建筑施工現(xiàn)場快速成膜抑塵劑的研制

許 玥，熊 峰

(四川大學建筑與環(huán)境學院，四川 成都 610065)

建筑施工現(xiàn)場快速成膜抑塵劑的研制

許 玥，熊 峰

(四川大學建筑與環(huán)境學院，四川 成都 610065)

為全面有效控制城市建筑施工揚塵排放，以海藻酸鈉、氯化鈣為材料，研制了一種快速成膜環(huán)境友好型抑塵劑,采用正交試驗確定了該抑塵劑的適宜的配比及用量，并通過性能測試對其抑塵效果進行了檢驗。結(jié)果表明：分別以4 L/m2和3 L/m2的用量噴灑質(zhì)量分數(shù)為0.75%的海藻酸鈉溶液和7.5%氯化鈣溶液于裸露地面，表面可迅速成膜，覆蓋并固結(jié)表層細顆粒，抑制揚塵并提高表層強度；該抑塵劑成膜吸濕保水性良好，遇水不溶解、不遷移，耐風蝕性好，抑塵效率達99%以上。

建筑施工;抑塵劑;快速成膜;環(huán)境友好型

城市建筑施工工程為典型的無組織揚塵源，揚塵來源多樣，排放強度隨時間、空間變化大，排放潛勢高，能在短時間內(nèi)顯著影響當?shù)乜諝赓|(zhì)量。建筑施工揚塵主要來源可分為土方工程作業(yè)、物料運輸和裝載作業(yè)、混凝土攪拌和噴漿作業(yè)、拆除作業(yè)以及裸露地面的地表粉塵和細顆粒物料堆載等幾類。除了散裝松散材料如水泥、沙等易產(chǎn)生揚塵外，主要揚塵是來源于裸露地面的地表粉塵，當?shù)孛姹粩_動如車輪碾壓、施工機械作業(yè)以及自然風共同作用下，地表粉塵揚起，進入大氣，形成揚塵[1]。國內(nèi)外眾多研究結(jié)果顯示，揚塵對PM10排放總量的貢獻率為62%～69%，而交通揚塵和施工揚塵為城市主要揚塵來源，占總揚塵量的90%以上[2]。此外，通過施工揚塵實測和模擬研究均發(fā)現(xiàn)，建設施工揚塵對PM10排放總量的貢獻率大于10%[3-7]。因此，有效控制建筑施工揚塵污染是城市化進程中提高空氣質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。

目前我國建筑施工現(xiàn)場常見的抑塵措施有灑水、覆蓋和地面硬化。灑水抑塵效率較低，且有效時間僅能維持數(shù)小時，需要不斷重復工作，會造成人力物力消耗，同時場地反復灑水還會導致表面土壤養(yǎng)分流失，當含水率降低時，揚塵污染會更加嚴重。覆蓋指對裸露地面、集中堆放的土方和細顆粒建材采用密目網(wǎng)或塑料布覆蓋，防止揚塵產(chǎn)生，但塑料布本身難以固定，極易被風吹破或吹走而失去抑塵作用，密目網(wǎng)則因反復使用，自身攜帶大量粉塵，在覆蓋期間也會產(chǎn)生揚塵。地面硬化指采用混凝土或水泥砂漿覆蓋裸露地面，但硬化區(qū)域干燥后表面松散物料易被擾動而產(chǎn)生揚塵，同時施工結(jié)束后大面積的硬化材料粉碎處理不僅會產(chǎn)生揚塵，還會增加建筑垃圾?？梢?，目前國內(nèi)施工現(xiàn)場普遍采用的揚塵控制措施的抑塵效果差，起不到改善城市大氣環(huán)境的作用。

