專利名稱：降低隧道挖鑿機切削頭磨損的方法和組合物的制作方法
技術領域：
本發明涉及在硬質巖石中挖鑿隧道的方法和輔助此類挖鑿的組合物。
在硬質巖石如石灰巖、變成巖或火成巖中挖鑿隧道總會比在較軟的巖石中挖鑿呈現出更多的問題。在此類巖石中進行隧道挖鑿最常用的方法是鉆炮眼，接著用炸藥爆破。人們希望用隧道挖鑿機(TBM)-具有大直徑切削頭(有時超過10m)的機械來進行硬質巖石的隧道挖鑿。在此類巖石中使用TBM的主要問題是切削元件(從切削頭突出的硬化鋼盤片)的快速磨損和必須頻繁的進行更換，從操作和經濟的角度來講，這都是不利的。
現在發現使用特定的組合物能夠顯著地降低這種磨損，使利用TBM對硬質巖石的挖鑿更為高效和經濟。因此，本發明通過在切削頭上添加發泡的含水液體組合物提供了降低隧道挖鑿機切削頭磨損的方法，該組合物包含發泡劑和潤滑劑，所述潤滑劑選自高分子量的聚環氧乙烷和膨潤土。
所述發泡劑可以是任何發泡劑，即在水中攪拌時能導致穩定泡沫形成的任意材料。在本發明中，可以將一種以上的此類發泡劑用于組合物中。多種此類材料在本領域內是已知的。本發明中優選用作發泡劑的材料是表面活性劑，即兼具親水成分和疏水成分的材料。雖然可以使用任何適宜的表面活性劑，但發現，為了本發明的目的，效果最佳的表面活性劑是陰離子或非離子型的，它們是優選表面活性劑。
如果所述表面活性劑是陰離子型的，則優選含硫酸鹽的表面活性劑，更優選醇硫酸鹽，最優選月桂基硫酸鹽。許多適宜的材料是本領域已知的，特別優選材料的實例是單異丙醇胺月桂基硫酸鹽(例如，可以以“Sulfetal”Cjot 60的商品名購得)。
盡管陰離子表面活性劑的性能優異，但如果環境因素作為重要考慮，則它們的應用就不理想了。由于環境的原因，優選短壽命的泡沫，即僅在泡沫產生和從切削面上除去發泡液之間的時間內保持泡沫。由陰離子表面活性劑形成的泡沫非常穩定和持久，有時在遠離作業點的河流中可以發現它。在這種情況下，優選非離子表面活性劑；它們在作業點的性能也非常優異，但它們會更快地生物降解，所生成的全部泡沫只持續較短的時間。另外，認為非離子表面活性劑的分解成分比陰離子型的有害性低，因此它們對植物和動物的毒性危險較低。
適用于本發明中的有效非離子表面活性劑的實例包括鏈烷醇酰胺、氧化胺(aminoxide)、乙氧基化的醇、乙氧基化的烷基酚、乙氧基化的酯、葡萄糖和蔗糖酯及其衍生物。特別有效的是葡萄糖和蔗糖酯及其衍生物，特別是烷基多聚葡萄糖。這些中典型的商用實例包括“Lutensol”(商標)GD70(購自BASF)和“Glucopon”(商標)(購自Cognis)。
所述潤滑劑可以選自兩種不同材料中的一種，這兩種都易于商購獲得。“高分子量”聚環氧乙烷(PEO)指的是重均分子量至少為1,000,000的PEO。分子量優選為2,000,000-8,000,000。以前，這樣的材料曾用于用TBM的隧道挖鑿中，但從未用于硬質巖石的挖鑿。典型的商購材料包括POLYOX(注冊商標)WSR-301。可以采用各種PEO的混合物，雖然是一種聚合物，但卻是具有分子量分布的PEO，因此，這本質上是不同材料的混合物。
替換用的潤滑劑是膨潤土。這種粘土材料已經是公知的鉆探泥漿成分，也曾用于一些TBM用途中。然而，為實現這一特定目的，上述與發泡劑的組合應用是新穎的。任何商購的膨潤土適合用于本發明的目的，典型實例為“Tixoton”(商標)。
通過加入適量的水制備所述組合物以供使用。雖然提供干組合物在理論上是可能的并且不排除在本發明之外，但這是不實用的。其原因之一是這帶來了在作業點制備液體組合物的任務，而這是困難的，特別是使用高MW的PEO時，其雖可溶于水，但溶解困難。另外，其它的商購添加劑(以下進一步描述)通常僅以溶液或懸浮液形式提供。
