CN111485889A - 一种黏土地层盾构渣土改良用抗粘剂及其制备方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种黏土地层盾构渣土改良用抗粘剂及其制备方法与应用，所述抗粘剂包含或由以下组分组成：表面活性剂2‑4wt％，分散剂5‑10wt％，稳定剂0.5‑1wt％，耐磨防腐剂0.5‑1wt％和水。本发明所述抗粘剂能够有效解决现有技术中的土压平衡盾构黏土粘结刀盘、黏土块堵塞、渣土改良剂氧化失效和刀盘刀具腐蚀等问题。

Description

一种黏土地层盾构渣土改良用抗粘剂及其制备方法与应用

技术领域

本发明涉及土压平衡盾构施工材料领域，具体涉及一种黏土地层盾构渣土改良用抗粘剂及其制备方法与应用。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

土压平衡盾构机在黏土地层或黏土矿物含量较高的泥岩地层施工时，由于土体中含有较多蒙脱石、高岭土等矿物成分，土体黏聚力较大，切削后的黏土容易黏附于刀具和刀盘，造成开挖扭矩和推力过大而导致掘进速度低下。若不及时处理，黏土块长时间堆积刀盘，在高温高压下极易形成坚硬的泥饼，造成停机严重影响盾构机掘进。另外，切削下的黏土块容易聚集成团，堵塞土仓和螺旋输送机，导致排渣困难。

发明人发现，现有技术中可采取物理冲刷手段，使用切割水刀或冲刷装置不断对刀盘刀具进行冲刷，防止黏土粘结刀盘刀具，但其工艺和操作复杂，且仅适用于大直径盾构，在小直径盾构刀盘上增设冲刷装置较为困难，没有足够的空间安设配套设备。另外现有手段中通过盾构渣土改良系统向前方注入化学改良剂，如泡沫剂、盾构泥岩分散剂等，通过对土体进行改良降低其粘附性。泡沫剂对黏土的分散作用有限，泥岩分散剂效果较好，但更多的是在发生结泥饼时去用，一旦泥饼形成需要较长时间处理，且泥饼分散剂浸泡过程容易造成土仓失压，影响开挖面稳定，未能达到预防泥饼生成的目的。另外刀盘刀具在地下水、泡沫剂、分散剂等水溶液的长期浸泡下，容易加剧刀具锈蚀和磨损，提高盾构刀具的耐久性也是需要考虑的一个问题。综上所述，发明人发现，现有技术中或通过物理手段黏土粘结，或通过化学手段除去泥饼，均无法在泥饼形成前进行有效预防，缺乏有效的解决方案。

发明内容

因此，为了解决现有技术中存在的不足，提供了一种黏土地层盾构渣土改良用抗粘剂及其制备方法与应用。本发明的抗粘剂能够有效解决现有技术中的土压平衡盾构黏土粘结刀盘、黏土块堵塞、渣土改良剂氧化失效和刀盘刀具腐蚀等问题，具有较好的稳定性，对黏土块体的分散效果较好，并且在储存过程中无沉淀、成分无毒无害，不会对施工区土质及地下水造成影响，尤其适用于在黏土地层土压平衡盾构施工中应用。

具体地，本发明的技术方案如下所述：

在本发明的第一方面，本发明提供了一种黏土地层盾构渣土改良用抗粘剂，其包含或由以下组分组成：表面活性剂2-4wt％，分散剂5-10wt％，稳定剂0.5-1wt％，耐磨防腐剂0.5-1wt％和水。

在本发明的实施方式中，所述黏土地层盾构渣土改良用抗粘剂由以下组分组成：表面活性剂2-4wt％，分散剂8-10wt％，稳定剂0.5-1wt％，耐磨防腐剂0.5-1wt％，余量为水。

在本发明的一些实施方式中，所述的黏土地层盾构渣土改良用抗粘剂，其组成可以选自以下组：表面活性剂2wt％、分散剂8wt％，稳定剂0.5wt％，耐磨防腐剂0.5wt％，余量为水；或者，表面活性剂3wt％、分散剂8wt％，稳定剂1wt％，耐磨防腐剂0.5wt％，余量为水；或者，表面活性剂4wt％、分散剂10wt％，稳定剂1wt％，耐磨防腐剂0.5wt％，余量为水。具有以上组成的抗粘剂尤其具有较好的稳定性，在盾构工程中掘进扭矩较低，具有更好的分散效果，未出现结泥饼和堵塞现象，能够起到对刀具的保护作用。

