CN109628076B - 一种用于土压平衡盾构的泡沫剂组合物及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于土压平衡盾构的泡沫剂组合物，包括如下质量分数的组分：脂肽表面活性剂2~10%，槐糖脂1~10%，威兰胶0.1~1.0%，大豆蛋白1~5%，葡萄糖酸钠0.1~1.0%，余量为水。本发明所提供的盾构泡沫剂采用可生物降解的表面活性剂及生物糖，具有绿色环保、泡沫丰富、稳泡性强、润滑性好，能有效提高开挖土体的流动性，提高掘进效率，同时保护盾构机刀头，降低磨损。

Description

一种用于土压平衡盾构的泡沫剂组合物及其制备方法

技术领域

本发明属于盾构施工技术领域，尤其涉及一种用于土压平衡盾构施工的泡沫剂组合物及其制备方法。

背景技术

随着地铁、隧道等工程建设的蓬勃发展，用于地下空间施工的盾构施工法，是现代城市隧道建设效果突出的施工方法。其中，土压平衡盾构技术由于可以适应不同的地质条件，由软粘性土到砂和砂砾土，通过配合不同的泡沫润滑剂，可以解决不同的工程实际需要，因此得到了广泛应用，并且以其技术和经济上的优越性，已经成为轨道交通隧道建设的主流技术。

盾构泡沫剂在土压平衡施工过程中主要起四个方面的作用：(1)冷却盾构机刀头，降低刀具磨损；(2)调整土仓内土体塑性流动性；(3)降低渣土的透水性，盾构机在砂砾层等强透水层地基施工时，开挖面过高的水压力会导致盾构机螺旋输送机出口发生地下水大量流失，影响掘进顺利极性，加入泡沫剂可以有效降低渣土的渗透性，有效防止掘进中喷涌的发生；(4)降低切削渣土的内摩擦力，减少刀盘和螺旋输送机的磨损。

盾构施工中，地下地基情况千变万化，有的施工区间底层以砂砾为主，渗透系数大，地下水容易从工作面深入，导致喷涌的发生；有些施工区间粘土含量高，盾构机刀盘容易发生堵塞，导致土仓内易发生结泥饼和闭塞。因此，为了保证土压平衡盾构施工顺利进行，必须对土仓内的土体进行改性，使之满足如下力学性质：土体具有较低的透水性；处于较理想塑性流动状态；不易固结排水等。而高性能的泡沫润滑剂则是提高盾构施工效率必不可少的关键材料。目前市场上的盾构泡沫剂的质量在土体改良方面还需要改进，而且由于盾构施工后，盾构泡沫剂会残留在底层中，可能与地下水接触，因此盾构泡沫剂所用的表面活性剂的生态安全性就不得不成为盾构施工绿色发展的考虑因素。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种可生物降解的盾构泡沫剂组合物，可满足不同的地层环境盾构施工需求，同时高效率冷却盾构刀具和降低螺旋输送机磨损等技术需求，以解决现有技术中所使用的组分不可生物降解，地质条件无法兼顾、润滑冷却等产品缺陷。

为了达到本发明的技术目的，本发明的技术方案为：

一种用于土压平衡盾构的泡沫剂组合物，包括如下质量分数的组分：脂肽表面活性剂(Surfactin)2～10％，槐糖脂1～10％，威兰胶0.1～1.0％，大豆蛋白1～5％，葡萄糖酸钠0.1～1.0％，余量为水。

