法是鉆炮眼，接著用炸藥爆破。人們希望用隧道挖鑿機(TBM)-具有大直徑切削頭(有時超過10m)的機械來進行硬質(zhì)巖石的隧道挖鑿。在此類巖石中使用TBM的主要問題是切削元件(從切削頭突出的硬化鋼盤片)的快速磨損和必須頻繁的進行更換，從操作和經(jīng)濟的角度來講，這都是不利的。
現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)使用特定的組合物能夠顯著地降低這種磨損，使利用TBM對硬質(zhì)巖石的挖鑿更為高效和經(jīng)濟。因此，本發(fā)明通過在切削頭上添加發(fā)泡的含水液體組合物提供了降低隧道挖鑿機切削頭磨損的方法，該組合物包含發(fā)泡劑和潤滑劑，所述潤滑劑選自高分子量的聚環(huán)氧乙烷和膨潤土。
所述發(fā)泡劑可以是任何發(fā)泡劑，即在水中攪拌時能導(dǎo)致穩(wěn)定泡沫形成的任意材料。在本發(fā)明中，可以將一種以上的此類發(fā)泡劑用于組合物中。多種此類材料在本領(lǐng)域內(nèi)是已知的。本發(fā)明中優(yōu)選用作發(fā)泡劑的材料是表面活性劑，即兼具親水成分和疏水成分的材料。雖然可以使用任何適宜的表面活性劑，但發(fā)現(xiàn)，為了本發(fā)明的目的，效果最佳的表面活性劑是陰離子或非離子型的，它們是優(yōu)選表面活性劑。
如果所述表面活性劑是陰離子型的，則優(yōu)選含硫酸鹽的表面活性劑，更優(yōu)選醇硫酸鹽，最優(yōu)選月桂基硫酸鹽。許多適宜的材料是本領(lǐng)域已知的，特別優(yōu)選材料的實例是單異丙醇胺月桂基硫酸鹽(例如，可以以“Sulfetal”Cjot 60的商品名購得)。
盡管陰離子表面活性劑的性能優(yōu)異，但如果環(huán)境因素作為重要考慮，則它們的應(yīng)用就不理想了。由于環(huán)境的原因，優(yōu)選短壽命的泡沫，即僅在泡沫產(chǎn)生和從切削面上除去發(fā)泡液之間的時間內(nèi)保持泡沫。由陰離子表面活性劑形成的泡沫非常穩(wěn)定和持久，有時在遠離作業(yè)點的河流中可以發(fā)現(xiàn)它。在這種情況下，優(yōu)選非離子表面活性劑；它們在作業(yè)點的性能也非常優(yōu)異，但它們會更快地生物降解，所生成的全部泡沫只持續(xù)較短的時間。另外，認為非離子表面活性劑的分解成分比陰離子型的有害性低，因此它們對植物和動物的毒性危險較低。
適用于本發(fā)明中的有效非離子表面活性劑的實例包括鏈烷醇酰胺、氧化胺(aminoxide)、乙氧基化的醇、乙氧基化的烷基酚、乙氧基化的酯、葡萄糖和蔗糖酯及其衍生物。特別有效的是葡萄糖和蔗糖酯及其衍生物，特別是烷基多聚葡萄糖。這些中典型的商用實例包括“Lutensol”(商標)GD70(購自BASF)和“Glucopon”(商標)(購自Cognis)。
所述潤滑劑可以選自兩種不同材料中的一種，這兩種都易于商購獲得。“高分子量”聚環(huán)氧乙烷(PEO)指的是重均分子量至少為1,000,000的PEO。分子量優(yōu)選為2,000,000-8,000,000。以前，這樣的材料曾用于用TBM的隧道挖鑿中，但從未用于硬質(zhì)巖石的挖鑿。典型的商購材料包括POLYOX(注冊商標)WSR-301。可以采用各種PEO的混合物，雖然是一種聚合物，但卻是具有分子量分布的PEO，因此，這本質(zhì)上是不同材料的混合物。
