用于盾構(gòu)施工的泡沫材料優(yōu)化設(shè)計(jì)*

上海建工集團(tuán)工程研究總院 上海 201114

1 泡沫材料性能評(píng)價(jià)方法

泡沫材料一般由發(fā)泡劑和穩(wěn)泡劑組成，評(píng)價(jià)泡沫材料的性能，主要是對(duì)其發(fā)泡能力和泡沫穩(wěn)定性進(jìn)行表征與對(duì)比[1]。在一般工業(yè)領(lǐng)域，常用的泡沫性能評(píng)價(jià)方法主要是Ross-Miles法、攪拌法、氣流法、電導(dǎo)率法[2]。

本研究選用Waring Blender攪動(dòng)法[3]，該法操作簡單，泡沫材料用量少，實(shí)驗(yàn)周期短，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可重復(fù)性高。美國工業(yè)界將其作為標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)方法之一。圖1為實(shí)驗(yàn)裝置。

試驗(yàn)時(shí)，在攪拌杯中加入初始體積為V0（200 ml）的一定濃度的泡沫材料，通過攪拌器葉輪在泡沫液中高速旋轉(zhuǎn)（＞1 000 r/min），空氣進(jìn)入泡沫液而形成泡沫流體。攪拌60 s后停止攪拌，記錄產(chǎn)生的泡沫體積V，泡沫體積與發(fā)泡溶液體積之比V/V0即記為泡沫材料的發(fā)泡倍率，表征其發(fā)泡能力。從停止攪拌時(shí)立即開始計(jì)時(shí)，記錄從泡沫中析出V0/2（100 ml）液體的時(shí)間作為泡沫材料的半衰期，用于衡量泡沫材料的穩(wěn)定性。

2 發(fā)泡劑的篩選

常用的發(fā)泡劑主要是陰離子型發(fā)泡劑，包括烷基苯磺酸鹽、烷基硫酸鹽、烷基磺酸鹽、乙氧基化烷基硫酸鹽等[4]，本研究選擇了DXY、SL95、SKD和SK1四種材料進(jìn)行發(fā)泡實(shí)驗(yàn)與評(píng)價(jià)，測定其發(fā)泡倍率與半衰期，并與市場上的發(fā)泡劑產(chǎn)品CDT進(jìn)行對(duì)比研究，篩選出發(fā)泡能力好、穩(wěn)定性高的發(fā)泡劑作為盾構(gòu)施工中用泡沫材料的主劑。

DXY即使在較高濃度下其發(fā)泡能力也比較差，而且其泡沫穩(wěn)定性也不夠理想。SL95在較低濃度下就具有較強(qiáng)的發(fā)泡能力，隨著濃度的增加，其發(fā)泡能力很難再有更大提高；而且其產(chǎn)生的泡沫質(zhì)量較差，存在不少粗大的泡沫，泡沫尺寸分布范圍比較大，其半衰期也很短，析液很快。SKD的發(fā)泡能力較強(qiáng)，隨著濃度的增加，其發(fā)泡能力略有提高，但幅度不大，其半衰期也基本隨著濃度增大而增大。SK1具有較強(qiáng)的發(fā)泡能力和較好的穩(wěn)定性，其發(fā)泡能力隨著濃度的增大而明顯增強(qiáng)，且達(dá)到較強(qiáng)發(fā)泡能力時(shí)濃度比較低，穩(wěn)定性也隨著濃度的增大而提高?？梢?，SKD和SK1比較適合用作泡沫材料的發(fā)泡劑。

我們通過對(duì)比市場產(chǎn)品CDT[5]，進(jìn)一步研究SKD和SK1的泡沫性能，分別繪出了三者發(fā)泡倍率和半衰期相對(duì)于摻量的變化曲線圖，如圖1～圖3所示。