优选的，所述的泡沫剂组合物包含以下质量分数的组分：

脂肽表面活性肽(Surfactin)4～8％，槐糖脂3～8％，威兰胶0.2～0.6％，大豆蛋白2～4％，葡萄糖酸钠0.5～0.9％，余量为水。

所述的脂肽表面活性肽(Surfactin)为由枯草芽孢杆菌产生的一类生物代谢性质的环肽生物表面活性剂。

所述的槐糖脂是由假丝酵母菌产生的一种生物代谢性质的生物表面活性剂。

优选的，所述的槐糖脂为假丝酵母菌Candida bombicola发酵得到的混合物，所述混合物中包括酸型槐糖脂和内酯型槐糖脂。

优选的，所述的槐糖脂中酸型槐糖脂的质量分数为50～65％，内酯型槐糖脂的质量分数为30～40％。

优选的，所述的威兰胶为产碱杆菌(Alcaligenes sp.)代谢产生的微生物多糖。

优选的，所述的威兰胶的分子量为0.6×10⁶～1.0×10⁶g/mol。

本发明所述的泡沫剂组合物中脂肽表面活性肽(Surfactin)为阴离子表面活性剂，其结构由7肽环(极性基团)和β-羟基脂肪酸链(非极性基团)组成。该表面活性剂是微生物代谢阴离子表面活性剂，具有优良的发泡、稳泡性能，还具有良好的生物降解性，对环境友好无刺激，是一种环保、无公害的生物表面活性剂。其结构式为：

本发明所述的泡沫剂组合物中槐糖脂分子含有亲水性的槐糖和疏水性羟基脂肪酸，在发酵液中，内酯型槐糖脂与酸型槐糖脂之间有一个含量上的比例平衡。内酯型和酸型槐糖脂之间的平衡很大程度上受底物类别的影响，特别是疏水碳源的种类对其影响最大，除此之外，发酵过程中的溶解氧含量、菌株的生存状况也在很大程度上影响着这种平衡。内酯型槐糖脂的结构式为：

酸型槐糖脂的结构式为：

本发明所述的泡沫剂组合物中威兰胶是是一种新型的微生物多糖，作为增稠剂、乳化剂、稳定剂、润滑剂和粘合剂，己广泛的应用于石油、日用化学品、食品、混凝土、印染等领域中。威兰胶主要结构由五糖重复单元构成，结构骨架由β-D-葡萄糖、β-D-葡萄糖醛酸、β-D-葡萄糖和x-L-鼠李糖的单元组成，侧链由单链的L-甘露糖或单链的L-鼠李糖构成，侧链连接鼠李糖的几率占2/3，约有半数的四糖片段上带有乙酷基及甘油基团，乙酰基占2.85～7.5％，葡萄糖酵酸占11.6～14.9％，甘露糖、葡萄糖和鼠李糖的摩尔比例为1:2:2。

本发明所述的泡沫剂组合物中各组份由于生物表面活性剂的复合，以及表面活性剂与生物多糖的协同共组装，降低了传统盾构润滑剂产品中表面活性剂耐盐耐温性差的缺点，利用的脂肽表面活性剂的高起泡性提高泡沫剂的发泡量，利用威兰胶降低高渗透砂砾层的透水率以及提高粘土层的假塑性流变性能。

本发明还提供一种上述泡沫剂组合物的制备方法，包括如下步骤：

按照各物质的质量分数，将水和威兰胶加入反应釜中，于50～60℃下溶解1～6h后，再依次加入脂肽表面活性肽、槐糖脂、葡萄酸钠和大豆蛋白，于50～60℃下搅拌2～5h即得。

优选的溶解温度为55℃。

优选的溶解时间为6h。

本发明的所述的用于土压平衡盾构的泡沫剂组合物，用生物基表面活性剂替代石油基表面活性剂，特别是脂肽类表面活性肽Surfactin与槐糖脂复配替代十二烷基硫酸钠K12与其它合成表面活性剂复配物，一方面降低用量，另一方面提高了起泡性；用大豆蛋白替代了常用稳泡剂，大大提高了泡沫的稳定性；用微生物多糖威兰胶提高了产品对土质流变性能的调变。

本发明所述的用于土压平衡盾构的泡沫剂组合物以脂肽类生物表面活性肽、槐糖脂、威兰胶、大豆蛋白以及葡萄糖酸钠为主要组分，不含十二烷基硫酸钠，也不含不可生物降解的烷基酚聚氧乙烯醚类表面活性剂，还具有以下优点：

