抑尘剂在道路工程中应用研究进展分析

刘国栋　邹肖肖　廖莹　钱远顺

关键词： 扬尘 抑尘剂 公路工程 复合型 防治措施

中图分类号： X513 文献标识码： A 文章编号： 1672-3791（2023）15-0093-04

人的生产活动都会产生微粒或微尘，而尘埃是空气污染的主要来源。随着人们对空气质量的重视程度不断提高，相关的指标逐渐成为被关注和研究的对象。研究表明，尘埃污染对人体与环境有多重影响，例如：尘埃污染具有毒性、刺激性，会导致能见度降低；尘埃污染还会造成机械磨损、侵蚀，对农作物、牲畜生长等造成威胁；对自然环境的影响也非常明显。近年来，随着我国经济水平的不断提升，我国“交通强国”建设的不断推进，我国公路工程建设也在不断发展并转型升级。目前，我国公路网络基本形成，截至2021年末已达到528万km，其中公路养护总里程高达525.16万km，占公路总里程比重为99.4%。大规模建设后必然带来繁重的养护任务，综合考虑交通基础设施建设、养护期间对工期、环境等的影响。公路工程养护建造过程中，一般工期较短，半封闭施工等情况，在道路工程铣刨、拆除过程以及巨大填挖方数量，拆迁施工中由上而下抛撒垃圾，堆存的建筑垃圾，渣土清运，现场搅拌混凝土，同时堆放的原材料（如水泥、白灰）底泥流淌在路面风干及底泥堆场修建工程和护岸工程施工产生大量扬尘，易对所经地段的原始地表和生态环境有较大的影响（如地表松散、裸露），加上大量地材的开采、运输和现场拌和等，都会产生大量的扬尘，给行人及周边环境带来极大危害。本文首先对公路工程建设过程中常规扬尘治理措施及存在问题进行分析，其次对抑尘剂在公路工程建设中的应用进行介绍，最后提出抑尘剂在公路工程应用中的未来发展方向。

1 扬尘治理措施

公路工程施工过程中扬尘治理主要方法有洒水、喷淋、覆盖密目网及化学抑尘等措施。其中，洒水喷淋抑尘是我国最常用的公路工程建筑施工中的防尘措施，例如：在工地出口设置冲洗、排水、泥浆沉淀池等，并配备洒水设备；在施工过程中采用雾炮车进行实时喷洒。尽管效果立竿见影，但水蒸发速度很快，抑尘时间很短；如果频繁地洒水，不仅会增加设备耗损，水费与劳务费也会增加，且造成水资源大量浪费。由于公路建设工程点多、面广、线长，洒水抑尘更是浪费惊人，而且在扬尘最多的干旱地区修路还无水可洒。覆盖密目网法是另外一种常用的防尘方法，主要是对公路边坡、开挖裸露面、运土车辆等采用传统的机械加盖法，篷布遮盖（如防尘网），不仅费工费时，而且有些时候解决问题的效果并不明显，同时恶劣的外部自然环境还会对篷布造成腐蚀，导致二次污染的出现。因此，亟须采取更加有效的、经济的现场抑尘方法，找到一种高效、经济、安全的、环保的、可现场使用的抑尘材料已成为公路工程施工过程中亟待解决的问题。

2 化学抑尘剂基本原理

我国对于扬尘污染已经有了很多不同的治理措施，由最早的喷水抑尘到后来的除尘机，治理效果越来越好。近年来，我国在抑尘剂方面的研究也有了一定的进展[1-5]，抑尘剂作为一种新兴的扬尘治理措施，相对于其他扬尘技术防治措施，它的优点在于无毒、无腐蚀、环保、可以生物降解，不会造成对环境的二次污染，且抑尘剂的抗风蚀、雨水冲蚀性能较强，制备较为简单，物料消耗少，喷洒方便，应用范围广。其主要作用原理为通过对粉尘微粒的捕捉、吸附、凝聚，使粉尘颗粒紧密地固定在网格中，起到湿润、粘合、凝结、吸湿、防尘、防腐蚀、防冲刷等功能。抑尘剂的成膜性能较好，喷雾后能迅速地将灰尘吸附并在材料表面形成一层保护膜。抑尘剂的抑尘效果相比传统方法更为有效，应用方便，将抑尘剂稀释液均匀喷洒在物料表面或者扬尘区间即可。随着抑尘剂的不断发展，化学抑尘剂从单一功能逐渐发展到功能复合型、生态环保型，而且使用的原材料对环境保护的要求也日益提高，因此，绿色、环保型、价格低廉等复合型抑尘剂抑尘将会是未来抑尘的主要措施，将带来显著的经济、环保和社会效益。

