本发明涉及施工添加剂领域，特别是涉及一种渣土改良剂。
背景技术：
盾构法是暗挖法施工中的一种全机械化施工方法。它是将盾构机械在地中推进，通过盾构外壳和管片支承四周围岩防止发生往隧道内的坍塌。同时在开挖面前方用切削装置进行土体开挖，通过出土机械运出洞外，靠千斤顶在后部加压顶进，并拼装预制混凝土管片，形成隧道结构的一种机械化施工方法。
目前我国应用的盾构机类型主要是土压平衡式盾构机，其原理是使开挖面切口环内被动土压力与开挖面刀盘外侧主动土压力保持平衡，因此要求作为支撑介质的土砂具有良好的塑流性。但是由于一般土壤不能完全满足这些特征，需要对其进行土体改良，具体技术方法就是在刀盘前部和土仓中注入膨润土、高分子聚合物、泡沫及分散剂等添加材料，经刀盘搅拌改善开挖土砂的塑流性，并降低渣土的透水性。但对于较大砾石地层(渗透系数大于10-5m/s的地层，泡沫的不适用)效果不理想，而且此种添加无法抑制土壤中微生物对材料的降解，添加剂粘度损失较快。
技术实现要素：
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种渣土改良剂，用于解决包含相对大颗粒的砂卵地层的流动性、排出泥土以及抑制土壤中微生物对材料的降解的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明是通过如下技术方案实现的。
本发明一方面提供一种渣土改良剂，所述渣土改良剂的原料包括固料和液料，所述固料按重量份包括以下组分：
在本发明的一些实施方式中，所述渣土改良剂的原料包括固料和液料，所述固料按重量份包括以下组分：
在本发明的一些实施方式中，所述液料包括水，所述水与所述非离子型纤维素醚的质量比为200～300：1。
在本发明的一些实施方式中，所述非离子型纤维素醚选自烷基纤维素、羟烷基纤维素、羟烷基-烷基纤维素中的一种或多种的组合。
在本发明的一些实施方式中，还包括如下技术特征的一项或多项：
a1)所述烷基纤维素选自甲基纤维素和/或乙基纤维素；
a2)所述羟烷基纤维素选自羟乙基纤维素和/羟丙基纤维素；
a3)所述羟烷基-烷基纤维素选自羟乙基甲基纤维素，羟乙基乙基纤维素。
在本发明的一些实施方式中，所述磺酸型表面活性剂选自脂肪族磺酸、脂肪族磺酸盐、芳族磺酸、芳族磺酸盐、二烷基磺基琥珀酸、二烷基磺基琥珀酸盐中的一种或多种的组合。
在本发明的一些实施方式中，所述磺酸型表面活性剂选自萘磺酸甲醛缩合物。
在本发明的一些实施方式中，所述无机碱选自碱土金属氢氧化物，所述碱土金属氢氧化物选自氢氧化镁、氢氧化钾，氢氧化钠，氢氧化钙中的一种或多种的组合。
本发明另一方面提供本发明所述的渣土改良剂的制备方法，包括：将聚丙烯酰胺、非离子型纤维素醚和无机碱与水混合后加入磺酸型表面活性剂。
本发明另一方面提供本发明所述的渣土改良剂在砂卵石地层施工中的用途。
具体实施方式
下面详细说明本发明的渣土改良剂、制备方法及在砂卵地层施工中的用途。
本发明第一方面提供一种渣土改良剂，所述渣土改良剂的原料包括固料和液料，所述固料按重量份包括以下组分：
作为本发明的优选方式，所述渣土改良剂的原料包括固料和液料，所述固料按重量份包括以下组分：
作为本发明更优选的方式，所述渣土改良剂的原料包括固料和液料，所述固料按重量份包括以下组分：
本发明所提供的渣土改良剂中，所述液料包括水，所述水与所述非离子型纤维素醚的质量比为200～300：1。