基于建筑施工現(xiàn)場一般性抑塵措施的不足，采用化學抑塵劑將成為建筑施工現(xiàn)場揚塵控制研究的方向。近40年來，針對不同場地的化學抑塵劑研究不斷發(fā)展，并在道路揚塵、煤炭運輸?shù)阮I(lǐng)域已得到廣泛應用[8-9]。按抑塵機理，目前抑塵劑可分為潤濕劑、吸濕劑、黏結(jié)劑和復合型制劑等幾種：潤濕劑主要成分是表面活性劑，通過降低水表面張力使溶液與粉塵結(jié)合，達到抑塵效果，但此類抑塵劑有效期較短；吸濕劑可吸收空氣中水分，使裸露于地面的塵土長期保持較高含水率以抑制揚塵，常用吸濕劑有氯化鈣、氯化鎂等及其水溶液，但此類抑塵劑成本較高，對金屬、橡膠腐蝕作用較強，且存在二次污染；黏結(jié)劑能夠?qū)⒓氼w粒粉塵黏結(jié)在一起并與地面固結(jié)，從而減少揚塵，但為降低成本，此類抑塵劑常以工業(yè)廢液、廢渣為基料，其對土壤及地下水存在污染；復合型抑塵劑由兩種及以上抑塵劑復合而成，其制備工藝復雜，但成本較高。目前抑塵劑的研究已開始向多功能、生態(tài)性發(fā)展[10-11]，但對適用于城市建筑施工現(xiàn)場揚塵控制的抑塵劑研究極少。鑒于此，本文針對城市建筑工地揚塵無組織排放的復雜特征，并結(jié)合現(xiàn)場條件和需求，研制了一種快速成膜環(huán)境友好型抑塵劑，該抑塵劑兼具吸濕型和黏結(jié)型抑塵劑的特點，通過性能測試，驗證了其抑塵效果，為大面積推廣應用打下了基礎。

1 快速成膜抑塵劑的配制

1.1 材料選取

由于建筑施工現(xiàn)場空氣干燥、風蝕作用強，一般抑塵劑濕度下降后難以長期保持抑塵效果，因此需研制可成膜型抑塵劑，當噴灑于土壤表面后，能迅速形成薄膜，當土壤濕度下降后，表面膜仍能通過覆蓋來抑制揚塵排放。本研究材料選取原則為兼具環(huán)境性、及時性和經(jīng)濟性。即要求藥劑生態(tài)友好，100%可降解，不因使用本制劑而對土壤造成污染；制劑噴灑后能迅速成膜起效，不影響施工工期；成本低廉，制備簡單，使用方便，具有推廣可行性。

海藻酸鹽具有良好的成膜性與可降解性，廣泛應用于食品、印染、醫(yī)藥等多領(lǐng)域。海藻酸鈉為藻類提取物，是一種天然多糖[12]，分子鏈中含大量游離羧基，易發(fā)生置換反應，能與Ca、Fe、Cu、Zn等離子結(jié)合形成凝膠類物質(zhì)[13]。因此，本研究選取海藻酸鈉為抑塵劑的成膜劑，其溶液黏性較高，能夠吸附小顆粒粉塵，且可避免噴播產(chǎn)生二次揚塵污染。

成膜助劑選用無水氯化鈣(CaCl2)，它吸水性強，能夠吸收空氣中水分，提高土壤含水率，減少顆粒破碎形成揚塵。本研究利用氯化鈣同海藻酸鈉反應生成凝膠狀海藻酸鈣聚合物，在裸露地表形成致密薄膜，并固化表面粉塵，從而抑制揚塵產(chǎn)生。海藻酸鈣為三維網(wǎng)狀聚合物，其含水率高，同時具有良好的生物降解性和生物相容性。

1.2 正交試驗

1.2.1 正交試驗設計

由于確定抑塵制劑配比涉及多因素多水平，因此本研究采用正交試驗確定抑塵劑的最配比組合。試驗選用干燥的施工用砂土作為抑塵處理對象，進行4因子4水平正交試驗。設海藻酸鈉溶液濃度(質(zhì)量分數(shù))、海藻酸鈉溶液用量、氯化鈣溶液濃度(質(zhì)量分數(shù))、氯化鈣溶液用量分別為因子A、B、C、D，正交試驗各因子水平見表1。

