面向绿色施工的现场抑尘剂制备及应用性能研究

倪小磊，刁 璇，盛 娟

（东南大学 成贤学院，江苏 南京 210000）

随着公民环保意识的提升，建筑工地施工过程中扬尘问题也得到了很大的关注。扬尘是目前空气污染的主要污染物之一，是造成雾霾天气的罪魁祸首。在进入人体后，附着于心肺，给人们的身体健康造成极大影响。同时，长期处于扬尘环境下的建筑工人，还有可能引发尘肺病，造成极大的安全隐患；对此，国家特别提出“绿色施工”主题，要求在施工过程中，尽量抑制扬尘的产生；为响应国家“绿色施工”号召，很多专家也针对施工过程中扬尘问题作出大量研究。如：李颖泉等人以丙烯酸（AA）为功能单体,甲基丙烯酸甲酯（MMA）为硬单体，丙烯酸丁酯（BA）为软单体，采用乳液聚合法合成了速溶型液体抑尘剂，并证实该抑尘剂抑尘效果符合行业标准要求[1]；白小斐则从治理措施方面控制扬尘含量，并提出建筑工程绿色施工扬尘污染精细化控制方法，帮助减轻施工过程中产生的扬尘污染[2]。以上方法一定程度上缓解了扬尘问题，但并未从根本上得到解决，且不利于工程的绿色施工管理。本文从实际出发，以木质素磺酸钙和丙烯酰胺单体制备了一种新型施工用抑尘剂，抑制扬尘产生，积极响应国家“绿色施工”号召。

1 实验部分

1.1 材料与设备

木质素磺酸钙（AR 济南博智化工有限公司）；丙烯酰胺（AR 山东力昂新材料科技有限公司）；过硫酸钾（AR 济南双盈化工有限公司）；丙酮（AR 山东亿伟安化工科技有限公司）；乙醚（AR 山东煌梓新材料有限公司）；NaHCO3（AR 济南原易化工有限公司）。

HH-601 型恒温水浴箱（常州金坛良友仪器有限公司）；J-100 型机械搅拌器（河南麦克斯仪器有限公司）；PXWSN-265B 型乌式粘度计（上海平轩科学仪器有限公司）；TH200 型邵氏硬度计（昆山鹭工精密仪器有限公司）；101-2A 型真空干燥箱（河北朵麦信息科技有限公司）；BSA224S 型电子天平（济南欧莱博电子商务有限公司）。

1.2 实验步骤

（1）将木质素磺酸钙和蒸馏水放入烧杯中，两者重量比例为1∶25；将烧杯放入HH-601 型恒温水浴箱中，然后用J-100 型机械搅拌器搅拌溶解混合，溶解温度和搅拌时间分别为25℃和15min；然后得到的溶液置于四口烧瓶备用；

（2）往混合溶液中缓慢滴加引发剂和丙烯酰胺单体，滴加时保证单体与引发剂同一时间滴完。待引发剂和单体滴完后，提升温度使之发生聚合反应，聚合温度和时间分别为50℃和2h；

（3）待反应结束后，将其置于室温条件下自然冷却，然后加入一定量饱和NaHCO3溶液，调节溶液pH 值为6～7，得到抑尘剂产品。

制备流程见图1。

图1 抑尘剂制备流程Fig.1 Preparation process of dust suppressant

1.3 性能表征

1.3.1 粘度表征 粘度是反应抑尘效果的重要参数，粘度越大表示抑尘效果越好，粘度测试步骤为：将待测抑尘剂装入PXWSN-265B 型乌式粘度计中，然后将粘度计置于提前预热好的HH-601 型恒温水浴箱内，记录抑尘剂通过粘度计内两个刻度的时间。抑尘剂粘度表达式为：

式中 η1：抑尘剂粘度；ρ1：抑尘剂密度；t1：测定时间；η0：水的粘度；ρ0：水的密度；t0：水通过刻度所用的时间。

1.3.2 抑尘剂固化土样强度测试

（1）提前收集粉层土堆，在托盘内分别堆成圆锥体状土堆模型和模拟路面平面土堆面模型。将抑制剂分别喷洒在图样表面，然后置于自然环境进行干燥；

（2）将干燥后样品置于TH200 型邵氏硬度计上，在不同温度下进行硬度测定。

1.3.3 抑尘剂表面张力测试 表面张力对物质湿润效果起决定性作用，表面张力越大，对粉尘的湿润效果越差。因此，想要确定抑尘剂的润湿效果，需对抑尘剂表面张力进行测定。本文采用最大泡压法，通过对毛细管端形成的压力测定抑尘剂表面张力[4]。具体步骤为：