(1)高发泡量，显著降低泡沫剂用量；

(2)高稳泡性，提高了泡沫剂的作用周期；

(3)调节土质透水性，适应从砂砾土质到纯粘土土质不同的工程需要；

(4)有效冷却盾构机刀盘刀具和降低螺旋输送机内摩擦力，保证设备运行稳定性；

(5)所有组分均可生物降解，无环境残留。

本发明具有以下有益效果：

(1)提供了一种环境友好的生物表面活性剂组合物用于土压平衡盾构施工领域，产品润滑冷却效率高、对土质调变性能突出，不污染环境等特点。

(2)适应的土质范围包括高透水性的砂砾地层、高粘性的纯粘土以及结余二者之间的粉质砂土等。

(3)与传统盾构泡沫剂相比，本泡沫剂组合物具有用量少，所有组分均可生物降解，其组份不会污染环境。

具体实施方式

下面结合具体实例对本发明利用生物表面活性剂组合物作为环境友好型土压平衡盾构泡沫剂进一步详细描述，但该实施例不用于限制本发明的保护范围。

为了在实验室研究土体改良试验，同时也可以保证测试结果的真实有效性、可重复性以及结果的可对比性，实验室设计自行配制了三种典型的土样，分别代表常见的三种地层土体实际工况。土体的配制需要不同粒径的土经过混合搅拌后达到预定的级配指标要求，在配制过程中，根据现行技术规范，通过筛分法分出了可以满足实验用量的土体。具体三种土样的级配指标要求如表1-3所示。表1是砂卵石土颗粒级配组成指标，表2是砂土颗粒级配组成指标，表3是粘土颗粒级配组成指标。

表1

表2

表3

土性改良试验测试项目包括：坍落度试验、渗水试验、土压缩性试验、大型直剪试验，评价指标为坍落度、渗透性系数、压缩系数、内聚力和内摩擦角；提高盾构施工性试验测试项目包括：滑动试验、粘附阻力测定试验、搅拌试验，评价指标为静止摩擦系数、最大粘附力和刀盘扭矩等。相关的测试方法按照国家标准和建设部相关技术规范进行。

实施例1

按以下质量分数称取各原料：脂肽表面活性剂Surfactin10％、槐糖脂10％、威兰胶1％、大豆蛋白4％，葡萄糖酸钠1％，余量为去离子水。其中槐糖脂为假丝酵母发酵得到的混合物，含有酸型槐糖脂50％wt、内酯型槐糖脂40％wt。威兰胶为产碱杆菌Alcaligenessp.代谢产生的微生物多糖，其分子量为1000,000g/mol。

按照各物质的质量含量，将去离子水和威兰胶投入到反应釜中，在50℃下混合溶解6h后，再依次加入脂肽表面活性剂surfactin，槐糖脂和葡萄糖酸钠于反应釜中，在50℃下搅拌3h，最后加入大豆蛋白，在50℃下搅拌1h使得反应釜中原料混合均匀，即得环境友好型盾构泡沫剂。

按土样一的颗粒级配准备土体，试验土体为无水土体，采用的土体体积为10.0L，添加15％的实施例1和某商品泡沫剂，分别研究土壤改良实验指标和盾构施工性能指标改进情况，结果如表4所示。

表4

实施例2

按以下质量分数称取各原料：Surfactin 2％、槐糖脂8％、威兰胶0.6％、大豆蛋白1％，葡萄糖酸钠0.1％，余量为去离子水。其中槐糖脂为假丝酵母发酵得到的混合物，含有酸型槐糖脂60％wt、内酯型槐糖脂35％wt。威兰胶为产碱杆菌Alcaligenes sp.代谢产生的微生物多糖，其分子量为650,000g/mol。

按照各物质的质量含量，将去离子水和威兰胶投入到反应釜中，在50℃下混合溶解4h后，再依次加入脂肽表面活性剂surfactin，槐糖脂和葡萄糖酸钠于反应釜中，在50℃下搅拌2h，最后加入大豆蛋白，在50℃下搅拌1h使得反应釜中原料混合均匀，即得环境友好型盾构泡沫剂。

