盾构泡沫剂的性能指标测试与分析

谢宇飞

(1.中铁第五勘察设计院集团有限公司 北京 102600；2.北京中铁新材料技术有限公司 北京 102600)

1 引言

经过40多年的发展，盾构泡沫剂已经成为渣土改良中应用最广泛的材料[1]，随着国内轨道交通和基础设施建设的加速推进，盾构泡沫剂产品在应用方面积累了丰富的技术经验，这也进一步推动了该产品的研发和改进[2]，特别在产品功能化和特殊地层针对性方面的研究有了长足的进展，如砂卵石等疏水地层改良常用聚合型泡沫剂，黏土地层改良常用的分散型泡沫剂，以及粉土、粉沙、中微风化地层等常用的通用型泡沫剂等[3]。虽然盾构泡沫剂在土体改良和应用技术方面的研究成果显著，但在一些难险地层的盾构施工中依旧问题频频，严重时甚至引发刀盘结泥饼、刀具严重磨损、土压失衡等高风险[4]。

对这一现状，究其原因，是相关人员对渣土改良及改良剂的认识多有不足。特别是盾构泡沫剂方面，至今也没有形成可行的行业标准[5]。目前，国内大部分企业依旧直接沿用国外产品技术指标作为企业标准[6]，产品实际参数指标与产品说明相差大，甚至完全不适用。这种情况，在实际应用中极易对一线施工造成误导[7]。同时，由于产品指标和相关技术参数选取的分歧，也进一步加剧了市场中无度的恶性竞争，给施工单位形成极大的困扰[8]。基于这一现状，本文对市场上最具备影响力的6种泡沫产品进行了产品的性能指标检测与分析，并增加了泡沫液与黏土接触角、泡沫膨胀损失率等两项指标展开进一步研究，以期为行业标准的出台提供技术支持[9]。

2 测试指标、仪器与方法

2.1 测试指标

目前，盾构泡沫剂通用的性能指标包括密度、运动粘度、旋转粘度、pH值、半衰期[10]，本文引入指标包括表面张力、吸光度、透过率和反射率，提出两项指标包括泡沫膨胀损失率、泡沫液与黏土接触角。

2.2 测试仪器

通用仪器包括电子密度计(鹭工/MH-300A)，运动粘度计(上海吉昌/SYD-265H)、旋转粘度计(IKA/ROTAVISC lo-vi Complete)、pH计(上海雷磁/PH-25)、接触角测试仪(晟鼎精密/SDC-350)、紫外－分光光度计(岛津UV-1900)。

自制设备泡沫发生装置[11](铁五院/ANDASF1)、半衰期测试装置[12](铁五院/ANDA-BS1)，如图1、图2所示。

图1 泡沫发生装置

图2 半衰期测试装置

2.3 测试方法

密度、粘度、pH值、表面张力、吸光度、透过率、反射率等，按照国家颁布测试标准测试，不再赘述。泡沫膨胀损失率、泡沫半衰期、泡沫液与黏土接触角根据自制设备进行。

2.3.1 泡沫膨胀损失率测试方法

泡沫膨胀损失率，即理论膨胀率与实际膨胀倍率的差值，差值越大，泡沫发泡越困难。具体操作方法如下:

(1)将泡沫剂原液稀释至2.5%浓度，采用泡沫发生装置准备发泡试验。

(2)设置气体流量，液体流量参数，二者参数之比即为理论膨胀率。

(3)启动发泡设备发泡，采用量杯称取泡沫，同时测定其质量和泡沫体积，根据泡沫密度可计算出泡沫液的体积，称取泡沫体积与泡沫液体积之比，即实际发泡倍率。

(4)计算，泡沫膨胀损失率＝理论发泡倍率－实际发泡倍率。

2.3.2 泡沫半衰期测试方法

(1)将泡沫剂原液稀释至2.5%浓度，采用泡沫发生装置进行发泡。

(2)采用带有细纱网的半衰期量取，称取50 g泡沫，将其静置于测试装置上，检测泡沫质量流失一半时的时间，即泡沫半衰期。

2.3.3 泡沫液与黏土接触角测试方法

配置适量2.5%浓度泡沫溶液，进行泡沫液与黏土表面接触角测定，测试方法如下:

(1)将黏土样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)将压片模具放在压片机上，关闭放气阀，然后上下压动压杆，使压力升至1 bar，压力在此数值下保持2 min，放气，取出压片，将其放在玻璃片上测定。

(3)打开接触角测定软件，打开仪器的光源旋钮，顺时针旋转可看到光源亮度逐渐增强，根据电脑显示的图像，调节光源的亮度。

(4)调整滴液(液体为预处理的2.5%泡沫液体)针头，使其出现在图像的中间，调整调节手轮，直到图像清晰。

(5)将玻璃注射器装满液体，安装在固定架上。旋转测微头直至可将液体流出。

(6)将准备好的样品放在玻璃片上，然后将玻璃片放在工作台上。工作台可通过旋钮上、下、左、右移动，以使其物像出现在光源中心。

(7)旋转测微头，流出一滴液体到固体表面，静等1 s后，单击“采集当前显示的图像”，可采集到液体在固体表面上的图像。

(8)采用“手工做圆、切线法”，可测出液体在固体表面的接触角。

3 测试结果与分析

选取铁五院安达SFA-I泡沫剂和市场上另外5种常见的盾构泡沫剂产品进行常规理化指标测试，并对其结果进行分类讨论与分析。

3.1 泡沫剂密度、粘度、pH值测试结果与分析

首先对泡沫剂的运动粘度、旋转粘度、pH值、密度进行测试，结果如表1所示。

表1 不同品牌泡沫剂理化性能指标(一)

根据表1所示结果，可得出以下结论:

(1)泡沫剂运动粘度和旋转粘度范围基本在1.9～2.5 mm2/s和6～14 mPa·s之间，二者粘度大小关系并未保持相同变化趋势。因此，市场现有泡沫剂粘度指标需要用统一标准来对比，否则容易造成指标混乱。

(2)从pH测试结果来看，安达SFA-I与盘天、BASF泡沫剂的pH在7～8之间，呈弱碱性，对环境影响较小，武汉慈缘碱性强，对环境影响较大。

(3)密度范围基本在0.98～1.035 g/cm3之间。

3.2 泡沫剂吸光度、透过率、表面张力结果与分析

针对不同泡沫剂的吸光度、透过率、表面张力进行测试，结果如表2所示。

表2 不同品牌泡沫剂理化性能指标(二)

根据表2所示结果，可得出以下结论:

(1)不同泡沫产品吸光度、透过率变化趋势保持一致，即吸光度越高透过率越低，国内外产品透过率普遍在88%以上，呈现良好的透明性。

(2)从表面张力结果来看，BASF的表面张力最大，罗瑞斯表面张力最小，根据机理，相同泡沫剂水溶液的表面张力越低其发泡能力越佳，但从实际应用和发泡效果来看，BASF的发泡能力明显优于罗瑞斯。该现象说明，在一定范围表面张力条件下，盾构泡沫剂的发泡性还与设备的匹配性有关，表面张力只能作为衡量泡沫剂本身起泡能力的必要指标，不能作为盾构泡沫剂性能对比的充分条件。从检测结果来看，泡沫剂2.5%稀释液表面张力合理范围在28～36 mN/m之间。

3.3 泡沫剂发泡能力、半衰期测试结果与分析

针对不同泡沫剂的膨胀率、实际发泡倍率、半衰期进行测试，结果如表3所示，并得出以下结论:

表3 不同品牌泡沫剂发泡能力与衰期指标

(1)不同品牌盾构泡沫剂发泡过程中，在气路压力和液路压力固定的条件下泡沫剂的气体流量不同，说明盾构泡沫剂在发泡过程会引起管路气体流量的变化，进而引起膨胀比的变化。

(2)从结果可以发现，明洁和武汉慈缘的膨胀率最大，实际发泡倍率最小；安达SFA-I和BASF的膨胀率最小，实际发泡倍率最大。其中将膨胀率作为理论发泡倍率，与实际发泡倍率对比发现，明洁和武汉慈缘差值最大，即发泡过程中膨胀损失率最高。

