建筑揚塵泡沫抑塵劑的性能研究

向 銀，田世祥，吳愛軍*，褚福延，張 樂

(1.西南科技大學環境與資源學院，四川 綿陽 621010；2.西南科技大學非煤礦山安全技術四川省高等學校重點實驗室，四川 綿陽 621010；3.貴州大學礦業學院，貴州 貴陽 550025)

揚塵是大氣污染的主要因素，而建筑與道路施工及水泥砂石等建材堆場是揚塵的主要來源之一[1-3]。在風流影響下，地面粉塵散溢至空氣中的揚塵滯空時間長達7～30 d[4]，其污染范圍不斷擴大，造成空氣質量下降，使人們的生產、生活與健康受到嚴重的影響[5-6]。因此，工程建設領域的揚塵治理已成為當務之急。

目前，揚塵治理方法主要有灑水、噴霧捕塵和化學抑塵等方式[7-8]。大多數工地常采用灑水抑塵，其缺點是水資源消耗巨大[9]。針對建筑施工揚塵，化學抑塵方法因其治理效果好而受到國內外學者的廣泛關注。如鄭云海等[10]研究了具有良好保水吸濕等性能的抑塵劑；李敏等[11]重點研究了抗雨蝕性能的固化抑塵劑；李穎泉等[12]研究的速溶型抑塵劑、王林凱等[13]研究的風蝕揚塵抑塵劑，都具有良好的抗風蝕性能；Choi等[14]研究了以淀粉和聚乙烯醇為原料的抑塵劑，試驗表明其具有良好的抑塵性能。

綜上，在建筑施工揚塵抑制方面主要是對單一因素性能的抑塵劑進行研究，且適用范圍小[15]，而全面系統地對多因素性能的抑塵劑進行研究較少，如抑塵劑的保水性、潤濕性、抗壓強度、高溫抗蒸發性、抗風蝕性、抗雨水侵蝕性等。此外，大多數研究關注的是地面塵源的覆蓋抑塵，而對空氣中揚塵的抑制及其抑塵效率等方面仍缺乏系統的研究。

鑒于此，本文結合當前建筑揚塵的治理現狀，提出了覆蓋式泡沫抑塵技術，為建筑揚塵的治理奠定基礎。其抑塵工藝是利用發泡裝置向空中噴射出大量的泡沫，使其迅速捕捉、黏附、潤濕空氣中的揚塵；當泡沫與揚塵一起落地后，又將地面的粉塵覆蓋、潤濕，同時又可長時間捕獲落在其上的揚塵，使其喪失飛揚能力。與常規的霧化抑塵工藝相比，其具有比表面積大、除塵時效長、除塵效率高及藥劑用量少等優勢。因此，此項揚塵治理技術的實效性和空間范圍顯著提升。據文獻[16]介紹，1946年英國最先開展泡沫除塵的研究，而我國對此研究的起步較晚，1984年陳長生等最先在國內開展了泡沫除塵技術研究，并通過模擬實驗證明了泡沫除塵技術是有效的。但國內外泡沫抑塵技術主要應用于煤礦除塵和滅火方面，目前尚缺乏將泡沫抑塵技術應用于治理建筑揚塵的相關研究。因此，本文在前期預實驗的基礎上，對建筑揚塵泡沫抑塵技術開展了以下兩個方面的研究：

(1) 泡沫抑塵劑的配制和性能研究。以十二烷基硫酸銨(K12A)為發泡劑、氯化鈉(NaCl)為穩泡劑、甘油為保水劑的藥品為原料，以發泡性和穩泡性為衡量指標，通過正交實驗配置出具有良好的發泡性、穩泡性，且價格低、無污染等優點的復合泡沫抑塵劑，再對其黏度以及對建筑揚塵的滲透性、保水性和固化效果等性能進行研究。

