盾構(gòu)泡沫劑的性能指標測試與分析

謝宇飛

(1.中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司 北京 102600；2.北京中鐵新材料技術(shù)有限公司 北京 102600)

1 引言

經(jīng)過40多年的發(fā)展，盾構(gòu)泡沫劑已經(jīng)成為渣土改良中應(yīng)用最廣泛的材料[1]，隨著國內(nèi)軌道交通和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的加速推進，盾構(gòu)泡沫劑產(chǎn)品在應(yīng)用方面積累了豐富的技術(shù)經(jīng)驗，這也進一步推動了該產(chǎn)品的研發(fā)和改進[2]，特別在產(chǎn)品功能化和特殊地層針對性方面的研究有了長足的進展，如砂卵石等疏水地層改良常用聚合型泡沫劑，黏土地層改良常用的分散型泡沫劑，以及粉土、粉沙、中微風(fēng)化地層等常用的通用型泡沫劑等[3]。雖然盾構(gòu)泡沫劑在土體改良和應(yīng)用技術(shù)方面的研究成果顯著，但在一些難險地層的盾構(gòu)施工中依舊問題頻頻，嚴重時甚至引發(fā)刀盤結(jié)泥餅、刀具嚴重磨損、土壓失衡等高風(fēng)險[4]。

對這一現(xiàn)狀，究其原因，是相關(guān)人員對渣土改良及改良劑的認識多有不足。特別是盾構(gòu)泡沫劑方面，至今也沒有形成可行的行業(yè)標準[5]。目前，國內(nèi)大部分企業(yè)依舊直接沿用國外產(chǎn)品技術(shù)指標作為企業(yè)標準[6]，產(chǎn)品實際參數(shù)指標與產(chǎn)品說明相差大，甚至完全不適用。這種情況，在實際應(yīng)用中極易對一線施工造成誤導(dǎo)[7]。同時，由于產(chǎn)品指標和相關(guān)技術(shù)參數(shù)選取的分歧，也進一步加劇了市場中無度的惡性競爭，給施工單位形成極大的困擾[8]。基于這一現(xiàn)狀，本文對市場上最具備影響力的6種泡沫產(chǎn)品進行了產(chǎn)品的性能指標檢測與分析，并增加了泡沫液與黏土接觸角、泡沫膨脹損失率等兩項指標展開進一步研究，以期為行業(yè)標準的出臺提供技術(shù)支持[9]。

2 測試指標、儀器與方法

2.1 測試指標

目前，盾構(gòu)泡沫劑通用的性能指標包括密度、運動粘度、旋轉(zhuǎn)粘度、pH值、半衰期[10]，本文引入指標包括表面張力、吸光度、透過率和反射率，提出兩項指標包括泡沫膨脹損失率、泡沫液與黏土接觸角。

2.2 測試儀器

通用儀器包括電子密度計(鷺工/MH-300A)，運動粘度計(上海吉昌/SYD-265H)、旋轉(zhuǎn)粘度計(IKA/ROTAVISC lo-vi Complete)、pH計(上海雷磁/PH-25)、接觸角測試儀(晟鼎精密/SDC-350)、紫外－分光光度計(島津UV-1900)。

自制設(shè)備泡沫發(fā)生裝置[11](鐵五院/ANDASF1)、半衰期測試裝置[12](鐵五院/ANDA-BS1)，如圖1、圖2所示。

圖1 泡沫發(fā)生裝置

圖2 半衰期測試裝置

2.3 測試方法

密度、粘度、pH值、表面張力、吸光度、透過率、反射率等，按照國家頒布測試標準測試，不再贅述。泡沫膨脹損失率、泡沫半衰期、泡沫液與黏土接觸角根據(jù)自制設(shè)備進行。

2.3.1 泡沫膨脹損失率測試方法

泡沫膨脹損失率，即理論膨脹率與實際膨脹倍率的差值，差值越大，泡沫發(fā)泡越困難。具體操作方法如下:

(1)將泡沫劑原液稀釋至2.5%濃度，采用泡沫發(fā)生裝置準備發(fā)泡試驗。

(2)設(shè)置氣體流量，液體流量參數(shù)，二者參數(shù)之比即為理論膨脹率。

(3)啟動發(fā)泡設(shè)備發(fā)泡，采用量杯稱取泡沫，同時測定其質(zhì)量和泡沫體積，根據(jù)泡沫密度可計算出泡沫液的體積，稱取泡沫體積與泡沫液體積之比，即實際發(fā)泡倍率。

(4)計算，泡沫膨脹損失率＝理論發(fā)泡倍率－實際發(fā)泡倍率。

2.3.2 泡沫半衰期測試方法

(1)將泡沫劑原液稀釋至2.5%濃度，采用泡沫發(fā)生裝置進行發(fā)泡。

(2)采用帶有細紗網(wǎng)的半衰期量取，稱取50 g泡沫，將其靜置于測試裝置上，檢測泡沫質(zhì)量流失一半時的時間，即泡沫半衰期。

2.3.3 泡沫液與黏土接觸角測試方法

配置適量2.5%濃度泡沫溶液，進行泡沫液與黏土表面接觸角測定，測試方法如下:

