ПЕНООБРАЗУЮЩАЯ ВОДНАЯ КОМПОЗИЦИЯ
FOAMING AQUEOUS COMPOSITION

Изобретение относится к пенообразующим водным композициям, применяемым для кондиционирования грунта при проходке тоннелей с использованием тоннелепроходческих машин (далее ТМ).
При осуществлении тоннелепроходческих работ с помощью ТМ актуальным является применение специальных пенообразующих водных композиций, которые подаются во вспененном состоянии на переднюю часть (ротор) ТМ с целью воздействия на контактирующую с указанной частью ТМ массу грунта для его кондиционирования, то есть придания последнему ряда свойств (например, таких как пластичность, подвижность грунта и пр.), способствующих облегчению условий проходки. С помощью указанных композиций также решается проблема уменьшения сил трения, действующих со стороны грунта на режущие элементы ротора, что способствует снижению их износа.
Известна пенообразующая водная композиция, описанная в [US 7709422], включающая пенообразователь, содержащий, по меньшей мере, одно поверхностно-активное вещество (далее ПАВ), специальную добавку - полиакриловую кислоту с м.м. 2000-20000 или ее соль с моновалентным катионом, а также воду.
Данная композиция обладает хорошими пенообразующими свойствами, при этом за счет присутствия в составе композиции вышеуказанного полимерного соединения обеспечивается кондиционирующее действие композиции по отношению к обрабатываемому грунту, а также снижается износ режущих элементов ротора ТМ.
Однако наличие в составе композиции полиакриловой кислоты или ее соли из-за склонности последних к пленкообразованию может негативно сказаться на смачивающей способности композиции по отношению к грунту.
Известна пенообразующая водная композиция, описанная в [US 6485233], содержащая пенообразователь, включающий, по меньшей мере, одно анионное ПАВ, а также высокомолекулярный полиэтиленоксид (м.м 2000000-8000000), который обладает смазывающими свойствами. Рассматриваемая композиция обеспечивает кондиционирование грунта, а также способствует снижению износа режущих элементов ротора ТМ.
Однако высокомолекулярный полиэтиленоксид способен выпадать в осадок в присутствии ряда веществ, в частности неорганических солей, мочевины. Это может негативно сказаться на стабильности рассматриваемой композиции, а также ограничивает возможность введения в состав композиции ряда функциональных добавок, например, такой как мочевина, при введении которой возможно обеспечить снижение температуры замерзания водной композиции. Проблемы, связанные с риском разрушения композиции при хранении, могут быть решены, если ингредиенты композиции смешивать непосредственно перед применением, однако, это снижает удобство использования рассматриваемой композиции.
Задачей изобретения является повышение удобства использования пенообразующей водной композиции за счет обеспечения ее стабильности при хранении.
Сущность изобретения заключается в том, что пенообразующая водная композиция, включающая пенообразователь, содержащий, по меньшей мере, одно поверхностно-активное вещество, согласно изобретению содержит триэтаноламиновое мыло олеиновой кислоты и натрий фосфорнокислый 2-замещенный при следующем соотношении компонентов, мас.%:
пенообразователь
9,0-31,0
триэтаноламиновое мыло олеиновой кислоты
0,2-6,0
натрий фосфорнокислый 2-замещенный
0,2-2,0
вода
остальное.
В частном случае выполнения изобретения пенообразователь содержит комбинацию анионных поверхностно-активных веществ, включающую лаурет сульфат натрия и лаурил сульфат натрия при их содержании в композиции соответственно от 7 до 26 мас.% и от 2 до 5 мас.%.
В частном случае выполнения изобретения пенообразователь содержит комбинацию анионного и неионного поверхностно-активных веществ, включающую в качестве анионного ПАВ лаурет сульфат натрия, а в качестве неионного ПАВ - алкилполигликозид, выбранный из алкилполигликозидов с числом углеродных атомов в цепи от 10 до 14, при содержании указанных компонентов в композиции соответственно от 20 до 25 мас.% и от 5 до 10 мас.%.
В частном случае выполнения изобретения композиция дополнительно содержит стабилизатор пены, выбранный из высших жирных спиртов с числом углеродных атомов в цепи от 12 до 20, в виде 5-10% раствора указанного спирта в алифатическом С3-С4 спирте и/или в бутиловом эфире этиленгликоля, при содержании указанного раствора в композиции от 2 до 14 мас.%.
В частном случае выполнения изобретения композиция дополнительно содержит мочевину в количестве от 2 до 6 мас.%.