本发明所提供的渣土改良剂中，所述非离子型纤维素醚选自烷基纤维素、羟烷基纤维素、羟烷基-烷基纤维素等中的一种或多种的组合。所述烷基纤维素选自甲基纤维素和/或乙基纤维素等；所述羟烷基纤维素选自羟乙基纤维素和/羟丙基纤维素等；所述羟烷基-烷基纤维素选自羟乙基甲基纤维素和/或羟乙基乙基纤维素等。所述非离子型纤维素醚更优选为羟乙基纤维素。纤维素是一种既不溶解也不熔融的多羟基高分子化合物。纤维素大分子中每个葡萄糖基环含有三个羟基，第六碳原子上的伯羟基、第二、三个碳原子上的仲羟基，羟基中的氢被烃基取代而生成纤维素醚类衍生物。纤维素经醚化后则能溶于水、稀碱溶液和有机溶剂。根据取代基的化学结构分类，可分为阴离子、阳离子和非离子型醚类。非离子型纤维素醚类是指在其结构单元上不含可离解基团的一类纤维素醚及其衍生物，烷基纤维素、羟烷基纤维素、羟烷基-烷基纤维素都属非离子型纤维素醚。
本发明所提供的渣土改良剂中，所述磺酸型表面活性剂选自脂肪族磺酸、脂肪族磺酸盐、芳族磺酸、芳族磺酸盐、二烷基磺基琥珀酸、二烷基磺基琥珀酸盐中的一种或多种的组合，优选选自萘磺酸甲醛缩合物。本发明通过加入磺酸型表面活性剂例如萘磺酸甲醛缩合物除了有增加砾石土壤流动性的作用之外，由于萘磺酸甲醛缩合物属于阴离子表面活性剂，是一种高效减水剂，使得制备得到的渣土改良剂具有较高的减水率、基本无引气、无缓凝，成本相对低等特点。
本发明所提供的渣土改良剂中，所述无机碱选自碱土金属氢氧化物，所述碱土金属氢氧化物选自氢氧化镁、氢氧化钾，氢氧化钠，氢氧化钙等中的一种或多种的组合。所述无机碱优选为氢氧化镁。本发明加入无机碱可以抑制土壤中微生物对水溶性聚合物(非离子型纤维素醚)的分解作用，天然或半合成化合物(天然存在的聚合物，半合成聚合物等)对环境的负担较小，但是通常，该材料易受地下细菌的生物降解，并且在功能方面的稳定性(例如快速粘度降低)方面出现问题的可能性高于合成化合物(例如合成聚合物)。添加无机碱是提供一种有效地与砂卵地层混合而不会被微生物降解而导致粘度剧烈下降的方法。
本发明的第二方面提供前述渣土改良剂的制备方法，包括：将聚丙烯酰胺、非离子型纤维素醚和无机碱与水混合后加入磺酸型表面活性剂。
更具体地，将聚丙烯酰胺、非离子型纤维素醚和无机碱固体混合均匀；将水在搅拌罐中以1000～1200rpm转速搅拌；将混合的非离子纤维素醚与无机碱非常缓慢的连续加入水中，搅拌至少20min，然后加入磺酸型表面活性剂，搅拌至少5min，至固体完全溶解；静置90min完成制备。
本发明的第三方面提供前述渣土改良剂在砂卵石地层施工中的用途。
渣土改良的目的是土体呈一种塑性流动状态，具有一定的粘度、流动性和不透水性，防止螺旋输送机排土时出现喷涌现象。泡沫剂作为常用的渣土改良剂，多用于细颗粒土层中(如黏土地层等)，一般情况下，在渗透性较大的粗颗粒地层中不适用，因为泡沫中的气体很容易泄漏逃逸，无法有效地与砂土混合成弹性体，从而导致渣土沉淀、板结。加入非离子纤维素醚可在砂颗粒与水之间形成絮状凝聚物，增强其黏结性，减小内摩擦角，提高土体的流动性，提高渣土黏稠度、增强渣土的塑性的作用，可有效防止或减少螺旋输送机排土时发生的喷涌现象，并防止渣土黏结刀盘而产生泥饼。同时由于无机碱的使用，抑制微生物的繁殖或增殖(即，抑制生物降解的效果)来抑制非离子型纤维素醚的分解，保持高粘度。它可以有效地与泥土，沙子和砾石混合，而不会使高粘度降低。此外，由于使用非离子型纤维素醚，即使将其应用于泥土，沙子，砾石等，长远来看，生物降解性也高，并且可以降低环境负荷，但在盾构掘进出土时间内中，高粘度不会损失。
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
在下述实施例中，所使用到的试剂、材料以及仪器如没有特殊的说明，均可商购获得。
实施例1
将质量分数8.1％的聚丙烯酰胺、32.3％的羟乙基纤维素和40.3％的氢氧化镁固体混合均匀；按照质量比聚丙烯酰胺:水＝1:250的比例准备水，将水在搅拌罐中以1000～1200rpm转速搅拌；将混合的羟乙基纤维素与氢氧化镁非常缓慢的连续加入水中，搅拌至少20min，然后加入19.4％的萘磺酸甲醛缩合物，搅拌至少5min，至固体完全溶解；静置90min完成制备。
