CN104785161B - 粘土分散处理剂及制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种粘土分散处理剂及制备工艺，解决了泥水平衡盾构机穿越粘土地层的难题，本发明所公开的粘土分散处理剂由下列重量份的组分制备而成植物蛋白130～200份、植物蛋白酶40～60份、甲酸盐溶液30～40份、聚丙烯酰胺30～40份、甲基萘磺酸钠甲醛缩合物50～70份、泡沫剂60～80份、水300～400份、pH值调节剂。从而明显提高了泥水平衡盾构机的掘进速度。

Description

粘土分散处理剂及制备工艺

技术领域

本发明属于岩土工程技术领域，尤其涉及一种粘土分散处理剂及制备工艺。

背景技术

在河流盾构工程施工经常不可避免的遇见粘土地层，据统计，有80％以上的盾构工程存在粘土地层穿越段，粘土层一般呈紫红色、枯黄、褐黄或灰白色，钙泥质胶结。而在分散处理盾构或类似工程中大量粘土挤压、粘附易形成泥团泥饼。

由于目前，国内外无专门用于分散处理盾构或类似工程大量粘土挤压、粘附形成的泥团泥饼的处理剂。泥水平衡盾构机穿越粘土地层时刀盘与泥水舱内易形成泥饼，包裹刀盘刀具，从而导致推力上升、掘进速度下降、刀具异常加剧、盾构机设备负荷超载等情况，无法持续掘进，长期还会造成刀具磨损严重。进而给盾构工程施工造成很大困难。

发明内容

本发明的目的在于提供一种粘土分散处理剂及制备工艺，用于解决目前盾构工程穿越粘土地层时，刀盘与泥水舱内易形成泥饼包裹刀盘刀具的问题，进而避免了推力上升、掘进速度下降、刀具异常加剧、盾构机设备负荷超载的情况，从而解决了刀具磨损严重以及无法持续掘进的问题。

第一方面，本发明提供了一种粘土分散处理剂，由下列重量份的组分制备而成：植物蛋白130～200份、植物蛋白酶40～60份、甲酸盐溶液30～40份、聚丙烯酰胺30～40份、甲基萘磺酸钠甲醛缩合物50～70份、泡沫剂60～80份、水300～400份、第一剂量的pH值调节剂。

优选的，所述甲酸盐溶液的浓度为40％-50％。

优选的，所述pH值调节剂为浓度40％-50％的碳酸钠溶液。

第二方面，本发明提供了一种制备第一方面任一所述的粘土分散处理剂的方法，包括如下步骤：步骤A：将130～200份植物蛋白、40～60份植物蛋白酶与300～400份水，静置一定时间后，搅拌均匀制成溶液；步骤B：将所述步骤A所得溶液加热到60～75摄氏度后，用pH值调节剂调节pH值到7～8；步骤C：将30～40份甲酸盐和30～40份聚丙烯酰胺加入到所述步骤B所得溶液中，搅拌反应90-130分钟；步骤D：用pH调节剂将所述步骤C所得溶液的pH值调节到7～8；步骤E:将50～70份甲基萘磺酸钠甲醛缩合加入到所述步骤D所得溶液中，搅拌反应45-60分钟；步骤F：将所述步骤E所得溶液降至常温后，加入60～80份泡沫剂并搅拌均匀。

优选的，所述pH值调节剂为浓度40％-50％的碳酸钠溶液。

优选的，所述搅拌反应在恒温40℃进行。

第三方面，第一方面所述的任一种粘土分散处理剂，应用于泥水平衡盾构机的盾构进浆浆液中。

本发明通过实施例所提供的盾构工程粘土分散处理剂及配制工艺，所制备的粘土分散处理剂提高盾构穿越粘土地层的流动性和润滑性，避免了刀盘与泥水舱内形成泥饼包裹刀盘刀具，能够持续掘进，明显提高了掘进速度，同时有效减小了磨损。

附图说明

图1为添加本发明实施例的粘土分散处理剂后盾构掘进参数变化曲线图。

具体实施方式

为了解决现有技术中目前盾构工程穿越粘土地层时，刀盘与泥水舱内易形成泥饼包裹刀盘刀具的问题，本发明提供了一种粘土分散处理剂，总的思路如下：

由下列重量份的组分制备而成：植物蛋白130～200份、植物蛋白酶40～60份、甲酸盐溶液30～40份、聚丙烯酰胺30～40份、甲基萘磺酸钠甲醛缩合物50～70份、泡沫剂60～80份、水300～400份、第一剂量的pH值调节剂。

1、通过粘土分散处理剂中的植物蛋白和植物蛋白酶在化学反应后，能够在金属表面产生一种类似润滑油的表面活性膜，能够有效防止粘土粘附在刀盘刀具等金属表面，促进粘附其上的粘土泥饼剥离；

