基于MD法的DTAC/SDS复合泡沫改良盾构黏性土机理分析
翟淑芳1，田博宁1，王頔2，张晓楠1，张建涛1
（1.河南工业大学 土木工程学院，河南 郑州 450001；2. 中国地质环境监测院，北京 100010）
摘要：探究盾构施工中常用的十二烷基三甲氯化铵（DTAC）和十二烷基硫酸钠（SDS）为配方的复合型泡沫，改良以钠蒙脱石（Na-MMT）为主要矿物基质的黏性土时的改良机理，有助于优化泡沫剂的配方和泡沫改良黏性土的效果。采用分子动力学模拟（MD）的方法，构建（DTAC/SDS）/Na-MMT分子界面模型，从纳观层面分析DTAC/SDS在MMT层间的吸附行为，揭示界面结合能与分子取向的关联机制，量化界面相互作用。研究表明：①界面结合能与非键能均为-3086.886 kcal/mol，复合泡沫与Na-MMT界面主要通过静电吸附相互结合，其中SDS的硫酸根(-OSO3?)与Na-MMT的Na?发生离子-偶极相互作用，DTAC的季铵基团（N?(CH?)?）阳离子与MMT表面负电荷的静电互补；② DTAC/SDS在Na-MMT表面的吸附呈分层特征，H(H2O)-O(SDS)在约2.8 Å处显示出一个氢键峰，与H(H2O)-O(MMT)出现峰值距离相当，说明复合泡沫的引入重构了原有的水分子-黏土氢键网络，从而削弱水分子迁移能力，降低水分子的流动性，有效抑制了蒙脱石的吸水膨胀性；③ 复合泡沫有效吸附黏土表面，表面活性剂分子中的N原子和S原子的扩散系数分别为0.0141Ų/ps和0.0091 Ų/ps，扩散能力介于水分子与黏土骨架之间，有效限制钠离子和水的迁移，形成了稳定的疏水复合结构。DTAC/SDS复合泡沫通过静电吸附与氢键重构双重机制，蒙脱石膨胀性得到有效抑制。该研究明确了复合泡沫改良黏性土的微观物化机制，为盾构渣土改良剂的分子设计提供量化理论支撑。
关键词：铁路隧道；盾构隧道；渣土改良；分子动力学；复合型泡沫；黏性土；钠蒙脱石
中图分类号: U25; U455 文献标识码: DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.202601140005