泡沫劑中表面活性劑濃度對(duì)盾構(gòu)施工的影響

袁　吉

（陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，渭南 714000）

泡沫劑中表面活性劑濃度對(duì)盾構(gòu)施工的影響

袁吉

（陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，渭南 714000）

為了在盾構(gòu)施工中節(jié)約泡沫劑，充分發(fā)揮泡沫劑的效能，對(duì)其重要成分表面活性劑進(jìn)行研究。以SDS（十二烷基硫酸鈉）為例，利用電導(dǎo)率儀和恒溫箱測(cè)定不同溫度下不同濃度SDS溶液的電導(dǎo)率。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在1～40℃，SDS的CMC可用一個(gè)二次多項(xiàng)式來(lái)表達(dá)，且誤差小于2.31%。SDS在不同溫度下CMC的確定，為盾構(gòu)泡沫劑在不同施工溫度下濃度的選擇提供了依據(jù)。

盾構(gòu)泡沫劑 表面活性劑 電導(dǎo)率 臨界膠束濃度

1　引言

在砂粘土等土層的盾構(gòu)施工中，土體粘性大、摩擦力大和流動(dòng)性差，土倉(cāng)和螺旋輸送系統(tǒng)的土渣易被壓實(shí)而難于排出，采用盾構(gòu)泡沫劑可以有效解決這一問(wèn)題。盾構(gòu)泡沫劑是由多種表面活性劑、穩(wěn)定劑、強(qiáng)化劑和滲透劑等復(fù)配而成。它以水為載體，在使用過(guò)程中形成泡沫，具有良好的潤(rùn)滑作用和一定的強(qiáng)度，可以降低壓力艙內(nèi)土體的內(nèi)摩擦角，提高開(kāi)挖土的流動(dòng)性，防止“閉塞”現(xiàn)象發(fā)生，同時(shí)降低刀盤(pán)和排土器的扭矩，利于穩(wěn)定掘進(jìn)。泡沫劑的作用主要來(lái)自于其中的表面活性劑，濃度很低時(shí)能顯著改變水的性質(zhì)。例如，降低溶液表面張力、電導(dǎo)率發(fā)生顯著變化等。這與表面活性劑溶液的濃度有密切的關(guān)系，其中以CMC為分界點(diǎn)，溶液的性質(zhì)和濃度的關(guān)系曲線在CMC處出現(xiàn)拐點(diǎn)，即表面活性劑溶液在濃度達(dá)到CMC前后，溶液性質(zhì)將會(huì)發(fā)生急劇變化。因此，在生產(chǎn)應(yīng)用中，表面活性劑溶液的濃度都一般選擇在CMC及以上[1]。因此，確定使用溫度下表面活性劑的CMC，對(duì)于表面活性劑效用的發(fā)揮至關(guān)重要。在國(guó)內(nèi)已有針對(duì)泡沫劑濃度對(duì)土體流動(dòng)性、滲透系數(shù)的影響的研究[2]。張智等[3]對(duì)泡沫劑在盾構(gòu)施工的應(yīng)用做了實(shí)驗(yàn)研究，其中提到其中的表面活性劑SDS。這也是本文以SDS作為研究對(duì)象的原因。閆鑫等[4]則針對(duì)泡沫在改良砂土的性能方面做了一定的試驗(yàn)研究。此類(lèi)的研究成果還有很多[5-10]，但缺少針對(duì)泡沫劑中表面活性劑方面的試驗(yàn)研究。因此，本文將從表面活性劑在不同溫度下的CMC確定方面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

盾構(gòu)施工中，泡沫劑的濃度和土體溫度都是至關(guān)重要的參數(shù)，為了使泡沫劑在盾構(gòu)施工中充分發(fā)揮其效用，應(yīng)當(dāng)根據(jù)土體溫度選擇適當(dāng)?shù)谋砻婊钚詣舛?。本文以SDS為例，在不同溫度下對(duì)其電導(dǎo)率進(jìn)行定量試驗(yàn)研究。這對(duì)盾構(gòu)施工中盾構(gòu)泡沫劑在不同溫度下濃度的選擇具有一定的參考價(jià)值。

2　實(shí)驗(yàn)

2.1實(shí)驗(yàn)裝置及試劑

實(shí)驗(yàn)裝置主要包括電子天平、低溫恒溫循環(huán)器、電導(dǎo)率儀等。電子天平為賽多利斯科學(xué)儀器有限公司生產(chǎn)的稱(chēng)量精度為0.01g的ALC-2100.2型天平；低溫恒溫循環(huán)器可控溫度范圍為-10～99.99℃；電導(dǎo)率儀是由梅特勒-托利多儀器（上海）公司生產(chǎn)的METTLER TOLEDO326型電導(dǎo)率儀，測(cè)量范圍為0～199.9mS/cm；試劑則見(jiàn)表1。

表1　試劑

2.2實(shí)驗(yàn)原理

實(shí)驗(yàn)裝置原理圖如圖1所示。G為1000Hz的交流電源，R1、R2為滑線電阻，R3為可變電阻，Rx為待測(cè)溶液，用電極來(lái)測(cè)定溶液的電導(dǎo)，B為檢零器。這些部件形成一個(gè)惠斯通電橋，電橋平衡時(shí)便可利用電學(xué)知識(shí)得到溶液的電導(dǎo)率。