圖1 SKD泡沫性能變化曲線

圖2 SK1泡沫性能變化曲線

圖3 CDT泡沫性能變化曲線

由圖1～圖3中發(fā)泡倍率隨發(fā)泡劑摻量變化的曲線可見，隨著發(fā)泡劑濃度的增大，發(fā)泡倍率也相應(yīng)地增大，但到一定濃度，發(fā)泡倍率增大，速度減緩。事實(shí)上，所有發(fā)泡劑都存在一個(gè)臨界膠束濃度，超過這個(gè)濃度時(shí)，發(fā)泡倍率將不再增大。這一方面是由于溶液表面張力不再變化，體系表面能趨于不變；另一方面，泡沫是一個(gè)熱力學(xué)不穩(wěn)定體系，泡沫破裂伴隨著整個(gè)泡沫的生成過程，在達(dá)到臨界膠束濃度后，起泡和破泡存在平衡，溶液起泡性不再增加。

另一方面，泡沫的穩(wěn)定性總體上也隨著發(fā)泡劑濃度的增大而增大，當(dāng)發(fā)泡劑濃度小于臨界膠束濃度時(shí)，隨著濃度的增加，溶液的表面張力減小，表面活性增加，但形成的泡沫穩(wěn)定性較差。當(dāng)濃度高于臨界膠束濃度時(shí)，隨著濃度的增加，溶液的表面張力不再減小，甚至?xí)晕⒃龃?，但由于發(fā)泡劑分子在溶液表面的富集，會(huì)形成越來越致密的表面膜，所以形成的泡沫穩(wěn)定性亦增加。而當(dāng)濃度增加到一定程度時(shí)，形成的泡沫含液量減少，“脆性”增加，泡沫反而會(huì)變得不穩(wěn)定。

不過，圖3中的曲線變化似乎并不符合以上規(guī)律，這是由于圖3中的發(fā)泡劑CDT已經(jīng)事先經(jīng)過了稀釋，所以圖中2%的濃度并不是CDT中表面活性劑的有效濃度，而是低于該產(chǎn)品的臨界膠束濃度，因此發(fā)泡倍率和半衰期都隨著發(fā)泡劑濃度增加而增加。

由以上實(shí)驗(yàn)可知，SKD和SK1是理想的發(fā)泡劑。

3 穩(wěn)泡劑的選擇與配方的確定

發(fā)泡劑是泡沫材料的主要組成部分，但單一由發(fā)泡劑產(chǎn)生的泡沫很難同時(shí)具有很好的發(fā)泡性能和穩(wěn)定性，這是因?yàn)榕菽陌l(fā)泡性能與穩(wěn)定性二者會(huì)有相互影響，較高的發(fā)泡倍率是犧牲泡沫穩(wěn)定性為代價(jià)的。所以，好的泡沫材料必須同時(shí)具備良好的發(fā)泡性能和穩(wěn)定性，亦即穩(wěn)泡劑。

穩(wěn)泡劑按照作用方式可分為兩類[6]：第一類也是表面活性劑，加入起泡液中，通過協(xié)同作用增強(qiáng)表面吸附分子間的相互作用，使表面吸附膜強(qiáng)度增大，以提高薄膜的質(zhì)量，增加薄膜的彈性，減小泡沫的透氣性，從而提高泡沫的穩(wěn)定性；第二類穩(wěn)泡劑是增黏（增稠）性穩(wěn)泡劑，主要是通過提高液相黏度（稠度）來減緩泡沫的排液速率，提高泡沫的穩(wěn)定性，因而可以明顯延長泡沫的半衰期。本研究選擇了6 種添加劑進(jìn)行發(fā)泡實(shí)驗(yàn)，分別為MVA25、AEO-3、TS、Na-PRT、XG和80A-51?；鶞?zhǔn)溶液采用摻量為0.2%的SK1溶液。