替換用的潤滑劑是膨潤土。這種粘土材料已經(jīng)是公知的鉆探泥漿成分，也曾用于一些TBM用途中。然而，為實現(xiàn)這一特定目的，上述與發(fā)泡劑的組合應(yīng)用是新穎的。任何商購的膨潤土適合用于本發(fā)明的目的，典型實例為“Tixoton”(商標)。
通過加入適量的水制備所述組合物以供使用。雖然提供干組合物在理論上是可能的并且不排除在本發(fā)明之外，但這是不實用的。其原因之一是這帶來了在作業(yè)點制備液體組合物的任務(wù)，而這是困難的，特別是使用高MW的PEO時，其雖可溶于水，但溶解困難。另外，其它的商購添加劑(以下進一步描述)通常僅以溶液或懸浮液形式提供。
有兩種方法來克服這些困難。第一種是提供一系列單獨水溶性成分的組合物，各種成分可以以精確的獨立比例相對于較大量的水以進行發(fā)泡計量。這樣，以含水的形式單獨地提供了PEO和/或膨潤土、發(fā)泡劑和任意的任選成分(以下進一步描述)。所需的容器和計量工具是本領(lǐng)域所熟知的，因此這里無需贅述。該方法具有多適應(yīng)性的優(yōu)點-依據(jù)可能的情況，各成分的量可以改變以適應(yīng)所出現(xiàn)的局部條件，任意任選的成分可以包含在內(nèi)或不被包含。甚至可以包括兩種類型的潤滑劑(PEO和膨潤土)，并可以相互替換。當(dāng)然，缺點是引入了另一樣設(shè)備及相關(guān)的費用和維修問題。
對大多數(shù)用途而言更理想的方法是提供濃縮液-具有適當(dāng)比例的必要成分的水溶液或懸浮液，其能夠迅速而便捷地應(yīng)用。在作業(yè)點稀釋濃縮液和使稀釋的濃縮液發(fā)泡是毫無問題的。不需要之前所簡要描述的計量方式的多樣性，因為其應(yīng)用的簡便性和較為低廉的成本，這是極為優(yōu)選的。
在以下段落中述及的各成分的量涉及含水組合物，其包含干燥成分加上充足量的水，以提供含水形式的各獨立成分以按上述單獨進行計量，或用來制備上述的含水濃縮液?？梢詫⑺鼋M合物制成含水最高達100％。這不包括最后的稀釋和發(fā)泡用水(其量參見下文)。
在將PEO用作潤滑劑的情況下，PEO的用量為0.1-3.0％，優(yōu)選0.4-2.0％，更優(yōu)選0.5-1.0％，基于濃縮液重量計。發(fā)泡劑的對應(yīng)量為2-40％，優(yōu)選5-30％，更優(yōu)選5-20％。
如果將膨潤土用作潤滑劑，用量為2-30％，優(yōu)選2-25％，更優(yōu)選2-20％，發(fā)泡劑的對應(yīng)量為2-40％，優(yōu)選4-20％，更優(yōu)選5-15％。
可以向本發(fā)明使用的組合物中加入其它成分。特別有用的兩種成分是螯合劑和泡沫促進劑。在PEO為潤滑劑的組合物中它們通常更為有效，但它們也可以與膨潤土共用。另外，在優(yōu)選的情況中，它們更經(jīng)常與陰離子表面活性劑一起使用；對非離子表面活性劑它們幾乎無效。對螯合劑來說尤其如此。
存在螯合劑是為了解決在最終發(fā)泡液制備中由于使用硬水而引起的問題-硬水會造成發(fā)泡劑沉淀而致使組合物失效。如果不存在硬水，自然也無需螯合劑，但加入該試劑能提供可用于任何水質(zhì)條件的組合物，因此在任何情況下其總是備用的。可以采用任意適宜的螯合劑，其用量至多為5％，優(yōu)選0.1-5％，更優(yōu)選0.5-2％，最優(yōu)選1-1.5％。適用于本發(fā)明中的一個螯合劑實例是“Cublen”(商標)K2523。