表1 正交試驗設計因素水平

試驗用土取自成都某項目施工現(xiàn)場馬道邊坡砂土，置于105℃恒溫烘箱烘干，用200目標準篩篩取粒徑小于0.9 mm砂土作為試驗用土。

1.2.2 測量指標的選擇

本試驗選取固化厚度、浸潤深度、固化層硬度和成本為測量指標。固化厚度為噴灑抑塵劑后，受到其黏結(jié)作用影響而固結(jié)的表面土層厚度，它是評價制劑黏結(jié)抑塵效果的指標，由于本制劑黏度較高，下滲速度較慢，因此需要測試初期和終期兩種固化厚度，前者在噴灑藥劑后1 h內(nèi)測得，反映藥劑即時有效性，后者在噴灑藥劑48 h后測得，為最終可形成有效固結(jié)的土層厚度，反映藥劑的長期有效性。浸潤深度為制劑滲透土層的深度，它反映表層土壤含水量，體現(xiàn)抑塵劑的保水性和抑塵持久性，該指標在噴灑藥劑1 h、16 h、24 h、40 h后，用直尺測量并記錄。固化層硬度為土表層的強度指標，由于施工現(xiàn)場所有地面都可能作為通道、堆載區(qū)，因此固化層需要有一定的強度，該指標使用TYD-1指針式土壤硬度計以貫入壓力為強度指標進行測量。成本指標根據(jù)使用藥品市場價中值，按濃度及用量計算材料費，以此作為經(jīng)濟性參考指標，以確保制劑具有較好的經(jīng)濟性。

1.3 試驗結(jié)果及分析

對試驗用土噴灑抑塵劑，測量各項指標，進行方差分析，計算各指標在不同水平下的均值、極差，綜合分析各因子水平對指標的影響及其重要性程度，并確定合理的制劑配比。各指標極差的計算結(jié)果見表2。

表2 正交試驗極差分析

1.3.1 固化厚度

初期固化厚度為2.0～9.5 mm，終期固化厚度在4.0～12.5 mm之間，終期厚度總體上大于初期厚度，僅海藻酸鈉溶液濃度較低且氯化鈣溶液濃度較高的試驗組，終期固化厚度低于初期固化厚度。試驗表明：海藻酸鈉溶液的濃度越高，表面成膜越致密，固結(jié)有效期越久，但固化厚度越小，且固化不均勻，同時其濃度高且用量大時，邊緣易翹曲。因此，海藻酸鈉溶液濃度不宜過高，且兩溶液濃度不宜相差太多，否則影響長期固化效果。

初期固化厚度得到的最優(yōu)配方方案為A1B4C4D4，重要順序為A>C>B>D；終期固化厚度得到的最優(yōu)配方方案為A1B1C2D2，重要順序為A>B>C=D。

1.3.2 浸潤深度

噴灑制劑1 h后浸潤深度在19.5～52.0 mm之間，而后浸潤深度逐漸增大，40 h后達到穩(wěn)定，浸潤深度基本保持在42.5～90.0 mm之間，維持4～7 d后開始下降。

1 h浸潤深度得到的最優(yōu)配方方案為A3B4C3D4，重要順序為D>C>A>B；16 h浸潤深度得到的最優(yōu)配方方案為A1B3C3D4，重要順序為D>B>C>A；24 h浸潤深度得到的最優(yōu)配方方案為A3B3C3D3，重要順序為D>C>B>A；40 h浸潤深度得到的最優(yōu)配方方案為A2B2C3D3，重要順序為D>B>A>C。

1.3.3 固化層硬度

使用抑塵劑后，表層土硬度提高了1.83～3.92倍，并且在海藻酸鈉濃度較低水平下，提高其濃度或用量，均可有效提高土的表層強度。

使用土壤硬度計以貫入壓力為強度指標得到的最優(yōu)配方方案為A2B4C4D3，重要順序為A>B>D>C。

1.3.4 成本

根據(jù)正交試驗所設計的不同配比及藥品市場均價計算的成本見表2，綜合其他因素，最終成本可控制在1元/m2以內(nèi)。

1.3.5 制劑配比

通過正交試驗結(jié)果分析，該制劑配比宜選用A3B3C3D3組合，即采用質(zhì)量分數(shù)為0.75%的海藻酸鈉溶液和質(zhì)量分數(shù)為7.5%的氯化鈣溶液，用量分別為4 L/m2和3 L/m2為宜。