实施例2
将质量分数5.8％的聚丙烯酰胺、23.3％的羟乙基纤维素和29.1％的氢氧化镁固体混合均匀；按照质量比丙烯酰胺:水＝1:250的比例准备水，将水在搅拌罐中以1000～1200rpm转速搅拌；将混合的羟乙基纤维素与氢氧化镁非常缓慢的连续加入水中，搅拌至少20min，然后加入41.9％的萘磺酸甲醛缩合物，搅拌至少5min，至固体完全溶解；静置90min完成制备。
实施例3
将质量分数3.8％的聚丙烯酰胺、15.0％的羟乙基纤维素和18.8％的氢氧化镁固体混合均匀；按照质量比丙烯酰胺:水＝1:250的比例准备水，将水在搅拌罐中以1000～1200rpm转速搅拌；将混合的羟乙基纤维素与氢氧化镁非常缓慢的连续加入水中，搅拌至少20min，然后加入62.5％的萘磺酸甲醛缩合物，搅拌至少5min，至固体完全溶解；静置90min完成制备。
实施例4
将质量分数3.2％的聚丙烯酰胺、12.6％的羟乙基纤维素和15.8％的氢氧化镁固体混合均匀；按照质量比丙烯酰胺:水＝1:250的比例准备水，将水在搅拌罐中以1000～1200rpm转速搅拌；将混合的羟乙基纤维素与氢氧化镁非常缓慢的连续加入水中，搅拌至少20min，然后加入68.4％的萘磺酸甲醛缩合物，搅拌至少5min，至固体完全溶解；静置90min完成制备。
实施例5
将质量分数3.8％的聚丙烯酰胺、15.0％的乙基纤维素和18.8％的氢氧化镁固体混合均匀；按照质量比丙烯酰胺:水＝1:250的比例准备水，将水在搅拌罐中以1000～1200rpm转速搅拌；将混合的乙基纤维素与氢氧化镁非常缓慢的连续加入水中，搅拌至少20min，然后加入62.5％的磺酸型表面活性剂，其中磺酸型表面活性剂为等质量的萘磺酸甲醛缩合物与脂肪族磺酸的混合物，搅拌至少5min，至固体完全溶解；静置90min完成制备。
实施例6
将质量分数3.8％的聚丙烯酰胺、15.0％的羟丙基纤维素和18.8％的氢氧化镁固体混合均匀；按照质量比丙烯酰胺:水＝1:250的比例准备水，将水在搅拌罐中以1000～1200rpm转速搅拌；将混合的羟丙基纤维素与氢氧化镁非常缓慢的连续加入水中，搅拌至少20min，然后加入62.5％的磺酸型表面活性剂，其中磺酸型表面活性剂为等质量的萘磺酸甲醛缩合物与脂肪族磺酸的混合物，搅拌至少5min，至固体完全溶解；静置90min完成制备。
实施例7
将质量分数3.8％的聚丙烯酰胺、15.0％的羟乙基乙基纤维素和18.8％的氢氧化镁固体混合均匀；按照质量比丙烯酰胺:水＝1:250的比例准备水，将水在搅拌罐中以1000～1200rpm转速搅拌；将混合的羟乙基乙基纤维素与氢氧化镁非常缓慢的连续加入水中，搅拌至少20min，然后加入62.5％的磺酸型表面活性剂，其中磺酸型表面活性剂为等质量的萘磺酸甲醛缩合物与烷基磺基琥珀酸的混合物，搅拌至少5min，至固体完全溶解；静置90min完成制备。
实施例8
将质量分数3.8％的聚丙烯酰胺、15.0％的非离子型纤维素醚和18.8％的氢氧化镁固体混合均匀，其中非离子型纤维素醚为等质量的甲基纤维素、羟乙基纤维素和羟乙基甲基纤维素的混合物；按照质量比丙烯酰胺:水＝1:250的比例准备水，将水在搅拌罐中以1000～1200rpm转速搅拌；将混合的羟乙基纤维素与氢氧化镁非常缓慢的连续加入水中，搅拌至少20min，然后加入62.5％的磺酸型表面活性剂，其中磺酸型表面活性剂为等质量的萘磺酸甲醛缩合物与烷基磺基琥珀酸的混合物，搅拌至少5min，至固体完全溶解；静置90min完成制备。
实施例9