Благодаря наличию в составе заявляемой композиции пенообразователя обеспечивается вспенивание водного раствора композиции под напором газа.
Пенообразователь может включать одно или более применяемых на практике ПАВ, способных к образованию стабильной пены при перемешивании с водой.
В композиции могут быть использованы ПАВ анионного типа, в частности моно-, ди- или триэтоксисульфаты алифатических спиртов С8-С22 или их соли, например лаурет сульфат натрия, сульфаты жирных кислот или их соли, например додецилсульфат натрия (лаурил сульфат натрия), динатрия лаурет сульфосукцинат и прочие, или их комбинация.
В композиции могут быть использованы ПАВ неионного типа, в частности алканоламиды, аминооксиды, этоксилированные спирты, этоксилированные эфиры, алкилполигликозиды и прочие, или их комбинация.
В композиции могут быть использованы комбинации ПАВ анионного типа и ПАВ неионного типа.
Отличительной особенностью заявляемой композиции является наличие в ее составе специальной комплексной добавки - триэтаноламинового мыла олеиновой кислоты и натрия фосфорнокислого 2-замещенного. Как показали экспериментальные исследования, при использовании заявляемой композиции, содержащей комбинацию указанных компонентов в сочетании с ПАВ при их содержании в композиции в заявленных пределах, обеспечивается кондиционирование грунта, а именно достигается хорошее смачивание, разжижение грунта, диспергирование имеющихся в нем крупных агломератов, при этом грунт превращается во взвешенно текучую массу, что облегчает и ускоряет его извлечение и эвакуацию из зоны работ и способствует снижению нагрузок на ротор ТМ. Кроме того, как показали эксперименты, заявляемая композиция обладает смазывающим и ингибирующим коррозию действием, что способствует снижению износа режущих элементов ротора ТМ и повышению срока их службы.
Принципиально важным является то, что за счет выбранного качественного и количественного состава композиция остается стабильной при хранении в течение длительного времени (до двух лет), что повышает удобство ее использования.
Таким образом, техническим результатом, достигаемым при реализации заявляемого изобретения, является обеспечение стабильности заявляемой композиции при хранении и, как следствие, повышение удобства ее использования. При этом достигаются высокие кондиционирующие свойства композиции и обеспечивается снижение износа режущих элементов ротора ТМ.
В том случае, когда пенообразователь содержит комбинацию анионных поверхностно-активных веществ, включающую лаурет сульфат натрия и лаурил сульфат натрия при их содержании в композиции, соответственно, от 7 до 26 мас.% и от 2 до 5 мас.%, как показали эксперименты, заявляемая композиция оказывает наиболее эффективное кондиционирующее действие в отношении глинистых грунтов.
В том случае, когда пенообразователь содержит комбинацию анионного и неионного поверхностно-активных веществ, включающую в качестве анионного ПАВ лаурет сульфат натрия, а в качестве неионного ПАВ алкилполигликозид, выбранный из алкилполигликозидов с числом углеродных атомов в цепи от 10 до 14, при содержании указанных компонентов в композиции соответственно от 20 до 25 мас.% и от 5 до 10 мас.%, как показали эксперименты, заявляемая композиция оказывает наиболее эффективное кондиционирующее действие в отношении песчаных грунтов.
В том случае, когда композиция дополнительно содержит стабилизатор пены, выбранный из высших жирных спиртов с числом углеродных атомов в цепи от 12 до 20, в виде его 5-10% раствора в алифатическом С3-С4 спирте и/или в бутиловом эфире этиленгликоля, при содержании указанного раствора в композиции от 2 до 14 мас.%., обеспечивается образование более стойкой пены, что бывает необходимым при осуществлении тоннелепроходческих работ в обводненных песчаных грунтах, известняках, а также для поддержания грунта во взвешенно текучем состоянии в течение более длительного времени, например, в случае большой протяженности конвейерной линии для выгрузки грунта из тоннеля.
В том случае, когда композиция дополнительно содержит мочевину в количестве от 2 до 6 мас.%, достигается снижение температуры замерзания композиции, что позволяет использовать ее при низких температурах окружающей среды.
Заявляемую водную пенообразующую композицию готовят путем растворения входящих в состав композиции ингредиентов в воде при температуре 40-50°С и перемешивания полученного раствора до гомогенного состояния.
Перед подачей в рабочую зону заявляемую композицию разбавляют водой до концентрации от 1 до 5 мас.%. Подаваемую в рабочую зону разбавленную композицию вспенивают с помощью сжатого газа, например воздуха при помощи пеногенератора.