在本发明的实施方式中，所述表面活性剂为两性表面活性剂，优选为甜菜碱型两性表面活性剂，比如可以为α-烷基甜菜碱、N-烷基甜菜碱的一种或其组合。本发明的表面活性剂在酸性溶液中呈阳离子性质，在中性浴中呈非电离子型性质，相对于阴离子型表面活性剂或阳离子型表面活性剂，其能在酸性、中性、碱性等溶液中溶解，不易产生沉淀，能够润滑黏土团块体表面，降低表面张力，且具有较强的渗透能力。

在本发明的实施方式中，所述分散剂为脂肪酸盐类分散剂，比如，所述分散剂可以为硬脂酸钙、硬脂酸镁、硬脂酸钡的一种或其组合。

在本发明的实施方式中，所述稳定剂为无毒亚磷酸酯，其作用主要是提高溶液的稳定性，防止暴露空气中表面活性剂和分散剂的氧化失效，提高溶液有效成分的长期稳定。

在本发明的实施方式中，所述耐磨防腐剂为二油酸亚磷酸酯和双乙酸钠的组合，其作用是降低渣土改良过程中水和化学改良剂对刀具的腐蚀，提高刀具的耐磨性和耐久性。

优选地，二油酸亚磷酸酯和双乙酸钠的质量比为1:0.5-1:2，优选为1：1。二油酸亚磷酸酯防腐性能更好，但是溶解性稍差，双乙酸钠防腐性能稍差，但容易溶解，本发明选用二油酸亚磷酸酯和双乙酸钠配成的溶液可解决上述问题。并且，发明人经实际工程应用试验发现，当两者按照质量比为1:1配置成溶液时，除具有更好的溶解性和防腐效果外，混合液的性质也更为稳定，储存较长时间也不会发生分层和沉淀。

本发明所述的黏土地层盾构渣土改良用抗粘剂适用于多种环境，极易溶解，且各化学组成成分均无毒无害，不会对施工区域造成环境污染，能够有效解决现有技术中的土压平衡盾构黏土粘结刀盘、黏土块堵塞、渣土改良剂氧化失效和刀盘刀具腐蚀等问题。

在本发明的第二方面，本发明提供了一种制备上述第一方面中所述黏土地层盾构渣土改良用抗粘剂的方法，其包括：将表面活性剂和耐磨防腐剂混合，分批次添加于50-65℃的水中，边加边搅拌，混合均匀，直至完全溶解；将上述得到的溶液转移至室温环境，待温度逐渐降低至室温(25℃左右)，将分散剂和稳定剂添加其中，搅拌均匀，直至完全溶解，制成所述抗粘剂。

其中，所述制备过程中的搅拌速度为300-500rpm。

在本发明的第三方面，本发明提供了上述第一方面中所述的黏土地层盾构渣土改良用抗粘剂在黏土地层盾构施工尤其在黏土地层使用土压平衡盾构施工中的应用。

相较于现有技术，本发明的有益效果为：

1)本发明的抗粘剂适应性强，所用的两性表面活性剂能够适用于酸性、中性、碱性等地下环境，极易溶解，润滑黏土团块体降低表面张力，且具有较强的渗透能力，与分散剂配合，对黏土块体的分散效果较好，能够有效阻止黏土对刀盘刀具的粘结和吸附，防止“泥饼”的形成。

2)本发明的抗粘剂稳定性好，防止在渣土改良过程有效成分失效，其有效作用时间和分散效果极好。

3)本发明的抗粘剂对刀盘刀具具有一定的保护作用，能够减小地下水、化学添加剂对金属刀盘刀具的锈蚀，提高刀具耐磨性，提高盾构机刀盘刀具的使用寿命。

4)本发明抗粘剂各组分溶解后稳定性好，贮存过程不会产生沉淀，且成分无毒无害，不会对施工区土质及地下水造成影响。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件或按照制造厂商所建议的条件。

除非另行定义，文中所使用的所有专业与科学用语与本领域熟练人员所熟悉的意义相同。本发明所使用的试剂或原料均可通过常规途径购买获得，如无特殊说明，本发明所使用的试剂或原料均按照本领域常规方式使用或者按照产品说明书使用。此外，任何与所记载内容相似或均等的方法及材料皆可应用于本发明方法中。文中所述的较佳实施方法与材料仅作示范之用。

