隧道用新型水炮泥的試驗研究*

孫忠強　孟令剛

（1.河北科技大學環(huán)境科學與工程學院　石家莊050018；2.中鋼石家莊工程設計研究院有限公司　石家莊050000）

職業(yè)健康

隧道用新型水炮泥的試驗研究*

孫忠強1孟令剛2

（1.河北科技大學環(huán)境科學與工程學院石家莊050018；2.中鋼石家莊工程設計研究院有限公司石家莊050000）

為了降低隧道爆破施工時粉塵的濃度 ，改善勞動者作業(yè)環(huán)境，選用多種基料、表面活性劑等，通過潤濕性試驗、表面張力試驗和降毒性試驗，確定了新型水炮泥降塵劑的配方，即基料選氯化鈉，表面活性劑選十二烷基苯磺酸鈉，添加劑為氯化銨和硫酸銅；為了驗證新型水炮泥降塵劑的降塵效果，設計了水炮泥現(xiàn)場裝填方案 ，并進行了現(xiàn)場對比試驗，試驗結果表明：加入水炮泥爆破全塵降塵率可達48%以上，比現(xiàn)有的通風除塵措施有了較大的提高。

粉塵 爆破 新型水炮泥 隧道

0　引言

鉆爆法是巖石隧道施工的一種最重要且經(jīng)濟高效的施工方式，然而在公路隧道鉆爆法施工中 ，鉆孔、爆破、出渣運輸、噴射混凝土等施工過程中都會產(chǎn)生大量的粉塵，粉塵不僅對大氣環(huán)境產(chǎn)生污染，而且對作業(yè)人員的職業(yè)健康也會產(chǎn)生嚴重的危害 ，為此，必須采取一切措施來有效控制粉塵的擴散和飛揚 ，使作業(yè)點空氣中的粉塵濃度降至國家安全規(guī)程規(guī)定值以內(nèi)。針對隧道爆破產(chǎn)塵量大的問題 ，本文研究了適用于降低公路隧道爆破粉塵的新型水炮泥。

1　新型水炮泥降塵劑組分的選擇

水炮泥降塵的實質是爆破產(chǎn)生的高溫高壓沖擊波，將炮孔中填塞的水袋破裂 ，并使部分水汽化，產(chǎn)生的霧粒與使爆破所形成粉塵潤濕粘結，從而達到降塵的效果。同時將研制的降塵劑加入水炮泥袋中，能有效降低水的表面張力，改善巖塵的潤濕能力，并與炮煙中有毒有害氣體發(fā)生反應，能夠明顯改善水炮泥降低粉塵的效果。降塵劑的配方?jīng)Q定降塵劑降塵效果的好壞。一般降塵劑由多種組分復配而成，主要由基料、表面活性劑組成。由于降塵劑主要用于降塵和降毒，因此降塵劑中應含有表面活性劑和其他添加劑等多種物質。作為降塵劑的活性單體必須滿足以下性能：潤濕效率高，降塵能力強；藥劑消耗量小，使用濃度低；低毒，生物降解率高；價廉。降塵劑主要成分的組成選擇：

（1）基料的選擇。降塵劑要有良好的潤濕性能才能保證起到降塵功效。無機鹽的水溶液一般有良好的潤濕性能，選無機鹽為基料。目前降塵劑中常選用的無機鹽有：氯化鈣、氯化鎂、氯化鈉、氯化鉀等［1-2］。

（2）表面活性劑的選擇。基料可以增強降塵劑的潤濕性 ，但是溶液的表面張力值改變不大。但是表面活性劑可以明顯降低表面張力，提高降塵劑降塵性能。表面活性劑主要起降低溶液表面張力、增強潤濕、分散等性能。常用的表面活性劑有：十二烷基苯磺酸鈉、十二烷基硫酸鈉、硅酸鈉等［1-2］。

