倪小磊,刁 璇,盛 娟
(東南大學(xué) 成賢學(xué)院,江蘇 南京 210000)
隨著公民環(huán)保意識(shí)的提升,建筑工地施工過(guò)程中揚(yáng)塵問(wèn)題也得到了很大的關(guān)注。揚(yáng)塵是目前空氣污染的主要污染物之一,是造成霧霾天氣的罪魁禍?zhǔn)?。在進(jìn)入人體后,附著于心肺,給人們的身體健康造成極大影響。同時(shí),長(zhǎng)期處于揚(yáng)塵環(huán)境下的建筑工人,還有可能引發(fā)塵肺病,造成極大的安全隱患;對(duì)此,國(guó)家特別提出“綠色施工”主題,要求在施工過(guò)程中,盡量抑制揚(yáng)塵的產(chǎn)生;為響應(yīng)國(guó)家“綠色施工”號(hào)召,很多專家也針對(duì)施工過(guò)程中揚(yáng)塵問(wèn)題作出大量研究。如:李穎泉等人以丙烯酸(AA)為功能單體,甲基丙烯酸甲酯(MMA)為硬單體,丙烯酸丁酯(BA)為軟單體,采用乳液聚合法合成了速溶型液體抑塵劑,并證實(shí)該抑塵劑抑塵效果符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求[1];白小斐則從治理措施方面控制揚(yáng)塵含量,并提出建筑工程綠色施工揚(yáng)塵污染精細(xì)化控制方法,幫助減輕施工過(guò)程中產(chǎn)生的揚(yáng)塵污染[2]。以上方法一定程度上緩解了揚(yáng)塵問(wèn)題,但并未從根本上得到解決,且不利于工程的綠色施工管理。本文從實(shí)際出發(fā),以木質(zhì)素磺酸鈣和丙烯酰胺單體制備了一種新型施工用抑塵劑,抑制揚(yáng)塵產(chǎn)生,積極響應(yīng)國(guó)家“綠色施工”號(hào)召。
木質(zhì)素磺酸鈣(AR 濟(jì)南博智化工有限公司);丙烯酰胺(AR 山東力昂新材料科技有限公司);過(guò)硫酸鉀(AR 濟(jì)南雙盈化工有限公司);丙酮(AR 山東億偉安化工科技有限公司);乙醚(AR 山東煌梓新材料有限公司);NaHCO3(AR 濟(jì)南原易化工有限公司)。
HH-601 型恒溫水浴箱(常州金壇良友儀器有限公司);J-100 型機(jī)械攪拌器(河南麥克斯儀器有限公司);PXWSN-265B 型烏式粘度計(jì)(上海平軒科學(xué)儀器有限公司);TH200 型邵氏硬度計(jì)(昆山鷺工精密儀器有限公司);101-2A 型真空干燥箱(河北朵麥信息科技有限公司);BSA224S 型電子天平(濟(jì)南歐萊博電子商務(wù)有限公司)。
(1)將木質(zhì)素磺酸鈣和蒸餾水放入燒杯中,兩者重量比例為1∶25;將燒杯放入HH-601 型恒溫水浴箱中,然后用J-100 型機(jī)械攪拌器攪拌溶解混合,溶解溫度和攪拌時(shí)間分別為25℃和15min;然后得到的溶液置于四口燒瓶備用;
(2)往混合溶液中緩慢滴加引發(fā)劑和丙烯酰胺單體,滴加時(shí)保證單體與引發(fā)劑同一時(shí)間滴完。待引發(fā)劑和單體滴完后,提升溫度使之發(fā)生聚合反應(yīng),聚合溫度和時(shí)間分別為50℃和2h;
(3)待反應(yīng)結(jié)束后,將其置于室溫條件下自然冷卻,然后加入一定量飽和NaHCO3溶液,調(diào)節(jié)溶液pH 值為6~7,得到抑塵劑產(chǎn)品。
制備流程見(jiàn)圖1。
圖1 抑塵劑制備流程Fig.1 Preparation process of dust suppressant
