面向綠色施工的現(xiàn)場(chǎng)抑塵劑制備及應(yīng)用性能研究

倪小磊，刁 璇，盛 娟

（東南大學(xué) 成賢學(xué)院，江蘇 南京 210000）

隨著公民環(huán)保意識(shí)的提升，建筑工地施工過(guò)程中揚(yáng)塵問(wèn)題也得到了很大的關(guān)注。揚(yáng)塵是目前空氣污染的主要污染物之一，是造成霧霾天氣的罪魁禍?zhǔn)?。在進(jìn)入人體后，附著于心肺，給人們的身體健康造成極大影響。同時(shí)，長(zhǎng)期處于揚(yáng)塵環(huán)境下的建筑工人，還有可能引發(fā)塵肺病，造成極大的安全隱患；對(duì)此，國(guó)家特別提出“綠色施工”主題，要求在施工過(guò)程中，盡量抑制揚(yáng)塵的產(chǎn)生；為響應(yīng)國(guó)家“綠色施工”號(hào)召，很多專家也針對(duì)施工過(guò)程中揚(yáng)塵問(wèn)題作出大量研究。如：李穎泉等人以丙烯酸（AA）為功能單體,甲基丙烯酸甲酯（MMA）為硬單體，丙烯酸丁酯（BA）為軟單體，采用乳液聚合法合成了速溶型液體抑塵劑，并證實(shí)該抑塵劑抑塵效果符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求[1]；白小斐則從治理措施方面控制揚(yáng)塵含量，并提出建筑工程綠色施工揚(yáng)塵污染精細(xì)化控制方法，幫助減輕施工過(guò)程中產(chǎn)生的揚(yáng)塵污染[2]。以上方法一定程度上緩解了揚(yáng)塵問(wèn)題，但并未從根本上得到解決，且不利于工程的綠色施工管理。本文從實(shí)際出發(fā)，以木質(zhì)素磺酸鈣和丙烯酰胺單體制備了一種新型施工用抑塵劑，抑制揚(yáng)塵產(chǎn)生，積極響應(yīng)國(guó)家“綠色施工”號(hào)召。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與設(shè)備

木質(zhì)素磺酸鈣（AR 濟(jì)南博智化工有限公司）；丙烯酰胺（AR 山東力昂新材料科技有限公司）；過(guò)硫酸鉀（AR 濟(jì)南雙盈化工有限公司）；丙酮（AR 山東億偉安化工科技有限公司）；乙醚（AR 山東煌梓新材料有限公司）；NaHCO3（AR 濟(jì)南原易化工有限公司）。

HH-601 型恒溫水浴箱（常州金壇良友儀器有限公司）；J-100 型機(jī)械攪拌器（河南麥克斯儀器有限公司）；PXWSN-265B 型烏式粘度計(jì)（上海平軒科學(xué)儀器有限公司）；TH200 型邵氏硬度計(jì)（昆山鷺工精密儀器有限公司）；101-2A 型真空干燥箱（河北朵麥信息科技有限公司）；BSA224S 型電子天平（濟(jì)南歐萊博電子商務(wù)有限公司）。

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

（1）將木質(zhì)素磺酸鈣和蒸餾水放入燒杯中，兩者重量比例為1∶25；將燒杯放入HH-601 型恒溫水浴箱中，然后用J-100 型機(jī)械攪拌器攪拌溶解混合，溶解溫度和攪拌時(shí)間分別為25℃和15min；然后得到的溶液置于四口燒瓶備用；

（2）往混合溶液中緩慢滴加引發(fā)劑和丙烯酰胺單體，滴加時(shí)保證單體與引發(fā)劑同一時(shí)間滴完。待引發(fā)劑和單體滴完后，提升溫度使之發(fā)生聚合反應(yīng)，聚合溫度和時(shí)間分別為50℃和2h；

（3）待反應(yīng)結(jié)束后，將其置于室溫條件下自然冷卻，然后加入一定量飽和NaHCO3溶液，調(diào)節(jié)溶液pH 值為6～7，得到抑塵劑產(chǎn)品。