Возможность реализации изобретения показана в примерах конкретного выполнения.
Пример 1.
Готовили водную пенообразующую композицию следующего состава, мас.%:
пенообразователь - лаурет
сульфат натрия (анионное ПАВ)
14,0
триэтаноламиновое мыло олеиновой кислоты
6,0
натрий фосфорнокислый 2-замещенный
2,0
вода
78,0
Полученная композиция представляла собой гомогенную прозрачную жидкость желтого цвета.
Плотность композиции при 20°С составляла 1,02 г/см, рН  7,8, текучесть - до 0°С.
О смазывающих свойствах композиции судили по результатам испытания на износ латунного диска, определяемый в условиях воздействия на него сил трения при прохождении диска через песок. Износ диска определяли после четырехкратного прохождения им в направлении сверху вниз слоя песка, обработанного вспененным 3% водным раствором композиции. О величине износа указанного диска судили по снижению его веса после завершения испытания. Износ составил 0,9%. При проведении сравнительного испытания (без обработки песка вспененным раствором композиции) износ латунного диска составил 8%.
Результаты испытаний свидетельствовали о хороших смазывающих свойствах данной композиции.
Свойства композиции не изменялись после хранения в течение 2 лет, что свидетельствовало о ее высокой стабильности.
Пример 2.
Готовили водную пенообразующую композицию следующего состава, мас.%:
пенообразователь - динатрия
лаурет сульфосукцинат (анионное ПАВ)
20,0
триэтаноламиновое мыло олеиновой кислоты
1,5
натрий фосфорнокислый 2-замещенный
0,6
вода
77,9
Полученная композиция представляла собой гомогенную прозрачную жидкость желтого цвета.
3
Плотность композиции при 20°С составляла 1,015 г/см, рН  7,4, текучесть - до 0°С.
О смазывающих свойствах композиции судили по результатам испытания, проведенных, как описано в примере 1.
Износ диска составил 1,0 мас.%, износ диска при проведении сравнительного испытания составил 8,5 мас.%.
Результаты испытаний свидетельствовали о хороших смазывающих свойствах данной композиции.
Свойства композиции не изменялись после хранения в течение 2 лет, что свидетельствовало о ее высокой стабильности.
Пример 3.
Готовили водную пенообразующую композицию следующего состава, мас.%:
пенообразователь - оксиэтилированный
моноалкилфенол, торговая марка неонол АФ 9-10,
(неионное ПАВ)
10,0
триэтаноламиновое мыло олеиновой кислоты
1,0
натрий фосфорнокислый 2-замещенный
0,5
вода
88,5
Полученная композиция представляла собой гомогенную прозрачную жидкость желтого цвета.
3
Плотность композиции при 20°С составляла 1,020 г/см, рН  7,8, текучесть - до 0°С.
О смазывающих свойствах композиции судили по результатам испытания, проведенных, как описано в примере 1.
Износ диска составил 1,5 мас.%, износ диска при проведении сравнительного испытания составил 8,1 мас.%.
Результаты испытаний свидетельствовали о хороших смазывающих свойствах данной композиции.
Свойства композиции не изменялись после хранения в течение 2 лет, что свидетельствовало о ее высокой стабильности.
Пример 4.
Готовили водную пенообразующую композицию следующего состава, мас.%:
пенообразователь - алкилполигликозид С8-С10,
торговая марка АПГ8-10 (неионное ПАВ),
15,0
триэтаноламиновое мыло олеиновой кислоты
3,0
натрий фосфорнокислый 2-замещенный
1,5
вода
80,5
Полученная композиция представляла собой гомогенную прозрачную жидкость желтого цвета.
3
Плотность композиции при 20°С составляла 1,040 г/см, рН  8,0 текучесть - до 0°С.
О смазывающих свойствах композиции судили по результатам испытания, проведенных, как описано в примере 1.
Износ диска составил 1,3 мас.%, износ диска при проведении сравнительного испытания составил 8,1 мас.%.
Результаты испытаний свидетельствовали о хороших смазывающих свойствах данной композиции.
Свойства композиции не изменялись после хранения в течение 2 лет, что свидетельствовало о ее высокой стабильности.
Пример 5.
Готовили водную пенообразующую композицию следующего состава, мас.%:
пенообразователь - комбинация
лаурет сульфата натрия (анионное ПАВ)
20,0
и алкилполигликозида С12-С14
торговая марка АПГ 12-14 (неионное ПАВ)
8,0
триэтаноламиновое мыло олеиновой кислоты
1,0
натрий фосфорнокислый 2-замещенный
0,5
вода
70,5
Полученная композиция представляла собой гомогенную прозрачную
3
жидкость желтого цвета. Плотность композиции при 20°С составляла 1,020 г/см, рН  7,8, текучесть - до 0°С.