（3）其他添加劑的選擇。降塵劑既要有良好的降塵效果，又要有明顯的降毒功能。水能與CO和氮氧化物發(fā)生化學反應，使它們轉化為無毒物質。但是在正常工作環(huán)境下，該化學反應緩慢，需要添加催化劑。而Cu2+對水與CO的反應能起催化作用，故可以選擇含有Cu2+的化學物質作為催化劑。但是添加的催化劑必須滿足無毒無害，且不影響表面活性劑和潤濕劑的降塵效果。另外含NH的物質，溶入水溶液中一般能和氮氧化物反應，消除氮氧化物，起到降低有毒有害氣體的作用。

（4）降塵劑無毒害性分析。本次實驗選用的具體物質見表1。

表1　降塵劑配方實驗中選用的物質

2　水炮泥降塵劑配方實驗研究

2.1基料的確定及實驗結果分析

使基料各物質溶液與巖粉在相同的條件下相接觸，通過對濕潤程度的觀察 ，定量的測量出不同濃度時各種物質的相對潤濕度。把這三種物質分別從低濃度到高濃度配成溶液，不斷的探索其隨濃度變化的趨勢。在選出每種物質的最優(yōu)潤濕濃度后，進行對比，選出最終的基料。本次實驗測量相對潤濕速度采用粉末正向滲透法［3-5］。

2.1.1不同基料最優(yōu)潤濕濃度測定

在實驗時分別選定NaCl、KCl和CaCl2的5個質量濃度，分別是0.1%、0.3%、0.5%、0.7%、1%，分別按其規(guī)定的濃度配制成溶液。首先，準備5個一樣的試管，分別放入5g巖粉并慢慢敲勻，使試管內(nèi)巖粉的高度距試管底部為5 cm；然后將試管垂直固定并標記好，接著向試管中分別慢慢滴加不同濃度的0.5 mL溶液，并在 滴加結束后立即計時［1-3］。各物質的相對潤濕速度如圖1～圖3所示。

從圖1可以看出，當NaCl溶液的質量濃度為0.1%～0.3%時，隨濃度的增加，其潤濕的效果也越為理想。當質量濃度為0.3%～0.5%時，其潤濕效果變化卻不大。當其質量濃度為0.5%～1%時，其潤濕效果已開始有降低的現(xiàn)象。所以NaCl的最優(yōu)潤濕濃度為0.3%～0.5%，但從經(jīng)濟效益角度考慮，0.3%應為最佳。

圖1　NaCl 不同濃度溶液的相對潤濕速度

圖2　KCl不同濃度溶液的相對潤濕速度

從圖2可以明顯的看出，當KCl溶液的質量濃度在0.1%～0.5%時，隨濃度的增加，其潤濕的效果也越理想。在質量濃度為0.5%左右出現(xiàn)了峰值，當其質量濃度在0.5%～1%時，其潤濕效果已開始降低，但降低的不多。因此，KCl的最優(yōu)潤濕濃度為0.5%～1%，但要是考慮經(jīng)濟效益，0.5%應為最佳。

由圖3可以得到，當CaCl2溶液的質量濃度在0.1%～0.3%時，其潤濕效果隨著濃度的增加而增加。當其質量濃度為0.5%時，其潤濕效果最差。當其質量濃度在0.7%～1%時，其潤濕效果隨著時間的增加有降低的現(xiàn)象。所以CaCl2的最優(yōu)潤濕濃度為0.1%～0.3%，但要是考慮經(jīng)濟效益，0.1%應為最佳。

圖3　CaCl2不同濃度溶液的相對潤濕速度

在實驗時首先選定了NaCl、KCl、CaCl2的最優(yōu)潤濕質量濃度，其質量濃度分別是0.3%、0.5%、0.1%，分別按其規(guī)定的濃度配制成溶液。試驗過程也與NaCl的最優(yōu)潤濕濃度實驗相同，整理實驗數(shù)據(jù)繪制成圖4。

圖4　各物質不同濃度的相對潤濕速度

從圖4中的變化趨勢可以看出：在相同的實驗條件下，每種物質在各自的最優(yōu)潤濕濃度時，NaCl與KCl的潤濕性能最為優(yōu)越，且NaCl開始階段潤濕速度快。通過實驗可以認為，NaCl是所選3種基料中最優(yōu)的，其最優(yōu)潤濕質量濃度為0.3%。