1.3.1 粘度表征 粘度是反應(yīng)抑塵效果的重要參數(shù),粘度越大表示抑塵效果越好,粘度測(cè)試步驟為:將待測(cè)抑塵劑裝入PXWSN-265B 型烏式粘度計(jì)中,然后將粘度計(jì)置于提前預(yù)熱好的HH-601 型恒溫水浴箱內(nèi),記錄抑塵劑通過(guò)粘度計(jì)內(nèi)兩個(gè)刻度的時(shí)間。抑塵劑粘度表達(dá)式為:
式中 η1:抑塵劑粘度;ρ1:抑塵劑密度;t1:測(cè)定時(shí)間;η0:水的粘度;ρ0:水的密度;t0:水通過(guò)刻度所用的時(shí)間。
1.3.2 抑塵劑固化土樣強(qiáng)度測(cè)試
(1)提前收集粉層土堆,在托盤(pán)內(nèi)分別堆成圓錐體狀土堆模型和模擬路面平面土堆面模型。將抑制劑分別噴灑在圖樣表面,然后置于自然環(huán)境進(jìn)行干燥;
(2)將干燥后樣品置于TH200 型邵氏硬度計(jì)上,在不同溫度下進(jìn)行硬度測(cè)定。
1.3.3 抑塵劑表面張力測(cè)試 表面張力對(duì)物質(zhì)濕潤(rùn)效果起決定性作用,表面張力越大,對(duì)粉塵的濕潤(rùn)效果越差。因此,想要確定抑塵劑的潤(rùn)濕效果,需對(duì)抑塵劑表面張力進(jìn)行測(cè)定。本文采用最大泡壓法,通過(guò)對(duì)毛細(xì)管端形成的壓力測(cè)定抑塵劑表面張力[4]。具體步驟為:
(1)在玻璃管內(nèi)裝入一定質(zhì)量的抑塵劑,保證抑塵劑液面與毛細(xì)管液的液面齊平。
(2)打開(kāi)滴液漏斗,讓滴液漏斗里的水緩慢滴下,待毛細(xì)管口有氣泡溢出,測(cè)定其壓力差。具體裝置見(jiàn)圖2。表面張力表達(dá)式為:
圖2 最大泡壓法測(cè)定表面張力裝置Fig.2 Apparatus for measuring surface tension by maximum bubble pressure method
式中 Δp:壓力差;Δh:液柱高度差;γ:表面張力;ρ:壓力計(jì)中液體密度;g:重力加速度;r:毛細(xì)管半徑。
1.3.4 抑塵劑接枝率表征 接枝率是指在接枝共聚反應(yīng)中,參與反應(yīng)的單體質(zhì)量與單體總量的比例,其數(shù)據(jù)直接反應(yīng)接枝共聚反應(yīng)中,接枝效果的好壞。抑塵劑接枝率具體測(cè)定步驟為:
(1)將一定質(zhì)量抑塵劑成品置于丙酮中,使之沉淀分離;然后將沉淀物取出,用去離子水多次沖洗后,用乙醚再次洗滌。
(2)將沉淀物置于101-2A 型真空干燥箱中干燥至重量不發(fā)生改變。
抑塵劑接枝率表達(dá)式為[5]:
式中 G:接枝率;m:產(chǎn)物質(zhì)量;ma:加入木質(zhì)素磺酸鹽的質(zhì)量;mb:加入丙烯酰胺的質(zhì)量;mc:加入的K2S2O8質(zhì)量。
1.4.1 滲透性能測(cè)試 選用向下滲透測(cè)量法測(cè)定抑塵劑滲透性能。其原理為:在土樣表面噴灑一定質(zhì)量的抑塵劑,抑塵劑溶液通過(guò)粉塵粒子間微小間隙逐漸向下滲透,通過(guò)其滲透時(shí)間反應(yīng)其滲透性能[6]。具體步驟為:
(1)在提前標(biāo)有刻度的玻璃管內(nèi)放入一定量的土樣,振動(dòng)夯實(shí)后,使土樣在玻璃管內(nèi)高度為25cm;
(2)取一定量抑塵劑,然后慢慢滴加至土樣玻璃管中,從抑塵劑開(kāi)始滴入時(shí)就用秒表計(jì)數(shù),待抑塵劑滲透至指定刻線后停止讀數(shù)。抑塵劑劑量相同,滲透時(shí)間越少,深度越大,則表示抑塵劑滲透性能越好。
1.4.2 抑塵劑保水效果測(cè)試 抑塵劑保水效果能反映其防塵效果,保水效果越好,土樣濕潤(rùn)性越高,防塵效果也越好[7]。抑塵劑保水效果測(cè)定方法為:
(1)取土樣170g 置于邊長(zhǎng)為12cm 的玻璃板上,平鋪成厚度約為2cm 的正方形土體;然后用BSA224S型電子天平精準(zhǔn)稱量土體和玻璃板質(zhì)量;
(2)將一定質(zhì)量抑塵劑均勻噴灑在土樣表面,將土體置于通風(fēng)干燥的環(huán)境中,隔一段時(shí)間后再次稱量土體質(zhì)量,保水率表達(dá)式為[8]:
式中 Wb:保水率;W2:1h 后土體質(zhì)量;W0:土體初始質(zhì)量;W1:土體噴灑抑塵劑后質(zhì)量。
1.4.3 揚(yáng)塵劑抗風(fēng)蝕效果測(cè)試 抗風(fēng)蝕性能指的是在自然情況下,使用了抑塵劑的土樣固結(jié)層能否保持一定的硬度與完整性,進(jìn)而反映其抑制揚(yáng)塵的效果??癸L(fēng)蝕測(cè)試方式為:
(1)提前制作土樣模型,然后在制作的土樣模型上均勻噴灑抑塵劑。然后置于自然條件下風(fēng)干,待土樣形成一定硬度的固結(jié)層方可開(kāi)始試驗(yàn)。
(2)將土樣模型置于正前方,然后用吹風(fēng)機(jī)以1200W 的風(fēng)力在土樣10cm 處模擬自然風(fēng)吹。連續(xù)吹50min 后,稱量土樣質(zhì)量。
土樣質(zhì)量損失率表達(dá)式為:
式中 M:土樣質(zhì)量損失率;m1:初始土樣質(zhì)量;m2風(fēng)吹后土樣質(zhì)量。
表1 為不同木質(zhì)磺酸鈣與丙烯酰胺單體重量配比對(duì)抑塵劑粘度影響。
表1 單體配比對(duì)抑塵劑粘度影響Tab.1 Effect of monomer ratio on viscosity of dust suppressant
由表1 可知,隨配比的增加,抑塵劑的粘度隨之增加。當(dāng)木質(zhì)磺酸鈣與丙烯酰胺單體重量比例為1∶5 時(shí),粘度值最大,且固結(jié)層強(qiáng)度也較高,因此,選擇單體添加量為木質(zhì)磺酸鈣的1/5。
表2 為不同引發(fā)劑濃度對(duì)的抑塵劑粘度影響。
表2 引發(fā)劑濃度對(duì)抑塵劑粘度影響Tab.2 Effect of initiator concentration on viscosity of dust suppressant
由表2 可知,隨引發(fā)劑濃度的增加,抑塵劑粘度表現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì),當(dāng)引發(fā)劑濃度超過(guò)1.0×10-2mol·L-1時(shí),粘度幾乎不變,這時(shí)因?yàn)橐l(fā)劑數(shù)量足夠?qū)⒅髁戏磻?yīng)完畢。在引發(fā)劑濃度為1.0×10-2mol·L-1時(shí),共聚物性能最優(yōu);因此,選擇引發(fā)劑濃度為1.0×10-2mol·L-1;
圖3 為不同固含量(固體占比不同)的抑塵劑表面張力。
圖3 抑塵劑表面張力測(cè)定結(jié)果Fig.3 Measurement results of surface tension of dust suppressant
由圖3 可知,抑塵劑表面張力隨固含量的增加逐漸減小。表面張力越小,對(duì)粉塵的抑制效果更好。實(shí)踐認(rèn)為,當(dāng)抑塵劑表面張力達(dá)到4.5×10-2N·m-1時(shí)效果最佳[9,10]。由此可推斷,抑塵劑固含量為8%時(shí),抑塵效果最佳。
圖4 為引發(fā)劑濃度對(duì)接枝率的影響。