（1）在玻璃管内装入一定质量的抑尘剂，保证抑尘剂液面与毛细管液的液面齐平。

（2）打开滴液漏斗，让滴液漏斗里的水缓慢滴下，待毛细管口有气泡溢出，测定其压力差。具体装置见图2。表面张力表达式为：

图2 最大泡压法测定表面张力装置Fig.2 Apparatus for measuring surface tension by maximum bubble pressure method

式中 Δp：压力差；Δh：液柱高度差；γ：表面张力；ρ：压力计中液体密度；g：重力加速度；r：毛细管半径。

1.3.4 抑尘剂接枝率表征 接枝率是指在接枝共聚反应中，参与反应的单体质量与单体总量的比例，其数据直接反应接枝共聚反应中，接枝效果的好坏。抑尘剂接枝率具体测定步骤为：

（1）将一定质量抑尘剂成品置于丙酮中，使之沉淀分离；然后将沉淀物取出，用去离子水多次冲洗后，用乙醚再次洗涤。

（2）将沉淀物置于101-2A 型真空干燥箱中干燥至重量不发生改变。

抑尘剂接枝率表达式为[5]：

式中 G：接枝率；m：产物质量；ma：加入木质素磺酸盐的质量；mb：加入丙烯酰胺的质量；mc：加入的K2S2O8质量。

1.4 抑尘剂应用效果测试

1.4.1 渗透性能测试 选用向下渗透测量法测定抑尘剂渗透性能。其原理为：在土样表面喷洒一定质量的抑尘剂，抑尘剂溶液通过粉尘粒子间微小间隙逐渐向下渗透，通过其渗透时间反应其渗透性能[6]。具体步骤为：

（1）在提前标有刻度的玻璃管内放入一定量的土样，振动夯实后，使土样在玻璃管内高度为25cm；

（2）取一定量抑尘剂，然后慢慢滴加至土样玻璃管中，从抑尘剂开始滴入时就用秒表计数，待抑尘剂渗透至指定刻线后停止读数。抑尘剂剂量相同，渗透时间越少，深度越大，则表示抑尘剂渗透性能越好。

1.4.2 抑尘剂保水效果测试 抑尘剂保水效果能反映其防尘效果，保水效果越好，土样湿润性越高，防尘效果也越好[7]。抑尘剂保水效果测定方法为：

（1）取土样170g 置于边长为12cm 的玻璃板上，平铺成厚度约为2cm 的正方形土体；然后用BSA224S型电子天平精准称量土体和玻璃板质量；

（2）将一定质量抑尘剂均匀喷洒在土样表面，将土体置于通风干燥的环境中，隔一段时间后再次称量土体质量，保水率表达式为[8]：

式中 Wb：保水率；W2：1h 后土体质量；W0：土体初始质量；W1：土体喷洒抑尘剂后质量。

1.4.3 扬尘剂抗风蚀效果测试 抗风蚀性能指的是在自然情况下，使用了抑尘剂的土样固结层能否保持一定的硬度与完整性，进而反映其抑制扬尘的效果。抗风蚀测试方式为：

（1）提前制作土样模型，然后在制作的土样模型上均匀喷洒抑尘剂。然后置于自然条件下风干，待土样形成一定硬度的固结层方可开始试验。

（2）将土样模型置于正前方，然后用吹风机以1200W 的风力在土样10cm 处模拟自然风吹。连续吹50min 后，称量土样质量。

土样质量损失率表达式为：

式中 M：土样质量损失率；m1：初始土样质量；m2风吹后土样质量。

2 结果与讨论

2.1 单体配比对抑尘剂粘度影响

表1 为不同木质磺酸钙与丙烯酰胺单体重量配比对抑尘剂粘度影响。

表1 单体配比对抑尘剂粘度影响Tab.1 Effect of monomer ratio on viscosity of dust suppressant

由表1 可知，随配比的增加，抑尘剂的粘度随之增加。当木质磺酸钙与丙烯酰胺单体重量比例为1∶5 时，粘度值最大，且固结层强度也较高，因此，选择单体添加量为木质磺酸钙的1/5。

