面向綠色施工的現場抑塵劑制備及應用性能研究

倪小磊，刁 璇，盛 娟

（東南大學 成賢學院，江蘇 南京 210000）

隨著公民環保意識的提升，建筑工地施工過程中揚塵問題也得到了很大的關注。揚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首。在進入人體后，附著于心肺，給人們的身體健康造成極大影響。同時，長期處于揚塵環境下的建筑工人，還有可能引發塵肺病，造成極大的安全隱患；對此，國家特別提出“綠色施工”主題，要求在施工過程中，盡量抑制揚塵的產生；為響應國家“綠色施工”號召，很多專家也針對施工過程中揚塵問題作出大量研究。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，并證實該抑塵劑抑塵效果符合行業標準要求[1]；白小斐則從治理措施方面控制揚塵含量，并提出建筑工程綠色施工揚塵污染精細化控制方法，幫助減輕施工過程中產生的揚塵污染[2]。以上方法一定程度上緩解了揚塵問題，但并未從根本上得到解決，且不利于工程的綠色施工管理。本文從實際出發，以木質素磺酸鈣和丙烯酰胺單體制備了一種新型施工用抑塵劑，抑制揚塵產生，積極響應國家“綠色施工”號召。

1 實驗部分

1.1 材料與設備

木質素磺酸鈣（AR 濟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）；過硫酸鉀（AR 濟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 型機械攪拌器（河南麥克斯儀器有限公司）；PXWSN-265B 型烏式粘度計（上海平軒科學儀器有限公司）；TH200 型邵氏硬度計（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（濟南歐萊博電子商務有限公司）。

1.2 實驗步驟

（1）將木質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 型機械攪拌器攪拌溶解混合，溶解溫度和攪拌時間分別為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劑和丙烯酰胺單體，滴加時保證單體與引發劑同一時間滴完。待引發劑和單體滴完后，提升溫度使之發生聚合反應，聚合溫度和時間分別為50℃和2h；

（3）待反應結束后，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，調節溶液pH 值為6～7，得到抑塵劑產品。

制備流程見圖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 粘度是反應抑塵效果的重要參數，粘度越大表示抑塵效果越好，粘度測試步驟為：將待測抑塵劑裝入PXWSN-265B 型烏式粘度計中，然后將粘度計置于提前預熱好的HH-601 型恒溫水浴箱內，記錄抑塵劑通過粘度計內兩個刻度的時間。抑塵劑粘度表達式為：

式中 η1：抑塵劑粘度；ρ1：抑塵劑密度；t1：測定時間；η0：水的粘度；ρ0：水的密度；t0：水通過刻度所用的時間。

1.3.2 抑塵劑固化土樣強度測試

（1）提前收集粉層土堆，在托盤內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，然后置于自然環境進行干燥；

（2）將干燥后樣品置于TH200 型邵氏硬度計上，在不同溫度下進行硬度測定。

1.3.3 抑塵劑表面張力測試 表面張力對物質濕潤效果起決定性作用，表面張力越大，對粉塵的濕潤效果越差。因此，想要確定抑塵劑的潤濕效果，需對抑塵劑表面張力進行測定。本文采用最大泡壓法，通過對毛細管端形成的壓力測定抑塵劑表面張力[4]。具體步驟為：

（1）在玻璃管內裝入一定質量的抑塵劑，保證抑塵劑液面與毛細管液的液面齊平。

（2）打開滴液漏斗，讓滴液漏斗里的水緩慢滴下，待毛細管口有氣泡溢出，測定其壓力差。具體裝置見圖2。表面張力表達式為：

圖2 最大泡壓法測定表面張力裝置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：壓力計中液體密度；g：重力加速度；r：毛細管半徑。

1.3.4 抑塵劑接枝率表征 接枝率是指在接枝共聚反應中，參與反應的單體質量與單體總量的比例，其數據直接反應接枝共聚反應中，接枝效果的好壞。抑塵劑接枝率具體測定步驟為：

（1）將一定質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生改變。

抑塵劑接枝率表達式為[5]：

式中 G：接枝率；m：產物質量；ma：加入木質素磺酸鹽的質量；mb：加入丙烯酰胺的質量；mc：加入的K2S2O8質量。

1.4 抑塵劑應用效果測試

1.4.1 滲透性能測試 選用向下滲透測量法測定抑塵劑滲透性能。其原理為：在土樣表面噴灑一定質量的抑塵劑，抑塵劑溶液通過粉塵粒子間微小間隙逐漸向下滲透，通過其滲透時間反應其滲透性能[6]。具體步驟為：

（1）在提前標有刻度的玻璃管內放入一定量的土樣，振動夯實后，使土樣在玻璃管內高度為25cm；

（2）取一定量抑塵劑，然后慢慢滴加至土樣玻璃管中，從抑塵劑開始滴入時就用秒表計數，待抑塵劑滲透至指定刻線后停止讀數。抑塵劑劑量相同，滲透時間越少，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，土樣濕潤性越高，防塵效果也越好[7]。抑塵劑保水效果測定方法為：