2.1.2基料溶液的表面張力測定數(shù)據(jù)分析

降塵劑的降塵性能除了與其溶液的相對潤濕速度有關外，還取決于其溶液的表面張力［3］。經(jīng)實驗測定，NaCl不同濃度水溶液的表面張力，如表2所示。

表2　不同濃度NaCl水溶液的表面張力

測得水的表面張力為72.3 mN/m，所以NaCl做為基料添加到水中只是增強了水的相對潤濕速度，沒有降低水的表面張力。所以需要進一步研究如何降低水的表面張力。

2.2表面活性劑的確定及實驗結果分析

2.2.1溶液表面張力測定實驗及數(shù)據(jù)分析

要從十二烷基苯磺酸鈉和十二烷基硫酸鈉兩種物質中選出作為降塵劑的表面活性劑就要通過測量兩者溶液的表面張力。通過數(shù)據(jù)測定整理，繪制成圖5。

圖5　不同濃度下兩種物質表面張力測定值

由圖5可得出：兩種物質的曲線基本相同，且都能降低水的表面張力，所以無法確定選用哪種物質，因而需考慮它們的相對潤濕速度。

2.2.2粉末正向滲透法實驗及數(shù)據(jù)分析

單純從表面張力方面無法判定選用哪種物質為表面活性劑，所以需要測定兩種物質的相對潤濕速度。當然，研究表面活性劑對巖粉的潤濕能力 ，需確保實驗所需的巖粉相同。使物質與巖粉在相同的條件下相接觸，通過對濕潤程度的觀察，定量的測量出不同濃度時表面活性劑的相對潤濕速度。把這兩種物質分別從低濃度到高濃度配成溶液，不斷的探索其隨濃度變化的趨勢。在選出每種表面活性劑的最優(yōu)潤濕濃度后再進行對比 ，最終選出最優(yōu)的表面活性劑。實驗測量相對潤濕速度采用的是粉末正向滲透法［6］。

（1）十二烷基苯磺酸鈉的最優(yōu)潤濕濃度。在實驗時首先選定了十二烷基苯磺酸鈉的7個質量濃度，其質量濃度分別是0.05%、0.1%、0.2%、0.3%、0.5%、0.6%、0.8%，分別按其規(guī)定的濃度配制成溶液。其實驗操作過程與NaCl的最優(yōu)潤濕濃度實驗相同。不同濃度的十二烷基苯磺酸鈉的相對潤濕速度如圖6所示。

圖6　不同濃度的十二烷基苯磺酸鈉的相對潤濕速度

從圖6可以得出，當十二烷基苯磺酸鈉溶液的質量濃度在0.05%～0.5%時，其潤濕效果隨濃度的增加而越來越好。當其質量濃度在0.5%～0.8%時，其潤濕效果已經(jīng)基本無變化，只是在初始階段濃度越高，潤濕的越快，在后段時間它們的潤濕效果十分接近。因此，考慮成本的問題，十二烷基苯磺酸鈉的最優(yōu)潤濕濃度確定為0.5%。

（2）十二烷基硫酸鈉的最優(yōu)潤濕濃度。實驗時首先選定了十二烷基硫酸鈉的5個質量濃度分別是0.05%、0.1%、0.2%、0.5%、0.8%，分別按其規(guī)定的濃度配制成溶液，實驗操作過程同NaCl的最優(yōu)潤濕濃度實驗。不同濃度的十二烷基硫酸鈉的相對潤濕速度如圖7所示。

圖7　不同濃度的十二烷基硫酸鈉的相對潤濕速度

由圖7可得：當十二烷基硫酸鈉溶液的質量濃度在0.05%～0.2%時，隨濃度的增加，其潤濕的效果也越理想。當其質量濃度為0.8%時，在0～25 min之內(nèi)，比濃度為0.2%時的潤濕速度快的多；但在25 min之后兩者潤濕能力又十分接近。因此，考慮成本的問題，確定0.2%為十二烷基硫酸鈉的最優(yōu)潤濕濃度。