2、粘土分散处理剂中的阴离子会一层一层的，选择性地包裹在粘土片层上带正电的部分，从而可以使粘土片层被推开，产生剥离效果；

3、通过粘土分散处理剂中的泡沫剂在粘土中产生泡沫，使粘土变的疏松，降低了粘土泥饼的硬度和粘度，在盾构机泥水舱中泥水的循环作用下易被排出；

通过前述三点来共同提高盾构穿越粘土地层的流动性和润滑性，避免了刀盘与泥水舱内形成泥饼包裹刀盘刀具，能够持续掘进，明显提高了掘进速度，同时有效减小了磨损。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明所提供的粘土分散处理剂由下列重量份的组分制备而成：

植物蛋白130～200份、植物蛋白酶40～60份、甲酸盐溶液30～40份、聚丙烯酰胺30～40份、甲基萘磺酸钠甲醛缩合物50～70份、泡沫剂60～80份、水300～400份、第一剂量的pH值调节剂。

具体的，具体实施过程中所使用的甲酸盐溶液的浓度为40％-50％。

具体的，具体实施过程中所使用的pH值调节剂为浓度40％-50％的碳酸钠溶液，其中，pH值调节剂的第一剂量为：在具体需要pH值调节剂的步骤中调节溶液的pH值到7～8为准，具体剂量参见制备方法实施例。

下面介绍本实施例中所提供的粘土分散处理剂的一制备方法，包括如下步骤：

步骤A：130～200份植物蛋白、40～60份植物蛋白酶与300～400份水，静置一定时间后，搅拌均匀制成溶液。较佳的，步骤A中的静置条件为在常温下静置，具体的，静置时间为100-120分钟。