制備流程見(jiàn)圖1。

圖1 抑塵劑制備流程Fig.1 Preparation process of dust suppressant

1.3 性能表征

1.3.1 粘度表征 粘度是反應(yīng)抑塵效果的重要參數(shù)，粘度越大表示抑塵效果越好，粘度測(cè)試步驟為：將待測(cè)抑塵劑裝入PXWSN-265B 型烏式粘度計(jì)中，然后將粘度計(jì)置于提前預(yù)熱好的HH-601 型恒溫水浴箱內(nèi)，記錄抑塵劑通過(guò)粘度計(jì)內(nèi)兩個(gè)刻度的時(shí)間。抑塵劑粘度表達(dá)式為：

式中 η1：抑塵劑粘度；ρ1：抑塵劑密度；t1：測(cè)定時(shí)間；η0：水的粘度；ρ0：水的密度；t0：水通過(guò)刻度所用的時(shí)間。

1.3.2 抑塵劑固化土樣強(qiáng)度測(cè)試

（1）提前收集粉層土堆，在托盤(pán)內(nèi)分別堆成圓錐體狀土堆模型和模擬路面平面土堆面模型。將抑制劑分別噴灑在圖樣表面，然后置于自然環(huán)境進(jìn)行干燥；

（2）將干燥后樣品置于TH200 型邵氏硬度計(jì)上，在不同溫度下進(jìn)行硬度測(cè)定。

1.3.3 抑塵劑表面張力測(cè)試 表面張力對(duì)物質(zhì)濕潤(rùn)效果起決定性作用，表面張力越大，對(duì)粉塵的濕潤(rùn)效果越差。因此，想要確定抑塵劑的潤(rùn)濕效果，需對(duì)抑塵劑表面張力進(jìn)行測(cè)定。本文采用最大泡壓法，通過(guò)對(duì)毛細(xì)管端形成的壓力測(cè)定抑塵劑表面張力[4]。具體步驟為：

（1）在玻璃管內(nèi)裝入一定質(zhì)量的抑塵劑，保證抑塵劑液面與毛細(xì)管液的液面齊平。

（2）打開(kāi)滴液漏斗，讓滴液漏斗里的水緩慢滴下，待毛細(xì)管口有氣泡溢出，測(cè)定其壓力差。具體裝置見(jiàn)圖2。表面張力表達(dá)式為：

圖2 最大泡壓法測(cè)定表面張力裝置Fig.2 Apparatus for measuring surface tension by maximum bubble pressure method

式中 Δp：壓力差；Δh：液柱高度差；γ：表面張力；ρ：壓力計(jì)中液體密度；g：重力加速度；r：毛細(xì)管半徑。

1.3.4 抑塵劑接枝率表征 接枝率是指在接枝共聚反應(yīng)中，參與反應(yīng)的單體質(zhì)量與單體總量的比例，其數(shù)據(jù)直接反應(yīng)接枝共聚反應(yīng)中，接枝效果的好壞。抑塵劑接枝率具體測(cè)定步驟為：

（1）將一定質(zhì)量抑塵劑成品置于丙酮中，使之沉淀分離；然后將沉淀物取出，用去離子水多次沖洗后，用乙醚再次洗滌。

（2）將沉淀物置于101-2A 型真空干燥箱中干燥至重量不發(fā)生改變。

抑塵劑接枝率表達(dá)式為[5]：

式中 G：接枝率；m：產(chǎn)物質(zhì)量；ma：加入木質(zhì)素磺酸鹽的質(zhì)量；mb：加入丙烯酰胺的質(zhì)量；mc：加入的K2S2O8質(zhì)量。

1.4 抑塵劑應(yīng)用效果測(cè)試

1.4.1 滲透性能測(cè)試 選用向下滲透測(cè)量法測(cè)定抑塵劑滲透性能。其原理為：在土樣表面噴灑一定質(zhì)量的抑塵劑，抑塵劑溶液通過(guò)粉塵粒子間微小間隙逐漸向下滲透，通過(guò)其滲透時(shí)間反應(yīng)其滲透性能[6]。具體步驟為：

（1）在提前標(biāo)有刻度的玻璃管內(nèi)放入一定量的土樣，振動(dòng)夯實(shí)后，使土樣在玻璃管內(nèi)高度為25cm；

（2）取一定量抑塵劑，然后慢慢滴加至土樣玻璃管中，從抑塵劑開(kāi)始滴入時(shí)就用秒表計(jì)數(shù)，待抑塵劑滲透至指定刻線后停止讀數(shù)。抑塵劑劑量相同，滲透時(shí)間越少，深度越大，則表示抑塵劑滲透性能越好。

