建筑施工现场快速成膜抑尘剂的研制

许 玥，熊 峰

(四川大学建筑与环境学院，四川 成都 610065)

建筑施工现场快速成膜抑尘剂的研制

许 玥，熊 峰

(四川大学建筑与环境学院，四川 成都 610065)

为全面有效控制城市建筑施工扬尘排放，以海藻酸钠、氯化钙为材料，研制了一种快速成膜环境友好型抑尘剂,采用正交试验确定了该抑尘剂的适宜的配比及用量，并通过性能测试对其抑尘效果进行了检验。结果表明：分别以4 L/m2和3 L/m2的用量喷洒质量分数为0.75%的海藻酸钠溶液和7.5%氯化钙溶液于裸露地面，表面可迅速成膜，覆盖并固结表层细颗粒，抑制扬尘并提高表层强度；该抑尘剂成膜吸湿保水性良好，遇水不溶解、不迁移，耐风蚀性好，抑尘效率达99%以上。

建筑施工;抑尘剂;快速成膜;环境友好型

城市建筑施工工程为典型的无组织扬尘源，扬尘来源多样，排放强度随时间、空间变化大，排放潜势高，能在短时间内显著影响当地空气质量。建筑施工扬尘主要来源可分为土方工程作业、物料运输和装载作业、混凝土搅拌和喷浆作业、拆除作业以及裸露地面的地表粉尘和细颗粒物料堆载等几类。除了散装松散材料如水泥、沙等易产生扬尘外，主要扬尘是来源于裸露地面的地表粉尘，当地面被扰动如车轮碾压、施工机械作业以及自然风共同作用下，地表粉尘扬起，进入大气，形成扬尘[1]。国内外众多研究结果显示，扬尘对PM10排放总量的贡献率为62%～69%，而交通扬尘和施工扬尘为城市主要扬尘来源，占总扬尘量的90%以上[2]。此外，通过施工扬尘实测和模拟研究均发现，建设施工扬尘对PM10排放总量的贡献率大于10%[3-7]。因此，有效控制建筑施工扬尘污染是城市化进程中提高空气质量的重要环节。

目前我国建筑施工现场常见的抑尘措施有洒水、覆盖和地面硬化。洒水抑尘效率较低，且有效时间仅能维持数小时，需要不断重复工作，会造成人力物力消耗，同时场地反复洒水还会导致表面土壤养分流失，当含水率降低时，扬尘污染会更加严重。覆盖指对裸露地面、集中堆放的土方和细颗粒建材采用密目网或塑料布覆盖，防止扬尘产生，但塑料布本身难以固定，极易被风吹破或吹走而失去抑尘作用，密目网则因反复使用，自身携带大量粉尘，在覆盖期间也会产生扬尘。地面硬化指采用混凝土或水泥砂浆覆盖裸露地面，但硬化区域干燥后表面松散物料易被扰动而产生扬尘，同时施工结束后大面积的硬化材料粉碎处理不仅会产生扬尘，还会增加建筑垃圾。可见，目前国内施工现场普遍采用的扬尘控制措施的抑尘效果差，起不到改善城市大气环境的作用。

基于建筑施工现场一般性抑尘措施的不足，采用化学抑尘剂将成为建筑施工现场扬尘控制研究的方向。近40年来，针对不同场地的化学抑尘剂研究不断发展，并在道路扬尘、煤炭运输等领域已得到广泛应用[8-9]。按抑尘机理，目前抑尘剂可分为润湿剂、吸湿剂、黏结剂和复合型制剂等几种：润湿剂主要成分是表面活性剂，通过降低水表面张力使溶液与粉尘结合，达到抑尘效果，但此类抑尘剂有效期较短；吸湿剂可吸收空气中水分，使裸露于地面的尘土长期保持较高含水率以抑制扬尘，常用吸湿剂有氯化钙、氯化镁等及其水溶液，但此类抑尘剂成本较高，对金属、橡胶腐蚀作用较强，且存在二次污染；黏结剂能够将细颗粒粉尘黏结在一起并与地面固结，从而减少扬尘，但为降低成本，此类抑尘剂常以工业废液、废渣为基料，其对土壤及地下水存在污染；复合型抑尘剂由两种及以上抑尘剂复合而成，其制备工艺复杂，但成本较高。目前抑尘剂的研究已开始向多功能、生态性发展[10-11]，但对适用于城市建筑施工现场扬尘控制的抑尘剂研究极少。鉴于此，本文针对城市建筑工地扬尘无组织排放的复杂特征，并结合现场条件和需求，研制了一种快速成膜环境友好型抑尘剂，该抑尘剂兼具吸湿型和黏结型抑尘剂的特点，通过性能测试，验证了其抑尘效果，为大面积推广应用打下了基础。

