聚丙烯酸酯乳液固土固沙材料的制备及性能研究

＊何秦川徐嘉鑫冯婕王益群裴向军

（1.成都理工大学 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室 四川 610059 2.成都理工大学 材料与化学化工学院 四川 610059 3.成都理工大学 生态环境学院 四川 610059）

在川藏线路的季节性冻土区中，土体在温度、时间和水分迁移的作用下，土体的力学状态会发生本质变化。冻土地基在冻结状态下表现出较高的强度，但是在融化状态时，土体强度急剧降低，引发一系列冻土工程问题[1]。为解决上述问题，国内外研究学者将目光聚焦于固沙固土技术。目前，固沙固土技术分为机械固沙固土法、植物固沙固土法和化学固沙固土法[2]。化学固沙固土材料主要包括无机固沙固土材料、有机固沙固土材料和无机-有机复合固沙固土材料。李海龙等[3]探究了水泥和生石灰的掺入比例对吹填土固化性能的影响，但是水稳性差且成本高。田光磊等[4]采用丙烯酸、丙烯酰胺等原料制备了高吸水性树脂微球并探究其吸水等性能。虽具有强大的吸水保水性能，但是对环境污染较为严重。陶玲[5]以酸化凹凸棒石和丙烯酰胺为原料，采用水溶液聚合法合成了凹凸棒石基高分子固沙材料，但是其合成难度较高，不易广泛应用。因此，期望制备出一种水稳定性好、低成本、环保和合成简便的化学固沙固土材料。

聚丙烯酸酯乳液是以丙烯酸酯类等作为主要反应原料，通过乳液聚合的方法制备具有良好水溶性的高分子聚合物材料，且具有较好的成膜性、耐腐蚀性等一系列性能[6]，但其具有耐水性差、硬度低及热粘冷脆等缺点。国内外研究者们通过在热环境下使环氧树脂开环与聚丙烯酸酯中的羧基发生酯化反应，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结性能强、环保的特点[8]；有机氟改性可使聚丙烯酸酯兼有抗污、热稳定的特性[9]。

本实验以丙烯酸丁酯、甲酯丙烯酸甲酯为主要原料，通过半连续预乳化种子乳液聚合工艺制备出聚丙烯酸酯乳液，并将其作为固结剂用于固土固沙领域，以此增加土体的粘结力，提高土体的强度、抗崩解性能等。

1.实验部分

(1)实验材料及仪器

本实验主要实验原料如表1所示，主要实验仪器如表2所示。

表1 实验原料

表2 实验仪器

(2)样品制备

本实验采用半连续预乳化种子乳液聚合工艺制备聚丙烯酸酯乳液，详细制备路线如图1所示。

图1 聚丙烯酸酯乳液合成步骤

(3)结构表征

采用FTIR对制备的聚丙烯酸酯乳液的结构进行表征。

(4)性能测试

①粒径测试。采用Bettersize 2000E激光粒度分布仪对制备的聚丙烯酸酯乳液进行测试。

②固化土/水表面接触角测试。将自然风干土过0.5mm标准筛，称适量土备用。称取最优含水率所需水量与聚丙烯酸酯乳液搅拌混合，然后使用制样压片机压成直径50mm，高15mm的圆柱体土样，养护7天后使用接触角测量仪进行测试。

③无侧限抗压强度测试。取适量过筛风干土，同时称取占风干土样质量1%的聚丙烯酸酯乳液，按照击实试验得出的最优含水率计算出所需水的质量，将三者混合均匀后压成直径50mm，高50mm的圆柱体土样，养护7天后进行测试。

④静水崩解。静水崩解实验制样与固化土/水表面接触角制样方法相同，制备不同固化剂掺量的土样；将其浸泡于水中，水面略高于试样表面，观察记录其宏观变化。

2.结果与讨论

（1）聚丙烯酸酯乳液FTIR测试。图2是聚丙烯酸酯固化剂的FTIR图谱，图中2960cm-1为-CH3的对称伸缩振动吸收峰，2875cm-1为-CH2-的反对称伸缩振动吸收峰，1731cm-1为丙烯酸丁酯分子中C=O键的伸缩振动吸收峰，并且C=C键在1630cm-1特征吸收消失，说明双键参与了反应，1168cm-1处为C-O-C键的对称伸缩振动吸收峰，因此可以说明单体均参与反应，表明已成功合成了聚丙烯酸酯乳液[10-11]。

图2 聚丙烯酸酯固化剂的FTIR图谱

（2）粒径测试。由图3可以看出聚丙烯酸酯乳液的乳胶粒的粒径呈单峰正态分布，主要分布于200nm左右，可以看到聚丙烯酸酯乳液的粒径分布均匀，分散性好。

图3 聚丙烯酸酯乳液粒径

（3）固化土/水表面接触角测试。接触角测试结果如图4所示，素土的接触角为0°，当水滴与素土接触后直接润湿，没有疏水性；而掺入聚丙烯酸酯乳液后的固化土，固化土/水表面接触角增长至98°，明显地，聚丙烯酸酯乳液能有效提高土体的疏水性。

图4 固化土/水表面接触角测试

（4）无侧限抗压强度测试。由图5可以看出随复合乳化剂质量掺比增加，土体强度呈先增后减趋势，复合乳化剂质量掺比为3%时，抗压强度最高（3.8MPa）；由图6可以看出随着丙烯酸丁酯与甲基丙烯酸甲酯比值的增加，抗压强度也随之增加，单体比为4:1时，抗压强度达3.8MPa。实验表明，加入聚丙烯酸酯乳液可有效提升土体的无侧限抗压强度。

图5 不同复合乳化剂掺比下聚丙烯酸酯固化土的无侧限抗压强度

图6 不同软硬单体配比下聚丙烯酸酯固化土的无侧限抗压强度

（5）静水崩解。素土放于水中产生大量气泡，水变浑浊后一分钟不到便完全崩解，加入聚丙烯酸酯乳液后，水稳定性随着掺量的增加逐步变好，图7为浸泡十天后的宏观样貌，当聚丙烯酸酯乳液质量占素土质量的9%及以上，试样均未崩解。实验表明，聚丙烯酸酯乳液有效提升土体的耐水性。

图7 不同聚丙烯酸酯乳液掺量对水稳定性的影响

3.结论

（1）采用半连续预乳化种子乳液聚合工艺成功制备了聚丙烯酸酯乳液，探索了不同复合乳化剂掺比及不同软硬单体配比对聚丙烯酸酯固结土的抗压强度的影响。丙烯酸丁酯与甲基丙烯酸甲酯比值为4:1，复合乳化剂质量掺比为3%时，无侧限抗压强度达到3.8MPa，较素土强度提高了52%。

（2）探究了不同聚丙烯酸酯乳液掺量对水稳定性的影响。固化土样在浸泡10天过后，聚丙烯酸酯乳液质量掺比在9%及以上的试样均未崩解。实验表明，聚丙烯酸酯乳液有效提升土体的耐水性，且随着聚丙烯酸酯乳液掺量的增加，水稳定性越好。