3 抑尘剂分类与发展应用

根据抑尘剂作用机制及原理，可以将化学抑尘剂划分为润湿型、粘结型和凝聚型3 种类型，各种抑尘剂的作用机制、原理及作用效果简述如下。

3.1 润湿型化学抑尘剂

湿润式化学抑尘剂由一种或几种表面活性剂组成，是具有亲水性基体和疏水性基体联合组成的一种化合物。当湿润剂溶解在水里时，它的分子被水分子完全包围，亲水性基体的一端被水分子所吸引，而疏水基体的一端被推到空气中，从而在水溶液的表面形成一个密集的定向排列层（界面吸收层），从而改变了水的表面分子和空气分子的接触状态，大大减少了水的表面张力。同时，对着空气的疏水基与尘埃间有吸附作用，并将尘埃颗粒带入水中，使尘埃充分湿润。

早在20 世纪20 年代，英国的研究人员就对某些润湿剂进行了试验研究，并将其用于矿山开采。当时研究人员发现了一种磺化碳氢化合物所衍生的化合物具有更好的润湿性。英国学者致力于润湿剂的研究，主要是为了寻找一种新的润湿方式用于巷道底板的灰尘，以防止人畜行走时产生粉尘；另外，人们也期望使用润湿剂来抑制钻孔、爆破、装载和其他工作所产生的煤灰。20 世纪70 年代以来，关于润湿剂的研究成果层出不穷。在测定粉尘润湿度的技术上，已有表面张力测定法、沉淀法、滴液法、毛细管法延伸至动力试验法、Zeta 电位测定法等[6]。

国内润湿性化学抑尘剂的研制与应用尚处于起步阶段。自20 世纪90 年代起，相关的研究成果层出不穷，应用范围和领域也越来越广。目前，国内在化学抑尘剂方面已占据世界一席之地[7-9]。21 世纪，新型化学润湿剂的问世，随着人们生活水平的提高和社会的进步，人们对润湿剂在控制煤尘、硅尘等方面的应用也日益受到关注，太原理工大学的陈曦[10]通过改进沉降等的实验方法，从9 种常用的表面活性剂中，选出3 种具有良好润湿性能的溶剂，分别为脂肪醇聚氧乙烯（9）醚、十二烷基硫酸钠（SDS）、壬基酚聚氧乙烯醚（NP-10），研究结果表明：不用质量分数及掺配比例对沉降速率影响较大，并將其应用于煤炭采集、运输、加工等过程中煤尘的治理。

3.2 粘结型化学抑尘剂

粘结型化学抑尘剂是利用覆盖、粘结、硅化、聚合等原理来防治土壤和尘埃的作用，在以下几个方面得到广泛的应用：（1）治理土质道路表面的灰尘；（2）物料运输过程中产生的粉尘控制；（3）土质堤坝、路基、地基的稳定土；（4）对地面及地下岩土工程的渗漏防治。粘结型化学抑尘剂是目前国内外研究和使用的一种新型的有机抑尘剂[11-13]，其主要成分有石油产品、造纸、酒精工业的废液、废渣等。这类物质以水、油、乳化剂为主要特征，在使用前必须先乳化，然后再将乳化剂与油、水、乳化剂结合在一起，一般为不溶于水。乳剂在粉尘表面喷淋时，外相水先与粉尘发生接触，使粉尘润湿凝结。同时，在乳化液中，少量的自由表面活性剂分子会在水与尘埃之间形成“通桥”，从而突破尘埃表面的薄膜，从而加速水分的润湿、凝结。由于表面活性剂分子在颗粒表面形成一层取向的吸附膜，可有效地抑制基底水分的蒸发。此外，在喷尘过程中，乳化液可在粉尘中生成一种高耐蒸发性、高强度的大分子油膜，从而有效地阻止水分的蒸发，从而延长灰尘颗粒的湿度。在与尘粒接触的过程中，通过范德华力和化学键的作用，使乳状液与尘埃颗粒间的结合更加紧密。

3.3 凝聚型化学抑尘剂

凝聚化学抑尘剂是一种能吸附大量水分的吸水剂所组成，它能保持土壤的高湿度，从而有效地阻止灰尘的产生。凝聚剂主要是用来保持水分，在空气中吸附水分，从而聚集土壤或灰尘。通常在道路尘土治理、材料运输、物料仓库等方面应用。根据其作用机制和使用的材料，可以将其分为吸湿型无机盐凝聚剂和高倍型吸水树脂凝聚剂。

