壓縮空氣泡沫系統及其產泡特性研究

彭 磊, 何文敏, 暢亞文, 孔令昌, 楊江朋, 朱 鵬

(1. 陜西省高性能混凝土工程實驗室, 陜西 渭南 714000； 2. 陜西鐵路工程職業技術學院道橋工程系， 陜西 渭南 714000； 3. 中鐵一局集團有限公司， 陜西 西安 050043)

0 引言

壓縮空氣泡沫系統的發泡原理是將一定比例的壓縮空氣注入到混合泡沫液中，撞擊混合后產生泡沫，可以通過調整壓縮空氣供給量、水的供給量、空氣壓力等因素產生不同特性的泡沫。該項技術近年來在國外發展比較迅速，國內也逐漸認識到該技術的應用前景，并將其應用到泡沫滅火、煤礦除塵、泡沫混凝土、土壓平衡盾構渣土改良等領域。

ZHAO Hao等[1]研究了壓縮空氣發泡系統發出泡沫的形態和滅火效果，發現壓縮空氣泡沫系統發出的泡沫大小均勻，穩定性好，滅火效果優于其他傳統方式；陳現濤等[2]對泡沫的發泡倍數和析液時間與氣液比間的關系，以及發泡倍數對滅火性能的影響進行了研究，發現調節氣液比可以控制發泡倍率和析液時間，發泡倍率大，滅火效果好；WANG Hetang等[3]制備了煤礦降塵用泡沫劑和煤礦降塵用泡沫發生器，得到了氣體流量、液體流量、壓力等影響降塵泡沫的主要技術參數； LU Xinxiao等[4]將發泡劑添加裝置和泡沫發生器相結合，設計了一種新型發泡裝置，抑塵效果明顯；李菊麗等[5]提出了一種可調式發泡裝置，通過控制氣液比，調節發泡管內介質填充密度，可控制泡沫孔徑大小及其均勻性； ZHENG Xuezhao等[6]設計了一種新型發泡裝置，研究了氣壓、空氣流量、氣水比等參數對泡沫性能的影響。盡管該技術在我國得以迅速推廣，但不同領域壓縮空氣系統的設計、技術參數對泡沫性能的影響等方面還有待研究，特別是土壓平衡盾構泡沫發生系統在泡沫發生器設計、氣液混合參數設計對泡沫性能的影響報道較少[7]。泡沫發生器多采用進口成套裝置，價格昂貴，維修成本較高；或采用雙層管腔結構，內管腔設阻尼層，外管腔設介質層，結構復雜，維修不便；在施工過程中，系統參數的選擇主要憑借經驗，不僅造成泡沫劑的浪費，而且容易造成工程事故。因此，研究泡沫發生系統及其參數對產泡性能的影響規律已迫在眉睫。

本文研制了土壓平衡盾構用壓縮空氣泡沫系統，研究了壓縮氣體流量、空氣壓力、液體流量等因素對泡沫流量、發泡倍率和穩泡時間的影響規律，以期為土壓平衡盾構施工提供參考。

1 泡沫發生系統及試驗方法

1.1 泡沫發生系統及發泡工藝

壓縮空氣泡沫系統主要由進液系統、進氣系統和泡沫發生器組成，其示意圖和裝置圖如圖1所示。進液系統由泡沫液混合箱、螺桿泵、液體流量調節閥、電磁流量計和壓力表組成。進氣系統由螺桿式空壓機、儲氣罐、壓力調節閥、氣體流量調節閥、氣體渦街流量計和壓力表組成。

泡沫發生器是壓縮空氣泡沫系統的關鍵部分，根據發泡方式和發泡原理，可以分為網式、渦輪式、擋板式、介質充填式和射流式。其中： 網式泡沫發生器發泡倍率高、產泡量大，能形成高倍數泡沫，但泡沫穩定性較差，對液體和氣體的流速與壓力要求較高[8]；介質充填式泡沫發生器利用充填介質的紊流作用和介質充填空間，氣液混合更均勻，尺寸更細密，泡沫更穩定。結合網式泡沫發生器和介質充填式泡沫發生器的優點，設計了新型泡沫發生器，見圖2。該泡沫發生器由進液口、進氣口和泡沫產生器組成，泡沫產生器由法蘭與其他組成部分連接，兩端由多孔發泡板封口，內部填充粒徑為4～5 mm的玻璃滾珠，填充率為50%。該系統具有動量大、成泡率高、產泡量大、發泡倍率高、泡沫穩定性好等特性[9-10]，改變氣體流量、液體流量比例和壓力等，可以得到不同特性的泡沫，且發泡器內部沒有復雜部件，不易堵塞，使用維護方便，能夠適應惡劣工作環境。