(1)將黏土樣品在真空烘箱中干燥24 h。取出后磨碎至40目以下，并配置成含水量28%的塑性黏土。

(2)將壓片模具放在壓片機上，關(guān)閉放氣閥，然后上下壓動壓桿，使壓力升至1 bar，壓力在此數(shù)值下保持2 min，放氣，取出壓片，將其放在玻璃片上測定。

(3)打開接觸角測定軟件，打開儀器的光源旋鈕，順時針旋轉(zhuǎn)可看到光源亮度逐漸增強，根據(jù)電腦顯示的圖像，調(diào)節(jié)光源的亮度。

(4)調(diào)整滴液(液體為預(yù)處理的2.5%泡沫液體)針頭，使其出現(xiàn)在圖像的中間，調(diào)整調(diào)節(jié)手輪，直到圖像清晰。

(5)將玻璃注射器裝滿液體，安裝在固定架上。旋轉(zhuǎn)測微頭直至可將液體流出。

(6)將準備好的樣品放在玻璃片上，然后將玻璃片放在工作臺上。工作臺可通過旋鈕上、下、左、右移動，以使其物像出現(xiàn)在光源中心。

(7)旋轉(zhuǎn)測微頭，流出一滴液體到固體表面，靜等1 s后，單擊“采集當前顯示的圖像”，可采集到液體在固體表面上的圖像。

(8)采用“手工做圓、切線法”，可測出液體在固體表面的接觸角。

3 測試結(jié)果與分析

選取鐵五院安達SFA-I泡沫劑和市場上另外5種常見的盾構(gòu)泡沫劑產(chǎn)品進行常規(guī)理化指標測試，并對其結(jié)果進行分類討論與分析。

3.1 泡沫劑密度、粘度、pH值測試結(jié)果與分析

首先對泡沫劑的運動粘度、旋轉(zhuǎn)粘度、pH值、密度進行測試，結(jié)果如表1所示。

表1 不同品牌泡沫劑理化性能指標(一)

根據(jù)表1所示結(jié)果，可得出以下結(jié)論:

(1)泡沫劑運動粘度和旋轉(zhuǎn)粘度范圍基本在1.9～2.5 mm2/s和6～14 mPa·s之間，二者粘度大小關(guān)系并未保持相同變化趨勢。因此，市場現(xiàn)有泡沫劑粘度指標需要用統(tǒng)一標準來對比，否則容易造成指標混亂。

(2)從pH測試結(jié)果來看，安達SFA-I與盤天、BASF泡沫劑的pH在7～8之間，呈弱堿性，對環(huán)境影響較小，武漢慈緣堿性強，對環(huán)境影響較大。

(3)密度范圍基本在0.98～1.035 g/cm3之間。

3.2 泡沫劑吸光度、透過率、表面張力結(jié)果與分析

針對不同泡沫劑的吸光度、透過率、表面張力進行測試，結(jié)果如表2所示。

表2 不同品牌泡沫劑理化性能指標(二)

根據(jù)表2所示結(jié)果，可得出以下結(jié)論:

(1)不同泡沫產(chǎn)品吸光度、透過率變化趨勢保持一致，即吸光度越高透過率越低，國內(nèi)外產(chǎn)品透過率普遍在88%以上，呈現(xiàn)良好的透明性。

(2)從表面張力結(jié)果來看，BASF的表面張力最大，羅瑞斯表面張力最小，根據(jù)機理，相同泡沫劑水溶液的表面張力越低其發(fā)泡能力越佳，但從實際應(yīng)用和發(fā)泡效果來看，BASF的發(fā)泡能力明顯優(yōu)于羅瑞斯。該現(xiàn)象說明，在一定范圍表面張力條件下，盾構(gòu)泡沫劑的發(fā)泡性還與設(shè)備的匹配性有關(guān)，表面張力只能作為衡量泡沫劑本身起泡能力的必要指標，不能作為盾構(gòu)泡沫劑性能對比的充分條件。從檢測結(jié)果來看，泡沫劑2.5%稀釋液表面張力合理范圍在28～36 mN/m之間。

3.3 泡沫劑發(fā)泡能力、半衰期測試結(jié)果與分析

針對不同泡沫劑的膨脹率、實際發(fā)泡倍率、半衰期進行測試，結(jié)果如表3所示，并得出以下結(jié)論:

表3 不同品牌泡沫劑發(fā)泡能力與衰期指標

(1)不同品牌盾構(gòu)泡沫劑發(fā)泡過程中，在氣路壓力和液路壓力固定的條件下泡沫劑的氣體流量不同，說明盾構(gòu)泡沫劑在發(fā)泡過程會引起管路氣體流量的變化，進而引起膨脹比的變化。

(2)從結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，明潔和武漢慈緣的膨脹率最大，實際發(fā)泡倍率最小；安達SFA-I和BASF的膨脹率最小，實際發(fā)泡倍率最大。其中將膨脹率作為理論發(fā)泡倍率，與實際發(fā)泡倍率對比發(fā)現(xiàn)，明潔和武漢慈緣差值最大，即發(fā)泡過程中膨脹損失率最高。