步骤B：将步骤A所得溶液加热到60～75℃后，用pH值调节剂调节pH值到7～8；

步骤C：将30～40份甲酸盐和30～40份聚丙烯酰胺加入到步骤B所得溶液中，搅拌反应90-130分钟；

步骤D：用pH调节剂将步骤C所得溶液的pH值调节到7～8。具体的，pH值调节剂为浓度40％-50％的碳酸钠溶液。

步骤E:将50～70份甲基萘磺酸钠甲醛缩合加入到步骤D所得溶液中，搅拌反应45-60分钟；

步骤F：将步骤E所得溶液降至常温后，加入60～80份泡沫剂并搅拌均匀。具体的，所述搅拌反应在恒温40℃进行。

实例一：

依次执行下列步骤1～步骤6：

步骤1：称取质量份数130份植物蛋白和质量份数40份植物蛋白酶加入质量份数300份水中，在常温下静置100分钟后，在恒温40℃的条件下搅拌均匀，制成溶液；

步骤2：将经过上述步骤1后得到的溶液加热到60℃，然后用40％的碳酸钠溶液pH调节剂调节溶液pH值为7-8。

步骤3：称取质量份数30份的浓度为40％的甲酸盐和质量份数30份的聚丙烯酰胺，在恒温40℃的条件下边搅拌边均匀倒入到步骤2所得的溶液中，并搅拌反应90分钟。

步骤4：用浓度40％的碳酸钠溶液将步骤3所得的溶液的pH值调节到7-8。

步骤5：称取质量份数50份的甲基萘磺酸钠甲醛缩合物，在恒温40℃的条件下边搅拌边加入到步骤4所得溶液中，在恒温40℃进行搅拌反应45分钟；

步骤6：将经过上述步骤5之后的溶液降温至室温，称取质量份数60份的泡沫剂加入，并搅拌使之均匀，然后密封桶装。

实例二

依次执行下列步骤1～步骤6：

步骤1：称取质量份数200份植物蛋白、称取质量份数60份植物蛋白酶与400份水，在常温下静置120分钟后，在恒温40℃的条件下搅拌均匀，制成溶液。

步骤2：将经过上述步骤1所得溶液加热到75℃后，用50％的碳酸钠溶液调节pH值到7～8；

步骤3：称取质量份数40份的浓度50％的甲酸盐和40份聚丙烯酰胺，在恒温40℃的条件下边搅拌边均匀倒入到步骤2所得的溶液中，并搅拌反应130分钟。

步骤4：用浓度50％的碳酸钠溶液将步骤3所得溶液的pH值调节到7～8。

步骤5:称取质量份数70份的甲基萘磺酸钠甲醛缩合，在恒温40℃的条件下边搅拌边加入到步骤4所得溶液中，在恒温40℃进行搅拌反应60分钟；

步骤6：将经过上述步骤5之后的溶液降温至室温，称取质量份数80份的泡沫剂加入，并搅拌使之均匀，然后密封桶装。

实例三

步骤1：称取质量份数150份植物蛋白和质量份数50份植物蛋白酶加入质量份数350份水中，在常温下静置120分钟后，在恒温40℃的条件下搅拌均匀；

步骤2：将上述溶液加热到60-75℃，用50％的碳酸钠溶液调节溶液pH值为7-8。

步骤3：称取质量份数35份的浓度40％-50％的甲酸盐和质量份数35份的聚丙烯酰胺，在恒温40℃的条件下边搅拌边均匀倒入，搅拌反应120分钟。

步骤4：用45％的碳酸钠溶液调节溶液pH值为7-8。

步骤5：称取质量份数60份的甲基萘磺酸钠甲醛缩合物，在恒温40℃的条件下边搅拌边均匀倒入，搅拌反应50分钟。

步骤6：将上述溶液降温至室温，加入质量份数70份的泡沫剂，搅拌30分钟使之均匀，然后密封桶装。

基于同一发明构思，本发明所提供的粘土分散处理剂，应用于泥水平衡盾构机的盾构进浆浆液中，下面以此实施例具体说明本发明的具体实施方式：

泥水平横盾构机穿越南坦海在穿越粘土地层时盾构隧道内径3080mm。穿越地层包括650m风化泥质砾砂岩，79.6m砂层，150m卵石层，130m粘土层，其中风化泥质砾砂岩、粘土层含粘泥量均超过65％，易发生结泥饼、泥球裹刀具问题。首先，在工厂中按照实例三配制粘土分散处理剂2吨。其次，按照添加量0.2％的添加量，将粘土分散处理剂添加到盾构进浆浆液中，搅拌均匀，用渣浆泵注入盾构机头的泥水舱和刀盘部位。单次持续注入10min即可，待盾构机扭矩增大到100万牛米以上，总推力增大到400吨以上或掘进速度降至10mm/min以下时，再次注入添加有粘土分散处理剂的泥浆10min，如此反复。

对添加上述粘土分散处理剂前后的泥浆性能和盾构机掘进参数进行了对比测试，发现如下结果：

1、发现添加粘土分散处理剂后盾构泥浆的粘度降低了10％以上，动态模阻系数降低了20％以上。具体的,添加粘土分散处理剂前后的泥浆性能参考下表1。

(2)参考图1所示的添加粘土分散处理剂后盾构掘进参数变化曲线图，曲线F表示推力随时间变化曲线，曲线T表示扭矩随时间变化曲线。从图1可见，盾构机切削扭矩降低至正常水平，掘进速度保持在10mm/min以上，最大可达60mm/min。

(3)施工效率

由于添加粘土分散处理剂后，掘进速度明显提高。以往类似地层工程2.4小时/环(每环宽1.2m)，使用本发明提出的分散剂后，掘进速度可提高到1.6小时/环，每百米可节约工期66.4小时。

(4)全程未人工带压进舱清除泥饼，减少进舱次数2次。

表1 添加粘土分散处理剂前后的泥浆性能对比表

本发明实施例中的技术方案至少具有如下技术效果：

1、通过粘土分散处理剂中的植物蛋白和植物蛋白酶与其他添加剂通过化学反应后，能够在金属表面产生一种类似润滑油的表面活性膜，能够有效防止粘土粘附在刀盘刀具等金属表面，促进粘附其上的粘土泥饼剥离；

2、通过粘土分散处理剂中的阴离子会一层一层选择性地包裹在粘土片层带正电的部分，从而可以使粘土片层被推开，产生剥离效果；

3、通过粘土分散处理剂中的泡沫剂在粘土中产生泡沫，使粘土变的疏松，降低了粘土泥饼的硬度和粘度，在盾构机泥水舱中泥水的循环作用下易被排出；

通过前述三点来共同提高盾构穿越粘土地层的流动性和润滑性，结合前述试验数据证明本发明技术方案能够避免刀盘与泥水舱内形成泥饼包裹刀盘刀具，能够持续掘进，明显提高了掘进速度，同时有效减小了磨损。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种粘土分散处理剂，其特征在于，由下列重量份的组分制备而成：

植物蛋白130～200份、植物蛋白酶40～60份、甲酸盐溶液30～40份、聚丙烯酰胺30～40份、甲基萘磺酸钠甲醛缩合物50～70份、泡沫剂60～80份、水300～400份、第一剂量的pH值调节剂。

2.如权利要求1所述的粘土分散处理剂，其特征在于，所述甲酸盐溶液的浓度为40％-50％。

3.如权利要求1所述的粘土分散处理剂，其特征在于，所述pH值调节剂为浓度40％-50％的碳酸钠溶液。

4.一种制备如权利要求1-3中任一权项所述的粘土分散处理剂的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤A：将130～200份植物蛋白、40～60份植物蛋白酶加入300～400份水中，在常温下静置100-120分钟后，在恒温40℃的条件下搅拌均匀制成溶液；

步骤B：将所述步骤A所得溶液加热到60～75摄氏度后，用pH值调节剂调节pH值到7～8；

步骤C：将30～40份甲酸盐和30～40份聚丙烯酰胺加入到所述步骤B所得溶液中，搅拌反应90-130分钟；

步骤D：用pH调节剂将所述步骤C所得溶液的pH值调节到7～8；

步骤E:将50～70份甲基萘磺酸钠甲醛缩合物加入到所述步骤D所得溶液中，搅拌反应45-60分钟，所述搅拌反应在恒温40℃进行；

步骤F：将所述步骤E所得溶液降至常温后，加入60～80份泡沫剂并搅拌均匀。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述pH值调节剂为浓度40％-50％的碳酸钠溶液。

6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述搅拌反应在恒温40℃进行。

7.权利要求1-3中任一权项所述的粘土分散处理剂，应用于泥水平衡盾构机的盾构进浆浆液中。