1.4.2 抑塵劑保水效果測(cè)試 抑塵劑保水效果能反映其防塵效果，保水效果越好，土樣濕潤(rùn)性越高，防塵效果也越好[7]。抑塵劑保水效果測(cè)定方法為：

（1）取土樣170g 置于邊長(zhǎng)為12cm 的玻璃板上，平鋪成厚度約為2cm 的正方形土體；然后用BSA224S型電子天平精準(zhǔn)稱量土體和玻璃板質(zhì)量；

（2）將一定質(zhì)量抑塵劑均勻噴灑在土樣表面，將土體置于通風(fēng)干燥的環(huán)境中，隔一段時(shí)間后再次稱量土體質(zhì)量，保水率表達(dá)式為[8]：

式中 Wb：保水率；W2：1h 后土體質(zhì)量；W0：土體初始質(zhì)量；W1：土體噴灑抑塵劑后質(zhì)量。

1.4.3 揚(yáng)塵劑抗風(fēng)蝕效果測(cè)試 抗風(fēng)蝕性能指的是在自然情況下，使用了抑塵劑的土樣固結(jié)層能否保持一定的硬度與完整性，進(jìn)而反映其抑制揚(yáng)塵的效果?？癸L(fēng)蝕測(cè)試方式為：

（1）提前制作土樣模型，然后在制作的土樣模型上均勻噴灑抑塵劑。然后置于自然條件下風(fēng)干，待土樣形成一定硬度的固結(jié)層方可開(kāi)始試驗(yàn)。

（2）將土樣模型置于正前方，然后用吹風(fēng)機(jī)以1200W 的風(fēng)力在土樣10cm 處模擬自然風(fēng)吹。連續(xù)吹50min 后，稱量土樣質(zhì)量。

土樣質(zhì)量損失率表達(dá)式為：

式中 M：土樣質(zhì)量損失率；m1：初始土樣質(zhì)量；m2風(fēng)吹后土樣質(zhì)量。

2 結(jié)果與討論

2.1 單體配比對(duì)抑塵劑粘度影響

表1 為不同木質(zhì)磺酸鈣與丙烯酰胺單體重量配比對(duì)抑塵劑粘度影響。

表1 單體配比對(duì)抑塵劑粘度影響Tab.1 Effect of monomer ratio on viscosity of dust suppressant

由表1 可知，隨配比的增加，抑塵劑的粘度隨之增加。當(dāng)木質(zhì)磺酸鈣與丙烯酰胺單體重量比例為1∶5 時(shí)，粘度值最大，且固結(jié)層強(qiáng)度也較高，因此，選擇單體添加量為木質(zhì)磺酸鈣的1/5。

2.2 引發(fā)劑濃度對(duì)抑制劑粘度影響

表2 為不同引發(fā)劑濃度對(duì)的抑塵劑粘度影響。

表2 引發(fā)劑濃度對(duì)抑塵劑粘度影響Tab.2 Effect of initiator concentration on viscosity of dust suppressant

由表2 可知，隨引發(fā)劑濃度的增加，抑塵劑粘度表現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì)，當(dāng)引發(fā)劑濃度超過(guò)1.0×10-2mol·L-1時(shí)，粘度幾乎不變，這時(shí)因?yàn)橐l(fā)劑數(shù)量足夠?qū)⒅髁戏磻?yīng)完畢。在引發(fā)劑濃度為1.0×10-2mol·L-1時(shí)，共聚物性能最優(yōu)；因此，選擇引發(fā)劑濃度為1.0×10-2mol·L-1；

2.3 抑塵劑表面張力測(cè)定結(jié)果

圖3 為不同固含量（固體占比不同）的抑塵劑表面張力。

圖3 抑塵劑表面張力測(cè)定結(jié)果Fig.3 Measurement results of surface tension of dust suppressant

由圖3 可知，抑塵劑表面張力隨固含量的增加逐漸減小。表面張力越小，對(duì)粉塵的抑制效果更好。實(shí)踐認(rèn)為，當(dāng)抑塵劑表面張力達(dá)到4.5×10-2N·m-1時(shí)效果最佳[9,10]。由此可推斷，抑塵劑固含量為8%時(shí)，抑塵效果最佳。