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

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

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

1.4.3 揚塵劑抗風蝕效果測試 抗風蝕性能指的是在自然情況下，使用了抑塵劑的土樣固結層能否保持一定的硬度與完整性，進而反映其抑制揚塵的效果。抗風蝕測試方式為：

（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干，待土樣形成一定硬度的固結層方可開始試驗。

（2）將土樣模型置于正前方，然后用吹風機以1200W 的風力在土樣10cm 處模擬自然風吹。連續吹50min 后，稱量土樣質量。

土樣質量損失率表達式為：

式中 M：土樣質量損失率；m1：初始土樣質量；m2風吹后土樣質量。

2 結果與討論

2.1 單體配比對抑塵劑粘度影響

表1 為不同木質磺酸鈣與丙烯酰胺單體重量配比對抑塵劑粘度影響。

表1 單體配比對抑塵劑粘度影響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。當木質磺酸鈣與丙烯酰胺單體重量比例為1∶5 時，粘度值最大，且固結層強度也較高，因此，選擇單體添加量為木質磺酸鈣的1/5。

2.2 引發劑濃度對抑制劑粘度影響

表2 為不同引發劑濃度對的抑塵劑粘度影響。

表2 引發劑濃度對抑塵劑粘度影響Tab.2 Effect of initiator concentration on viscosity of dust suppressant

由表2 可知，隨引發劑濃度的增加，抑塵劑粘度表現出先增加后降低的趨勢，當引發劑濃度超過1.0×10-2mol·L-1時，粘度幾乎不變，這時因為引發劑數量足夠將主料反應完畢。在引發劑濃度為1.0×10-2mol·L-1時，共聚物性能最優；因此，選擇引發劑濃度為1.0×10-2mol·L-1；

2.3 抑塵劑表面張力測定結果

圖3 為不同固含量（固體占比不同）的抑塵劑表面張力。

圖3 抑塵劑表面張力測定結果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，對粉塵的抑制效果更好。實踐認為，當抑塵劑表面張力達到4.5×10-2N·m-1時效果最佳[9,10]。由此可推斷，抑塵劑固含量為8%時，抑塵效果最佳。

2.4 抑塵劑接枝率測試結果

圖4 為引發劑濃度對接枝率的影響。

圖4 引發劑濃度對接枝率影響Fig.4 Effect of initiator concentration on grafting rate

由圖4 可知，接枝率隨引發劑濃度的增加而增加；當引發劑濃度達到1×10-2mol·L-1時，抑塵劑接枝率可達98.3%；再次增加引發劑濃度，接枝率變化不明顯，這說明在該引發劑濃度下，大多數單體參加接枝反應，該反應對單體利用率較高。

2.5 抑塵劑滲透性能測試結果

表3 為不同配比抑塵劑滲透性能測試結果。

表3 不同配比抑塵劑滲透性能測試結果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；最明顯的差別體現在滲透深度上，滲透時間變化不大。這是因為滲透時間受土樣粒度影響，試驗土體相同，滲透時間變化不大；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，再次證實最佳配比的抑塵劑抑塵效果最佳。

2.6 抑塵劑工程應用效果

2.6.1 保水效果

圖5 為最佳配比下土樣的保水率隨時間的變化趨勢。

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

由圖5 可知，隨時間的增加，土樣保水率也隨之下降。在18h 后，出現大幅度失水的情況，但72h 后又逐漸趨于平緩；在78h 后，土樣保水率仍舊可以達到85%以上。說明在施工現場噴灑抑塵劑后，揚塵的失水速率變緩，從而有效抑制了揚塵。

2.6.2 土樣的抗風蝕測試結果

表4 為不同配比抑塵劑作用下土樣抗風蝕測試結果。

表4 不同配比抑塵劑作用下土樣抗風蝕測試結果Tab.4 Wind erosion resistance test results of soil samples with different proportion of dust suppressants

由表4 可知，各個配比下抑塵劑均能使土樣形成較好的固結層。在模擬自然風侵蝕下，擁有較好質量損失率，其中最佳配比抑塵劑質量損失率僅為0.7%，固結層完整，表現出較為優良的抗風蝕性能。這就說明本文制備的抑塵劑滿足工程用設計要求。

3 結論

本文以丙烯酰胺單體與木質素磺酸鈣為主要原料，通過接枝聚合的方式制備揚塵抑塵劑。通過試驗得到以下結論：抑塵劑最佳配比為：丙烯酰胺單體添加量為木質磺酸鈣的1/5，引發劑濃度為1.0×10-2mol·L-1，抑塵劑固含量達到8%；在最佳配比條件下，抑塵劑滲透深度可達3m，比其他配比抑塵劑性能更優；工程應用發現，噴灑抑塵劑的土體經過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，對控制揚塵產生積極的作用。同時通過土樣抗風蝕測定，土樣的固結層完整，抗風蝕性能滿足工程用設計要求。