2 快速成膜抑塵劑的性能檢測

為進一步分析快速成膜抑塵劑的抑塵效果，以正交試驗所確定的配比為基礎，進行抑塵劑性能檢測試驗，測試抑塵劑各項性能指標并計算其抑塵效率。

2.1 抑塵劑性能檢測試驗

2.1.1 保水性和吸濕性試驗

根據(jù)揚塵機理的研究結(jié)果，若粉塵固結(jié)含水率能保持在4%以上，可有效抑制揚塵產(chǎn)生。海藻酸鈣具有良好的保水性和吸濕性，可緩解土層表面水分蒸發(fā)，并吸收空氣中水分，使土壤具有較高的含水率。

試驗取完全烘干的土樣分裝4份，每份取砂土150 g,平鋪于直徑為10 cm的培養(yǎng)皿中，其中3個土樣噴灑本抑塵劑，另一個土樣設為對照組，噴灑相同體積的水。將4份土樣均置于溫度17℃、濕度50%的室內(nèi)環(huán)境，讓其自然蒸發(fā)，每天早晚各自稱重，并按下式計算固結(jié)含水率，觀測記錄土樣的固結(jié)含水率隨時間的變化情況直至其穩(wěn)定。

(1)

式中：w為土樣的固結(jié)含水率(%)；m濕土為濕土質(zhì)量(g);m干土為干土質(zhì)量(g);m藥劑為噴灑抑塵劑溶液的質(zhì)量(g)。

另取上述相同土樣4份，均置于50℃烘箱中完全烘干，再置于溫度17℃、濕度50%的室內(nèi)環(huán)境，使其自然吸濕，每天早晚各自稱重，并按下式計算土樣的吸濕強度：

(2)

式中：k為吸濕強度(g/m2);m濕土為濕土質(zhì)量(g);m干土為干土質(zhì)量(g);S為土樣面積。

2.1.2 風蝕試驗

揚塵是由于開放表面細顆粒受到外部作用力揚起，懸浮于空氣中而產(chǎn)生的。本試驗以鼓風機模擬不同風力，作用于土樣表面，通過測量砂土損失量，研究抑塵劑的抑塵效率。

試驗將完全烘干的土樣分裝4份，每份取砂土150 g，編號為A、B、a、b，其中A、B土樣噴灑抑塵劑，a、b土樣設為對照組，噴灑相同體積的水。將4份土樣均置于恒溫烘箱50℃烘干后，以鼓風機分別模擬3級、5級風力，水平方向分別作用于A、a和B、b土樣，兩組土樣表面作用時間相同，稱量前后土樣質(zhì)量差，并按下面公式計算土樣平均砂土損失率及抑塵劑的抑塵效率：

(3)

(4)

式中：QN,Qn分別為A(或B)或a(或b)土樣的平均砂土損失率[g/(m2·min)];m1、m2分別為鼓風機吹掃前后土樣質(zhì)量(g);S為土樣面積(m2);t為鼓風機吹掃時間(min);η為抑塵劑的抑塵效率(%)。

2.1.3 遇水遷移試驗

本試驗對用抑塵劑處理過的土層進行水穩(wěn)定性檢測，模擬在雨水沖刷作用下，觀察土表面是否溶解、破損或剝落，以驗證固結(jié)效果。

按圖1組裝遇水遷移試驗裝置，土槽尺寸為100 mm×200 mm，將土樣均勻平鋪于槽內(nèi)，噴灑抑塵劑48 h，待其固結(jié)后將土槽放置成水平夾角30°，上緣以不同水流強度沖刷，收集流水沖下的砂于濾紙上，干燥后測其集砂量。水流強度分別取重現(xiàn)期為1～50 a的降雨強度，各水流強度沖刷時間為15 min，水流強度不斷提高，連續(xù)沖刷，觀察表面膜是否發(fā)生了破壞。水流強度根據(jù)成都市降雨強度按下式計算:

(5)

式中：q為降雨強度[L/(s·hm2)];t為降雨歷時(min);P為重現(xiàn)期(a)。

2.2 試驗現(xiàn)象及結(jié)果分析

2.2.1 保水性和吸濕性

對照組土樣在蒸發(fā)干燥后，表面土層松散，細顆粒增多，較灑水前更易產(chǎn)生揚塵；而使用抑塵劑的土樣在蒸發(fā)干燥后，表面仍覆蓋完整致密的薄膜，表面粉塵得到了有效固結(jié)。

