C070101混凝土喷射作业中化学抑尘技术的试验研究

混凝土喷射作业中化学抑尘技术的试验研究张少波1于景泉2【1.煤炭科学研究总院南京研究所，江苏南京210018；开滦（集团）煤业公司，河北唐山063018】摘要分析了喷射混凝土作业中提高粉尘湿润效率的机理；以非离子表面活性剂和功能高分子材料为主要成分配制了三种湿润剂样品；利用正向渗透湿润试验、沉降试验对其湿润性能进行了测试和评价；考察了湿润剂对混凝土材料流动性、凝结时间和强度的影响。认为化学抑尘方法可提高水对微细粉尘的湿润效率且对混凝土材料有较好的适应性，因而可成为煤矿井下喷射混凝土作业中新的、有效的抑尘技术。关键词喷射混凝土化学抑尘机理湿润剂湿润性能对混凝土材料的适应性煤矿井下混凝土喷射作业产生大量粉尘，多年来主要围绕喷射机具和工艺开展研究以提高降尘效果，比如发展潮喷、湿喷技术减轻粉尘危害或解决喷射粉尘问题。但或是未达到国家锚喷支护技术标准对粉尘浓度的要求[1]，或是尚处于研究阶段，均未达到理想地降尘目的。在喷射机旁配置除尘器可以强化除尘效果[2]，但只对50μm以上粒径的尘粒有效，对于小于10μm以下粒径的呼吸性粉尘效果不佳。资料检索表明[3][4]：化学抑尘方法是物理除尘技术之外另一种粉尘防治技术。英、美、苏等国早在20世纪20～40年代即将其用于煤矿井下防尘除尘；我国则于20世纪70年代末开始此类研究。目前，国内外化学抑尘技术研究成果呈增长趋势，但国内针对一般大气粉尘开展的研究较多，围绕煤矿粉尘防治开展的研究较少。针对喷射混凝土作业中降尘方面的研究几近空白（国外成果3例，国内仅1例[5]）。因此，有必要开展混凝土喷射作业中的化学抑尘技术研究。本文对混凝土喷射作业时的化学抑尘机理、湿润剂主要组分选择、湿润剂湿润性能及对混凝土材料的适应性能进行了试验和分析，得出了初步结论。1混凝土喷射时的化学抑尘机理1.1混凝土喷射时喷头粉尘状态分析[5]采用干喷或潮喷方式喷射混凝土时，拌合水主要在喷头处与干料混合，水、料接触时间短，水、料拌合均匀度差。未拌合均匀的水、料混合物即被高压空气输送出喷出口，产生剧烈体积膨胀，从而把未润湿的干水泥粉和已润湿的湿水泥粉分别吹散成干尘和湿尘。湿尘较快沉降；而干尘则在混凝土喷射机旁和喷头附近形成尘雾。由于界面张力的影响，微小的干尘表面形成空气膜。尘粒越小，空气膜越牢固。这种空气膜阻碍了水分对尘粒的湿润和尘粒的凝聚，使得在空气中漂浮的微小干尘既不易凝聚也不易与水雾碰撞变成湿尘沉降。在静空气中，10～100μm粒径的水泥干尘呈加速沉降状态，而10μm粒径以下干尘则呈等速沉降或不沉降状态。干尘变为湿尘后，沉降趋势会大大增加。因此，设法提高干尘（尤其是微小干尘）的湿润比率对于提高降尘效率具有重要意义。1.2喷射过程中液滴捕获尘粒并沉降过程在一个混凝土潮式喷射系统中，喷射时液滴捕获尘粒并从空气中分离（沉降）的全部直接因素可采用故障树分析法予以分析。将液滴捕获粉尘并使粉尘从空气中分离出来作为顶上事件，那么与此相关的事件就包括：干尘粒和液滴、干尘粒与湿尘粒之间发生碰撞；干尘粒易于被湿润；液滴能够湿润干尘粒或湿润效率提高；小直径湿尘粒能够凝并沉降。各事件关系为逻辑与门关系（图1）。图1液滴捕获尘粒过程润湿是一种流体从固体表面置换另一种流体的过程，置换过程分为三种类型，即：沾湿、浸湿和铺展。因此，如果能够提高尘粒向液滴或湿尘粒表面的靠近速度和液滴暨湿尘粒粘住粉尘的效率，降低粉尘陷入液滴及含尘液滴凝并和吸尘的难度，液滴捕获尘粒并从气体中分离出来的效率就会大大提高。尘粒向液滴表面的靠近速度与喷射工艺有关；而尘粒的易湿性和拌合水的湿润效率提高则需改变尘粒和液滴的表面性能予以实现。1.3化学抑尘基本理论及主要技术途径分析界面理论表明[3]，沾湿、浸湿和铺展三种湿润现象发生的热力学条件可分别由式（1）～（3）来表达：slsgaGWlg（1）slsgiGW（2）caslsgWWGSlglg2（3）式中：aW、iW、cW和S分别为固-液界面粘附能、浸润能、液体的内聚能和液体在固体表面上的铺展系数；sl、sg和lg分别是单位面积固-液、固-气和液-气的界面张力。