泡沫剂中表面活性剂浓度对盾构施工的影响

袁　吉

（陕西铁路工程职业技术学院，渭南 714000）

泡沫剂中表面活性剂浓度对盾构施工的影响

袁吉

（陕西铁路工程职业技术学院，渭南 714000）

为了在盾构施工中节约泡沫剂，充分发挥泡沫剂的效能，对其重要成分表面活性剂进行研究。以SDS（十二烷基硫酸钠）为例，利用电导率仪和恒温箱测定不同温度下不同浓度SDS溶液的电导率。结果发现，在1～40℃，SDS的CMC可用一个二次多项式来表达，且误差小于2.31%。SDS在不同温度下CMC的确定，为盾构泡沫剂在不同施工温度下浓度的选择提供了依据。

盾构泡沫剂 表面活性剂 电导率 临界胶束浓度

1　引言

在砂粘土等土层的盾构施工中，土体粘性大、摩擦力大和流动性差，土仓和螺旋输送系统的土渣易被压实而难于排出，采用盾构泡沫剂可以有效解决这一问题。盾构泡沫剂是由多种表面活性剂、稳定剂、强化剂和渗透剂等复配而成。它以水为载体，在使用过程中形成泡沫，具有良好的润滑作用和一定的强度，可以降低压力舱内土体的内摩擦角，提高开挖土的流动性，防止“闭塞”现象发生，同时降低刀盘和排土器的扭矩，利于稳定掘进。泡沫剂的作用主要来自于其中的表面活性剂，浓度很低时能显著改变水的性质。例如，降低溶液表面张力、电导率发生显著变化等。这与表面活性剂溶液的浓度有密切的关系，其中以CMC为分界点，溶液的性质和浓度的关系曲线在CMC处出现拐点，即表面活性剂溶液在浓度达到CMC前后，溶液性质将会发生急剧变化。因此，在生产应用中，表面活性剂溶液的浓度都一般选择在CMC及以上[1]。因此，确定使用温度下表面活性剂的CMC，对于表面活性剂效用的发挥至关重要。在国内已有针对泡沫剂浓度对土体流动性、渗透系数的影响的研究[2]。张智等[3]对泡沫剂在盾构施工的应用做了实验研究，其中提到其中的表面活性剂SDS。这也是本文以SDS作为研究对象的原因。闫鑫等[4]则针对泡沫在改良砂土的性能方面做了一定的试验研究。此类的研究成果还有很多[5-10]，但缺少针对泡沫剂中表面活性剂方面的试验研究。因此，本文将从表面活性剂在不同温度下的CMC确定方面进行实验研究。

盾构施工中，泡沫剂的浓度和土体温度都是至关重要的参数，为了使泡沫剂在盾构施工中充分发挥其效用，应当根据土体温度选择适当的表面活性剂浓度。本文以SDS为例，在不同温度下对其电导率进行定量试验研究。这对盾构施工中盾构泡沫剂在不同温度下浓度的选择具有一定的参考价值。

2　实验

2.1实验装置及试剂

实验装置主要包括电子天平、低温恒温循环器、电导率仪等。电子天平为赛多利斯科学仪器有限公司生产的称量精度为0.01g的ALC-2100.2型天平；低温恒温循环器可控温度范围为-10～99.99℃；电导率仪是由梅特勒-托利多仪器（上海）公司生产的METTLER TOLEDO326型电导率仪，测量范围为0～199.9mS/cm；试剂则见表1。

表1　试剂

2.2实验原理

实验装置原理图如图1所示。G为1000Hz的交流电源，R1、R2为滑线电阻，R3为可变电阻，Rx为待测溶液，用电极来测定溶液的电导，B为检零器。这些部件形成一个惠斯通电桥，电桥平衡时便可利用电学知识得到溶液的电导率。