發泡工藝是將泡沫劑與水按一定比例混合成為均勻的發泡劑溶液，使用定量泵加大發泡劑溶液的流量和壓力，通過壓力表、流量計、閥門輸送到發泡混合器內，同時使用壓縮機產生壓縮空氣，通過壓力表、流量計、閥門輸送到發泡混合器與發泡劑溶液混合，充分混合后通過泡沫發生器產生泡沫?？諝獾淖畲罅髁繛? 900 L·min-1，液體的最大流量為50 L·min-1。

(a) 示意圖

(b) 裝置圖

圖2 泡沫發生器

1.2 泡沫特性試驗方法

泡沫性能的主要指標包括泡沫流量、發泡倍率和析液半衰期，主要影響因素有氣體流量、液體流量和氣體壓強等，各參數之間相互關聯，采用變量控制法對各個參數進行研究，確定各參數對泡沫流量、發泡倍率和穩定性的影響規律，得出各參數的最佳范圍。

試驗過程中采用課題組研制的土壓平衡盾構用泡沫劑，泡沫劑選用十二烷基硫酸鈉(SDS)作為主發泡劑，脂肪醇醚硫酸鈉(AES)作為輔助發泡劑，十二醇和瓜爾膠分別作為表面活性類穩泡劑和增黏類穩泡劑，配方為6.82%SDS+4.41%AES+0.57%十二醇+0.2%瓜爾膠+88.0%水[11]。發泡劑質量分數控制在3%，通過進氣口的油水分離器調節氣體壓力在0.2～0.4 MPa，調節氣體流量(QG)和液體流量(QL)，通過自制泡沫發生器進行氣液混合發泡，觀察和記錄不同條件下的泡沫流量(QF)、發泡倍率(ER)和半衰期(T1/2)。

泡沫發生器指標氣液比(FER)為氣體流量(QG)與液體流量(QL)的比值。ER是指一定體積的泡沫劑溶液產生的泡沫體積與原泡沫劑溶液體積的比值。ER和T1/2的測定采用課題組提出的方法，將發出的泡沫30 s內裝滿量筒、刮平，將裝有泡沫的無底量筒掛在天平底部的掛鉤處，稱量并記錄泡沫初始質量，由式(1)計算ER。泡沫裝入無底量筒時記時，當泡沫質量消散至初始值質量的50%時停止記時，時間差即為T1/2[12]。試驗以穩定的3組數據并取平均值作為測定結果，分析各參數對泡沫性能的影響規律。

(1)

式中：ER為發泡倍率；V為無底量筒容積，mm3；G為無底量筒內泡沫的質量，g；ρ為泡沫劑溶液密度，g·cm-3。

2 試驗結果分析

2.1 液體流量對泡沫特性的影響

2.1.1 液體流量對泡沫流量的影響

在氣壓為0.3 MPa、發泡劑質量分數為3%、氣體流量控制在200 L·min-1時，調節液體流量，得出泡沫流量隨液體流量的關系曲線，如圖3所示。由圖3可知： 隨著液體流量的增加，氣液比減小，氣液接觸面上吸附的發泡劑增多，形成泡沫總量增大，泡沫流量逐漸增加；液體流量小于2.44 L·min-1，即氣液比大于82.0時，氣液在發泡器相互摻混劇烈，形成泡沫顆粒直徑小，泡沫流量不連續，呈霧化現象；液體流量在2.44～7.03 L·min-1，即氣液比保持在28.4～82.0時，泡沫流量連續，泡沫流量與氣液比呈線性關系；液體流量大于7.03 L·min-1，氣液比保持在28.4，泡沫呈現出射流現象，泡沫流量大，發泡劑分子在氣液接觸界面上未能充分吸附，發泡效果差。

2.1.2 液體流量對發泡倍率和析液半衰期的影響

測定液體流量對發泡倍率和析液半衰期的影響，發泡倍率與液體流量的關系曲線見圖4。由圖4可知： 發泡倍率隨著液體流量的增加先增大后減?。辉谝后w流量為2.27 L·min-1時，發泡倍率達到最大值，為35.3，此時氣液接觸面上吸附的發泡劑增多，達到泡沫劑的臨界膠束濃度，表面張力低，氣泡離開發泡液表面需克服的功小，容易形成泡沫。液體流量過小時，氣液間摻混劇烈，形成的泡沫孔徑較小，氣泡內所含有的泡沫劑有效含量較低，不利于發泡，導致發泡倍率逐漸減小。液體流量過大時，氣液間相互摻混不充分，發泡劑分子在界面排列松散，發泡倍率低[13]。