類似地，泡沫促進劑可以是任何適宜的材料。用量至多為10％，優(yōu)選0.1-10％，更優(yōu)選0.1-1％。適用于本發(fā)明的泡沫促進劑的一個實例是“Aromox”(商標)MCD-W。
本發(fā)明還提供了降低磨損用的可發(fā)泡濃縮液，其由至少一種選自高分子量聚環(huán)氧乙烷和膨潤土的潤滑劑和至少一種能產(chǎn)生短壽命泡沫的發(fā)泡劑組成，還任選含有至少一種螯合劑和至少一種泡沫促進劑，存在的量分別為(a)在聚環(huán)氧乙烷作為潤滑劑的情況下0.1-3％聚環(huán)氧乙烷；2-40％發(fā)泡劑；至多為5％的螯合劑；和至多為1％的泡沫促進劑；和(b)在膨潤土作為潤滑劑的情況下2-30％膨潤土；和2-40％發(fā)泡劑；基于濃縮液重量計，其余為水。
在使用中，在濃縮液的情況下，將濃縮液加入適量水中并發(fā)泡，然后泵送至旋轉(zhuǎn)的切削頭并在切削頭和巖石的界面處注入。在各單獨成分計量體系的情況下，將所需量的含水成分計量入適量水中并發(fā)泡。典型地，用水稀釋前述的濃縮液/各獨立成分以提供含有1-20％，優(yōu)選含1-10％，更優(yōu)選1-8％，最優(yōu)選1-6％的濃縮液/各獨立成分的含水組合物。
通過任何便捷的方式使該經(jīng)稀釋的組合物發(fā)泡，以產(chǎn)生5-40，優(yōu)選5-20，更優(yōu)選8-20倍于未發(fā)泡材料體積的體積膨脹。
濃縮液/各獨立成分的實際稀釋率及其發(fā)泡量因具體環(huán)境而有很大變化。諸如切削頭直徑、注射噴嘴的個數(shù)和位置及巖石質(zhì)地的因素會產(chǎn)生重要影響。基本要求是要在切削頭的整個面積內(nèi)保持一個與巖石面接觸的泡沫層。實現(xiàn)這一要求是個常規(guī)的試驗問題，本領(lǐng)域技術(shù)人員容易做到。上述類型的濃縮液的典型數(shù)字為0.5-10.0，優(yōu)選0.5-6.0，更優(yōu)選1-4公斤濃縮液/m3除去的巖石。如果加入的是獨立的含水成分，可以容易地計算出對應(yīng)的量。需要強調(diào)的是這些數(shù)字僅作為一般性指標來提供，特定的條件可能需要更低或更高量的各獨立成分或濃縮液。
本發(fā)明一個令人吃驚的特征是使用上述含水的液體組合物導(dǎo)致了硬質(zhì)巖石中切削元件磨損的顯著降低，致使切削頭壽命延長和更換頻率下降，因此，造成更佳的和更經(jīng)濟的隧道挖鑿。據(jù)信，在不以任何方式限制本發(fā)明范圍的情況下，在TBM鉆面上產(chǎn)生的細小物料被所述含水液體組合物粘結(jié)在一起并用作潤滑劑。
現(xiàn)在通過以下非限制性實施例說明本發(fā)明。
組合物A(采用陰離子表面活性劑)采用以下成分“Polyox”WSR301聚環(huán)氧乙烷，(重均分子量4,000,000)(“PEO”) 0.83％“Sulfetal”Cjot60表面活性劑 9.0％“Cublen”K2523螯合劑(“SA”) 0.3％“Aromox”MCD-W泡沫促進劑(“FB”) 0.15％水 至100％組合物B和C(采用非離子表面活性劑)成分如下B C“Lutensol”GD7010.0％10.0％“Polyox”WSR3010.9％膨潤土4.2％碳酸氫鈉 0.4％水 至100％ 至100％試驗在與TBM一起使用前確定用于本發(fā)明中的組合物效力的方法，由此節(jié)約時間和金錢，其需要以下儀器PVC廣口瓶，1升試驗樣品碳化硅粉末(0.841-1.19mm)試驗樣品由三個直徑為50mm、厚度為14mm并帶有直徑為10mm的軸孔的ST50鋼輪組成，將這三個輪用任何適當(dāng)?shù)姆绞缴暇o在M10的螺栓上(如螺母和墊圈)，這樣在相鄰輪之間存在約14mm的空間。