保水性試驗土樣的固結(jié)含水率隨時間的變化曲線見圖2。由圖2可以看出：噴灑過抑塵劑的土樣和對照組，在固結(jié)含水率較高時，固結(jié)含水率下降速率接近，而在固結(jié)含水率低于50%時，使用抑塵劑的土樣固結(jié)含水率下降速率開始明顯低于對照組。在觀測全周期內(nèi)(25 d)施用抑塵劑的土樣固結(jié)含水率始終高于揚塵臨界固結(jié)含水率并穩(wěn)定在11%以上。試驗證明，使用本抑塵劑可有效減緩表層土的水分蒸發(fā)，從而抑制揚塵的產(chǎn)生。

圖3為吸濕性試驗土樣的吸濕強度隨時間的變化曲線。由圖3可以看出：對照組土樣吸水量約0.17 g，幾乎不具有吸水能力；使用抑塵劑后烘干的土樣吸水量約1.74 g，其吸濕強度約為221.66 g/m2，相比于砂土本身，吸濕強度提高10倍以上。

2.2.2 風蝕試驗

鼓風機吹掃時，對照組土樣極易被吹起，大量砂土流失；使用抑塵劑的土樣未見明顯變化，其表面膜始終保持完好，無破損、無位移。

根據(jù)風蝕試驗測得的砂土流失量，可按公式(3)、(4)計算得到土樣的平均砂土損失率和抑塵劑的抑塵效率見表3。由表3可以看出：對照組土樣平均砂土損失率遠遠大于使用抑塵劑的土樣；在不同風力作用下，本抑塵劑的抑塵效率均可達到99.4%。

表3 風蝕試驗砂土流失量

2.2.3 遇水遷移試驗

遇水遷移試驗根據(jù)不同的水流強度，從低到高依次作用于土樣表面，每個水流強度等級流水沖刷15 min,測得的集砂量見表4。

由表4可以看出：強度提高至重現(xiàn)期為50 a的降雨強度(以約2.350 L/h的水流強度進行模擬)沖刷土樣，土樣表面仍舊保持完好；試驗持續(xù)沖刷3 h，累計總集砂量為0.113 1 g，合單位面積集砂率為5.655 g/m2;繼續(xù)增大水流強度，依次按10 L/h、20 L/h、30 L/h、40 L/h的水流強度繼續(xù)連續(xù)沖刷土樣，當水流強度提高至30 L/h[降雨強度為1 500 L/(h·m2)]時，由于水流沿槽壁大量滲透至固結(jié)層以下，下部松散砂土開始流失，固結(jié)層邊緣塌陷，但其表面始終保持完整，且干燥后，表面膜仍保持完整致密，不開裂、不剝落。試驗證明抑塵劑成膜遇水不遷移、不分解，抑塵效率不降低。

表4 遇水遷移試驗集砂量

3 結(jié) 論

本文以城市建筑工地揚塵控制為目標，利用植物提取物海藻酸鈉和無水氯化鈣反應，在土壤表面迅速形成薄膜，覆蓋并固結(jié)表層粉塵達到抑制揚塵的作用。研究通過正交試驗和性能檢測試驗，得到如下結(jié)論:

(1) 本抑塵劑具有良好的快速成膜性和黏結(jié)性，可有效固結(jié)表層細顆粒，提高表面強度，并在表面迅速形成致密膜，覆蓋裸露地表，其抑塵效率可達99%以上，且成本低廉、環(huán)境友好、無毒無害，可用于城市建筑工地揚塵控制。

(2) 抑塵劑所成海藻酸鈣膜具有良好的吸濕保水性能，使用抑塵劑可減緩表層土的水分蒸發(fā)并使吸水性提高至十倍，長期保持土壤固結(jié)含水率在11%以上，且遠高于揚塵臨界含水率4%；土壤含水率下降到4%以下后，表層土可保持較好的固結(jié)效果，若海藻酸鈣膜未被破壞，則能完整覆蓋表面土層，抑制揚塵。

(3) 使用本抑塵劑后，裸露土層的抗風蝕、抗水蝕能力有顯著提高，鼓風吹掃或水流沖刷均不會導致表面膜破壞或抑塵效果下降，表層膜可經(jīng)受5級風力吹掃以及500 L/(h·m2)水流強度沖刷，表面成膜仍能保持完好，表明本抑塵劑具有良好的固砂效果和水土保持能力。

[1] 譚卓英，趙星光，劉文靜，等.露天礦公路揚塵機理及抑塵[J].北京科技大學學報(自然科學版)，2005,27(4)：1-5.