本发明的具体实施方式中，所选用的甜菜碱型两性表面活性剂可以为α-烷基甜菜碱、N-烷基甜菜碱的一种或其组合，脂肪酸盐类分散剂可以为硬脂酸钙、硬脂酸镁、硬脂酸钡的一种或其组合。下述实施例中，如无特殊说明，所述甜菜碱型两性表面活性剂为α-烷基甜菜碱，所述脂肪酸盐类分散剂为硬脂酸钙。

在本发明的实施方式中，耐磨防腐剂选用二油酸亚磷酸酯与双乙酸钠的组合，其组合时的用量比例可以为1:0.5-1:2，在该组合及其配比下，能够很好的解决二油酸亚磷酸酯与双乙酸钠在溶液性能和防腐性能上存在的问题，尤其，在本发明的一些实施方式中，当二油酸亚磷酸酯与双乙酸钠的质量配比为1:1时，该组成的耐磨防腐剂除具有更好的溶解性和防腐效果外，所得混合液的性质也更为稳定，储存较长时间也不会发生分层和沉淀，效果更优，能够更为优异的实现本发明技术效果。

实施例1

配制1000g黏土地层盾构渣土改良用抗粘剂，各组分重量分别为：

甜菜碱型两性表面活性剂：20g

脂肪酸盐类分散剂：80g

无毒亚磷酸酯：5g

二油酸亚磷酸酯：2.5g

双乙酸钠：2.5g

水：890g

上述抗粘剂的制备方法，包括以下步骤：

1)将甜菜碱型两性表面活性剂20g、二油酸亚磷酸酯2.5g和双乙酸钠2.5g混合，分批次添加于50-65℃的水中，边加边搅拌，混合均匀，直至完全溶解。

2)将上述制备的溶液转移至室温环境，待温度逐渐降低至室温(25℃左右)，将脂肪酸类盐分散剂80g和无毒亚磷酸酯5g添加其中，搅拌均匀，直至完全溶解，制成所述抗粘剂。

所述抗粘剂制备过程搅拌速度为300-500rpm。

实施例2

配制1000g黏土地层盾构渣土改良用抗粘剂，各组分重量分别为：

甜菜碱型两性表面活性剂：30g

脂肪酸盐类分散剂：80g

无毒亚磷酸酯：10g

二油酸亚磷酸酯：2.5g

双乙酸钠：2.5g

水：875g

上述抗粘剂的制备方法，包括以下步骤：

1)将甜菜碱型两性表面活性剂30g、二油酸亚磷酸酯2.5g和双乙酸钠2.5g混合，分批次添加于50-65℃的水中，边加边搅拌，混合均匀，直至完全溶解。

2)将上述制备的溶液转移至室温环境，待温度逐渐降低至室温(25℃左右)，将脂肪酸类盐分散剂80g和无毒亚磷酸酯10g添加其中，搅拌均匀，直至完全溶解，制成所述抗粘剂。

所述抗粘剂制备过程搅拌速度为300-500rpm。

实施例3

配制1000g黏土地层盾构渣土改良用抗粘剂，各组分重量分别为：

甜菜碱型两性表面活性剂：40g

脂肪酸盐类分散剂：100g

无毒亚磷酸酯：10g

二油酸亚磷酸酯：2.5g

双乙酸钠：2.5g

水：845g

上述抗粘剂的制备方法，包括以下步骤：

1)将甜菜碱型两性表面活性剂40g、二油酸亚磷酸酯2.5g和双乙酸钠2.5g混合，分批次添加于50-65℃的水中，边加边搅拌，混合均匀，直至完全溶解。

2)将上述制备的溶液转移至室温环境，待温度逐渐降低至室温(25℃左右)，将脂肪酸类盐分散剂100g和无毒亚磷酸酯10g添加其中，搅拌均匀，直至完全溶解，制成所述抗粘剂。

所述抗粘剂制备过程搅拌速度为300-500rpm。

对比例1

与实施例3的区别是，对比例1中没有加入无毒亚磷酸酯，其他的物质的加入量以及制备方法与实施例3的相同。制备得到的抗粘剂在室温条件下静置放置30天后出现浑浊和少量沉淀，而实施例3未出现该情况。