有兩種方法來克服這些困難。第一種是提供一系列單獨水溶性成分的組合物，各種成分可以以精確的獨立比例相對于較大量的水以進行發泡計量。這樣，以含水的形式單獨地提供了PEO和/或膨潤土、發泡劑和任意的任選成分(以下進一步描述)。所需的容器和計量工具是本領域所熟知的，因此這里無需贅述。該方法具有多適應性的優點-依據可能的情況，各成分的量可以改變以適應所出現的局部條件，任意任選的成分可以包含在內或不被包含。甚至可以包括兩種類型的潤滑劑(PEO和膨潤土)，并可以相互替換。當然，缺點是引入了另一樣設備及相關的費用和維修問題。
對大多數用途而言更理想的方法是提供濃縮液-具有適當比例的必要成分的水溶液或懸浮液，其能夠迅速而便捷地應用。在作業點稀釋濃縮液和使稀釋的濃縮液發泡是毫無問題的。不需要之前所簡要描述的計量方式的多樣性，因為其應用的簡便性和較為低廉的成本，這是極為優選的。
在以下段落中述及的各成分的量涉及含水組合物，其包含干燥成分加上充足量的水，以提供含水形式的各獨立成分以按上述單獨進行計量，或用來制備上述的含水濃縮液。可以將所述組合物制成含水最高達100％。這不包括最后的稀釋和發泡用水(其量參見下文)。
在將PEO用作潤滑劑的情況下，PEO的用量為0.1-3.0％，優選0.4-2.0％，更優選0.5-1.0％，基于濃縮液重量計。發泡劑的對應量為2-40％，優選5-30％，更優選5-20％。
如果將膨潤土用作潤滑劑，用量為2-30％，優選2-25％，更優選2-20％，發泡劑的對應量為2-40％，優選4-20％，更優選5-15％。
可以向本發明使用的組合物中加入其它成分。特別有用的兩種成分是螯合劑和泡沫促進劑。在PEO為潤滑劑的組合物中它們通常更為有效，但它們也可以與膨潤土共用。另外，在優選的情況中，它們更經常與陰離子表面活性劑一起使用；對非離子表面活性劑它們幾乎無效。對螯合劑來說尤其如此。
存在螯合劑是為了解決在最終發泡液制備中由于使用硬水而引起的問題-硬水會造成發泡劑沉淀而致使組合物失效。如果不存在硬水，自然也無需螯合劑，但加入該試劑能提供可用于任何水質條件的組合物，因此在任何情況下其總是備用的。可以采用任意適宜的螯合劑，其用量至多為5％，優選0.1-5％，更優選0.5-2％，最優選1-1.5％。適用于本發明中的一個螯合劑實例是“Cublen”(商標)K2523。
類似地，泡沫促進劑可以是任何適宜的材料。用量至多為10％，優選0.1-10％，更優選0.1-1％。適用于本發明的泡沫促進劑的一個實例是“Aromox”(商標)MCD-W。
本發明還提供了降低磨損用的可發泡濃縮液，其由至少一種選自高分子量聚環氧乙烷和膨潤土的潤滑劑和至少一種能產生短壽命泡沫的發泡劑組成，還任選含有至少一種螯合劑和至少一種泡沫促進劑，存在的量分別為(a)在聚環氧乙烷作為潤滑劑的情況下0.1-3％聚環氧乙烷；2-40％發泡劑；至多為5％的螯合劑；和至多為1％的泡沫促進劑；和(b)在膨潤土作為潤滑劑的情況下2-30％膨潤土；和2-40％發泡劑；基于濃縮液重量計，其余為水。
在使用中，在濃縮液的情況下，將濃縮液加入適量水中并發泡，然后泵送至旋轉的切削頭并在切削頭和巖石的界面處注入。在各單獨成分計量體系的情況下，將所需量的含水成分計量入適量水中并發泡。典型地，用水稀釋前述的濃縮液/各獨立成分以提供含有1-20％，優選含1-10％，更優選1-8％，最優選1-6％的濃縮液/各獨立成分的含水組合物。
通過任何便捷的方式使該經稀釋的組合物發泡，以產生5-40，優選5-20，更優選8-20倍于未發泡材料體積的體積膨脹。
濃縮液/各獨立成分的實際稀釋率及其發泡量因具體環境而有很大變化。諸如切削頭直徑、注射噴嘴的個數和位置及巖石質地的因素會產生重要影響。基本要求是要在切削頭的整個面積內保持一個與巖石面接觸的泡沫層。實現這一要求是個常規的試驗問題，本領域技術人員容易做到。上述類型的濃縮液的典型數字為0.5-10.0，優選0.5-6.0，更優選1-4公斤濃縮液/m3除去的巖石。如果加入的是獨立的含水成分，可以容易地計算出對應的量。需要強調的是這些數字僅作為一般性指標來提供，特定的條件可能需要更低或更高量的各獨立成分或濃縮液。