圖4 引發(fā)劑濃度對(duì)接枝率影響Fig.4 Effect of initiator concentration on grafting rate
由圖4 可知,接枝率隨引發(fā)劑濃度的增加而增加;當(dāng)引發(fā)劑濃度達(dá)到1×10-2mol·L-1時(shí),抑塵劑接枝率可達(dá)98.3%;再次增加引發(fā)劑濃度,接枝率變化不明顯,這說(shuō)明在該引發(fā)劑濃度下,大多數(shù)單體參加接枝反應(yīng),該反應(yīng)對(duì)單體利用率較高。
表3 為不同配比抑塵劑滲透性能測(cè)試結(jié)果。
表3 不同配比抑塵劑滲透性能測(cè)試結(jié)果Tab.3 Permeability test results of different proportion of dust suppressant
由表3 可知,抑塵劑配比不同,滲透性能也有所差異;最明顯的差別體現(xiàn)在滲透深度上,滲透時(shí)間變化不大。這是因?yàn)闈B透時(shí)間受土樣粒度影響,試驗(yàn)土體相同,滲透時(shí)間變化不大;滲透深度受抑塵劑配比影響,在最佳配比的條件下,滲透深度最深,再次證實(shí)最佳配比的抑塵劑抑塵效果最佳。
2.6.1 保水效果
圖5 為最佳配比下土樣的保水率隨時(shí)間的變化趨勢(shì)。
圖5 土樣水率變化曲線Fig.5 Variation curve of soil water rate
由圖5 可知,隨時(shí)間的增加,土樣保水率也隨之下降。在18h 后,出現(xiàn)大幅度失水的情況,但72h 后又逐漸趨于平緩;在78h 后,土樣保水率仍舊可以達(dá)到85%以上。說(shuō)明在施工現(xiàn)場(chǎng)噴灑抑塵劑后,揚(yáng)塵的失水速率變緩,從而有效抑制了揚(yáng)塵。
2.6.2 土樣的抗風(fēng)蝕測(cè)試結(jié)果
表4 為不同配比抑塵劑作用下土樣抗風(fēng)蝕測(cè)試結(jié)果。
表4 不同配比抑塵劑作用下土樣抗風(fēng)蝕測(cè)試結(jié)果Tab.4 Wind erosion resistance test results of soil samples with different proportion of dust suppressants
由表4 可知,各個(gè)配比下抑塵劑均能使土樣形成較好的固結(jié)層。在模擬自然風(fēng)侵蝕下,擁有較好質(zhì)量損失率,其中最佳配比抑塵劑質(zhì)量損失率僅為0.7%,固結(jié)層完整,表現(xiàn)出較為優(yōu)良的抗風(fēng)蝕性能。這就說(shuō)明本文制備的抑塵劑滿足工程用設(shè)計(jì)要求。
本文以丙烯酰胺單體與木質(zhì)素磺酸鈣為主要原料,通過(guò)接枝聚合的方式制備揚(yáng)塵抑塵劑。通過(guò)試驗(yàn)得到以下結(jié)論:抑塵劑最佳配比為:丙烯酰胺單體添加量為木質(zhì)磺酸鈣的1/5,引發(fā)劑濃度為1.0×10-2mol·L-1,抑塵劑固含量達(dá)到8%;在最佳配比條件下,抑塵劑滲透深度可達(dá)3m,比其他配比抑塵劑性能更優(yōu);工程應(yīng)用發(fā)現(xiàn),噴灑抑塵劑的土體經(jīng)過(guò)78h 的自然干燥,保水率仍高于85%,證明該抑塵劑保水性能良好,土樣失水速率變緩,對(duì)控制揚(yáng)塵產(chǎn)生積極的作用。同時(shí)通過(guò)土樣抗風(fēng)蝕測(cè)定,土樣的固結(jié)層完整,抗風(fēng)蝕性能滿足工程用設(shè)計(jì)要求。