一种泥岩和黏土地质盾构渣土改良分散剂及其制备与应用
阅读说明：本技术 一种泥岩和黏土地质盾构渣土改良分散剂及其制备与应用 (Mudstone and clay geological shield muck improvement dispersant, and preparation and application thereof ) 是由 杨基好 白建军 张转转 陈雷 刘祎 刘顿 贾兴文 杨永庆 于 2021-08-16 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种泥岩和黏土地质盾构渣土改良分散剂,包括：降粘附分散组分1～2份,渗透分散组分1.5～3.5份,包裹分散组分1.0～2.5份,络合组分0.1～0.5份,pH值调控组分0.1～0.3份,稳定组分0.3～0.8份,保鲜组分0.2～0.5份,水89.9～95.8份。本发明还提供了一种上述分散剂的制备方法与应用。本发明优点在于：利用降粘附分散组分降低黏土在刀盘表面的粘附力以阻止泥饼生成,利用渗透分散组分的渗透吸附实现早期黏土颗粒分散,然后借助包裹分散组分对泥岩块体包裹阻聚作用,赋予土体较大的压缩特性,达到长时分散效果；将该分散剂配合泡沫剂使用,可有效解决刀盘结泥饼问题。(The invention provides a mudstone and clay geological shield muck improvement dispersant, which comprises the following components: 1-2 parts of adhesion-reducing dispersing component, 1.5-3.5 parts of penetrating dispersing component, 1.0-2.5 parts of wrapping dispersing component, 0.1-0.5 part of complexing component, 0.1-0.3 part of pH value regulating component, 0.3-0.8 part of stabilizing component, 0.2-0.5 part of fresh-keeping component and 89.9-95.8 parts of water. The invention also provides a preparation method and application of the dispersant. The invention has the advantages that: viscosity reduction and adhesion dispersion components are used for reducing the adhesion force of clay on the surface of a cutter head so as to prevent mud cakes from being generated, the permeation adsorption of permeation dispersion components is used for realizing early clay particle dispersion, and then the wrapping dispersion components are used for wrapping and inhibiting polymerization of mud rock blocks, so that the soil body is endowed with a larger compression characteristic, and a long-term dispersion effect is achieved; the dispersant is matched with a foaming agent for use, so that the problem of mud cake formation of a cutter head can be effectively solved.)