(3)安達SFA-I和BASF的理論發(fā)泡倍率與實際發(fā)泡倍率差值最小，發(fā)泡過程中的膨脹損失率最低，效果最佳。研究機理發(fā)現(xiàn)，泡沫劑的發(fā)泡能力會反過來影響管路氣體流量變化，泡沫發(fā)泡能力越強，對氣體阻力越大，反之泡沫發(fā)泡性能越弱，管路中氣體流量越大，氣體的實際發(fā)泡倍率越低。

(4)泡沫劑實際發(fā)泡倍率范圍一般在12～18倍之間。因?qū)嶋H盾構(gòu)施工中，泡沫發(fā)生裝置通過控制流量來控制發(fā)泡，范圍一般在8～16倍之間。所以，部分泡沫劑會因膨脹損失率太高而發(fā)生無法發(fā)泡的情況，此時需要通過進一步增大氣流量來調(diào)節(jié)發(fā)泡，造成能源的浪費，通常來說，膨脹損失率應(yīng)控制在10以內(nèi)。

(5)由上述結(jié)論可知安達SFA-I和BASF與盾構(gòu)發(fā)泡裝置適配性最佳，發(fā)泡效果最好。此外，由表中數(shù)據(jù)可以得出半衰期一般在7～10 min，安達SFA-I半衰期時間最長，穩(wěn)定性最佳。

3.4 泡沫劑與黏土接觸角測試結(jié)果與分析

將泡沫劑稀釋液溶液在土體表面作接觸角測試，通過測定接觸角，計算其粘附功、浸濕功、鋪展系數(shù)，有助于了解泡沫劑溶液與土體作用機理和作用過程。

首先對純水溶液在黏土表面的接觸角進行測定，測試結(jié)果為0，即水在黏土表面會迅速吸收和潤濕，之后對不同濃度泡沫劑溶液進行測定，最終以濃度2.5%作為測試標準，測試結(jié)果如表4所示。

表4 不同品牌泡沫劑接觸角、粘附功、鋪展系數(shù)、浸濕功

根據(jù)表4所示結(jié)果，可得出以下結(jié)論:

(1)相比水溶液在黏土表面會迅速潤濕鋪展，泡沫劑的加入反而會降低水在黏土表面的潤濕能力，并在黏土表面形成液體膜，起到潤滑作用。

(2)從數(shù)據(jù)來看，BASF粘附功最大泡沫溶液與黏土表面作用最強，但其鋪展系數(shù)和浸濕功同樣最大，會造成水膜厚度較薄潤滑不足的情況。明潔粘附功最小，但同樣存在泡沫溶液與黏土結(jié)合度不足的問題。安達SFA-I產(chǎn)品各項參數(shù)相對均衡，而且具備優(yōu)良的發(fā)泡性能，綜合效果最佳。

4 結(jié)論

(1)測定了盾構(gòu)泡沫劑的各項理化指標，并給出了合理指標區(qū)間，同時進行了分析論證，其中運動粘度和旋轉(zhuǎn)粘度范圍在1.9～2.5 mm2/s和6～14 mPa·s之間；pH范圍在6.5～8之間；密度范圍在0.98～1.035 g/cm3之間；2.5%泡沫劑稀釋液表面張力范圍在28～36 mN/m之間。

(2)本文通過測試發(fā)現(xiàn)，在相同的參數(shù)設(shè)置下，泡沫膨脹率與實際發(fā)泡倍率不同，繼而提出發(fā)泡膨脹損失率這一指標，發(fā)泡膨脹損失率越大，泡沫實際發(fā)泡能力越差。因而，在實際中部分泡沫發(fā)生裝置于8～16膨脹率設(shè)置條件下，部分泡沫劑因自身膨脹損失率高，存在無法起泡的情況，結(jié)合實際情況，膨脹損失率應(yīng)低于10。

(3)半衰期測試結(jié)果表明，國內(nèi)外泡沫產(chǎn)品半衰期均在7～10 min之間，大于7.5 min即可評為優(yōu)良，其中安達SFA-I半衰期時間最長，穩(wěn)定性最佳。

(4)通過表面張力、接觸角等指標測試，計算得出泡沫劑在黏土表面作用的粘附功、鋪展系數(shù)、浸濕功，通過對比純水溶液在黏土表面作用和接觸角大小，我們發(fā)現(xiàn)泡沫溶液降低了水在黏土表面的潤濕能力，并在黏土表面形成液膜，起到良好的潤滑作用。并且通過鋪展系數(shù)和接觸角等參數(shù)可以對比出黏土表面水膜的厚度，通過粘附功和浸濕功的比較可以對比不同泡沫劑溶液與黏土表面結(jié)合度的大小，結(jié)果表明鐵五院安達SFA-I產(chǎn)品各項參數(shù)相對均衡，而且具備優(yōu)良的發(fā)泡性能，綜合效果最佳。