1 快速成膜抑尘剂的配制

1.1 材料选取

由于建筑施工现场空气干燥、风蚀作用强，一般抑尘剂湿度下降后难以长期保持抑尘效果，因此需研制可成膜型抑尘剂，当喷洒于土壤表面后，能迅速形成薄膜，当土壤湿度下降后，表面膜仍能通过覆盖来抑制扬尘排放。本研究材料选取原则为兼具环境性、及时性和经济性。即要求药剂生态友好，100%可降解，不因使用本制剂而对土壤造成污染；制剂喷洒后能迅速成膜起效，不影响施工工期；成本低廉，制备简单，使用方便，具有推广可行性。

海藻酸盐具有良好的成膜性与可降解性，广泛应用于食品、印染、医药等多领域。海藻酸钠为藻类提取物，是一种天然多糖[12]，分子链中含大量游离羧基，易发生置换反应，能与Ca、Fe、Cu、Zn等离子结合形成凝胶类物质[13]。因此，本研究选取海藻酸钠为抑尘剂的成膜剂，其溶液黏性较高，能够吸附小颗粒粉尘，且可避免喷播产生二次扬尘污染。

成膜助剂选用无水氯化钙(CaCl2)，它吸水性强，能够吸收空气中水分，提高土壤含水率，减少颗粒破碎形成扬尘。本研究利用氯化钙同海藻酸钠反应生成凝胶状海藻酸钙聚合物，在裸露地表形成致密薄膜，并固化表面粉尘，从而抑制扬尘产生。海藻酸钙为三维网状聚合物，其含水率高，同时具有良好的生物降解性和生物相容性。

1.2 正交试验

1.2.1 正交试验设计

由于确定抑尘制剂配比涉及多因素多水平，因此本研究采用正交试验确定抑尘剂的最配比组合。试验选用干燥的施工用砂土作为抑尘处理对象，进行4因子4水平正交试验。设海藻酸钠溶液浓度(质量分数)、海藻酸钠溶液用量、氯化钙溶液浓度(质量分数)、氯化钙溶液用量分别为因子A、B、C、D，正交试验各因子水平见表1。

表1 正交试验设计因素水平

试验用土取自成都某项目施工现场马道边坡砂土，置于105℃恒温烘箱烘干，用200目标准筛筛取粒径小于0.9 mm砂土作为试验用土。

1.2.2 测量指标的选择

本试验选取固化厚度、浸润深度、固化层硬度和成本为测量指标。固化厚度为喷洒抑尘剂后，受到其黏结作用影响而固结的表面土层厚度，它是评价制剂黏结抑尘效果的指标，由于本制剂黏度较高，下渗速度较慢，因此需要测试初期和终期两种固化厚度，前者在喷洒药剂后1 h内测得，反映药剂即时有效性，后者在喷洒药剂48 h后测得，为最终可形成有效固结的土层厚度，反映药剂的长期有效性。浸润深度为制剂渗透土层的深度，它反映表层土壤含水量，体现抑尘剂的保水性和抑尘持久性，该指标在喷洒药剂1 h、16 h、24 h、40 h后，用直尺测量并记录。固化层硬度为土表层的强度指标，由于施工现场所有地面都可能作为通道、堆载区，因此固化层需要有一定的强度，该指标使用TYD-1指针式土壤硬度计以贯入压力为强度指标进行测量。成本指标根据使用药品市场价中值，按浓度及用量计算材料费，以此作为经济性参考指标，以确保制剂具有较好的经济性。