圖4～圖7分別為MVA25、TS、Na-PRT和80A-51對(duì)基準(zhǔn)溶液泡沫性能的影響的曲線圖。

圖4 MVA25對(duì)基準(zhǔn)溶液泡沫性能的影響

圖5 TS對(duì)基準(zhǔn)溶液泡沫性能的影響

圖6 Na-PRT對(duì)基準(zhǔn)溶液泡沫性能的影響

圖7 80A-51對(duì)基準(zhǔn)溶液泡沫性能的影響

從以上的圖可知，加入MVA25后，復(fù)配體系的發(fā)泡倍率略有減小，而半衰期卻沒有太大變化，說明MVA25沒有明顯穩(wěn)泡作用；而加入AEO-3后，復(fù)配體系的發(fā)泡倍率與半衰期都減小了，產(chǎn)生了負(fù)效應(yīng)[7]；加入低濃度的TS對(duì)復(fù)配體系的半衰期影響不大，只有在TS濃度達(dá)到0.1%時(shí)半衰期才有一定增加，而隨著TS濃度的增加，體系的發(fā)泡倍率所受負(fù)面影響逐漸減??；Na-PRT對(duì)復(fù)配體系的半衰期有正面作用，但是隨著Na-PRT濃度增大，體系發(fā)泡倍率則呈減小趨勢；XG對(duì)體系的半衰期有明顯的增加，但是發(fā)泡倍率也受到較大負(fù)面影響；80A-51的作用與Na-PRT相似，但效果更好，加入摻量為0.05%的80A-51的性能最好，但此時(shí)溶液相當(dāng)黏稠；同時(shí)加入TS與80A-51比兩者單獨(dú)作用有更大的半衰期，而發(fā)泡倍率與基準(zhǔn)溶液相近；同時(shí)加入Na-PRT與80A-51半衰期也有一定程度的增大，對(duì)發(fā)泡倍率的影響更小。

綜上所述，0.2%SK1+0.05%80A-51與0.2%SK1+0.03%TS+0.03%80A-51兩種配方性能最好，前者適用于黏度要求較高的場合，后者適用于黏度要求一般的場合。

由于0.4%的SKD溶液與0.2%的SK1溶液性質(zhì)相近，因此上述配方也可用于0.4%的SKD溶液。

4 抗凍性研究

根據(jù)優(yōu)選的SK1與SKD發(fā)泡劑，研究了抗凍組分對(duì)2 個(gè)體系的抗凍性能的影響。研究方案見表1。

表1 抗凍性研究方案

通過研究可以看出，抗凍組分對(duì)SK1的抗凍性能改善不是很明顯，故SK1系列泡沫劑適用于夏季施工用。從SKD系列與SK1系列泡沫劑抗凍性能的對(duì)比可以看出，SKD具有優(yōu)良的抗凍性，同時(shí)，抗凍組分能夠發(fā)揮效用。

因此，當(dāng)溫度低于10 °C時(shí)建議使用SKD體系，當(dāng)溫度低于－5 °C時(shí)則必須加入防凍劑，以防溶液凝固。

5 結(jié)語

本研究采用Waring Blender法確定了以SK1和SKD為主體的2 個(gè)系列的泡沫劑。當(dāng)溫度低于10 °C時(shí)建議使用SKD體系，而當(dāng)溫度低于－5 °C時(shí)則必須加入防凍劑。

穩(wěn)泡劑0.2%SK1+0.05%80A-51與0.2%SK1+0.03%TS+0.03%80A-51兩種配方性能最好，前者適用于黏度要求較高的場合，后者適用于黏度要求一般的場合。

SKD比SK1具有更好的抗凍性，當(dāng)溫度低于10 °C時(shí)建議使用SKD體系，而當(dāng)溫度低于－5 °C時(shí)則必須加入防凍劑，以防溶液凝固。

從SKD泡沫劑在盾構(gòu)施工中的應(yīng)用可以看出，泡沫劑可以有效降低刀盤扭矩，減少刀盤磨損，從而減少施工設(shè)備的維護(hù)費(fèi)用。與此同時(shí)，泡沫劑可以有效提高推進(jìn)速度，從而節(jié)省工期，經(jīng)濟(jì)效益相當(dāng)可觀。