本發明一個令人吃驚的特征是使用上述含水的液體組合物導致了硬質巖石中切削元件磨損的顯著降低，致使切削頭壽命延長和更換頻率下降，因此，造成更佳的和更經濟的隧道挖鑿。據信，在不以任何方式限制本發明范圍的情況下，在TBM鉆面上產生的細小物料被所述含水液體組合物粘結在一起并用作潤滑劑。
現在通過以下非限制性實施例說明本發明。
組合物A(采用陰離子表面活性劑)采用以下成分“Polyox”WSR301聚環氧乙烷，(重均分子量4,000,000)(“PEO”) 0.83％“Sulfetal”Cjot60表面活性劑 9.0％“Cublen”K2523螯合劑(“SA”) 0.3％“Aromox”MCD-W泡沫促進劑(“FB”) 0.15％水 至100％組合物B和C(采用非離子表面活性劑)成分如下B C“Lutensol”GD7010.0％10.0％“Polyox”WSR3010.9％膨潤土4.2％碳酸氫鈉 0.4％水 至100％ 至100％試驗在與TBM一起使用前確定用于本發明中的組合物效力的方法，由此節約時間和金錢，其需要以下儀器PVC廣口瓶，1升試驗樣品碳化硅粉末(0.841-1.19mm)試驗樣品由三個直徑為50mm、厚度為14mm并帶有直徑為10mm的軸孔的ST50鋼輪組成，將這三個輪用任何適當的方式上緊在M10的螺栓上(如螺母和墊圈)，這樣在相鄰輪之間存在約14mm的空間。
方法如下將400克碳化硅與大量的水和組合物混合并加入到廣口瓶中。然后，將三個單獨輪重量已精確(至0.001克)知悉的試驗樣品加入廣口瓶中，密封該廣口瓶，放在磨機上，在125rpm下滾動3小時。然后對輪稱重以確定重量損失(磨損)。
以此方式測試組合物A、B和C。在每種情況中，用水稀釋組合物(水中5％組合物)并使30和60克試樣發泡以提供10倍的體積膨脹。作為對比，向400克碳化硅樣品中加入60克水并進行測試。試驗樣品的磨損率如下SiC+水 204mgSiC+30克A 190mgSiC+60克A 157mgSiC+30克B 129mgSiC+60克B 115mgSiC+30克C 123mgSiC+60克C 90mg如所看到的，磨損率被降低了，在某些情況下是非常顯著的。
權利要求
1.一種通過在切削頭處添加發泡的含水液體組合物的方式降低隧道挖鑿機切削頭磨損的方法，所述組合物包含發泡劑和潤滑劑，所述潤滑劑選自高分子量聚環氧乙烷和膨潤土。
2.權利要求1的方法，其中發泡組合物的各獨立成分以獨立的含水形式計量到水中并轉化成泡沫。
3.權利要求1或2的方法，其中該發泡劑選自陰離子和非離子表面活性劑。
4.權利要求1的方法，其中以濃縮液的形式供應該組合物，將其就地用水稀釋以提供發泡組合物。
5.一種降低磨損用的可發泡濃縮液，其由至少一種選自高分子量聚環氧乙烷和膨潤土的潤滑劑和至少一種能產生短壽命泡沫的發泡劑組成，還任選含有至少一種螯合劑和至少一種泡沫促進劑，存在的量分別為(a)在聚環氧乙烷作為潤滑劑的情況下0.1-3％聚環氧乙烷；2-40％發泡劑；至多為5％的螯合劑；和至多為1％的泡沫促進劑；和(b)在膨潤土作為潤滑劑的情況下2-30％膨潤土；和2-40％發泡劑；基于液體組合物重量計，其余為水。
6.一種由權利要求5的濃縮液組成的降低磨損用發泡液，其在1-20體積的水中稀釋并發泡以獲得5-40倍的體積膨脹。
全文摘要
通過在切削頭處添加發泡的含水液體組合物的方式降低隧道挖鑿機切削頭磨損的方法，所述組合物包含發泡劑和潤滑劑，所述潤滑劑選自高分子量聚環氧乙烷和膨潤土。優選的發泡劑是陰離子和非離子表面活性劑。硬質巖石的TBM挖鑿切削元件的磨損率被顯著地降低。還描述了降低磨損用可發泡濃縮液。
文檔編號C10M107/34GK1682010SQ03821571
公開日2005年10月12日 申請日期2003年9月2日 優先權日2002年9月13日
發明者H·埃格利, P·埃倫伯格 申請人:建筑研究及技術有限責任公司