将质量分数3.8％的聚丙烯酰胺、15.0％的羟乙基纤维素和18.8％的无机碱固体混合均匀，其中无机碱为等质量的氢氧化钾与氢氧化镁的混合物；按照质量比丙烯酰胺:水＝1:250的比例准备水，将水在搅拌罐中以1000～1200rpm转速搅拌；将混合的羟乙基纤维素与氢氧化镁非常缓慢的连续加入水中，搅拌至少20min，然后加入62.5％的萘磺酸甲醛缩合物，搅拌至少5min，至固体完全溶解；静置90min完成制备。
对比例1
将质量分数8.1％的聚丙烯酰胺、32.3％的羟乙基纤维素和40.3％的氢氧化镁固体混合均匀；按照质量比丙烯酰胺:水＝1:250的比例准备水，将水在搅拌罐中以1000～1200rpm转速搅拌；将混合的羟乙基纤维素与氢氧化镁非常缓慢的连续加入水中，搅拌至少20min，不加入磺酸型表面活性剂，继续搅拌至固体完全溶解；静置90min完成制备。
对比例2
将质量分数8.1％的聚丙烯酰胺、32.3％的羟乙基纤维素和40.3％的氢氧化镁固体混合均匀；按照质量比丙烯酰胺:水＝1:250的比例准备水，将水在搅拌罐中以1000～1200rpm转速搅拌；将混合的羟乙基纤维素与氢氧化镁非常缓慢的连续加入水中，搅拌至少20min，然后加入19.4％的萘磺酸甲醛缩合物，搅拌至少5min，至固体完全溶解；加入足量纤维素酶，将温度维持在35℃，静置90min完成制备。
对比例3
将质量分数8.1％的聚丙烯酰胺、32.3％的羟乙基纤维素和40.3％氯化钠混合均匀；按照质量比丙烯酰胺:水＝1:250的比例准备水，将水在搅拌罐中以1000～1200rpm转速搅拌；将混合的羟乙基纤维素与氯化钠非常缓慢的连续加入水中，搅拌至少20min，然后加入19.4％的萘磺酸甲醛缩合物，搅拌至少5min，至固体完全溶解；加入足量纤维素酶，将温度维持在35℃，静置90min完成制备。
将实施例1～9及对比例1～3中的材料进行粘度测试。并将其按照一定比例加入含砾石土中，测量改良后的砾石土的坍落度。
粘度测试：
使用ndj-9数字旋转粘度计进行本发明材料的粘度测试。用特定容器盛取适量样品，按照ndj-9数字旋转粘度计测试流程测试即可。
塌落度测试：
使用标准的砂浆塌落度桶，其上直径为50mm，下直径为100mm，高150mm。向大含水量的砂砾石土中加入质量分数0％、2％和4％的本发明渣土改良剂，搅拌3min后装入砂浆塌落度桶，插捣密实后，轻轻向上提起塌落度桶，让试块在重力作用下塌落变形，记录顶端下降的距离为塌落度。
表1本发明实施例1～9和对比例1～3的的渣土改良剂的粘度及对砾石土改良后的坍落度测试
由上表可以看出本发明所涉及的材料具有较高的粘度，表明其对砾石土的改良效果更佳。对比例1与实施例1对比可知，分散剂的添加有利于提升稠度，有利于砾石土塑性提高。由对比例2、3可知，无机碱的添加有利于防止本发明中的纤维素衍生物过早降解，可以延长其使用寿命；虽然本发明中添加的无机碱阻碍了自然界微生物对其分解，但本发明中所涉及的原材料均无毒害，对环境影响小，环保无污染，且长远来看，在隧道建成数年后，本发明材料终将逐渐被微生物分解，因此本材料属于环境友好型材料。由改良土的塌落度试验结果可知，将添加量定在2％左右较为合适，改良土的流塑性较好，添加量过大会导致流动性降低。
当实施例给出数值范围时，应理解，除非本发明另有说明，每个数值范围的两个端点以及两个端点之间任何一个数值均可选用。除非另外定义，本发明中使用的所有技术和科学术语与本技术领域技术人员通常理解的意义相同。除实施例中使用的具体方法、设备、材料外，根据本技术领域的技术人员对现有技术的掌握及本发明的记载，还可以使用与本发明实施例中所述的方法、设备、材料相似或等同的现有技术的任何方法、设备和材料来实现本发明。