圖1　實(shí)驗(yàn)原理圖

2.3實(shí)驗(yàn)步驟

（1）設(shè)定恒溫水浴溫度為待測(cè)溫度值（分別為40℃、35℃、30℃、25℃、20℃、15℃、10℃、8℃、5℃、1℃）；

（2）將待測(cè)溶液置于恒溫水浴中，電極浸在溶液中，用電導(dǎo)率儀實(shí)時(shí)測(cè)定溶液溫度；

（3）溶液溫度穩(wěn)定（溶液溫度長(zhǎng)時(shí)間保持不變）時(shí)，測(cè)定溶液的電導(dǎo)率；

（4）重復(fù)以上步驟，即可得到不同溫度下不同濃度溶液的電導(dǎo)率。

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

實(shí)驗(yàn)測(cè)得的不同濃度SDS溶液在不同溫度下的電導(dǎo)率值見(jiàn)表2。圖2是根據(jù)表2數(shù)據(jù)繪制的SDS溶液的電導(dǎo)率-濃度曲線。

表2　SDS溶液的電導(dǎo)率

從圖2可以看到，當(dāng)溫度在1～40℃變化時(shí)，SDS溶液的電導(dǎo)率-濃度曲線在2100～2700ppm之間發(fā)生明顯轉(zhuǎn)折，說(shuō)明此溫度范圍內(nèi)SDS的CMC在2100～2700ppm之間。又因轉(zhuǎn)折前后的曲線分別呈現(xiàn)出較好的線性關(guān)系（但兩條直線斜率不同），因此在尋找某一溫度下SDS的CMC時(shí)，可采用分段線性擬合的方法來(lái)尋找交點(diǎn)，交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的濃度值就是這個(gè)溫度下SDS的CMC。

圖3以40℃為例，采用分段線性擬合的方法求得SDS的CMC為2520ppm。用相同的方法求得其他溫度下的CMC值。所測(cè)溫度下SDS的CMC詳見(jiàn)表3。

圖2　SDS溶液的電導(dǎo)率-濃度曲線

圖3　40℃時(shí)SDS溶液的電導(dǎo)率-濃度曲線

表3　SDS在不同溫度下的CMC

將表3中的數(shù)據(jù)繪制成T-CMC曲線，如圖4所示，同時(shí)得到了1～40℃范圍內(nèi)SDS的CMC。從圖3中可以看到，在低濃度段時(shí)直線斜率較大，即隨著SDS溶液濃度的增大，電離的離子數(shù)目也不斷增多，溶液的導(dǎo)電能力急劇增大，且與濃度成線性關(guān)系。當(dāng)濃度超過(guò)CMC后，增加的SDS中一部分形成了膠束，電離的離子數(shù)量不再與濃度保持原有的線性關(guān)系，而表現(xiàn)為新的線性關(guān)系，且其斜率明顯小于低濃度段時(shí)的斜率。

圖4　SDS的CMC-T曲線

CMC和溫度之間的解析關(guān)系為：CMC=0.6875T2-30.016T+2625.6。利用此多項(xiàng)式對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行描述，最大偏差為2.31%?？梢?jiàn)，此多項(xiàng)式描述SDS的CMC和溫度之間的關(guān)系是合理的。

從圖4看到，在1～40℃范圍內(nèi)，SDS的CMC值先隨著溫度的升高而減小。當(dāng)溫度達(dá)到24.6℃時(shí)，出現(xiàn)一個(gè)最小值為2267ppm后，SDS的CMC隨溫度的升高增大。

4　結(jié)論與展望

（1）在1～40℃范圍內(nèi)，SDS的CMC與溫度的解析關(guān)系可用多項(xiàng)式描述：

CMC=0.6875T2-30.016T+2625.6；

（2）1～40℃范圍內(nèi)，SDS的CMC存在一個(gè)極小值，即與24.6℃對(duì)應(yīng)的2267ppm；

（3）確定SDS在1～40℃范圍內(nèi)的CMC，為盾構(gòu)泡沫劑在不同溫度下的濃度選擇提供了參考；

（4）后期工作將把表面活性劑濃度選擇與渣土坍落度聯(lián)系起來(lái)進(jìn)行綜合實(shí)驗(yàn)研究，本文正好為后期實(shí)驗(yàn)研究奠定了基礎(chǔ)。

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Effect of Surfactant Concentration in Shield Foam on Shield Construction

YUAN Ji

(ShanXi Railway Institute，Weinan 714000)

In order to save foams in shield construction, give full play to the efficiency of foam agent, its important component of surfactant was st udied, with SDS (twelve sodium dodecyl sulf ate) as an exam ple. Temperature and concentration of surfactant solution are important parameters in shield construction, the soil improvement effect is best when the concentration reaches a certain value(CMC, Critical Micelle Concentration) at a specific temperature. The conductance of SDS so lution with different concentration at different tem perature were determ ined by conductivity meter and constant temperature box, the CMC of SDS at different tem peratures were determined, concentration of shield foam should be ensured by the CMC of surfactant, it provide the bas is for the s hield foam concentration selection at different temperature in shield construction.

shield foam, surfactant, conductance, critical micelle concentration

陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院2013年首批科研基金項(xiàng)目（2013-25）。