(2) 泡沫抑塵劑的抑塵效果應用研究。通過噴射的泡沫抑塵劑覆蓋在塵樣后，研究其泡沫的穩定性、抗風侵蝕、雨水侵蝕和高溫蒸發性等指標來考察其抑塵效果。

1 泡沫抑塵技術原理

泡沫抑塵技術的原理如圖1所示，整個泡沫抑塵過程包括截留效應、潤濕、沉降、覆蓋等[17]。泡沫抑塵技術的具體作用可分為捕獲揚塵、覆蓋地面粉塵、捕獲落塵三個部分:①噴灑出的泡沫能捕捉空氣中的揚塵；②泡沫隨同捕捉的揚塵落至地面，地面的泡沫聚集增多，會形成較厚的泡沫層覆蓋地面的粉塵，從而減少了塵源；③揚塵落地后，又被地面的泡沫捕獲、潤濕，進而失去飛揚能力。此外，泡沫破滅后形成的液體還能滲透、濕潤地面的粉塵，從而達到抑塵效果。

圖1 泡沫抑塵技術原理圖

2 材料與方法

2.1 試驗材料、藥品與設備

本試驗模擬的建筑揚塵選自某建筑施工現場地面粉塵混合物。據趙普生等[18]的研究，建筑工地的揚塵過 200目標準篩篩分后得到的質量占比最大。因此，將粉塵混合物樣品經恒溫干燥箱100℃完全烘干后，通過200目標準篩篩分后作為模擬的建筑揚塵塵樣。

表面活性劑材料組分有十二烷基硫酸銨(K12A)、氯化鈉(NaCl)、甘油等。

試驗儀器主要有DZF型真空干燥箱、羅氏泡沫儀、90-2數顯恒溫磁力攪拌器、NDJ-1S數字式黏度計、YP-15T粉末壓片機等；其他儀器有碾碎機、玻璃培養皿、200目標準篩、鼓風機、量尺、毛細管(內徑20 mm)、燒杯、瓷盤(35 mm×25 mm×20 mm)、防塵網(3密目)等。

2.2 泡沫抑塵劑配制正交實驗設計

根據所選藥劑組分為十二烷基硫酸銨(K12A)、氯化鈉(NaCl)、甘油等，為了確定所選試劑的主次影響順序及最佳配方，將所選的試劑進行了三因素三水平共9組L9(34)正交實驗。在前期預實驗的基礎上，以發泡劑K12A質量濃度為0.8%、0.9%、1.0%，穩泡劑NaCl質量濃度為0.8%、0.9%、1.0%，保水劑甘油質量濃度為0.6%、0.7%、0.8%，配制了不同配方的泡沫抑塵劑，并通過正交實驗分析其發泡性和穩泡性，綜合選出相對較優配方；再對其黏度以及對建筑揚塵的滲透性、保水性、固化效果性能進行分析。其正交實驗方案如表1所示。

表1 正交實驗方案

由正交實驗方案(1)～(9)，利用羅氏泡沫儀對以上9種復配溶液(即泡沫抑塵劑)的發泡性和穩泡性進行靜態分析，由于受環境及溫度的影響，同種溶液需做3次平行試驗，且控制誤差在15 mL以內，并計算其平均值。依據發泡量大、消泡率低、極差分析來確定泡沫抑塵劑的最優配方。泡沫抑塵劑的穩泡性以消泡率來表征，其消泡率的計算公式為

(1)

式中:σ為泡沫抑塵劑的消泡率(%);w0為泡沫抑塵劑的初始發泡量(mL);w1為泡沫抑塵劑的5 min后發泡量(mL)。

2.3 參數測試

根據相關文獻及借助相應的儀器設備，分別對泡沫抑塵劑的黏度以及對建筑揚塵的潤濕性[19]、室內環境的保水性[20]和抗壓強度[21]進行了測試,并將泡沫噴灑在塵樣后研究其泡沫的穩定性、抗風侵蝕性[22]、抗雨水侵蝕性[23]和高溫抗蒸發性[24]，進一步檢驗泡沫抑塵劑的抑塵效果。