对比例2

与实施例3的区别是，对比例2中未加入二油酸亚磷酸酯，其他的物质的加入量以及制备方法与实施例3相同。制备得到的抗粘剂分散效果未有差别，但在实际工程使用时盾构掘进100环磨损达30％，而实施例3制得的抗粘剂在使用时盾构掘进100环磨损为5％左右。

对比例3

与实施例3的区别是，对比例3中未加入双乙酸钠，其他的物质的加入量以及制备方法与实施例3相同。制备得到的抗粘剂分散效果未有差别，但在实际工程使用时，换刀后发现刀具表面有大面积锈蚀，加剧了刀具磨损。而实施例3制得的抗粘剂在使用时换刀后的刀具仅有刀圈局部出现锈蚀，刀刃部分未有锈蚀。

应用将实施例1-3与对比例1-3中制得的抗粘剂，其结果及分析如下：

1)实施例1-3和对比例1-3制得的不同的抗粘剂均在长春地铁2号线西沿线盾构工程中展开了现场实际应用，其中实施例1-3使用过程中分散效果明显，未出现结泥饼和堵塞现象，掘进扭矩分别在2850kN.m、2680kN.m和2450kN.m，扭矩越低说明黏土对刀盘刀具的粘附程度越小，抗粘剂的分散作用也就越明显。对比例1未添加稳定剂，所以在现场放置30天后出现了些许浑浊和沉淀，对比例2未添加二油酸亚磷酸酯，刀具磨损增加，对比例3未添加双乙酸钠，盾构刀具出现大面积锈蚀，加速刀具磨损。

2)根据实施例1-3和对比例1-3可知，本申请中的各组分之间的配比对本发明的分散作用影响较大，部分成分的缺少，起不到稳定保护刀具、提高抗粘剂稳定性的作用。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种黏土地层盾构渣土改良用抗粘剂，其包含或由以下组分组成：表面活性剂2-4wt％，分散剂5-10wt％，稳定剂0.5-1wt％，耐磨防腐剂0.5-1wt％和水。

2.根据权利要求1所述的黏土地层盾构渣土改良用抗粘剂，其特征在于，其由以下组分组成：表面活性剂2-4wt％，分散剂8-10wt％，稳定剂0.5-1wt％，耐磨防腐剂0.5-1wt％，余量为水。

3.根据权利要求1或2所述的黏土地层盾构渣土改良用抗粘剂，其特征在于，其由以下组分组成：表面活性剂2wt％、分散剂8wt％，稳定剂0.5wt％，耐磨防腐剂0.5wt％，余量为水；

优选地，其由以下组分组成：表面活性剂3wt％、分散剂8wt％，稳定剂1wt％，耐磨防腐剂0.5wt％，余量为水；

优选地，其由以下组分组成：表面活性剂4wt％、分散剂10wt％，稳定剂1wt％，耐磨防腐剂0.5wt％，余量为水。

4.根据权利要求1或2所述的黏土地层盾构渣土改良用抗粘剂，其特征在于，所述表面活性剂为两性表面活性剂，优选为甜菜碱型两性表面活性剂。

5.根据权利要求1或2所述的黏土地层盾构渣土改良用抗粘剂，其特征在于，所述分散剂为脂肪酸盐类分散剂。

6.根据权利要求1或2所述的黏土地层盾构渣土改良用抗粘剂，其特征在于，所述稳定剂为无毒亚磷酸酯。

7.根据权利要求1或2所述的黏土地层盾构渣土改良用抗粘剂，其特征在于，所述耐磨防腐剂为二油酸亚磷酸酯和双乙酸钠的组合；

优选地，二油酸亚磷酸酯和双乙酸钠的质量比为1:0.5-1:2，优选为1:1。

8.一种制备权利要求1至7中任一项所述的黏土地层盾构渣土改良用抗粘剂的方法，其包括：将表面活性剂和耐磨防腐剂混合，分批次添加于50-65℃的水中，边加边搅拌，混合均匀，直至完全溶解；将上述得到的溶液转移至室温环境，待温度逐渐降低至室温，将分散剂和稳定剂添加其中，搅拌均匀，直至完全溶解，制成所述抗粘剂。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述制备过程中的搅拌速度为300-500rpm。

10.权利要求1至7中任一项所述的黏土地层盾构渣土改良用抗粘剂在黏土地层盾构施工中的应用。