按土样二的颗粒级配准备土体，试验土体为无水土体，采用的土体体积为10.0L，添加15％的实施例2和某商品泡沫剂，分别研究土壤改良实验指标和盾构施工性能指标改进情况，结果如表5所示。

表5

实施例3

按以下质量分数称取各原料：Surfactin 8％、槐糖脂3％、威兰胶0.1％、大豆蛋白5％，葡萄糖酸钠0.9％，余量为去离子水。其中槐糖脂为假丝酵母发酵得到的混合物，含有酸型槐糖脂65％wt、内酯型槐糖脂30％wt。威兰胶为产碱杆菌Alcaligenes sp.代谢产生的微生物多糖，其分子量为600,000g/mol。

按照各物质的质量含量，将去离子水和威兰胶投入到反应釜中，在55℃下混合溶解1h后，再依次加入脂肽表面活性剂surfactin，槐糖脂和葡萄糖酸钠于反应釜中，在55℃下搅拌4h，最后加入大豆蛋白，在55℃下搅拌1h使得反应釜中原料混合均匀，即得环境友好型盾构泡沫剂。

按土样三的颗粒级配准备土体，试验土体为无水土体，采用的土体体积为10.0L，添加15％的实施例3和某商品泡沫剂，分别研究土壤改良实验指标和盾构施工性能指标改进情况，结果如表6所示。

表6

实施例4

按以下质量分数称取各原料：Surfactin 4％、槐糖脂1％、威兰胶0.2％、大豆蛋白2％，葡萄糖酸钠0.5％，余量为去离子水。其中槐糖脂为假丝酵母发酵得到的混合物，含有酸型槐糖脂50％wt、内酯型槐糖脂40％wt。威兰胶为产碱杆菌Alcaligenes sp.代谢产生的微生物多糖，其分子量为650,000g/mol。

按照各物质的质量含量，将去离子水和威兰胶投入到反应釜中，在60℃下混合溶解1h后，再依次加入脂肽表面活性剂surfactin，槐糖脂和葡萄糖酸钠于反应釜中，在60℃下搅拌1h，最后加入大豆蛋白，在60℃下搅拌1h使得反应釜中原料混合均匀，即得环境友好型盾构泡沫剂。

按土样三的颗粒级配准备土体，试验土体为无水土体，采用的土体体积为10.0L，添加15％的实施例4和某商品泡沫剂，分别研究土壤改良实验指标和盾构施工性能指标改进情况，结果如表7所示。

表7

Claims (7)

1.一种用于土压平衡盾构的泡沫剂组合物，其特征在于，包括如下质量分数的组分：脂肽表面活性剂2~10%，槐糖脂1~10%，威兰胶0.1~1.0%，大豆蛋白1~5%，葡萄糖酸钠0.1~1.0%，余量为水；

所述的槐糖脂为假丝酵母菌发酵得到的混合物，所述混合物中包括酸型槐糖脂和内酯型槐糖脂。

2.根据权利要求1所述的泡沫剂组合物，其特征在于，所述泡沫剂组合物包含以下质量分数的组分：

脂肽表面活性剂4~8%，槐糖脂3~8%，威兰胶0.2~0.6%，大豆蛋白2~4%，葡萄糖酸钠0.5~0.9%，余量为水。

3.根据权利要求1所述的泡沫剂组合物，其特征在于，所述的槐糖脂中酸型槐糖脂的质量分数为50~65%，内酯型槐糖脂的质量分数为30~40%。

4.根据权利要求1或2所述的泡沫剂组合物，其特征在于，所述的威兰胶的分子量为0.6×10⁶ ~1.0×10⁶g/mol。

5.权利要求1-4任一所述的泡沫剂组合物的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

按照各物质的质量分数，将水和威兰胶加入反应釜中，于50~60℃下溶解1~6h后，再依次加入脂肽表面活性肽、槐糖脂、葡萄糖 酸钠和大豆蛋白，于50~60 ℃下搅拌2~5h即得。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，溶解温度为55℃。

7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，溶解时间为6h。