圖3 泡沫流量與液體流量的關系曲線

圖4 發泡倍率與液體流量的關系

圖5為析液半衰期與液體流量的關系曲線。由圖5可知，析液半衰期隨著液體流量的增加先增大后減小，在液體流量為2.27 L·min-1時，半衰期達到最大值，為963 s，主要原因是隨著液體流量增加，氣液接觸面上吸附的發泡劑增多，能夠充分發泡，泡沫膜彈性增加，降低了外力(毛細管力、重力和風力)對液膜中液相的作用，膜的排液速率減小，泡沫穩定性較高。液體流量較小時，由于外力對液膜中液相的作用，排液速率增加，泡沫穩定性低；液體流量較大時，泡沫中液相不斷增加，重力排液速率逐漸增加，導致泡沫穩定性差。

綜合圖3—5，固定氣體流量，液體流量對泡沫性能影響很大，隨著液體流量增加，產泡量逐漸增加，發泡倍率先增加后減小，析液半衰期先增加后減小。綜合考慮，液體流量為2.44～7.03 L·min-1，即氣液比為28.4～82.0時，泡沫連續，發泡倍率大于15，析液半衰期大于600 s，滿足盾構施工要求。

圖5 析液半衰期與液體流量的關系

2.2 氣體流量對泡沫特性的影響

2.2.1 氣體流量對泡沫流量的影響

在氣壓為0.3 MPa、發泡劑質量分數為3%時，調節氣體流量和液體流量，使氣液比為50，泡沫流量與氣體流量的關系曲線見圖6。由圖6可知： 氣液比固定時，泡沫流量隨氣體流量的增加而增加，當氣體流量增加到一定程度時，泡沫流量趨于穩定；氣體流量大于60.0 L·min-1時，泡沫流量連續，小于60.0 L·min-1時，泡沫流量時斷時續。

圖6 泡沫流量與氣體流量的關系

2.2.2 氣體流量對發泡倍率和析液半衰期的影響

固定氣液比為50，發泡倍率和析液半衰期與氣體流量的關系曲線見圖7和圖8。由圖7可知： 氣液比固定在50時，隨氣體流量和液體流量的增加，發泡倍率逐漸減小，主要原因是液體流量較小時，氣液碰撞劇烈，易于形成泡沫，泡沫直徑小，發泡倍率高；液體流量較大時，氣液混摻不充分，發泡劑在界面有效質量分數低，發泡倍率降低。

由圖8可知： 氣液比相同時，并非氣體和液體流量越大發泡效果越好，氣體流量為230 L·min-1左右時，半衰期最長，達600 s，主要原因是隨著氣體流量的增加，氣體和液體能充分接觸，泡沫液被完全用于鼓泡，穩泡時間增加；隨著氣體流量的增加，泡沫穩定性增大一定時間后，風量相對較大，氣泡持液能力弱，液膜非常薄，泡沫彈性差，多余的風量不利于已形成泡沫的穩定[14]。

圖7 發泡倍率與氣體流量的關系

圖8 析液半衰期與氣體流量的關系

結合圖6—8可知： 固定氣液比，氣體流量大于60.0 L·min-1時，泡沫流量連續； 隨氣體流量和液體流量的增加，泡沫流量逐漸增加，增加至一定程度后不再增加，發泡倍率逐漸減小，半衰期先增加后減小。綜合考慮，氣體流量為60.0～300 L·min-1時，均能滿足要求，氣體流量在230 L·min-1左右時，產泡性能較好。

2.3 氣體壓強對泡沫特性的影響

2.3.1 氣液比對泡沫流量的影響

發泡劑質量分數為3%，氣體流量控制在230 L·min-1，測定氣壓分別為0.2、0.3、0.4 MPa時，泡沫流量與氣液比之間的關系見圖9。由圖9可知： 0.2 MPa泡沫流量先減小后增大再減小，泡沫流量比0.3 MPa和0.4 MPa時泡沫流量小，不適合該泡沫系統，此時氣壓較小，形成的泡沫呈不連續碎片狀，大流量泡沫難以形成；氣液比大于40時，氣壓在0.4 MPa下泡沫流量大于0.3 MPa。

