CN118931548B - 一种离子-非离子偶联镶嵌协同增效的泡沫剂及其制备方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种离子‑非离子偶联镶嵌协同增效的泡沫剂及其制备方法与应用，属于盾构施工技术领域。本发明的离子‑非离子偶联镶嵌协同增效的泡沫剂的原料按质量份数计，包括：非离子表面活性剂5‑10份、阴离子表面活性剂5份、偶联剂0.5‑1份，稳泡剂1份和水83‑88.5份。本发明的泡沫剂，所产生的泡沫具有很长的半衰期，毒害物质残留浓度低，能有效满足复杂盾构施工要求，解决现有技术中的不足，同时减少对环境的影响，有很好的应用价值。

Description

一种离子-非离子偶联镶嵌协同增效的泡沫剂及其制备方法 与应用

技术领域

本发明涉及盾构施工技术领域，特别是涉及一种离子-非离子偶联镶嵌协同增效的泡沫剂及其制备方法与应用。

背景技术

盾构法是一种全机械化的暗挖施工方法，通过盾构机械在地下推进，利用盾构外壳和管片支撑周围的岩土，防止隧道内坍塌。同时，利用切削装置进行土体开挖，并通过出土机械将土体运出洞外，通过千斤顶在后部加压顶进，并拼装预制混凝土管片，形成隧道结构。

土压平衡盾构法是目前城市地铁施工中的主流方法。在这种方法中，泡沫改良剂作为土体改良剂，占据了主导地位，具有广阔的应用前景。在土压平衡盾构施工过程中，需要向开挖面或土舱里注入特殊气泡，来将开挖面切削下来的土体在压力舱内调整成一种“塑性流动状态”，避免发生喷涌、闭塞、结饼以及施工开挖面失稳等问题，从而保证盾构施工过程的安全稳定。

但目前现有技术中的相关泡沫剂仍大多存在着发泡率低下、泡沫稳定性能差、非绿色、不环保以及抗硬水性能差等问题，这些问题会导致泡沫剂难以满足复杂地层盾构施工的要求，仍需进一步改进。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种离子-非离子偶联镶嵌协同增效的泡沫剂及其制备方法与应用，以解决背景技术中的上述问题。本发明的泡沫剂，所产生的泡沫具有很长的半衰期，毒害物质残留浓度低，能有效满足复杂盾构施工要求，解决现有技术中的不足，同时减少对环境的影响，有很好的应用价值。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

本发明技术方案之一：提供一种离子-非离子偶联镶嵌协同增效的泡沫剂，原料按质量份数计，包括：

非离子表面活性剂5-10份、阴离子表面活性剂5份、偶联剂0.5-1份，稳泡剂1份和水83-88.5份。

优选地，所述非离子表面活性剂为烷基糖苷。

本发明的非离子表面活性剂选自烷基糖苷，其表面张力低、无浊点、HLB值可调、湿润力强、泡沫丰富细腻、配伍性强、无毒、无害、对皮肤无刺激，对环境友好，生物降解迅速彻底，能够迅速彻底地被微生物分解，可与阴离子表面活性剂复配，协同效应明显。具有较强的广谱抗菌活性，产品增稠效果显著。

优选地，所述阴离子表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠。

本发明的阴离子表面活性剂选自十二烷基苯磺酸钠，生物降解性大于90％，对环境污染程度小，不易氧化，起泡力强，成本较低。

优选地，所述偶联剂为钛酸酯偶联剂。

优选地，所述稳泡剂中包含硅树脂聚醚乳液和纳米二氧化硅。

本发明的稳泡剂选自硅树脂聚醚乳液和纳米二氧化硅，硅树脂聚醚乳液能够显著提高泡沫的稳定性，它通过改变分子内部排列顺序，使泡与泡之间排列紧密整齐，形成致密的内层膜，从而增强泡沫的抗压能力。纳米二氧化硅的添加可以提高泡沫剂的起泡性能，使泡沫更加丰富和稳定。纳米二氧化硅与表面活性剂的协同作用可以进一步提高泡沫的稳定性。发泡剂中添加了纳米二氧化硅，可以使泡沫在形成后能够维持较长时间不破裂，这对于盾构施工中泡沫的稳定供应和持续效果至关重要。

更优选地，所述硅树脂聚醚乳液和纳米二氧化硅的质量比为1:1。

本发明技术方案之二：提供一种上述离子-非离子偶联镶嵌协同增效的泡沫剂的制备方法，括以下步骤：

按比例混合各原料，得到所述离子-非离子偶联镶嵌协同增效的泡沫剂。

优选地，所述离子-非离子偶联镶嵌协同增效的泡沫剂的制备方法为：

将所述偶联剂、非离子表面活性剂与阴离子表面活性剂混合，用玻璃棒搅拌5min，再加入稳泡剂和水，用玻璃棒搅拌3min，得到所述离子-非离子偶联镶嵌协同增效的泡沫剂。