2.4 泡沫抑塵劑的使用方式

為了治理建筑施工中的揚塵和地面粉塵，提出了泡沫抑塵技術。其具體的使用方式如下：首先，基于本課題自主設計研發、加工成品的網式泡沫噴灑設備，該設備主要包括發泡管、發泡網、供風系統、供液系統、升降系統等部分，其發泡原理為通過供液系統將泡沫抑塵劑輸送至發泡管中，在供風系統的風壓作用下，泡沫抑塵劑首先被吹至發泡網上形成液膜，然后液膜在風壓下通過細密的發泡網被吹起、拉伸、脫落、聚并成泡沫，從而噴灑出大量的泡沫；其次，將所需的泡沫抑塵劑按照一定濃度比例配置好，并裝于泡沫噴灑設備中，同時調試好設備；最后，可根據現場的揚塵濃度合理地調節其供液速率及供風量，以達到最佳的泡沫發泡量，提高其抑塵效率，還可以根據現場需要合理地調節設備的升降系統來控制其泡沫噴灑高度及角度范圍。

3 結果與討論

3.1 泡沫抑塵劑配制正交實驗

由泡沫抑塵劑配制正交實驗靜態性能分析，即通過計算各因素各水平下每種實驗方案的發泡量、消泡率的總和及平均值，并進行極差R分析，得到的試驗結果見表2、表3和圖2。

圖2 正交實驗發泡量和消泡率結果圖

鑒于主要考慮所噴灑覆蓋式泡沫的發泡效果及穩定性好，即發泡量分析中K值越大越好，消泡率分析中K值越小越好。由表2可知：發泡量K值最大分別為3水平、1水平、3水平，即為K3、K1、K3，由極差R大小可得，影響主次順序為K12A、甘油、NaCl。同理，由表3可知：消泡率K值最小分別為3水平、1水平、2水平。經綜合考慮，甘油的質量濃度影響其發泡量，因此以發泡量較大、消泡率較小為衡量指標，綜合選出相對較優的泡沫抑塵劑配方為(7)，即質量濃度1%的K12A、0.8%的NaCl、0.8%的甘油，此配方泡沫抑塵劑的發泡量為550 mL、消泡率為7.20%。

表2 正交實驗發泡量極差分析結果

表3 正交實驗消泡率極差分析結果

3.2 泡沫抑塵劑性能分析

3.2.1 黏度

在室內溫度為13～15℃、泡沫抑塵劑溫度為18～20℃、自來水溫度為12～13℃環境下，使用NDJ-1S數字式黏度計分別對泡沫抑塵劑和生活中自來水的黏度進行測試，5次取平均值，其黏度分別為2.841 mPa·s、1.592 mPa·s?？梢姡菽謮m劑的黏度約為自來水的2倍，這是因為一方面泡沫抑塵劑的黏度主要由分子間的內摩擦力產生，且分子間存在吸引力和不規則運動；另一方面該泡沫抑塵劑中含有K12A和甘油，它們本身具有一定的黏稠性，而甘油含有3個羥基，分子間的作用力大，具有很長的分子鏈，分子間形成大量的氫鍵，因此經水與K12A、甘油按比例混合后，使得水中的氫鍵增多，黏度增大。說明噴灑本泡沫抑塵劑后揚塵的黏結性更強，有利于黏結聚集成較大顆粒，不易受風流等影響而飛揚。

3.2.2 滲透性

本文利用毛細管反滲透原理對泡沫抑塵劑和生活自來水處理后的塵樣進行滲透性試驗，其試驗結果見圖3。

圖3 泡沫抑塵劑與水處理后塵樣的滲透體積量和滲透速率對比圖

由圖3可知：水和泡沫抑塵劑在塵樣堆內滲透深度隨時間而增加，但其滲透速率隨時間的增加而減??；當滲透時間為1 min時，泡沫抑塵劑和水處理后塵樣的滲透速率分別為3 mm/(mL·min)和2.75 mm/(mL·min)，兩者無明顯差異，這是由于泡沫抑塵劑中添加表面活性劑后其水的表面張力減小、黏度增大，所以短時間內兩者差距不明顯；而當滲透時間為5 min時，泡沫抑塵劑處理后塵樣的滲透速率為0.66 mm/(mL·min)，約為水的2倍，其原因是泡沫抑塵劑的表面張力減小后，改善了在塵樣上的滲透性，隨著時間的增加其效果明顯，塵樣容易被潤濕，而水在短時間內就達到滲透飽和度，隨著時間的增加，其滲透緩慢，滲透速率降低。因此，該泡沫抑塵劑在相對較短時間內在塵樣中的滲透性優于水，更有利于潤濕揚塵。

