聚丙烯酸酯乳液固土固沙材料的制備及性能研究

＊何秦川徐嘉鑫馮婕王益群裴向軍

（1.成都理工大學 地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室 四川 610059 2.成都理工大學 材料與化學化工學院 四川 610059 3.成都理工大學 生態環境學院 四川 610059）

在川藏線路的季節性凍土區中，土體在溫度、時間和水分遷移的作用下，土體的力學狀態會發生本質變化。凍土地基在凍結狀態下表現出較高的強度，但是在融化狀態時，土體強度急劇降低，引發一系列凍土工程問題[1]。為解決上述問題，國內外研究學者將目光聚焦于固沙固土技術。目前，固沙固土技術分為機械固沙固土法、植物固沙固土法和化學固沙固土法[2]。化學固沙固土材料主要包括無機固沙固土材料、有機固沙固土材料和無機-有機復合固沙固土材料。李海龍等[3]探究了水泥和生石灰的摻入比例對吹填土固化性能的影響，但是水穩性差且成本高。田光磊等[4]采用丙烯酸、丙烯酰胺等原料制備了高吸水性樹脂微球并探究其吸水等性能。雖具有強大的吸水保水性能，但是對環境污染較為嚴重。陶玲[5]以酸化凹凸棒石和丙烯酰胺為原料，采用水溶液聚合法合成了凹凸棒石基高分子固沙材料，但是其合成難度較高，不易廣泛應用。因此，期望制備出一種水穩定性好、低成本、環保和合成簡便的化學固沙固土材料。

聚丙烯酸酯乳液是以丙烯酸酯類等作為主要反應原料，通過乳液聚合的方法制備具有良好水溶性的高分子聚合物材料，且具有較好的成膜性、耐腐蝕性等一系列性能[6]，但其具有耐水性差、硬度低及熱粘冷脆等缺點。國內外研究者們通過在熱環境下使環氧樹脂開環與聚丙烯酸酯中的羧基發生酯化反應，一定程度上改善了聚丙烯酸酯的耐水性、硬度等性能[7]；聚氨酯改性聚丙烯酸酯使聚丙烯酸酯乳液兼具粘結性能強、環保的特點[8]；有機氟改性可使聚丙烯酸酯兼有抗污、熱穩定的特性[9]。

本實驗以丙烯酸丁酯、甲酯丙烯酸甲酯為主要原料，通過半連續預乳化種子乳液聚合工藝制備出聚丙烯酸酯乳液，并將其作為固結劑用于固土固沙領域，以此增加土體的粘結力，提高土體的強度、抗崩解性能等。

1.實驗部分

(1)實驗材料及儀器

本實驗主要實驗原料如表1所示，主要實驗儀器如表2所示。

表1 實驗原料

表2 實驗儀器

(2)樣品制備

本實驗采用半連續預乳化種子乳液聚合工藝制備聚丙烯酸酯乳液，詳細制備路線如圖1所示。

圖1 聚丙烯酸酯乳液合成步驟

(3)結構表征

采用FTIR對制備的聚丙烯酸酯乳液的結構進行表征。

(4)性能測試

①粒徑測試。采用Bettersize 2000E激光粒度分布儀對制備的聚丙烯酸酯乳液進行測試。

②固化土/水表面接觸角測試。將自然風干土過0.5mm標準篩，稱適量土備用。稱取最優含水率所需水量與聚丙烯酸酯乳液攪拌混合，然后使用制樣壓片機壓成直徑50mm，高15mm的圓柱體土樣，養護7天后使用接觸角測量儀進行測試。

③無側限抗壓強度測試。取適量過篩風干土，同時稱取占風干土樣質量1%的聚丙烯酸酯乳液，按照擊實試驗得出的最優含水率計算出所需水的質量，將三者混合均勻后壓成直徑50mm，高50mm的圓柱體土樣，養護7天后進行測試。

④靜水崩解。靜水崩解實驗制樣與固化土/水表面接觸角制樣方法相同，制備不同固化劑摻量的土樣；將其浸泡于水中，水面略高于試樣表面，觀察記錄其宏觀變化。

2.結果與討論

（1）聚丙烯酸酯乳液FTIR測試。圖2是聚丙烯酸酯固化劑的FTIR圖譜，圖中2960cm-1為-CH3的對稱伸縮振動吸收峰，2875cm-1為-CH2-的反對稱伸縮振動吸收峰，1731cm-1為丙烯酸丁酯分子中C=O鍵的伸縮振動吸收峰，并且C=C鍵在1630cm-1特征吸收消失，說明雙鍵參與了反應，1168cm-1處為C-O-C鍵的對稱伸縮振動吸收峰，因此可以說明單體均參與反應，表明已成功合成了聚丙烯酸酯乳液[10-11]。

圖2 聚丙烯酸酯固化劑的FTIR圖譜

（2）粒徑測試。由圖3可以看出聚丙烯酸酯乳液的乳膠粒的粒徑呈單峰正態分布，主要分布于200nm左右，可以看到聚丙烯酸酯乳液的粒徑分布均勻，分散性好。

圖3 聚丙烯酸酯乳液粒徑

（3）固化土/水表面接觸角測試。接觸角測試結果如圖4所示，素土的接觸角為0°，當水滴與素土接觸后直接潤濕，沒有疏水性；而摻入聚丙烯酸酯乳液后的固化土，固化土/水表面接觸角增長至98°，明顯地，聚丙烯酸酯乳液能有效提高土體的疏水性。

圖4 固化土/水表面接觸角測試

（4）無側限抗壓強度測試。由圖5可以看出隨復合乳化劑質量摻比增加，土體強度呈先增后減趨勢，復合乳化劑質量摻比為3%時，抗壓強度最高（3.8MPa）；由圖6可以看出隨著丙烯酸丁酯與甲基丙烯酸甲酯比值的增加，抗壓強度也隨之增加，單體比為4:1時，抗壓強度達3.8MPa。實驗表明，加入聚丙烯酸酯乳液可有效提升土體的無側限抗壓強度。

圖5 不同復合乳化劑摻比下聚丙烯酸酯固化土的無側限抗壓強度

圖6 不同軟硬單體配比下聚丙烯酸酯固化土的無側限抗壓強度

（5）靜水崩解。素土放于水中產生大量氣泡，水變渾濁后一分鐘不到便完全崩解，加入聚丙烯酸酯乳液后，水穩定性隨著摻量的增加逐步變好，圖7為浸泡十天后的宏觀樣貌，當聚丙烯酸酯乳液質量占素土質量的9%及以上，試樣均未崩解。實驗表明，聚丙烯酸酯乳液有效提升土體的耐水性。

圖7 不同聚丙烯酸酯乳液摻量對水穩定性的影響

3.結論

（1）采用半連續預乳化種子乳液聚合工藝成功制備了聚丙烯酸酯乳液，探索了不同復合乳化劑摻比及不同軟硬單體配比對聚丙烯酸酯固結土的抗壓強度的影響。丙烯酸丁酯與甲基丙烯酸甲酯比值為4:1，復合乳化劑質量摻比為3%時，無側限抗壓強度達到3.8MPa，較素土強度提高了52%。

（2）探究了不同聚丙烯酸酯乳液摻量對水穩定性的影響。固化土樣在浸泡10天過后，聚丙烯酸酯乳液質量摻比在9%及以上的試樣均未崩解。實驗表明，聚丙烯酸酯乳液有效提升土體的耐水性，且隨著聚丙烯酸酯乳液摻量的增加，水穩定性越好。