[2] 田剛，黃玉虎，樊守彬,等.揚塵污染控制[M].北京：中國環(huán)境出版社，2013：273-276.

[3] 高運川，曹建，劉美華.上海市吳淞工業(yè)區(qū)大氣環(huán)境中總懸浮顆粒物的源解析[J].上海環(huán)境科學，2003(增刊)：51-54.

[4] 張雯婷，王雪松，劉兆榮，等.貴陽建筑揚塵PM10排放及環(huán)境影響的模擬研究[J].北京大學學報(自然科學版)，2009(3)：114-120.

[5] 趙秀勇，程水源，田剛，等.北京市施工揚塵污染與控制[J].北京工業(yè)大學學報，2007,33(10):1086-1090.

[6] 趙普生，馮銀廠，張裕芬，等.建筑施工揚塵排放因子定量模型研究及應用[J].中國環(huán)境科學，2009，29(6)：567-573.

[7] 趙普生，馮銀廠，金晶，等.建筑施工揚塵特征與監(jiān)控指標[J].環(huán)境科學學報，2009,29(8)：1618-1623.

[8] 吳超.近十年世界抑塵劑成果評述[J].金屬礦山，1996,246(12)：37-41，54.

[9] 陳軍良，吳超，張強.國內(nèi)外路面防塵技術(shù)研究現(xiàn)狀及評價[J].礦冶，1998,7(1)：8-13,24.

[10]譚卓英，劉文靜，找星光，等.生態(tài)型抑塵劑的選擇與實驗室模擬研究[J].環(huán)境科學學報，2005,25(5)：675-680.

[11]張雷波，焦嬌，趙雪艷，等.生態(tài)友好型抑塵劑的制備及性能[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2013,29(18)：218-225.

[12]Windhues T,Borchard W.Effect of acetylation on physiochemical properties of bacterial and algal alginates in physiological sodium chloride solutions investigated with light scattering techniques[J].Carbohydr.Polym.,2003, 52:47-52.

[13]Braccini I,Perez S.Molecular basis of Ca2+-induced gelation in alginates and pectins:The egg-box model revisited[J].Biomacromolecules，2001,2(4):1089-1096.

Development of Instantly Forming Membrane Dust Suppressant for Construction Sites

XU Yue,XIONG Feng

(CollegeofArchitecture&Environment,SichuanUniversity,Chengdu610065,China)

In order to effectively control the dust emissions from urban construction sites,this study develops a kind of environment-friendly dust suppressant which can instantly forms a membrane-cover by using sodium alginate as membrane-forming agent and calcium chloride as membrane-forming aid.The orthogonal experiment is applied to determine the appropriate ratio and the amount of each component,and a series of performance tests are applied to study the effect of dust suppressant.The results show that when sodium alginate solution and calcium chloride solution with the mass fractions of 0.75% and 7.5% respectively are sprayed on the bare ground at the amount of 4 L/m2and 3 L/m2and, a membrane is instantly formed on the surface to cover and compact the topsoil,control the dust emission,and improve the surface strength;the hygroscopicity and water holding capacity of the membrane is good;the moisture content of the topsoil is above 11% and remains for a long period;the membrane is insoluble in water and cannot be removed or transferred;besides,the membrane has a good wind erosion resistance with the dust suppression rate being up to 99%.Key words:construction site;dust suppressant;instantly membrane-cover;environment-friendly

1671-1556(2015)04-0094-05

2015-06-04

20153-07-07

許 玥(1989—)，女，碩士研究生，主要研究方向為建筑施工現(xiàn)場揚塵排放控制。E-mail：tydaisyyue@sina.com

X701.2

A

10.13578/j.cnki.issn.1671-1556.2015.04.016

熊 峰(1963—)，女，教授，博士生導師，主要從事建筑工程HSE管理方面的研究。E-mail：fxiong@scu.edu.cn