2.2 引发剂浓度对抑制剂粘度影响

表2 为不同引发剂浓度对的抑尘剂粘度影响。

表2 引发剂浓度对抑尘剂粘度影响Tab.2 Effect of initiator concentration on viscosity of dust suppressant

由表2 可知，随引发剂浓度的增加，抑尘剂粘度表现出先增加后降低的趋势，当引发剂浓度超过1.0×10-2mol·L-1时，粘度几乎不变，这时因为引发剂数量足够将主料反应完毕。在引发剂浓度为1.0×10-2mol·L-1时，共聚物性能最优；因此，选择引发剂浓度为1.0×10-2mol·L-1；

2.3 抑尘剂表面张力测定结果

图3 为不同固含量（固体占比不同）的抑尘剂表面张力。

图3 抑尘剂表面张力测定结果Fig.3 Measurement results of surface tension of dust suppressant

由图3 可知，抑尘剂表面张力随固含量的增加逐渐减小。表面张力越小，对粉尘的抑制效果更好。实践认为，当抑尘剂表面张力达到4.5×10-2N·m-1时效果最佳[9,10]。由此可推断，抑尘剂固含量为8%时，抑尘效果最佳。

2.4 抑尘剂接枝率测试结果

图4 为引发剂浓度对接枝率的影响。

图4 引发剂浓度对接枝率影响Fig.4 Effect of initiator concentration on grafting rate

由图4 可知，接枝率随引发剂浓度的增加而增加；当引发剂浓度达到1×10-2mol·L-1时，抑尘剂接枝率可达98.3%；再次增加引发剂浓度，接枝率变化不明显，这说明在该引发剂浓度下，大多数单体参加接枝反应，该反应对单体利用率较高。

2.5 抑尘剂渗透性能测试结果

表3 为不同配比抑尘剂渗透性能测试结果。

表3 不同配比抑尘剂渗透性能测试结果Tab.3 Permeability test results of different proportion of dust suppressant

由表3 可知，抑尘剂配比不同，渗透性能也有所差异；最明显的差别体现在渗透深度上，渗透时间变化不大。这是因为渗透时间受土样粒度影响，试验土体相同，渗透时间变化不大；渗透深度受抑尘剂配比影响，在最佳配比的条件下，渗透深度最深，再次证实最佳配比的抑尘剂抑尘效果最佳。

2.6 抑尘剂工程应用效果

2.6.1 保水效果

图5 为最佳配比下土样的保水率随时间的变化趋势。

图5 土样水率变化曲线Fig.5 Variation curve of soil water rate

由图5 可知，随时间的增加，土样保水率也随之下降。在18h 后，出现大幅度失水的情况，但72h 后又逐渐趋于平缓；在78h 后，土样保水率仍旧可以达到85%以上。说明在施工现场喷洒抑尘剂后，扬尘的失水速率变缓，从而有效抑制了扬尘。

2.6.2 土样的抗风蚀测试结果

表4 为不同配比抑尘剂作用下土样抗风蚀测试结果。

表4 不同配比抑尘剂作用下土样抗风蚀测试结果Tab.4 Wind erosion resistance test results of soil samples with different proportion of dust suppressants

由表4 可知，各个配比下抑尘剂均能使土样形成较好的固结层。在模拟自然风侵蚀下，拥有较好质量损失率，其中最佳配比抑尘剂质量损失率仅为0.7%，固结层完整，表现出较为优良的抗风蚀性能。这就说明本文制备的抑尘剂满足工程用设计要求。

3 结论

本文以丙烯酰胺单体与木质素磺酸钙为主要原料，通过接枝聚合的方式制备扬尘抑尘剂。通过试验得到以下结论：抑尘剂最佳配比为：丙烯酰胺单体添加量为木质磺酸钙的1/5，引发剂浓度为1.0×10-2mol·L-1，抑尘剂固含量达到8%；在最佳配比条件下，抑尘剂渗透深度可达3m，比其他配比抑尘剂性能更优；工程应用发现，喷洒抑尘剂的土体经过78h 的自然干燥，保水率仍高于85%，证明该抑尘剂保水性能良好，土样失水速率变缓，对控制扬尘产生积极的作用。同时通过土样抗风蚀测定，土样的固结层完整，抗风蚀性能满足工程用设计要求。