技术领域
本发明涉及工程材料技术领域，尤其涉及一种泥岩和黏土地质盾构渣土改良分散剂及其制备与应用。
背景技术
土压平衡盾构施工中，为改善刀盘前端和土仓内土体的塑流特性，常用方法是采用泡沫剂对切削后的土体进行渣土改良，以达到排渣顺畅、开挖面稳定和推力适中的功效。但针对泥岩和黏土类地质，若直接采用普通泡沫剂进行改良，虽然可提升渣土流动性，但由于并未较好的改变泥岩和黏土颗粒极易吸附刀盘的特征，并且不能很好地增大土体的压缩性，仍会导致泥岩和黏土地质盾构施工时极易出现刀盘结泥饼的现象，导致刀盘前端渣土无法及时排除，严重影响此类地质盾构施工效率，也增大了刀具磨损情况。为此，寻求合适的技术方案，解决泥岩和黏土地质盾构施工时极易出现刀盘结泥饼的难题，是保证盾构施工质量的重要举措。
专利CN112342028 A公开了一种盾构分散剂及其制备方法和应用，此专利公布的分散剂主要由螯合剂、阴离子表面活性剂、两性表面活性剂、陶瓷分散剂、渗透剂和水复合而成；将该分散剂与泡沫剂联用，可赋予泡沫剂一定的分散功能。专利CN 109628073A公开了一种黏土分散剂及其制备方法，此专利公布的分散剂主要成分为表面活性剂、扩散剂、渗透剂、强化剂和剥除剂；该专利的主要技术思路是利用分散剂(与泡沫剂联用)对黏土颗粒的快速渗透、吸附和分解作用，达到黏性土质迅速由刀盘表面剥落的功效；但该专利分散剂对低渗透性黏土分散效果不明确。
目前，可检索的文献和专利提供的技术方案中，整体技术思路是通过分散组分快速渗透和吸附于土颗粒表面，以降低黏土颗粒与金属刀盘的黏结力，达到有效缓解“结泥饼”的功效。但“结泥饼”主要由两方面因素决定：(1)刀盘对土颗粒的吸附；(2)土体压缩性过小。目前的技术方案仅仅克服了第一个因素，对于第二个因素-如何提升黏性土体的压缩特性，则并未提供明确的技术思路与技术方案。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种分散速度快、持续时间长、腐蚀性小、安全性强的泥岩和黏土地质盾构渣土改良分散剂及其制备方法与应用，将该分散剂配合普通泡沫剂共同使用，可实现泥岩和黏土颗粒的快速分散、增大土体可压缩性，从而有效解决刀盘“结泥饼”现象。
本发明采用以下技术方案解决上述技术问题：
一种泥岩和黏土地质盾构渣土改良分散剂，包括如下重量份数的原料：降粘附分散组分1～2份，渗透分散组分1.5～3.5份，包裹分散组分1.0～2.5份，络合组分0.1～0.5份，pH值调控组分0.1～0.3份，稳定组分0.3～0.8份，保鲜组分0.2～0.5份，水89.9～95.8份。
本发明利用“降粘附分散组分”的快速吸附降低黏土在刀盘金属表面的粘附力阻止泥饼生成，利用“渗透分散组分”的渗透吸附实现早期黏土颗粒分散，然后借助“包裹分散组分”对泥岩(或黏土)块体包裹阻聚作用，赋予土体具备较大的压缩特性，以达到长时分散的效果。
作为本发明的优选方式之一，所述降粘附分散组分为聚丙烯酸钠盐和聚羧酸钠盐的一种或两种混合物；并且，所述聚丙烯酸钠盐的分子量为10000～200000，所述聚羧酸钠盐的分子量为100000～300000。
作为本发明的优选方式之一，所述渗透分散组分为顺丁烯二酸二仲辛酯磺酸钠、硫酸化蓖麻油、琥珀酸烷基酯磺酸钠、α-烯基磺酸钠中的一种或多种混合物。
作为本发明的优选方式之一，所述包裹分散组分为阴离子聚丙烯酰胺和聚乙烯醇中的一种；并且，所述阴离子聚丙烯酰胺的分子量为300万～500万，所述聚乙烯醇的分子量不低于10万。
作为本发明的优选方式之一，所述络合组分为氨基三甲叉膦酸四钠、羟基乙叉二膦酸钠和乙二胺四甲叉膦酸钠中的一种。
作为本发明的优选方式之一，所述pH值调控组分为NaOH和NaHCO3中的一种。