（3）確定最優(yōu)表面活性劑。在實驗時首先選定了十二烷基硫酸鈉和十二烷基苯磺酸鈉2種物質的最優(yōu)潤濕質量濃度，其質量濃度分別是0.2%、0.5%，分別按其規(guī)定的濃度配制成溶液。實驗操作過程同NaCl的最優(yōu)潤濕濃度實驗。不同表面活性劑的相對潤濕速度如圖8所示。

圖8　兩種表面活性劑的相對潤濕速度

從圖8中的變化趨勢可以看出 ：在相同的實驗條件下，兩種潤濕劑在各自的最優(yōu)潤濕濃度時，十二烷基苯磺酸鈉的潤濕性能最為優(yōu)越。從實驗起初到實驗時間不斷增加 ，十二烷基苯磺酸鈉的潤濕效果都是最明顯的。通過本實驗可以得出，十二烷基苯磺酸鈉為最優(yōu)潤濕劑，其最優(yōu)的潤濕質量濃度為0.5%。

2.3其他添加劑的確定及實驗結果分析

降塵劑不但要降低粉塵的濃度 ，而且還應降低有毒有害氣體的濃度，因此，還需要加入其他添加劑。

2.3.1降氮氧化合物毒性的研究

眾所周知，爆破產(chǎn)生的有毒、有害氣體主要為一氧化碳和氮氧化物。故本次實驗的主要目的是找到合適的添加劑并確定其最佳濃度來作為降低氮氧化物的主要成分。通過查閱文獻確定了降低氮氧化物的物質為氯化銨；本實驗采用的設備為空氣采樣器和分光光度計，其操作過程：首先制備具有一定濃度的氣態(tài)氮氧化物，然后利用空氣采樣器抽取并測定其吸收液的吸光度；接著把不同濃度的液態(tài)氯化銨噴灑到已經(jīng)制備好的氣態(tài)氮氧化物中，再測定其吸光度；然后最終選定氯化銨的最佳添加濃度［3］。

圖9為不同質量濃度的氯化銨噴灑后其吸收液的吸光度（抽30 s和60 s）變化曲線。

圖9　不同質量濃度氯化銨噴灑后吸收液的吸光度

由圖9可以得到：隨著氯化銨質量濃度的增加，其降毒率不斷提高（吸光度值不斷降低）；當其質量濃度在0.03%～0.05%時，其吸光度數(shù)值基本上達到了最低的狀態(tài)（降毒率達最高），即達到了明顯降低氮氧化物含量的要求。本著節(jié)約成本的原則，選氯化銨的最佳質量濃度為0.03%。

2.3.2添加劑的粉末正向滲透法實驗及數(shù)據(jù)分析

（1）氯化銨對降塵劑的影響分析。實驗時首先選定了氯化鈉、十二烷基苯磺酸鈉、氯化銨的質量濃度分別為0.3%、0.5%、0.03%，分別按其規(guī)定的濃度配制成溶液，還要有單純的水作為空白參照。實驗操作過程同NaCl的最優(yōu)潤濕濃度實驗。加入不同物質的相對潤濕速度如圖10所示。

由圖10可以看出：加入氯化銨后混合溶液的潤濕速度與不加之前的潤濕速度基本相同。因此，加入氯化銨對基料和表面活性劑不存在負面影響。所以氯化銨的最佳質量濃度為0.03%。

圖10　加入不同物質的相對潤濕速度

（2）硫酸銅對降塵劑的影響分析。在配制降塵劑的過程中，不但要使試劑能去除空氣中的粉塵，而且還要去除空氣中的有毒有害氣體。由于硫酸銅能催化水與CO的反應，所以它是降塵劑中的一個重要組成部分。本實驗依然采用粉末正向滲透法，確定了硫酸銅的最優(yōu)質量濃度為0.1%。另外，還要研究它對其他試劑的性能是否有影響。

硫酸銅對氯化鈉的影響分析。在實驗時首先選定了一定濃度的硫酸銅和NaCl的最優(yōu)質量濃度，其質量濃度分別為0.1%、0.3%，配制成氯化鈉溶液和混合溶液。實驗操作過程同NaCl的最優(yōu)潤濕濃度實驗過程一樣。硫酸銅對氯化鈉的影響分析如圖11所示。