1.3 试验结果及分析

对试验用土喷洒抑尘剂，测量各项指标，进行方差分析，计算各指标在不同水平下的均值、极差，综合分析各因子水平对指标的影响及其重要性程度，并确定合理的制剂配比。各指标极差的计算结果见表2。

表2 正交试验极差分析

1.3.1 固化厚度

初期固化厚度为2.0～9.5 mm，终期固化厚度在4.0～12.5 mm之间，终期厚度总体上大于初期厚度，仅海藻酸钠溶液浓度较低且氯化钙溶液浓度较高的试验组，终期固化厚度低于初期固化厚度。试验表明：海藻酸钠溶液的浓度越高，表面成膜越致密，固结有效期越久，但固化厚度越小，且固化不均匀，同时其浓度高且用量大时，边缘易翘曲。因此，海藻酸钠溶液浓度不宜过高，且两溶液浓度不宜相差太多，否则影响长期固化效果。

初期固化厚度得到的最优配方方案为A1B4C4D4，重要顺序为A>C>B>D；终期固化厚度得到的最优配方方案为A1B1C2D2，重要顺序为A>B>C=D。

1.3.2 浸润深度

喷洒制剂1 h后浸润深度在19.5～52.0 mm之间，而后浸润深度逐渐增大，40 h后达到稳定，浸润深度基本保持在42.5～90.0 mm之间，维持4～7 d后开始下降。

1 h浸润深度得到的最优配方方案为A3B4C3D4，重要顺序为D>C>A>B；16 h浸润深度得到的最优配方方案为A1B3C3D4，重要顺序为D>B>C>A；24 h浸润深度得到的最优配方方案为A3B3C3D3，重要顺序为D>C>B>A；40 h浸润深度得到的最优配方方案为A2B2C3D3，重要顺序为D>B>A>C。

1.3.3 固化层硬度

使用抑尘剂后，表层土硬度提高了1.83～3.92倍，并且在海藻酸钠浓度较低水平下，提高其浓度或用量，均可有效提高土的表层强度。

使用土壤硬度计以贯入压力为强度指标得到的最优配方方案为A2B4C4D3，重要顺序为A>B>D>C。

1.3.4 成本

根据正交试验所设计的不同配比及药品市场均价计算的成本见表2，综合其他因素，最终成本可控制在1元/m2以内。

1.3.5 制剂配比

通过正交试验结果分析，该制剂配比宜选用A3B3C3D3组合，即采用质量分数为0.75%的海藻酸钠溶液和质量分数为7.5%的氯化钙溶液，用量分别为4 L/m2和3 L/m2为宜。

2 快速成膜抑尘剂的性能检测

为进一步分析快速成膜抑尘剂的抑尘效果，以正交试验所确定的配比为基础，进行抑尘剂性能检测试验，测试抑尘剂各项性能指标并计算其抑尘效率。

2.1 抑尘剂性能检测试验

2.1.1 保水性和吸湿性试验

根据扬尘机理的研究结果，若粉尘固结含水率能保持在4%以上，可有效抑制扬尘产生。海藻酸钙具有良好的保水性和吸湿性，可缓解土层表面水分蒸发，并吸收空气中水分，使土壤具有较高的含水率。

试验取完全烘干的土样分装4份，每份取砂土150 g,平铺于直径为10 cm的培养皿中，其中3个土样喷洒本抑尘剂，另一个土样设为对照组，喷洒相同体积的水。将4份土样均置于温度17℃、湿度50%的室内环境，让其自然蒸发，每天早晚各自称重，并按下式计算固结含水率，观测记录土样的固结含水率随时间的变化情况直至其稳定。

(1)

式中：w为土样的固结含水率(%)；m湿土为湿土质量(g);m干土为干土质量(g);m药剂为喷洒抑尘剂溶液的质量(g)。

另取上述相同土样4份，均置于50℃烘箱中完全烘干，再置于温度17℃、湿度50%的室内环境，使其自然吸湿，每天早晚各自称重，并按下式计算土样的吸湿强度：

(2)