更优选地，在添加所述钛酸酯偶联剂时，用稀释剂进行稀释，所述钛酸酯偶联剂与稀释剂的质量比为1:1，所述稀释剂的种类为异丙醇。

优选地，所述混合的温度为18-23℃。

本发明技术方案之三：提供一种上述泡沫剂在盾构机土仓内的土体改良中的应用。

本发明的有益技术效果如下：

本发明所设计的离子-非离子偶联镶嵌协同增效的泡沫剂对环境压力的变化很敏感，能够在从盾构机的土仓中排出到地面环境后，随压力变化短时间内自行消失，而且可生物降解，对环境友好。并且此泡沫剂具有较高的气泡效率，此泡沫剂的发泡倍率较高，从而可以节省材料消耗，降低成本，具有明显的经济效益。此泡沫剂能够减少碴土对刀盘的黏附和堵塞，有效预防结泥饼的形成，有助于提高施工质量、保障盾构施工的效率和安全性。

此泡沫剂能很好的解决土压平衡盾构中的喷涌、闭塞、结饼以及施工开挖面失稳等问题，能够显著改善土壤的塑性、流动性和防渗性，保持开挖面的稳定。改良后的土体呈流塑状态，便于出土，减少了出土系统的磨损，从而提高施工效率。离子型和非离子型表面活性剂的混合改变了显色反应的微环境，对显色体系电子云分布的协同作用产生了协同增敏作用。

本发明的泡沫剂，所产生的泡沫具有很长的半衰期，毒害物质残留浓度降低>90％，能有效满足复杂盾构施工要求，解决现有技术中的不足，同时减少对环境的影响，有很好的应用价值。

具体实施方式

现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。

另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值，以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。

除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。

关于本发明中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。

本发明中的“室温”如无特殊说明，均按18-23℃计。

本发明以下各实施例及对比例中所用各原料均为市售产品。

实施例1

一种盾构机用泡沫剂，由以下质量份数的原料组成：

非离子表面活性剂(烷基糖苷APG0810)5g、阴离子表面活性剂(十二烷基苯磺酸钠)5g、偶联剂(钛酸酯偶联剂)0.5g、稳泡剂(质量比1:1的硅树脂聚醚乳液和纳米二氧化硅)1g和水88.5g。

盾构机用泡沫剂的制备：

室温下，将钛酸酯偶联剂用0.5g稀释剂(异丙醇)稀释，然后倒入非离子表面活性剂和阴离子表面活性剂，用玻璃棒搅拌5min，再加入稳泡剂和水，用玻璃棒搅拌3min，得到盾构机用泡沫剂。

实施例2

一种盾构机用泡沫剂，由以下质量份数的原料组成：

非离子表面活性剂(烷基糖苷APG0810)5g、阴离子表面活性剂(十二烷基苯磺酸钠)5g、偶联剂(钛酸酯偶联剂)1g、稳泡剂(质量比1:1的硅树脂聚醚乳液和纳米二氧化硅)1g和水88g。

盾构机用泡沫剂的制备：

室温下，将钛酸酯偶联剂用1g稀释剂(异丙醇)稀释，然后倒入非离子表面活性剂和阴离子表面活性剂，用玻璃棒搅拌5min，再加入稳泡剂和水，用玻璃棒搅拌3min，得到盾构机用泡沫剂。

实施例3

一种盾构机用泡沫剂，由以下质量份数的原料组成：

非离子表面活性剂(烷基糖苷APG0810)7g、阴离子表面活性剂(十二烷基苯磺酸钠)5g、偶联剂(钛酸酯偶联剂)0.5g、稳泡剂(质量比1:1的硅树脂聚醚乳液和纳米二氧化硅)1g和水86.5g。

盾构机用泡沫剂的制备：

室温下，将钛酸酯偶联剂用0.5g稀释剂(异丙醇)稀释，然后倒入非离子表面活性剂和阴离子表面活性剂，用玻璃棒搅拌5min，再加入稳泡剂和水，用玻璃棒搅拌3min，得到盾构机用泡沫剂。

实施例4

一种盾构机用泡沫剂，由以下质量份数的原料组成：

非离子表面活性剂(烷基糖苷APG0810)7g、阴离子表面活性剂(十二烷基苯磺酸钠)5g、偶联剂(钛酸酯偶联剂)1g、稳泡剂(质量比1:1的硅树脂聚醚乳液和纳米二氧化硅)1g和水86g。

盾构机用泡沫剂的制备：

室温下，将钛酸酯偶联剂用1g稀释剂(异丙醇)稀释，然后倒入非离子表面活性剂和阴离子表面活性剂，用玻璃棒搅拌5min，再加入稳泡剂和水，用玻璃棒搅拌3min，得到盾构机用泡沫剂。

