盾構泡沫劑的性能指標測試與分析

謝宇飛

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

1 引言

經過40多年的發展，盾構泡沫劑已經成為渣土改良中應用最廣泛的材料[1]，隨著國內軌道交通和基礎設施建設的加速推進，盾構泡沫劑產品在應用方面積累了豐富的技術經驗，這也進一步推動了該產品的研發和改進[2]，特別在產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、中微風化地層等常用的通用型泡沫劑等[3]。雖然盾構泡沫劑在土體改良和應用技術方面的研究成果顯著，但在一些難險地層的盾構施工中依舊問題頻頻，嚴重時甚至引發刀盤結泥餅、刀具嚴重磨損、土壓失衡等高風險[4]。

對這一現狀，究其原因，是相關人員對渣土改良及改良劑的認識多有不足。特別是盾構泡沫劑方面，至今也沒有形成可行的行業標準[5]。目前，國內大部分企業依舊直接沿用國外產品技術指標作為企業標準[6]，產品實際參數指標與產品說明相差大，甚至完全不適用。這種情況，在實際應用中極易對一線施工造成誤導[7]。同時，由于產品指標和相關技術參數選取的分歧，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]。基于這一現狀，本文對市場上最具備影響力的6種泡沫產品進行了產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，以期為行業標準的出臺提供技術支持[9]。

2 測試指標、儀器與方法

2.1 測試指標

目前，盾構泡沫劑通用的性能指標包括密度、運動粘度、旋轉粘度、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)。

自制設備泡沫發生裝置[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自制設備進行。

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，采用泡沫發生裝置準備發泡試驗。

(2)設置氣體流量，液體流量參數，二者參數之比即為理論膨脹率。

(3)啟動發泡設備發泡，采用量杯稱取泡沫，同時測定其質量和泡沫體積，根據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，即實際發泡倍率。

(4)計算，泡沫膨脹損失率＝理論發泡倍率－實際發泡倍率。

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，采用泡沫發生裝置進行發泡。

(2)采用帶有細紗網的半衰期量取，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，關閉放氣閥，然后上下壓動壓桿，使壓力升至1 bar，壓力在此數值下保持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，順時針旋轉可看到光源亮度逐漸增強，根據電腦顯示的圖像，調節光源的亮度。

(4)調整滴液(液體為預處理的2.5%泡沫液體)針頭，使其出現在圖像的中間，調整調節手輪，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，以使其物像出現在光源中心。

(7)旋轉測微頭，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種常見的盾構泡沫劑產品進行常規理化指標測試，并對其結果進行分類討論與分析。

3.1 泡沫劑密度、粘度、pH值測試結果與分析

首先對泡沫劑的運動粘度、旋轉粘度、pH值、密度進行測試，結果如表1所示。

表1 不同品牌泡沫劑理化性能指標(一)

根據表1所示結果，可得出以下結論:

(1)泡沫劑運動粘度和旋轉粘度范圍基本在1.9～2.5 mm2/s和6～14 mPa·s之間，二者粘度大小關系并未保持相同變化趨勢。因此，市場現有泡沫劑粘度指標需要用統一標準來對比，否則容易造成指標混亂。

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

(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，結果如表2所示。

表2 不同品牌泡沫劑理化性能指標(二)

根據表2所示結果，可得出以下結論:

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

(2)從表面張力結果來看，BASF的表面張力最大，羅瑞斯表面張力最小，根據機理，相同泡沫劑水溶液的表面張力越低其發泡能力越佳，但從實際應用和發泡效果來看，BASF的發泡能力明顯優于羅瑞斯。該現象說明，在一定范圍表面張力條件下，盾構泡沫劑的發泡性還與設備的匹配性有關，表面張力只能作為衡量泡沫劑本身起泡能力的必要指標，不能作為盾構泡沫劑性能對比的充分條件。從檢測結果來看，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 泡沫劑發泡能力、半衰期測試結果與分析

針對不同泡沫劑的膨脹率、實際發泡倍率、半衰期進行測試，結果如表3所示，并得出以下結論:

表3 不同品牌泡沫劑發泡能力與衰期指標

(1)不同品牌盾構泡沫劑發泡過程中，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，說明盾構泡沫劑在發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)從結果可以發現，明潔和武漢慈緣的膨脹率最大，實際發泡倍率最小；安達SFA-I和BASF的膨脹率最小，實際發泡倍率最大。其中將膨脹率作為理論發泡倍率，與實際發泡倍率對比發現，明潔和武漢慈緣差值最大，即發泡過程中膨脹損失率最高。

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

(4)泡沫劑實際發泡倍率范圍一般在12～18倍之間。因實際盾構施工中，泡沫發生裝置通過控制流量來控制發泡，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生無法發泡的情況，此時需要通過進一步增大氣流量來調節發泡，造成能源的浪費，通常來說，膨脹損失率應控制在10以內。

(5)由上述結論可知安達SFA-I和BASF與盾構發泡裝置適配性最佳，發泡效果最好。此外，由表中數據可以得出半衰期一般在7～10 min，安達SFA-I半衰期時間最長，穩定性最佳。

3.4 泡沫劑與黏土接觸角測試結果與分析

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，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、浸濕功

根據表4所示結果，可得出以下結論:

(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)從數據來看，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合度不足的問題。安達SFA-I產品各項參數相對均衡，而且具備優良的發泡性能，綜合效果最佳。

4 結論

(1)測定了盾構泡沫劑的各項理化指標，并給出了合理指標區間，同時進行了分析論證，其中運動粘度和旋轉粘度范圍在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)本文通過測試發現，在相同的參數設置下，泡沫膨脹率與實際發泡倍率不同，繼而提出發泡膨脹損失率這一指標，發泡膨脹損失率越大，泡沫實際發泡能力越差。因而，在實際中部分泡沫發生裝置于8～16膨脹率設置條件下，部分泡沫劑因自身膨脹損失率高，存在無法起泡的情況，結合實際情況，膨脹損失率應低于10。

(3)半衰期測試結果表明，國內外泡沫產品半衰期均在7～10 min之間，大于7.5 min即可評為優良，其中安達SFA-I半衰期時間最長，穩定性最佳。

(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、浸濕功，通過對比純水溶液在黏土表面作用和接觸角大小，我們發現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。并且通過鋪展系數和接觸角等參數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合度的大小，結果表明鐵五院安達SFA-I產品各項參數相對均衡，而且具備優良的發泡性能，綜合效果最佳。