О смазывающих свойствах композиции судили по результатам испытания, проведенных, как описано в примере 1.
Износ диска составил 1,3 мас.%, износ диска при проведении сравнительного испытания составил 8,1 мас.%.
Результаты испытаний свидетельствовали о хороших смазывающих свойствах данной композиции.
Свойства композиции не изменялись после хранения в течение 2 лет, что свидетельствовало о ее высокой стабильности.
Пример 6.
Готовили водную пенообразующую композицию следующего состава, мас.%:
пенообразователь - комбинация
лаурет сульфата натрия (анионное ПАВ)
23,0
и лаурил сульфата натрия (анионное ПАВ)
4,0
триэтаноламиновое мыло олеиновой кислоты
3,0
натрий фосфорнокислый 2-замещенный
1,0
мочевина
6,0
вода
63,0
Полученная композиция представляла собой гомогенную прозрачную жидкость желтого цвета.
3
Плотность композиции при 20°С составляла 1,030 г/см, рН  8,2, текучесть - до -4°С.
О смазывающих свойствах композиции судили по результатам испытания, проведенных, как описано в примере 1.
Износ диска составил 1,2 мас.%, износ диска при проведении сравнительного испытания составил 8,5 мас.%.
Результаты испытаний свидетельствовали о хороших смазывающих свойствах данной композиции.
Свойства композиции не изменялись после хранения в течение 2 лет, что свидетельствовало о ее высокой стабильности.
Пример 7
Готовили водную пенообразующую композицию следующего состава, мас.%:
пенообразователь - комбинация
лаурет сульфата натрия (анионное ПАВ)
7,0
и лаурил сульфата натрия (анионное ПАВ)
2,0
триэтаноламиновое мыло олеиновой кислоты
1,0
натрий фосфорнокислый 2-замещенный
0,5
вода
89,5
Полученная композиция представляла собой гомогенную прозрачную жидкость желтого цвета.
3
Плотность композиции при 20°С составляла 1,030 г/см, рН 7,5, текучесть - до 0°С.
О смазывающих свойствах композиции судили по результатам испытания, проведенных, как описано в примере 1.
Износ диска составил 1,4 мас.%, износ диска при проведении сравнительного испытания составил 8,5 мас.%.
Результаты испытаний свидетельствовали о хороших смазывающих свойствах данной композиции.
Свойства композиции не изменялись после хранения в течение 2 лет, что свидетельствовало о ее высокой стабильности.
Пример 8.
Готовили водную пенообразующую композицию следующего состава, мас.%:
пенообразователь - комбинация
лаурет сульфат натрия (анионное ПАВ)
7,0
и лаурил сульфат натрия (анионное ПАВ)
2,0
триэтаноламиновое мыло олеиновой кислоты
1,0
натрий фосфорнокислый 2-замещенный
0,5
стабилизатор пены -
5% раствор цетилового спирта
в изобутиловом спирте
14,0
вода
75,5
Полученная композиция представляла собой гомогенную прозрачную жидкость желтоватого цвета.
3
Плотность композиции при 20°С составляла 1,025 г/см, динамическая вязкость составляла 95,4 сП, рН 8,0 текучесть - до 0°С.
О смазывающих свойствах композиции судили по результатам испытания, проведенных, как описано в примере 1.
Износ диска составил 1,8 мас.%, износ диска при проведении сравнительного испытания составил 8,5 мас.%.
Результаты испытаний свидетельствовали о хороших смазывающих свойствах данной композиции.
Свойства композиции не изменялись после хранения в течение 2 лет, что свидетельствовало о ее высокой стабильности.
Пример 9.
Готовили водную пенообразующую композицию следующего состава, мас.%:
пенообразователь - комбинация
лаурет сульфата натрия (анионное ПАВ)
7,0
и лаурил сульфата натрия (анионное ПАВ)
2,0
триэтаноламиновое мыло олеиновой кислоты
1,0
натрий фосфорнокислый 2-замещенный
0,5
стабилизатор пены -
6% раствор лаурилового спирта
в изопропиловом спирте
13,0
вода
76,5
Полученная композиция представляла собой гомогенную прозрачную жидкость желтоватого цвета.
3
Плотность композиции при 20°С составляла 1,027 г/см, рН 8,0, текучесть - до 0°С.