实施例5

一种盾构机用泡沫剂，由以下质量份数的原料组成：

非离子表面活性剂(烷基糖苷APG0810)10g、阴离子表面活性剂(十二烷基苯磺酸钠)5g、偶联剂(钛酸酯偶联剂)0.5g、稳泡剂(质量比1:1的硅树脂聚醚乳液和纳米二氧化硅)1g和水83.5g。

盾构机用泡沫剂的制备：

室温下，将钛酸酯偶联剂用0.5g稀释剂(异丙醇)稀释，然后倒入非离子表面活性剂和阴离子表面活性剂，用玻璃棒搅拌5min，再加入稳泡剂和水，用玻璃棒搅拌3min，得到盾构机用泡沫剂。

实施例6

一种盾构机用泡沫剂，由以下质量份数的原料组成：

非离子表面活性剂(烷基糖苷APG0810)10g、阴离子表面活性剂(十二烷基苯磺酸钠)5g、偶联剂(钛酸酯偶联剂)1g、稳泡剂(质量比1:1的硅树脂聚醚乳液和纳米二氧化硅)1g和水83g。

盾构机用泡沫剂的制备：

室温下，将钛酸酯偶联剂用1g稀释剂(异丙醇)稀释，然后倒入非离子表面活性剂和阴离子表面活性剂，用玻璃棒搅拌5min，再加入稳泡剂和水，用玻璃棒搅拌3min，得到盾构机用泡沫剂。

对比例1

以市售的SF-02型泡沫剂作为对比例1。

效果验证

(1)发泡率测试：

泡沫剂的发泡倍率测试是评价泡沫剂性能的重要指标之一，它反映了单位体积的发泡剂溶液能够发出的泡沫体积。本发明采用高速搅拌法测试发泡倍率，利用相同的条件高速搅拌溶液产生泡沫，并在刚停止搅拌时记录生成泡沫的最大体积，计算发泡倍率。测试结果如表1所示。

发泡倍率的计算公式为：发泡倍率(％)＝(停止搅拌时的泡沫体积/原溶液体积)×100％

(2)半衰期测试：

泡沫剂的半衰期反映了泡沫的稳定性，即泡沫体积衰减到其原始体积一半时所需的时间，本发明采用高速搅拌法测量半衰期，利用相同的条件高速搅拌溶液产生泡沫，并在刚停止搅拌时记录此时的泡沫体积；记录泡沫体积衰减至原来的一半时所需要的时间，即为泡沫半衰期。测试结果如表1所示。

(3)毒害物质残留浓度测试：

使用液相气谱法进行毒害物质(表面活性剂)残留浓度的测量。测试结果如表1所示。

(4)降解时间测试：

采用高速搅拌法测量半衰期，利用相同的条件高速搅拌溶液产生泡沫，记录泡沫降解所需要的时间。测试结果如表1所示。

(5)黏附情况测试：

将泡沫剂加入到土样中，观察土样的流动性、黏附性等指标的变化，并观察碴土对搅拌臂的黏附情况。测试结果如表1所示。

表1

由表1可知，本发明各实施例产物的发泡倍率相比于对比例1有所提高；半衰期随着烷基糖苷用量的增加而提高，总的来说其半衰期大小比对比例1提高了15％以上；对比毒害物质残留可以发现，各实施例产物的毒害物质残留比对比例1降低了90％以上。

低有毒物质残留意味着对环境的影响较小，对生态系统的生物毒性较低。长半衰期意味着该泡沫剂产生的泡沫能够提供更持久的维持效果，减少频繁使用的需求。由于低毒害和长半衰期的特性，这种泡沫剂在使用过程中产生的污染物较少，有助于减少对水体和土壤的污染。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种离子-非离子偶联镶嵌协同增效的泡沫剂，其特征在于，原料按质量份数计，为：

非离子表面活性剂5-10份、阴离子表面活性剂5份、偶联剂0.5-1份，稳泡剂1份和水83-88.5份；

所述非离子表面活性剂为烷基糖苷APG0810；

所述阴离子表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠；

所述稳泡剂为质量比1:1的硅树脂聚醚乳液和纳米二氧化硅。

2.根据权利要求1所述的离子-非离子偶联镶嵌协同增效的泡沫剂，其特征在于，所述偶联剂为钛酸酯偶联剂。

3.一种权利要求1或2所述的离子-非离子偶联镶嵌协同增效的泡沫剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

按比例混合各原料，得到所述离子-非离子偶联镶嵌协同增效的泡沫剂。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述混合的温度为18-23℃。

5.一种权利要求1或2所述的泡沫剂在盾构机土仓内的土体改良中的应用。