3.2.3 保水性

泡沫抑塵劑與水處理后塵樣的含水率對比，見圖4。

圖4 泡沫抑塵劑與水處理后塵樣的含水率對比圖

由圖4可知：隨著時間的增加，用水和泡沫抑塵劑處理后塵樣的含水率下降趨勢一致，近似呈指數關系遞減；24 h以后，噴灑泡沫抑塵劑塵樣的含水率高于其噴灑水塵樣的含水率，兩者相差在10%以上。這是因為隨著時間的增加，噴灑泡沫抑塵劑后其塵樣表面開始產生一層白色的薄膜覆蓋在表面，減少了水分蒸發，因此其含水率保持較高；而噴灑水的塵樣因在較高溫環境下，水分蒸發較快，因此其含水率較低；但在180 h后噴灑水和泡沫抑塵劑塵樣的含水率均下降緩慢，此時噴灑泡沫抑塵劑塵樣的含水率為4.07%。有研究表明，當塵樣含水率高于4%時，不易造成揚塵污染[25]。即在溫度為23～32℃的環境下，噴灑泡沫抑塵劑后塵樣能保持180 h以上不易造成揚塵污染，表明該泡沫抑塵劑具有良好的保水性；而此時灑水的塵樣在120 h時含水率已經達到了4%限值，在180 h時其含水率為-1.04%，表明塵樣已干燥，且表面開裂成眾多小塊，極易受到風流等影響而產生揚塵。

3.2.4 固化效果

經抗壓強度測試，當壓力達到0.313 MPa時，所噴灑泡沫抑塵劑的塵樣局部有開裂現象，在壓力為0.501 MPa時，土體完全破壞；而噴灑水的塵樣在壓力為0.068 MPa時開裂現象明顯，在壓力為0.104 MPa時，土體完全破壞成若干碎塊。其原因是泡沫抑塵劑的黏度高，使土顆粒間凝聚性增強，更加穩固而不易被破壞；但水的黏結性弱，經噴水處理后土顆粒間的黏聚力較低，其整體抗壓強度小，致使其穩固性減弱。而晉虎等[21]的研究表明經泡沫抑塵劑處理后的煤塵抗壓強度約為0.48 MPa，這表明噴灑該泡沫抑塵劑后其固結層具有一定的抗破壞能力。

綜上，通過對泡沫抑塵劑的黏度，以及經泡沫抑塵劑處理后塵樣的滲透性、保水性和固化效果等參數進行測試，可以發現：泡沫抑塵劑的黏度遠高于水，而經過泡沫抑塵劑處理后塵樣的滲透性、保水性和固化效果遠優于水。分析其綜合原因是：泡沫抑塵劑中添加表面活性劑后其表面張力降低，改善了其滲透性，揚塵容易被潤濕；泡沫抑塵劑的黏度高，使土顆粒間的凝聚性增強，從而使其穩固性增強，抗壓性強；且泡沫抑塵劑中添加有保水劑甘油，減少了水分的蒸發，起到了吸濕保水的作用，使其保水效果遠優于水。

3.3 泡沫抑塵劑抑塵效果的應用研究

為了檢驗泡沫抑塵劑的抑塵效果，需考慮在實際應用場景中，如在不同風速、雨水侵蝕、溫度條件下經泡沫抑塵劑處理后塵樣的各項指標，即泡沫的穩定性、抗風蝕性、抗雨水侵蝕性和抗蒸發性，以此來進一步驗證泡沫抑塵劑對揚塵的治理效果。

3.3.1 泡沫的穩定性

從發泡設備噴射出的泡沫，在空中飛行一段距離并捕捉揚塵后落在地面上，會在地面粉塵上堆積成厚厚的泡沫層，從而將地面粉塵嚴密覆蓋。在室溫和風速為v=8 m/s環境下泡沫覆蓋層厚度隨時間的變化規律，見圖5。