式中：k为吸湿强度(g/m2);m湿土为湿土质量(g);m干土为干土质量(g);S为土样面积。

2.1.2 风蚀试验

扬尘是由于开放表面细颗粒受到外部作用力扬起，悬浮于空气中而产生的。本试验以鼓风机模拟不同风力，作用于土样表面，通过测量砂土损失量，研究抑尘剂的抑尘效率。

试验将完全烘干的土样分装4份，每份取砂土150 g，编号为A、B、a、b，其中A、B土样喷洒抑尘剂，a、b土样设为对照组，喷洒相同体积的水。将4份土样均置于恒温烘箱50℃烘干后，以鼓风机分别模拟3级、5级风力，水平方向分别作用于A、a和B、b土样，两组土样表面作用时间相同，称量前后土样质量差，并按下面公式计算土样平均砂土损失率及抑尘剂的抑尘效率：

(3)

(4)

式中：QN,Qn分别为A(或B)或a(或b)土样的平均砂土损失率[g/(m2·min)];m1、m2分别为鼓风机吹扫前后土样质量(g);S为土样面积(m2);t为鼓风机吹扫时间(min);η为抑尘剂的抑尘效率(%)。

2.1.3 遇水迁移试验

本试验对用抑尘剂处理过的土层进行水稳定性检测，模拟在雨水冲刷作用下，观察土表面是否溶解、破损或剥落，以验证固结效果。

按图1组装遇水迁移试验装置，土槽尺寸为100 mm×200 mm，将土样均匀平铺于槽内，喷洒抑尘剂48 h，待其固结后将土槽放置成水平夹角30°，上缘以不同水流强度冲刷，收集流水冲下的砂于滤纸上，干燥后测其集砂量。水流强度分别取重现期为1～50 a的降雨强度，各水流强度冲刷时间为15 min，水流强度不断提高，连续冲刷，观察表面膜是否发生了破坏。水流强度根据成都市降雨强度按下式计算:

(5)

式中：q为降雨强度[L/(s·hm2)];t为降雨历时(min);P为重现期(a)。

2.2 试验现象及结果分析

2.2.1 保水性和吸湿性

对照组土样在蒸发干燥后，表面土层松散，细颗粒增多，较洒水前更易产生扬尘；而使用抑尘剂的土样在蒸发干燥后，表面仍覆盖完整致密的薄膜，表面粉尘得到了有效固结。

保水性试验土样的固结含水率随时间的变化曲线见图2。由图2可以看出：喷洒过抑尘剂的土样和对照组，在固结含水率较高时，固结含水率下降速率接近，而在固结含水率低于50%时，使用抑尘剂的土样固结含水率下降速率开始明显低于对照组。在观测全周期内(25 d)施用抑尘剂的土样固结含水率始终高于扬尘临界固结含水率并稳定在11%以上。试验证明，使用本抑尘剂可有效减缓表层土的水分蒸发，从而抑制扬尘的产生。

图3为吸湿性试验土样的吸湿强度随时间的变化曲线。由图3可以看出：对照组土样吸水量约0.17 g，几乎不具有吸水能力；使用抑尘剂后烘干的土样吸水量约1.74 g，其吸湿强度约为221.66 g/m2，相比于砂土本身，吸湿强度提高10倍以上。

2.2.2 风蚀试验

鼓风机吹扫时，对照组土样极易被吹起，大量砂土流失；使用抑尘剂的土样未见明显变化，其表面膜始终保持完好，无破损、无位移。

根据风蚀试验测得的砂土流失量，可按公式(3)、(4)计算得到土样的平均砂土损失率和抑尘剂的抑尘效率见表3。由表3可以看出：对照组土样平均砂土损失率远远大于使用抑尘剂的土样；在不同风力作用下，本抑尘剂的抑尘效率均可达到99.4%。