3.3.1 吸湿性无机盐凝聚剂

吸湿性无机盐有很多种，如MgCl₂、CaCl₂、NaCl、Na2SiO₃、AlCl₃、活性氧化铝、硅胶等，它们具有吸附空气中的水分的能力，并将粉尘凝固并保持粉尘的湿度，从而起到抑制作用。

用吸湿型无机盐溶液对粉尘进行喷雾，可使水分在湿润的尘埃中生成水化膜，从而加速尘埃的凝结。水化膜与固体尘埃之间的粘结是非常紧密的，干燥水化膜所需的热量，除用于水的蒸发之外，还必须克服水化膜和尘固层之间的粘附性。水化膜厚度愈大，水分蒸发愈缓慢，故维持尘埃湿润的时间愈久。此外，吸湿性盐在自然界中具有较高的吸湿率，随着周围的相对湿度增大，吸湿后所形成的盐溶液的蒸汽压力等于空气中的水蒸气压强时，吸湿停止；若超过了大气中的水分蒸气压，就会发生蒸发；反之，它会吸收水分，这样即使是在干旱的天气，也能让灰尘从大气中吸出一些湿气，并能维持较好的含水率。

3.3.2 高倍吸水树脂凝聚剂

1961 年，美国农务省北方研究所（C. R. Russell）等从淀粉接枝丙烯腈着手研制超强吸水剂[14]，随后Fanta等人在1966 年首次提出由淀粉衍生物制成的吸水性树脂，其吸水特性优异，吸水后形成的膨胀凝胶具有很强的保水性，在压力下也不会与水分开，而且还具有吸湿和放湿的特性。日本于1975年研制成功的淀粉接枝型丙烯酸酯共聚物[15]，该产品在1978 年上市，其安全性能得到了较好的提高。自20 世纪80 年代以来，我国一直致力于高倍吸水性材料的研制，也取得了不少的成果，兰州大学柳明珠和义建军等人用烯酰胺与洋芋淀粉进行接枝共聚，经水解制备出具有较高吸水性的高分子材料聚合物，室温24 h 可吸收蒸馏水5 085倍；由中国科学院兰州化物所开发的LSA-1 型吸水剂LPA-1 和LSA-1 型吸水劑具有1 000～2 000 倍的吸水性[16-18]。

4 抑尘剂在公路工程中的应用

道路抑尘剂跟水溶结合，罐在洒水车中，随着洒水车的喷洒，可以很好地压制地上的尘土，从而就不会导致尘土满天飞的状况，有了道路抑尘剂的作用，不论是在马路上还是在高速上，少了这些满天飞的杂物，可以让驾驶员更清晰地看清道路，不会出现交通事故，更不会影响人们的身体健康。

同时，抑尘剂也可广泛应用在道路工程拆除工程施工、路基工程施工、结构工程施工、附属设施施工等各个阶段，采用现场洒水车，将抑尘剂与水按照相应比例掺配拌合，均匀喷洒在施工和扬尘现场，不仅可迅速在表面形成一层固化保护膜，防止风力侵蚀，还可有效捕捉空气中水分，增加粉尘湿度和重量，防止尘土飞扬，同时也可一定程度抵抗雨水冲刷。它的防尘作用是：具有良好的防尘性能，可以清除2.5 μm 以下的颗粒；不会水分渗透到土壤中而失去作用，也不会被雨水或其他形式的中雨冲刷掉；具有抗冻融、抗风蚀、抗雨水侵蚀等性能；使用后无二次污染；可生物降解，对植物不造成伤害，对生态和环境的保护；具有抗冻融、抗风蚀、抗雨水侵蚀等特点，可见抑尘剂的抑尘效果好，周期长，对抑尘剂和设备的投资低，对环境没有污染。未来将会是公路工程建设过程中所采用抑尘方法的首选[19-21]。

5 结语

总而言之，尽管科研人员在公路施工中过程中抑尘剂的应用已取得了一些成果，但仍需进一步深入研究，尤其是对其抑制作用机制的探讨，尚有诸多未解之处，如降低成本、提高防尘效果、安全、环保等复合配方的设计原理、合理的配方实验等。此外，在各种化学抑尘剂抑制作用的定量中，还需要进一步对比分析，尤其是多功能复合型抑尘剂通常兼并吸湿、保湿、粘结、渗透、凝聚等多种功能。虽然部分公开的资料显示复合型抑尘剂的抑尘效果非常显著，但目前相关工作机理和耦合制备技术多尚不成熟。因此，多功能复合型抑尘剂是未来的研究发展方向，将会大规模应用于公路工程项目建设过程中，为环境保护、人们的身体健康提供可靠支持。