圖11　硫酸銅對氯化鈉潤濕性的影響

由圖11可以得：相同的實驗條件下，其潤濕高度基本相同，可見硫酸銅對氯化鈉潤濕速度的影響很小?？梢哉J為硫酸銅對NaCl的潤濕性基本沒有影響。

硫酸銅對十二烷基苯磺酸鈉的影響分析。在實驗時首先選定了十二烷基苯磺酸鈉的最優(yōu)質量濃度和一定濃度的硫酸銅，其質量濃度分別是0.5%、0.1%。配制成十二烷基苯磺酸鈉溶液和混合溶液。實驗操作過程同NaCl的最優(yōu)潤濕濃度實驗操作過程。硫酸銅對十二烷基苯磺酸鈉的影響分析如圖12所示。

由圖12可以看出：在相同的實驗條件下，在起初和后段時間其潤濕高度基本相同，只是中間時間段有點差異，可見硫酸銅對十二烷基苯磺酸鈉潤濕速度的影響也很小。所以最終可以確定硫酸銅的最佳質量濃度為0.1%。

圖12　硫酸銅對十二烷基苯磺酸鈉潤濕性的影響

3　添加水炮泥現(xiàn)場降塵效果分析

為了驗證添加水炮泥后的效果，選擇辛莊公路隧道進行了現(xiàn)場試驗。將水炮泥袋灌裝滿已配置好的降塵劑溶液后，填裝在各個鉆孔孔口附近，然后用普通炮泥封住孔口。添加水炮泥前后，爆破后全塵濃度對比如圖13～圖15所示，分別為距隧道左側壁2 m、8 m、14 m處。

圖13　距左側14 m 采取措施后全塵降塵效率

圖14　距左側8 m 采取措施后全塵降塵效率

圖15　距左側2 m采取措施后全塵降塵效率

由圖13～圖15可得：采用水炮泥后整個隧道內(nèi)全塵濃度大幅度降低，平均降塵效率達48%，其中越靠近掌子面降塵效率越高。

4　結論

（1）通過粉末正向滲透法和溶液表面張力測定實驗，以及降低氮氧化物毒性的測定，確定了新型水炮泥降塵劑的基料和表面活性劑等的成分，即水炮泥降塵劑的配方如下：基料選氯化鈉，其質量濃度為0.3%；表面活性劑選十二烷基苯磺酸鈉，其質量濃度為0.5%；降低氮氧化物的物質選用氯化銨和硫酸銅，其質量濃度分別為0.03%和0.1%。

（2）通過在辛莊公路隧道進行現(xiàn)場試驗 ，添加新型水炮泥后降塵效果明顯提高，全塵的降塵效率達48%，越靠近掌子面降塵效率越高。

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Study on New Water Stemming for Tunnel

SUN Zhongqiang1MENG Linggang2
（1.Department of Environment Science&Engineering，Hebei University of Science and Technology Shijiazhuang 050018）

In order to reduce the dustconcentration of tunnel blasting，improve the working environment，a number of base materials and surface-active agents are adopted in the experiment.By measuring the surface tension of the solution，powder forward osmosis method and determination of toxicity reduction of nitrogen oxides，the basic material of water stemming dustfall agent is determined，that is，the base material is sodium chloride，surface-active agents is dodecyl benzene sulfonic acid sodium and additives for ammonium chloride and copper sulfate.In order to verify the new water stemming dustfall effect，the specific fill scheme is determined，the field comparison tests are conducted and the results show thatthe average removal efficiency on all size dust reaches up to 48%，when the new water stemming blasting dust is used and it has been greatly improved compared with the traditional ventilation and dust-collecting measures.

dust blasting new water stemming tunnel

河北省交通運輸廳科技計劃項目（2013544），河北省高等學?？茖W技術研究青年基金（QN2016059），河北科技大學博士基金項目（QD201516）。

孫忠強，男，博士，講師，主要從事安全工程方面的教學與科研工作。

（2015-09-20）