作为本发明的优选方式之一，所述稳定组分为瓜尔胶和黄原胶中的一种。
作为本发明的优选方式之一，所述保鲜组分为苯甲酸钠和壳聚糖中的一种；并且，所述壳聚糖的脱乙酰度为70％～85％。
一种上述泥岩和黏土地质盾构渣土改良分散剂的制备方法，包括如下步骤：
(1)将搅拌釜中的水温升至60～70℃并持续保持，将稳定组分边搅拌边投入，搅拌速度为100～200r/min，持续保温搅拌0.5h，然后停止搅拌并降温；
(2)按照上述重量份数称取各原料，待步骤(1)获得的溶液冷却至35℃以下后，向其中一次性投入降粘附分散组分、渗透分散组分、包裹分散组分、络合组分、保鲜组分，然后持续搅拌1h，搅拌速度为200～300r/min；
(3)向步骤(2)获得的溶液中投入上述重量份数的pH值调控组分，并持续搅拌15～30min，搅拌速度100～150r/min，最终得到目标所需的泥岩和黏土地质盾构渣土改良分散剂。
一种上述泥岩和黏土地质盾构渣土改良分散剂的应用，将所述分散剂与泡沫剂按照质量比(8～13)：100进行混合，再共同用于泥岩和黏土地质盾构渣土的改良。
本发明的主要技术原理：
(1)“降粘附分散组分”采用了带羧基官能团的中等分子量的聚丙烯酸类和聚羧酸类聚合物，其具备快速吸附土体颗粒表面的特性，快速改变了土颗粒表面的电荷特性，降低了土颗粒与金属表面的粘附力，阻止切削下来的土颗粒快速在刀盘表面富集粘附，打破了泥饼形成的第一要素；
(2)“渗透组分”利用盾构切削作用产生的微裂缝渗透进入土颗粒内部，使原本黏结的土颗粒分解，并吸附于土颗粒表面，使带氢键的官能团伸向水溶液中，在土颗粒表面形成一层水膜，阻止颗粒的团结，同时增大土颗粒见的空间距离，增大土体的可压缩性；
(3)“包裹分散组分”充分发挥其包裹和增滑功能；本发明采用的包裹分散组分优选的聚合物分子量适中，具有快速溶解于水的特性，与大的土颗粒接触后，可迅速包裹土颗粒，降低土颗粒间的粘聚力和摩擦角，达到长时分散土颗粒，增大土体可压缩性的特性，使刀盘前端的土体受到压缩后不易出现板结现象，可长效减缓刀盘泥饼的产生；
(4)“络合组分”可络合拌和用水、地下水和泡沫剂中水的钙镁离子，降低水中离子对分散剂性能的影响。
本发明相比现有技术的优点在于：
(1)本发明提供的分散剂充分考虑了影响泥饼形成的两个主要因素：一、土颗粒的刀盘金属吸附；二、土体颗粒的压缩特性；本发明通过优选协同使用各类吸附、包裹和润滑组分，提出了“前期降粘结力-中期缩小土颗粒-末期降整个土体粘聚力和摩擦角”的发明路线，显著降低了土颗粒与刀盘金属的粘结力，并增大了土体的可压缩性，实现了分散剂对泥岩和黏土地质的快速和长久分散，解决了传统泡沫剂和分散剂分散性能发挥慢和持续时间短等不足；
(2)本发明提供的分散剂pH值大于7，相对于传统酸型分散剂，可极大的降低对盾构机刀片、土仓和螺旋输送机的腐蚀作用；且分散剂中不含易挥发组分，使用安全性强；
(3)本发明提供的分散剂可联合市场常见泡沫剂共同使用，不需要增加附加的设备，使用掺量(质量掺量)低，仅为泡沫剂的10％左右；相较于传统分散剂，本发明分散剂的使用量显著降低，有助于节约泥岩和黏土地质盾构施工渣土改良成本；
(4)本发明提供的分散剂在盾构切削土体过程，由刀盘前端注入，在刀盘前端即可实时对泥岩和黏土的分散效用；针对泥饼的形成，本发明从根本上做到了前期防治，打破了传统技术后期消除的不足，保证了盾构施工的流畅性，回避了停机分散刀盘泥饼的工艺环节，提升了盾构施工效率，节约盾构了工期，提升盾构施工整个过程的安全性。
具体实施方式
下面结合具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。
以下实施例和对比例所使用的各种原料，如未作特别说明，均为本领域公知的市售产品。其中，泡沫剂购自成都法斯克盾构科技有限公司，型号：FASC泡沫-01。