方法如下將400克碳化硅與大量的水和組合物混合并加入到廣口瓶中。然后，將三個單獨輪重量已精確(至0.001克)知悉的試驗樣品加入廣口瓶中，密封該廣口瓶，放在磨機上，在125rpm下滾動3小時。然后對輪稱重以確定重量損失(磨損)。
以此方式測試組合物A、B和C。在每種情況中，用水稀釋組合物(水中5％組合物)并使30和60克試樣發(fā)泡以提供10倍的體積膨脹。作為對比，向400克碳化硅樣品中加入60克水并進行測試。試驗樣品的磨損率如下SiC+水 204mgSiC+30克A 190mgSiC+60克A 157mgSiC+30克B 129mgSiC+60克B 115mgSiC+30克C 123mgSiC+60克C 90mg如所看到的，磨損率被降低了，在某些情況下是非常顯著的。
權(quán)利要求
1.一種通過在切削頭處添加發(fā)泡的含水液體組合物的方式降低隧道挖鑿機切削頭磨損的方法，所述組合物包含發(fā)泡劑和潤滑劑，所述潤滑劑選自高分子量聚環(huán)氧乙烷和膨潤土。
2.權(quán)利要求1的方法，其中發(fā)泡組合物的各獨立成分以獨立的含水形式計量到水中并轉(zhuǎn)化成泡沫。
3.權(quán)利要求1或2的方法，其中該發(fā)泡劑選自陰離子和非離子表面活性劑。
4.權(quán)利要求1的方法，其中以濃縮液的形式供應(yīng)該組合物，將其就地用水稀釋以提供發(fā)泡組合物。
5.一種降低磨損用的可發(fā)泡濃縮液，其由至少一種選自高分子量聚環(huán)氧乙烷和膨潤土的潤滑劑和至少一種能產(chǎn)生短壽命泡沫的發(fā)泡劑組成，還任選含有至少一種螯合劑和至少一種泡沫促進劑，存在的量分別為(a)在聚環(huán)氧乙烷作為潤滑劑的情況下0.1-3％聚環(huán)氧乙烷；2-40％發(fā)泡劑；至多為5％的螯合劑；和至多為1％的泡沫促進劑；和(b)在膨潤土作為潤滑劑的情況下2-30％膨潤土；和2-40％發(fā)泡劑；基于液體組合物重量計，其余為水。
6.一種由權(quán)利要求5的濃縮液組成的降低磨損用發(fā)泡液，其在1-20體積的水中稀釋并發(fā)泡以獲得5-40倍的體積膨脹。
全文摘要
通過在切削頭處添加發(fā)泡的含水液體組合物的方式降低隧道挖鑿機切削頭磨損的方法，所述組合物包含發(fā)泡劑和潤滑劑，所述潤滑劑選自高分子量聚環(huán)氧乙烷和膨潤土。優(yōu)選的發(fā)泡劑是陰離子和非離子表面活性劑。硬質(zhì)巖石的TBM挖鑿切削元件的磨損率被顯著地降低。還描述了降低磨損用可發(fā)泡濃縮液。
文檔編號C10M107/34GK1682010SQ03821571
公開日2005年10月12日 申請日期2003年9月2日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月13日
發(fā)明者H·埃格利, P·埃倫伯格 申請人:建筑研究及技術(shù)有限責(zé)任公司