2.4 抑塵劑接枝率測(cè)試結(jié)果

圖4 為引發(fā)劑濃度對(duì)接枝率的影響。

圖4 引發(fā)劑濃度對(duì)接枝率影響Fig.4 Effect of initiator concentration on grafting rate

由圖4 可知，接枝率隨引發(fā)劑濃度的增加而增加；當(dāng)引發(fā)劑濃度達(dá)到1×10-2mol·L-1時(shí)，抑塵劑接枝率可達(dá)98.3%；再次增加引發(fā)劑濃度，接枝率變化不明顯，這說(shuō)明在該引發(fā)劑濃度下，大多數(shù)單體參加接枝反應(yīng)，該反應(yīng)對(duì)單體利用率較高。

2.5 抑塵劑滲透性能測(cè)試結(jié)果

表3 為不同配比抑塵劑滲透性能測(cè)試結(jié)果。

表3 不同配比抑塵劑滲透性能測(cè)試結(jié)果Tab.3 Permeability test results of different proportion of dust suppressant

由表3 可知，抑塵劑配比不同，滲透性能也有所差異；最明顯的差別體現(xiàn)在滲透深度上，滲透時(shí)間變化不大。這是因?yàn)闈B透時(shí)間受土樣粒度影響，試驗(yàn)土體相同，滲透時(shí)間變化不大；滲透深度受抑塵劑配比影響，在最佳配比的條件下，滲透深度最深，再次證實(shí)最佳配比的抑塵劑抑塵效果最佳。

2.6 抑塵劑工程應(yīng)用效果

2.6.1 保水效果

圖5 為最佳配比下土樣的保水率隨時(shí)間的變化趨勢(shì)。

圖5 土樣水率變化曲線Fig.5 Variation curve of soil water rate

由圖5 可知，隨時(shí)間的增加，土樣保水率也隨之下降。在18h 后，出現(xiàn)大幅度失水的情況，但72h 后又逐漸趨于平緩；在78h 后，土樣保水率仍舊可以達(dá)到85%以上。說(shuō)明在施工現(xiàn)場(chǎng)噴灑抑塵劑后，揚(yáng)塵的失水速率變緩，從而有效抑制了揚(yáng)塵。

2.6.2 土樣的抗風(fēng)蝕測(cè)試結(jié)果

表4 為不同配比抑塵劑作用下土樣抗風(fēng)蝕測(cè)試結(jié)果。

表4 不同配比抑塵劑作用下土樣抗風(fēng)蝕測(cè)試結(jié)果Tab.4 Wind erosion resistance test results of soil samples with different proportion of dust suppressants

由表4 可知，各個(gè)配比下抑塵劑均能使土樣形成較好的固結(jié)層。在模擬自然風(fēng)侵蝕下，擁有較好質(zhì)量損失率，其中最佳配比抑塵劑質(zhì)量損失率僅為0.7%，固結(jié)層完整，表現(xiàn)出較為優(yōu)良的抗風(fēng)蝕性能。這就說(shuō)明本文制備的抑塵劑滿足工程用設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)論

本文以丙烯酰胺單體與木質(zhì)素磺酸鈣為主要原料，通過(guò)接枝聚合的方式制備揚(yáng)塵抑塵劑。通過(guò)試驗(yàn)得到以下結(jié)論：抑塵劑最佳配比為：丙烯酰胺單體添加量為木質(zhì)磺酸鈣的1/5，引發(fā)劑濃度為1.0×10-2mol·L-1，抑塵劑固含量達(dá)到8%；在最佳配比條件下，抑塵劑滲透深度可達(dá)3m，比其他配比抑塵劑性能更優(yōu)；工程應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，噴灑抑塵劑的土體經(jīng)過(guò)78h 的自然干燥，保水率仍高于85%，證明該抑塵劑保水性能良好，土樣失水速率變緩，對(duì)控制揚(yáng)塵產(chǎn)生積極的作用。同時(shí)通過(guò)土樣抗風(fēng)蝕測(cè)定，土樣的固結(jié)層完整，抗風(fēng)蝕性能滿足工程用設(shè)計(jì)要求。