О смазывающих свойствах композиции судили по результатам испытания, проведенных, как описано в примере 1.
Износ диска составил 1,8 мас.%, износ диска при проведении сравнительного испытания составил 8,5 мас.%.
Результаты испытаний свидетельствовали о хороших смазывающих свойствах данной композиции.
Свойства композиции не изменялись после хранения в течение 2 лет, что свидетельствовало о ее высокой стабильности.
Пример 10.
Готовили водную пенообразующую композицию следующего состава, мас.%:
пенообразователь - комбинация
лаурет сульфата натрия (анионное ПАВ)
22,0
и алкилполигликозида С8-С14,
торговая марка АПГ 8-14 (неионное ПАВ)
9,0
триэтаноламиновое мыло олеиновой кислоты
2,0
натрий фосфорнокислый 2-замещенный
1,5
стабилизатор пены 7% раствор миристилового спирта
в изопропиловом спирте
7,0
вода
58,5
Полученная композиция представляла собой гомогенную прозрачную жидкость желтоватого цвета.
3
Плотность композиции при 20°С составляла 1,041 г/см, рН 8,2, текучесть - до 0°С.
О смазывающих свойствах композиции судили по результатам испытания, проведенных, как описано в примере 1.
Износ диска составил 1,3 мас.%, износ диска при проведении сравнительного испытания составил 8,0 мас.%.
Результаты испытаний свидетельствовали о хороших смазывающих свойствах данной композиции.
Свойства композиции не изменялись после хранения в течение 2 лет, что свидетельствовало о ее высокой стабильности.
Пример 11.
Готовили водную пенообразующую композицию следующего состава, мас.%:
пенообразователь - комбинация
лаурет сульфата натрия (анионное ПАВ)
20,0
и алкилполигликозида С8-С14,
торговая марка АПГ 8-14 (неионное ПАВ),
8,0
триэтаноламиновое мыло олеиновой кислоты
2,0
натрий фосфорнокислый 2-замещенный
1,5
стабилизатор пены
8% раствор стеарилового спирта
в бутиловом эфире этиленгликоля
4,0
мочевина
5,0
вода
59,5
Полученная композиция представляла собой гомогенную прозрачную жидкость желтоватого цвета.
3
Плотность композиции при 20°С составляла 1,040 г/см, рН  8,0, текучесть - до -4°С.
О смазывающих свойствах композиции судили по результатам испытания, проведенных, как описано в примере 1.
Износ диска составил 1,3 мас.%, износ диска при проведении сравнительного испытания составил 8,0 мас.%.
Результаты испытаний свидетельствовали о хороших смазывающих свойствах данной композиции.
Свойства композиции не изменялись после хранения в течение 2 лет, что свидетельствовало о ее высокой стабильности.
Пример 12.
Готовили водную пенообразующую композицию следующего состава, мас.%:
пенообразователь - комбинация
лаурет сульфата натрия (анионное ПАВ)
20,0
и алкилполигликозида С8-С14,
торговая марка АПГ 8-14 (неионное ПАВ),
8,0
триэтаноламиновое мыло олеиновой кислоты
2,0
натрий фосфорнокислый 2-замещенный
1,5
стабилизатор пены -
5% раствор эйкозилового спирта
в смеси изобутилового спирта и
бутилового эфира этиленгликоля,
взятых в соотношении 1:3,
3,0
мочевина
2,0
вода
62,5
Полученная композиция представляла собой гомогенную прозрачную жидкость желтоватого цвета.
3
Плотность композиции при 20°С составляла 1,042 г/см, рН  8,0, текучесть - до -4°С.
О смазывающих свойствах композиции судили по результатам испытания, проведенных, как описано в примере 1.
Износ диска составил 1,3 мас.%, износ диска при проведении сравнительного испытания составил 8,0 мас.%.
Результаты испытаний свидетельствовали о хороших смазывающих свойствах данной композиции.
Свойства композиции не изменялись после хранения в течение 2 лет, что свидетельствовало о ее высокой стабильности.
Композиции по примерам 1-12 испытывали в условиях натурной эксплуатации при работе тоннелепроходческого комплекса фирмы «LOVAT».
Испытания показали эффективность композиции с точки зрения кондиционирования различных типов грунта. При этом композиции по примерам 1, 6, 7, 8 оказались наиболее эффективными в отношении глинистых грунтов, композиции по примерам 4, 5, 11, 12 оказались наиболее эффективными в отношении сухих песчаных грунтов, композиции по примерам 2, 3, 9, 10 оказались наиболее эффективными в отношении суглинистых грунтов сложного состава.