由圖5可知：噴灑的泡沫覆蓋層的起始厚度約為125 mm，約105 min后其厚度仍高于30 mm[見圖5(a)]，這說明噴灑該泡沫后在室溫、近似無風的環境下，泡沫的覆蓋時效久、穩定性好[見圖5(a)]；在8 m/s風速吹蝕下，泡沫覆蓋層厚度隨時間呈現線性遞減變化，15 min后其厚度仍大于30 mm[見圖5(b)]，這說明在五級風的環境下泡沫仍具有一定的抗風性能。這是由于泡沫抑塵劑中添加有無機鹽氯化鈉，而無機鹽可以增加泡沫的穩定性，因此噴射的泡沫在外界環境影響下仍具有一定的穩定性。泡沫不僅能夠捕捉落在其上的揚塵而使其失去再次飛揚能力，待其完全破滅后還能夠潤濕地面粉塵，這便大大提高了其抑塵效果和抑塵效率。

圖5 在室溫和風速為v=8 m/s環境下泡沫覆蓋層厚度隨時間的變化圖

3.3.2 抗風侵蝕性

待泡沫完全破滅后，模擬了一定風速下不同處理方式后塵樣的抗風蝕性能。采用鼓風機模擬不同風速(11 m/s、15 m/s、20 m/s，分別對應六、七、八級風)下3種處理方式后塵樣經歷5 min的抗風蝕性能試驗，其試驗結果見表4。

表4 不同風速下3種處理方式后塵樣的抗風侵蝕性試驗結果

由表4可知：對于采用防塵網、泡沫抑塵劑、干燥3種處理方式，每個塵樣樣品的質量差、平均質量損失率均隨著風速的增大而增大，其抑塵效率隨風速的增大而減小。這其中，鋪設防塵網的塵樣的平均質量損失率遠遠大于噴灑泡沫抑塵劑后塵樣，如在高達20 m/s的風速環境下，噴灑泡沫抑塵劑的抑塵效率仍高于97%；噴灑該泡沫抑塵劑后塵樣5 min風蝕后的質量差仍較小(低于0.3 g)，而其平均質量損失率只為其鋪設防塵網的1/40;將噴灑泡沫抑塵劑后塵樣經50℃恒溫干燥箱干燥4 h后，在20 m/s的風蝕下其抑塵效率仍高于94%，這是由于泡沫在破滅后形成的液體滲透并潤濕了揚塵，且泡沫抑塵劑的黏度高，使揚塵間的黏結性變強，顆粒增大，不易被風吹走；而防塵網本身具有一定的空隙，對于粒徑細小的揚塵在強風的吹蝕下極易被吹走，且隨著風速的增大其質量差越來越大，故平均質量損失率高、抑塵效率低。

3.3.3 抗雨水侵蝕性

噴灑泡沫劑與水的塵樣抗雨水侵蝕性試驗效果，如圖6所示。

圖6 噴灑泡沫抑塵劑與水的塵樣抗雨水侵蝕性試驗效果圖

經試驗測試可知，噴灑泡沫抑塵劑塵樣的質量損失率為1.38%，噴灑水塵樣的質量損失率為29.48%，表明噴灑泡沫抑塵劑比噴灑水的塵樣抗沖刷性強、粉塵顆粒間的黏結性強，這是由于：一方面，該泡沫抑塵劑成分中的物質本身具有一定的黏性，且甘油分子間有大量的氫鍵，經水混合后氫鍵增多，其黏度增大，而噴灑泡沫抑塵劑的塵樣經干燥后，粉塵顆粒間的聚結性增強，黏結成團；另一方面，泡沫抑塵劑與塵樣混合干燥后，其具有一定的凝固性，在雨水沖刷狀態下，需要一定的沖刷力才能使其降解融化；且由抗壓強度試驗表明，經泡沫抑塵劑處理后的塵樣穩固性強，從而不易被雨水沖刷而流失。從圖6中表面徑流現象來看，噴灑泡沫抑塵劑的塵樣其整體較完整，僅部分出現溝壑現象；而噴灑水的塵樣大部分發生了遷移，且隨著噴淋時間的增加，其被沖刷的流失量逐漸增加。因此，該試驗結果表明：在噴灑泡沫抑塵劑后，其揚塵在干燥狀態下具有較強的固結性，且在模擬降雨環境下，其抗雨水沖刷性也明顯增強。

