用于盾构施工的泡沫材料优化设计*

2014-09-20

建筑施工 2014年4期

上海建工集团工程研究总院上海 201114

1 泡沫材料性能评价方法

泡沫材料一般由发泡剂和稳泡剂组成，评价泡沫材料的性能，主要是对其发泡能力和泡沫稳定性进行表征与对比[1]。在一般工业领域，常用的泡沫性能评价方法主要是Ross-Miles法、搅拌法、气流法、电导率法[2]。

本研究选用Waring Blender搅动法[3]，该法操作简单，泡沫材料用量少，实验周期短，实验结果可重复性高。美国工业界将其作为标准评价方法之一。图1为实验装置。

试验时，在搅拌杯中加入初始体积为V0（200 ml）的一定浓度的泡沫材料，通过搅拌器叶轮在泡沫液中高速旋转（＞1 000 r/min），空气进入泡沫液而形成泡沫流体。搅拌60 s后停止搅拌，记录产生的泡沫体积V，泡沫体积与发泡溶液体积之比V/V0即记为泡沫材料的发泡倍率，表征其发泡能力。从停止搅拌时立即开始计时，记录从泡沫中析出V0/2（100 ml）液体的时间作为泡沫材料的半衰期，用于衡量泡沫材料的稳定性。

2 发泡剂的筛选

常用的发泡剂主要是阴离子型发泡剂，包括烷基苯磺酸盐、烷基硫酸盐、烷基磺酸盐、乙氧基化烷基硫酸盐等[4]，本研究选择了DXY、SL95、SKD和SK1四种材料进行发泡实验与评价，测定其发泡倍率与半衰期，并与市场上的发泡剂产品CDT进行对比研究，筛选出发泡能力好、稳定性高的发泡剂作为盾构施工中用泡沫材料的主剂。

DXY即使在较高浓度下其发泡能力也比较差，而且其泡沫稳定性也不够理想。SL95在较低浓度下就具有较强的发泡能力，随着浓度的增加，其发泡能力很难再有更大提高；而且其产生的泡沫质量较差，存在不少粗大的泡沫，泡沫尺寸分布范围比较大，其半衰期也很短，析液很快。SKD的发泡能力较强，随着浓度的增加，其发泡能力略有提高，但幅度不大，其半衰期也基本随着浓度增大而增大。SK1具有较强的发泡能力和较好的稳定性，其发泡能力随着浓度的增大而明显增强，且达到较强发泡能力时浓度比较低，稳定性也随着浓度的增大而提高。可见，SKD和SK1比较适合用作泡沫材料的发泡剂。

我们通过对比市场产品CDT[5]，进一步研究SKD和SK1的泡沫性能，分别绘出了三者发泡倍率和半衰期相对于掺量的变化曲线图，如图1～图3所示。

图1 SKD泡沫性能变化曲线

图2 SK1泡沫性能变化曲线

图3 CDT泡沫性能变化曲线

由图1～图3中发泡倍率随发泡剂掺量变化的曲线可见，随着发泡剂浓度的增大，发泡倍率也相应地增大，但到一定浓度，发泡倍率增大，速度减缓。事实上，所有发泡剂都存在一个临界胶束浓度，超过这个浓度时，发泡倍率将不再增大。这一方面是由于溶液表面张力不再变化，体系表面能趋于不变；另一方面，泡沫是一个热力学不稳定体系，泡沫破裂伴随着整个泡沫的生成过程，在达到临界胶束浓度后，起泡和破泡存在平衡，溶液起泡性不再增加。

另一方面，泡沫的稳定性总体上也随着发泡剂浓度的增大而增大，当发泡剂浓度小于临界胶束浓度时，随着浓度的增加，溶液的表面张力减小，表面活性增加，但形成的泡沫稳定性较差。当浓度高于临界胶束浓度时，随着浓度的增加，溶液的表面张力不再减小，甚至会稍微增大，但由于发泡剂分子在溶液表面的富集，会形成越来越致密的表面膜，所以形成的泡沫稳定性亦增加。而当浓度增加到一定程度时，形成的泡沫含液量减少，“脆性”增加，泡沫反而会变得不稳定。

不过，图3中的曲线变化似乎并不符合以上规律，这是由于图3中的发泡剂CDT已经事先经过了稀释，所以图中2%的浓度并不是CDT中表面活性剂的有效浓度，而是低于该产品的临界胶束浓度，因此发泡倍率和半衰期都随着发泡剂浓度增加而增加。

由以上实验可知，SKD和SK1是理想的发泡剂。

3 稳泡剂的选择与配方的确定

发泡剂是泡沫材料的主要组成部分，但单一由发泡剂产生的泡沫很难同时具有很好的发泡性能和稳定性，这是因为泡沫的发泡性能与稳定性二者会有相互影响，较高的发泡倍率是牺牲泡沫稳定性为代价的。所以，好的泡沫材料必须同时具备良好的发泡性能和稳定性，亦即稳泡剂。

稳泡剂按照作用方式可分为两类[6]：第一类也是表面活性剂，加入起泡液中，通过协同作用增强表面吸附分子间的相互作用，使表面吸附膜强度增大，以提高薄膜的质量，增加薄膜的弹性，减小泡沫的透气性，从而提高泡沫的稳定性；第二类稳泡剂是增黏（增稠）性稳泡剂，主要是通过提高液相黏度（稠度）来减缓泡沫的排液速率，提高泡沫的稳定性，因而可以明显延长泡沫的半衰期。本研究选择了6 种添加剂进行发泡实验，分别为MVA25、AEO-3、TS、Na-PRT、XG和80A-51。基准溶液采用掺量为0.2%的SK1溶液。

图4～图7分别为MVA25、TS、Na-PRT和80A-51对基准溶液泡沫性能的影响的曲线图。

图4 MVA25对基准溶液泡沫性能的影响

图5 TS对基准溶液泡沫性能的影响

图6 Na-PRT对基准溶液泡沫性能的影响

图7 80A-51对基准溶液泡沫性能的影响

从以上的图可知，加入MVA25后，复配体系的发泡倍率略有减小，而半衰期却没有太大变化，说明MVA25没有明显稳泡作用；而加入AEO-3后，复配体系的发泡倍率与半衰期都减小了，产生了负效应[7]；加入低浓度的TS对复配体系的半衰期影响不大，只有在TS浓度达到0.1%时半衰期才有一定增加，而随着TS浓度的增加，体系的发泡倍率所受负面影响逐渐减小；Na-PRT对复配体系的半衰期有正面作用，但是随着Na-PRT浓度增大，体系发泡倍率则呈减小趋势；XG对体系的半衰期有明显的增加，但是发泡倍率也受到较大负面影响；80A-51的作用与Na-PRT相似，但效果更好，加入掺量为0.05%的80A-51的性能最好，但此时溶液相当黏稠；同时加入TS与80A-51比两者单独作用有更大的半衰期，而发泡倍率与基准溶液相近；同时加入Na-PRT与80A-51半衰期也有一定程度的增大，对发泡倍率的影响更小。

综上所述，0.2%SK1+0.05%80A-51与0.2%SK1+0.03%TS+0.03%80A-51两种配方性能最好，前者适用于黏度要求较高的场合，后者适用于黏度要求一般的场合。

由于0.4%的SKD溶液与0.2%的SK1溶液性质相近，因此上述配方也可用于0.4%的SKD溶液。