圖9 泡沫流量與氣液比的關系

2.3.2 氣液比對發泡倍率和穩泡時間的影響

不同氣壓下，發泡倍率和析液半衰期與氣液比之間的關系曲線見圖10和圖11。由圖10可知: 氣壓對發泡倍率的影響效果依次為0.3、0.4、0.2 MPa；在氣壓為0.3 MPa和0.2 MPa、氣液比小于80和氣壓為0.4 MPa、氣液比小于98時，隨著氣液比的增大，發泡倍率增大。主要原因是隨著氣液比增大，氣體流量逐漸被利用，液膜厚度和彈性增加，泡沫發泡倍率逐漸增加；氣液比增大到一定程度時，發泡倍率開始減小，主要原因是供氣量相對較大，氣泡破碎嚴重，形成的泡沫效果差。

圖10 不同氣壓下氣液比與發泡倍率的關系

Fig.10 Relationship between gas-liquid ratio and foam expansion ratio under different pressures

由圖11可知: 半衰期呈不規律變化，總體來看，氣壓對析液半衰期的影響效果依次為0.3、0.4、0.2 MPa，氣壓在0.3 MPa和0.4 MPa時，半衰期先增加后減小，主要原因是氣液比較小時，液體流量較大，氣泡持液量較大，液膜自重較大，泡沫彈性較差，易破滅；隨著氣液比增加，泡沫膜彈性隨之增加，增強了泡沫穩定性；當增加到一定程度時，氣液比高，氣泡持液能力弱，液膜非常薄，多余的風量加速了泡沫的破滅。

結合圖9—11，氣壓為0.3 MPa和0.4 MPa時，泡沫流量、發泡倍率和析液半衰期較好，發泡效果較好；然而，并非氣體壓力越大越好，氣壓為0.3 MPa時的發泡倍率和析液半衰期要優于氣壓為0.2 MPa和0.4 MPa時。

圖11 不同氣壓下氣液比與析液半衰期的關系

Fig.11 Relationship between gas-liquid ratio and half-life under different pressures

3 應用案例

3.1 工程地質條件

從廣州地鐵1號線1標盾構施工試驗段取土，該土樣為含砂的紅黏土，該土具有遇水膨脹、泥化、強黏滯性等特性，致使盾構隧道施工極易形成“泥餅”，非常不利于切削、排土和正常推進。

土樣呈棕黃色，土質均勻，通過液塑限試驗，液限為59.2%，塑限為27.8%，塑性指數為31.4，該土為高液限黏土。土樣的物理力學指標見表1。

表1 土樣物理力學指標

3.2 室內土體改良試驗

利用本文設計的空氣壓縮系統進行發泡，主要參數設定為管道壓力0.3 MPa、固定氣體流量230 L·min-1、泡沫液質量分數3%，控制液體流量調節氣液比，通過渣土“塑流性”得到適宜的氣液比、泡沫改良紅黏土合適的含水率和泡沫摻入量(FIR)的范圍。泡沫摻入量為摻入泡沫體積占需改良風干土體積的百分率。改良后紅黏土的坍落度保持在10～15 cm時，無離析、崩踏、析漿、失水或泡沫析出，即達到“理想的塑性流動狀態”，此時渣土能從螺旋出土器順利排出[15]。

紅黏土含水率控制在27%，摻入30%的泡沫進行土體改良，通過坍落度試驗測試改良土體效果。試驗結果見表2。由表2可知： 摻入泡沫后，坍落度隨著氣液比增大而降低，主要原因是氣泡內氣體增多，加速了泡沫破滅。氣液比較低時，泡沫含水多，當氣液比為30時，坍落度為17.0 cm，渣土呈稀漿狀態；氣液比較高時，泡沫含水量低，當氣液比為80時，坍落度為7.5 cm，主要原因是泡沫中液體量小，泡沫壁薄，在外加作用下易破，坍落度小，半衰期時渣土坍落度損失小。

因此，可推測該紅黏土含水率為27%、摻入量為30%、氣液比為40～75，適當調整氣體流量、液體流量時，渣土坍落度為10～15 cm，可達到塑性流動狀態；但氣液比較大時，坍落度損失較快。

表2含水率為27%、摻入量為30%、不同氣液比時渣土的坍落度

Table 2 Soil slump when water content rate is 27%, foam amount is 30% under different gas-liquid ratios