3.3.4 抗高溫蒸發性

50℃高溫環境下噴灑泡沫抑塵劑與水后塵樣的失水率對比，見圖7。

圖7 50℃高溫環境下噴灑泡沫抑塵劑與水后塵樣的失水率對比圖

由圖7可見：噴灑泡沫抑塵劑和水處理后塵樣的失水率均隨著時間的增加而快速增大，其中經水處理后塵樣的失水率在前5 h內近似呈線性增加，完全失水后保持水平直線不變；而經泡沫抑塵劑處理后塵樣的失水率則隨時間呈緩慢增加趨勢，具有“Z”形上下波動性，說明該泡沫抑塵劑具有一定的吸濕保濕性；在相同時間，噴灑水處理后塵樣的失水率高于噴灑泡沫抑塵劑塵樣的失水率；在5 h后，噴灑水處理后塵樣的失水率保持穩定，失水率為100%，表明揚塵已成干燥狀態；而噴灑泡沫抑塵劑處理后塵樣的失水率在8 h后趨于穩定，其失水率為93.85%，而此時塵樣的含水率為6.15%。這是因為泡沫抑塵劑中添加有保水劑，可在粉塵表面形成了一層薄膜，減少了水分的蒸發，所以其失水率較低。由此可見，在50℃高溫環境下，噴灑該泡沫抑塵劑后塵樣對水分的抗蒸發性具有一定的抑制作用，能保持塵樣含水率大于4%的時間達到了8 h以上。

4 結 論

針對建筑揚塵的治理，提出了泡沫抑塵新技術，介紹了其抑塵原理，并以發泡劑、穩泡劑、保水劑為原料，配制出具有良好性能的泡沫抑塵劑，經試驗得到如下結論：

(1) 以發泡性和穩泡性為指標，通過正交實驗選出性能相對較優的泡沫抑塵劑配方，即質量濃度1%的K12A、0.8%的NaCl、0.8%的甘油，該配方的泡沫抑塵劑發泡量大、消泡率低。

(2) 所制備的泡沫抑塵劑相比自來水而言，其黏度更大，約為水的2倍；在短時間內該泡沫抑塵劑的滲透性優于水，潤濕性強；在溫度為23～32℃環境下，該泡沫抑塵劑能保持180 h以上不易造成揚塵污染，保水性強;該泡沫抑塵劑固化效果好，經該泡沫抑塵劑處理后塵樣的抗壓強度約為0.501 MPa，是水處理后塵樣抗壓強度的5倍左右。

(3) 對噴灑在粉塵上堆積的泡沫進行穩定性分析，結果表明：在室溫環境下，泡沫的初始覆蓋層厚度約為125 mm，約2 h左右才完全破滅，覆蓋時效長；在模擬五級風吹蝕下，泡沫覆蓋層的平均厚度在18 min后減小至20 mm左右，但仍對粉塵起到覆蓋抑塵作用。

(4) 通過抗風侵蝕性、抗雨水侵蝕和抗高溫蒸發性等模擬試驗對該泡沫抑塵劑的抑塵效果進行了應用研究，結果表明：在20 m/s的風速環境下，其抑塵效率仍高于97%，經泡沫抑塵劑處理后塵樣的平均質量損失率為鋪設防塵網的1/40，其抗風蝕性強；經50℃恒溫干燥箱干燥4 h后，其抑塵效率仍高于94%；經泡沫抑塵劑處理后塵樣的質量損失率約為1.38%，而經灑水處理后塵樣的質量損失率約為29.48%，前者抗雨水侵蝕性遠好于后者；在模擬50℃高溫環境下，噴灑該泡沫抑塵劑后塵樣對水分的抗蒸發性具有一定的抑制作用，能保持塵樣含水率大于4%的時間達到了8 h以上。