图1　实验原理图

2.3实验步骤

（1）设定恒温水浴温度为待测温度值（分别为40℃、35℃、30℃、25℃、20℃、15℃、10℃、8℃、5℃、1℃）；

（2）将待测溶液置于恒温水浴中，电极浸在溶液中，用电导率仪实时测定溶液温度；

（3）溶液温度稳定（溶液温度长时间保持不变）时，测定溶液的电导率；

（4）重复以上步骤，即可得到不同温度下不同浓度溶液的电导率。

3　实验结果与讨论

实验测得的不同浓度SDS溶液在不同温度下的电导率值见表2。图2是根据表2数据绘制的SDS溶液的电导率-浓度曲线。

表2　SDS溶液的电导率

从图2可以看到，当温度在1～40℃变化时，SDS溶液的电导率-浓度曲线在2100～2700ppm之间发生明显转折，说明此温度范围内SDS的CMC在2100～2700ppm之间。又因转折前后的曲线分别呈现出较好的线性关系（但两条直线斜率不同），因此在寻找某一温度下SDS的CMC时，可采用分段线性拟合的方法来寻找交点，交点所对应的浓度值就是这个温度下SDS的CMC。

图3以40℃为例，采用分段线性拟合的方法求得SDS的CMC为2520ppm。用相同的方法求得其他温度下的CMC值。所测温度下SDS的CMC详见表3。

图2　SDS溶液的电导率-浓度曲线

图3　40℃时SDS溶液的电导率-浓度曲线

表3　SDS在不同温度下的CMC

将表3中的数据绘制成T-CMC曲线，如图4所示，同时得到了1～40℃范围内SDS的CMC。从图3中可以看到，在低浓度段时直线斜率较大，即随着SDS溶液浓度的增大，电离的离子数目也不断增多，溶液的导电能力急剧增大，且与浓度成线性关系。当浓度超过CMC后，增加的SDS中一部分形成了胶束，电离的离子数量不再与浓度保持原有的线性关系，而表现为新的线性关系，且其斜率明显小于低浓度段时的斜率。

图4　SDS的CMC-T曲线

CMC和温度之间的解析关系为：CMC=0.6875T2-30.016T+2625.6。利用此多项式对实验结果进行描述，最大偏差为2.31%。可见，此多项式描述SDS的CMC和温度之间的关系是合理的。

从图4看到，在1～40℃范围内，SDS的CMC值先随着温度的升高而减小。当温度达到24.6℃时，出现一个最小值为2267ppm后，SDS的CMC随温度的升高增大。

4　结论与展望

（1）在1～40℃范围内，SDS的CMC与温度的解析关系可用多项式描述：

CMC=0.6875T2-30.016T+2625.6；

（2）1～40℃范围内，SDS的CMC存在一个极小值，即与24.6℃对应的2267ppm；

（3）确定SDS在1～40℃范围内的CMC，为盾构泡沫剂在不同温度下的浓度选择提供了参考；

（4）后期工作将把表面活性剂浓度选择与渣土坍落度联系起来进行综合实验研究，本文正好为后期实验研究奠定了基础。

[1]荆忠胜.表面活性剂概论[M].北京：中国轻工业出版社，1999.

[2]熊建明，刘波，潘强，等.地铁盾构施工泡沫剂改良土体控制渗害的试验研究[J].中国安全生产科学技术，2008，（1）：4-9.

[3]张智，雷宇芳，鄢佳佳，等.新型泡沫剂在广佛地铁盾构施工中的应用[J].施工技术，2013，（10）：55-57.

[4]闫鑫，龚秋明，姜厚停，等.土压平衡盾构施工中泡沫改良砂土的试验研究[J].地下空间与工程学报，2010，（3）：449-453.

[5]王杜娟，陈馈.复合式土压平衡盾构泡沫系统

的研制[J].建筑机械化，2009，（2）：66-68.

[6]郑杨锐，林世友.土压平衡盾构机泡沫系统的研制[J].隧道建设，2012，（4）：594-603.

[7]孙英伟.土压平衡盾构施工泡沫剂效用分析[J].岩土工程界，2007，（4）：60-62.

[8]魏新良.土压平衡盾构长距离穿越砂性地层施工技术[J].地下工程与隧道，2012，（3）：19-21，30.

[9]黄德中.超大直径土压平衡盾构施工土体改良试验研究[J].现代隧道技术，2011，（4）：65-71.

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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

陕西铁路工程职业技术学院2013年首批科研基金项目（2013-25）。