氣液比泡沫情況摻泡沫后坍落度/cm半衰期時坍落度/cm30連續、含水多17.016.540連續15.014.050連續13.511.060連續11.510.075連續10.07.580連續7.54.588連續但噴射氣流過大5.02.5100不連續但噴射氣流過大2.5

表3為含水率為27%，氣液比為50，摻入0%、20%、30%、40%的泡沫劑時渣土的坍落度?？梢?，摻入30%～40%的泡沫劑時，坍落度為10～15 cm，無稀漿流出，黏聚性、保水性良好。

表3 不同泡沫摻入量渣土的坍落度

綜上，紅黏土的塑性流動狀態與泡沫摻量、含水率和氣液比相關，進一步優化含水率和泡沫摻入量的范圍，分析整理出不同含水率下優化的泡沫摻入比，見圖12。C區表示泡沫改良土的坍落度為10～15 cm，處于塑性流動狀態；B區和E區表示改良土坍落度太大，泡沫或含水量太大，易發生“涌泥”現象；A區表示含水量低，坍落度較小，渣土較干；D區表示改良土坍落度偏小，不利于盾構順利出土。由此可推測，氣液比為40～75時，適當調整含水率和泡沫摻量，使含水率為26%～29%、泡沫摻入量為10%～45%，泡沫改良土能達到塑性流動狀態，滿足盾構施工要求。

圖12 不同含水率下優化的泡沫摻入量

Fig.12 Optimized foam amounts under different water content rates

3.3 現場土體改良試驗及效果

針對該地層，參考室內試驗得到的掘進參數，利用課題組研制的泡沫劑進行施工現場渣土改良，泡沫劑質量分數為3%，對比改良前后盾構掘進時掘進速度、刀盤轉矩、土壓力等隨時間的變化規律，見圖13。由圖13可知： 利用泡沫劑土體進行改良后，掘進速度為35～45 mm/min，掘進速度較快，未改良前，掘進速度變化幅度較大，掘進困難；刀盤轉矩集中在3 000～3 750 kN/m，變化范圍較小，未改良前，轉矩波動幅度較大，可能是未經改良土體不能形成“塑性流動狀態”，刀盤啟動困難；土壓力主要集中為0.45～0.55 MPa，上土壓力比較穩定，有利于維持掌子面的壓力，地表變形小，未改良前，上土壓力較小且波動較大，可能造成地表變形大。

4 結論與建議

本文研究了一種新型土壓平衡盾構用壓縮空氣泡沫系統，探索了壓縮氣體流量、空氣壓力、液體流量等因素對泡沫性能的影響，利用自制的泡沫劑將得到的參數應用于廣州地鐵1號線紅黏土改良，得出以下結論。

1)復合式泡沫發生器結合了網式和介質充填式泡沫發生器的優點，兩端由多孔發泡板封口，內部充填粒徑為4～5 mm的玻璃滾珠，填充率為50%，結構簡單，維修方便，不易堵塞，對施工環境適應性強。

(a) 掘進速度

(b) 刀盤轉矩

(c) 土壓力

Fig.13 Time-history curves of driving speed, cutterhead torque and earth pressure

2)氣體流量、液體流量(氣液比)、空氣壓力是影響空氣壓縮泡沫系統發泡的主要因素，各因素均在一個有效發泡的參數范圍，超出范圍均不能正常發泡，泡沫易霧化或呈射流噴出。隨著氣體流量、液體流量的增加，產泡量逐漸增加，增加至一定程度后不再增加，發泡倍率逐漸減小。本試驗裝置氣體流量為60.0～300 L·min-1、氣液比為28.4～82.0時能正常發泡。最佳發泡參數為進氣管道壓力為0.3 MPa、氣體流量為230 L·min-1左右、氣液比為50、泡沫液質量分數為3%，此時泡沫流量、發泡倍率和泡沫穩定性均較好。

3)利用該設備發泡對紅黏土樣進行改良，整理出了土體改良優化參數范圍，含水率為26%～29%、泡沫摻入量為10%～45%、氣液比為40～75，適當調整含水率、泡沫摻量和氣液比，該紅黏土能達到塑性流動狀態，并能滿足盾構施工要求。

針對新型壓縮空氣泡沫系統及其產泡特性的研究，無論是對于室內泡沫改良渣土的技術進步，還是對于施工現場盾構泡沫系統的改進和掘進效率的提升，均有著重要的意義。然而，本文僅從泡沫特性方面進行了探索，建議對泡沫形態和泡沫直徑進行測試，分析泡沫微觀結構、泡沫性能和泡沫改良渣土機制之間的關系。