本发明泥岩和黏土地质盾构渣土改良分散剂，包括如下重量份数的原料：降粘附分散组分1～2份，渗透分散组分1.5～3.5份，包裹分散组分1.0～2.5份，络合组分0.1～0.5份，pH值调控组分0.1～0.3份，稳定组分0.3～0.8份，保鲜组分0.2～0.5份，水89.9～95.8份。
其中，降粘附分散组分为聚丙烯酸钠盐和聚羧酸钠盐的一种或两种混合物；并且，聚丙烯酸钠盐的分子量为10000～200000，聚羧酸钠盐的分子量为100000～300000。
其中，渗透分散组分为顺丁烯二酸二仲辛酯磺酸钠、硫酸化蓖麻油、琥珀酸烷基酯磺酸钠、α-烯基磺酸钠中的一种或多种混合物。
其中，包裹分散组分为阴离子聚丙烯酰胺和聚乙烯醇中的一种；并且，阴离子聚丙烯酰胺的分子量为300万～500万，聚乙烯醇的分子量不低于10万。
其中，络合组分为氨基三甲叉膦酸四钠、羟基乙叉二膦酸钠和乙二胺四甲叉膦酸钠中的一种。
其中，pH值调控组分为NaOH和NaHCO3中的一种。
其中，稳定组分为瓜尔胶和黄原胶中的一种。
其中，保鲜组分为苯甲酸钠和壳聚糖中的一种；并且，壳聚糖的脱乙酰度为70％～85％。
为了便于理解本发明各原料对材料性能的影响，下面提供本发明的7个实施例与4个对比例进行效果对比，各实施例和各对比例的配方如表1所示，其中：降粘附分散组分为分子量10000～200000聚丙烯酸钠盐；渗透分散组分为顺丁烯二酸二仲辛酯磺酸钠；包裹分散组分为分子量300万～500万的阴离子聚丙烯酰胺；络合组分为氨基三甲叉膦酸四钠；pH值调控组分为NaOH；稳定组分为瓜尔胶；保鲜组分为脱乙酰度为70％～85％的壳聚糖。
制备方法相同(对比例中，若原料没有则不添加，步骤仍旧操作)，具体如下：
(1)将搅拌釜中的水温升至65℃并持续保持，将稳定组分边搅拌边投入，搅拌速度为150r/min，持续保温搅拌0.5h，然后停止搅拌并降温；
(2)按照上述重量份数称取各原料，待步骤(1)获得的溶液冷却至35℃以下后，向其中一次性投入降粘附分散组分、渗透分散组分、包裹分散组分、络合组分、保鲜组分，然后持续搅拌1h，搅拌速度为250r/min；
(3)向步骤(2)获得的溶液中投入上述重量份数的pH值调控组分，并持续搅拌20min，搅拌速度120r/min，最终得到目标所需的泥岩和黏土地质盾构渣土改良分散剂。
表1实施例和对比例的组成(单位：重量份)
将实施例1-7和对比例1-4的分散剂分别与传统泡沫剂(FASC泡沫-01)共同使用，用于泥岩和黏土地质盾构渣土改良；各实施例和对比例中分散剂的性能测试结果如表2所示。
表2实施例和对比例中分散剂的性能测试结果
从表2可以看出，实施例1-7为采用本技术方案获得的泥岩和黏土地质盾构渣土改良用分散剂(与传统泡沫剂联用)，其各项性能均满足泥岩和黏土地质盾构施工基本使用要求，且呈现出极好的快速和长效分散效果；而对比例1-4分散剂(与传统泡沫剂联用)以及“仅采用传统泡沫剂”的对照例的性能明显劣于本发明；据此表明，本发明降粘附分散组分、渗透分散组分、包裹分散组分、络合组分、pH值调控组分、稳定组分和保鲜组分中的每种原料均对分散剂的性能具有非常大的影响。
此外，需要说明的是，上述实施例1～7的降粘附分散组分还可更换为分子量为100000～300000的聚羧酸钠盐；渗透分散组分可更换为硫酸化蓖麻油、琥珀酸烷基酯磺酸钠或α-烯基磺酸钠；包裹分散组分可更换为分子量不低于10万聚乙烯醇；络合组分可更换为羟基乙叉二膦酸钠或乙二胺四甲叉膦酸钠；pH值调控组分可更换为NaHCO3；稳定组分可更换为黄原胶；保鲜组分可更换为苯甲酸钠。
同时，制备方法的步骤(1)搅拌速度还可调整为100r/min或200r/min；步骤(2)中的搅拌速度可调整为200r/min或300r/min；步骤(3)中的持续搅拌时间、搅拌速度可分别调整为“持续搅拌15min或30min”，“搅拌速度150r/min或100r/min”。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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