表3 风蚀试验砂土流失量

2.2.3 遇水迁移试验

遇水迁移试验根据不同的水流强度，从低到高依次作用于土样表面，每个水流强度等级流水冲刷15 min,测得的集砂量见表4。

由表4可以看出：强度提高至重现期为50 a的降雨强度(以约2.350 L/h的水流强度进行模拟)冲刷土样，土样表面仍旧保持完好；试验持续冲刷3 h，累计总集砂量为0.113 1 g，合单位面积集砂率为5.655 g/m2;继续增大水流强度，依次按10 L/h、20 L/h、30 L/h、40 L/h的水流强度继续连续冲刷土样，当水流强度提高至30 L/h[降雨强度为1 500 L/(h·m2)]时，由于水流沿槽壁大量渗透至固结层以下，下部松散砂土开始流失，固结层边缘塌陷，但其表面始终保持完整，且干燥后，表面膜仍保持完整致密，不开裂、不剥落。试验证明抑尘剂成膜遇水不迁移、不分解，抑尘效率不降低。

表4 遇水迁移试验集砂量

3 结 论

本文以城市建筑工地扬尘控制为目标，利用植物提取物海藻酸钠和无水氯化钙反应，在土壤表面迅速形成薄膜，覆盖并固结表层粉尘达到抑制扬尘的作用。研究通过正交试验和性能检测试验，得到如下结论:

(1) 本抑尘剂具有良好的快速成膜性和黏结性，可有效固结表层细颗粒，提高表面强度，并在表面迅速形成致密膜，覆盖裸露地表，其抑尘效率可达99%以上，且成本低廉、环境友好、无毒无害，可用于城市建筑工地扬尘控制。

(2) 抑尘剂所成海藻酸钙膜具有良好的吸湿保水性能，使用抑尘剂可减缓表层土的水分蒸发并使吸水性提高至十倍，长期保持土壤固结含水率在11%以上，且远高于扬尘临界含水率4%；土壤含水率下降到4%以下后，表层土可保持较好的固结效果，若海藻酸钙膜未被破坏，则能完整覆盖表面土层，抑制扬尘。

(3) 使用本抑尘剂后，裸露土层的抗风蚀、抗水蚀能力有显著提高，鼓风吹扫或水流冲刷均不会导致表面膜破坏或抑尘效果下降，表层膜可经受5级风力吹扫以及500 L/(h·m2)水流强度冲刷，表面成膜仍能保持完好，表明本抑尘剂具有良好的固砂效果和水土保持能力。

[1] 谭卓英，赵星光，刘文静，等.露天矿公路扬尘机理及抑尘[J].北京科技大学学报(自然科学版)，2005,27(4)：1-5.

[2] 田刚，黄玉虎，樊守彬,等.扬尘污染控制[M].北京：中国环境出版社，2013：273-276.

[3] 高运川，曹建，刘美华.上海市吴淞工业区大气环境中总悬浮颗粒物的源解析[J].上海环境科学，2003(增刊)：51-54.

[4] 张雯婷，王雪松，刘兆荣，等.贵阳建筑扬尘PM10排放及环境影响的模拟研究[J].北京大学学报(自然科学版)，2009(3)：114-120.

[5] 赵秀勇，程水源，田刚，等.北京市施工扬尘污染与控制[J].北京工业大学学报，2007,33(10):1086-1090.

[6] 赵普生，冯银厂，张裕芬，等.建筑施工扬尘排放因子定量模型研究及应用[J].中国环境科学，2009，29(6)：567-573.

[7] 赵普生，冯银厂，金晶，等.建筑施工扬尘特征与监控指标[J].环境科学学报，2009,29(8)：1618-1623.

[8] 吴超.近十年世界抑尘剂成果评述[J].金属矿山，1996,246(12)：37-41，54.

[9] 陈军良，吴超，张强.国内外路面防尘技术研究现状及评价[J].矿冶，1998,7(1)：8-13,24.

[10]谭卓英，刘文静，找星光，等.生态型抑尘剂的选择与实验室模拟研究[J].环境科学学报，2005,25(5)：675-680.

[11]张雷波，焦娇，赵雪艳，等.生态友好型抑尘剂的制备及性能[J].农业工程学报，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

许 玥(1989—)，女，硕士研究生，主要研究方向为建筑施工现场扬尘排放控制。E-mail：tydaisyyue@sina.com

X701.2

A

10.13578/j.cnki.issn.1671-1556.2015.04.016

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