(3)安达SFA-I和BASF的理论发泡倍率与实际发泡倍率差值最小，发泡过程中的膨胀损失率最低，效果最佳。研究机理发现，泡沫剂的发泡能力会反过来影响管路气体流量变化，泡沫发泡能力越强，对气体阻力越大，反之泡沫发泡性能越弱，管路中气体流量越大，气体的实际发泡倍率越低。

(4)泡沫剂实际发泡倍率范围一般在12～18倍之间。因实际盾构施工中，泡沫发生装置通过控制流量来控制发泡，范围一般在8～16倍之间。所以，部分泡沫剂会因膨胀损失率太高而发生无法发泡的情况，此时需要通过进一步增大气流量来调节发泡，造成能源的浪费，通常来说，膨胀损失率应控制在10以内。

(5)由上述结论可知安达SFA-I和BASF与盾构发泡装置适配性最佳，发泡效果最好。此外，由表中数据可以得出半衰期一般在7～10 min，安达SFA-I半衰期时间最长，稳定性最佳。

3.4 泡沫剂与黏土接触角测试结果与分析

将泡沫剂稀释液溶液在土体表面作接触角测试，通过测定接触角，计算其粘附功、浸湿功、铺展系数，有助于了解泡沫剂溶液与土体作用机理和作用过程。

首先对纯水溶液在黏土表面的接触角进行测定，测试结果为0，即水在黏土表面会迅速吸收和润湿，之后对不同浓度泡沫剂溶液进行测定，最终以浓度2.5%作为测试标准，测试结果如表4所示。

表4 不同品牌泡沫剂接触角、粘附功、铺展系数、浸湿功

根据表4所示结果，可得出以下结论:

(1)相比水溶液在黏土表面会迅速润湿铺展，泡沫剂的加入反而会降低水在黏土表面的润湿能力，并在黏土表面形成液体膜，起到润滑作用。

(2)从数据来看，BASF粘附功最大泡沫溶液与黏土表面作用最强，但其铺展系数和浸湿功同样最大，会造成水膜厚度较薄润滑不足的情况。明洁粘附功最小，但同样存在泡沫溶液与黏土结合度不足的问题。安达SFA-I产品各项参数相对均衡，而且具备优良的发泡性能，综合效果最佳。

4 结论

(1)测定了盾构泡沫剂的各项理化指标，并给出了合理指标区间，同时进行了分析论证，其中运动粘度和旋转粘度范围在1.9～2.5 mm2/s和6～14 mPa·s之间；pH范围在6.5～8之间；密度范围在0.98～1.035 g/cm3之间；2.5%泡沫剂稀释液表面张力范围在28～36 mN/m之间。

(2)本文通过测试发现，在相同的参数设置下，泡沫膨胀率与实际发泡倍率不同，继而提出发泡膨胀损失率这一指标，发泡膨胀损失率越大，泡沫实际发泡能力越差。因而，在实际中部分泡沫发生装置于8～16膨胀率设置条件下，部分泡沫剂因自身膨胀损失率高，存在无法起泡的情况，结合实际情况，膨胀损失率应低于10。

(3)半衰期测试结果表明，国内外泡沫产品半衰期均在7～10 min之间，大于7.5 min即可评为优良，其中安达SFA-I半衰期时间最长，稳定性最佳。

(4)通过表面张力、接触角等指标测试，计算得出泡沫剂在黏土表面作用的粘附功、铺展系数、浸湿功，通过对比纯水溶液在黏土表面作用和接触角大小，我们发现泡沫溶液降低了水在黏土表面的润湿能力，并在黏土表面形成液膜，起到良好的润滑作用。并且通过铺展系数和接触角等参数可以对比出黏土表面水膜的厚度，通过粘附功和浸湿功的比较可以对比不同泡沫剂溶液与黏土表面结合度的大小，结果表明铁五院安达SFA-I产品各项参数相对均衡，而且具备优良的发泡性能，综合效果最佳。