式（1）～（3）表明：sl越小，上述三种湿润现象均易发生；若：aW、iW、S≥0，则沾湿、铺展过程可自发进行；当固体的表面自由能比固-液的界面自由能大时，浸湿过程也可自发进行。热力学条件的定量判断，可通过扬氏方程将液体在固体上的接触角与润湿热力学条件结合来实现：coslgslsg（4）式中：为液滴在固体表面上的接触角。将式（4）代入式（1）～（3），可得三种类型润湿过程的判断条件为：=0°完全铺展湿润；=180°完全不湿润；0°＜＜90°可湿润；90°＜＜180°不湿润。为达理想润湿效果，应尽量使接触角趋于0°。根据式（1）～（4）可知，增加固体界面张力sg，降低液体的界面张力lg和固-液间界面张力sl可导致接触角的减少，三种湿润现象容易发生。但sg一般不易增加，而lg和sl则可使其降低。最合适的技术途径即为以表面活性剂为主的湿润剂的存在可以达到降低液体的界面张力lg和固-液间界面张力sl的目的。同时，每一种固体界面张力sg又存在一临界值c，液体的界面张力只有小于或等于该值，湿润才易于发生。因此，潮式混凝土喷射作业中的化学抑尘机理是：在湿润剂作用下（喷头处加入或预先与物料混合）水和固-液间界面张力得到有效降低，水泥颗粒表面的湿润角减小，粉尘的可湿润性能和拌合水的湿润效能显著提高，粉尘迅速被湿润、凝并而得以沉降。2粉尘湿润剂中表面活性剂的选择及测试2.1表面活性剂的选择表面活性剂能够显著降低水及两相界面张力，因而是混凝土喷射作业中粉尘湿润剂的首选组分。非离子表面活性剂溶于水时不发生离解，稳定性好，不易受强电解质及酸、碱影响，与其它表面活性剂相容性好，在各种溶剂中溶解性好，多为液态或浆状态物质，制成润湿剂后易于使用；离子型表面活性剂具有良好的渗透、润湿、增溶等性能，亦可作为润湿剂组分。系统总结国内外湿润对象为一般粉尘和水泥粉尘的润湿剂代表性配方（表1）可见，组成湿润剂的化学材料主要由表面活性剂和某些无机盐、卤化物组成。大约56%的表面活性剂为非离子型，35%为阴离子型。典型粉尘凝聚剂则由高分子功能聚合物、氯化镁、氯化钙等组成。其中硫化物或盐作为电解质以提高表面活性剂的作用效果和控制水中的有害离子。为此，选用非离子表活性剂及功能高分子材料作为基本组分配制成三种润湿剂样品（表2）。表1基于湿润机理的化学抑尘剂配方系统检索（1985～1999）[3][6]日期论文/专利成分应用1988JP63297255Cl.C04B24/28PEO30～70份、聚碳环氧脂30～70份、DEMOLEP粉0.05与100份水泥、300份砂混合湿润水泥粉尘1989CN1034016Cl.C09K3/22表面活性剂（如JFC）20‰～33‰、腐殖酸钠50‰、十二烷基苯磺酸钠0.5‰、金属清洁剂0.5～1.0‰、六偏磷酸钠0.7‰～1.0‰高效粉尘抑制剂1990JP02137753Cl.C04B24/26乙稀/乙酸乙稀脂与不饱和羧酸共聚物、纤维素醚湿润水泥粉尘1991SU1682375Cl.C09K3/22聚丙烯甘醇和丙烯甘醇湿润KCL粉尘1993CN1075156Cl.C09K3/22六偏磷酸钠5%～8%、乙二醇3%～5%、甲酸钠4%～7%、丙甘醇3%～5%、水75%～85%抑尘剂2004CN1570013AGaO2（或MaCl2）、水、表面活性剂复配物（脂肪酸聚氧乙烯醚JFC等、MS-1等、尼凡丁等）抑尘阻燃剂1996论文固体MgCl2、CaCl2、NaCl凝结粉尘表2喷射混凝土专用润湿剂及特点样品代号主要组成特点Zs1壬基酚聚氧乙烯醚非离子表面活性剂，无色透明液体。通过降低表面张力，改善水的吸附性能，达到快速吸附、凝聚粉尘的目的。其特点是可以有效地增强水对极为细小粉尘颗粒的吸附、限制和凝聚能力。Zs2苯乙烯羧化共聚物的水溶液功能高分子材料。适应各种表面形状，能构成一种具有弹性的固液相膜，形成不溶解的外壳。Zs3壬基酚聚氧乙烯醚苯乙烯羧化共聚物的水溶液非离子表面活性剂和功能高分子材料复合。其特点是可以快速地增强水对极为细小粉尘颗粒的吸附、限制和凝聚能力。2.2抑尘剂湿润性能试验测试在化学抑尘领域验证有效的抑尘性能测试方法中，沉降试验能够反映粉尘的特性、润湿剂的作用行为，正向渗透试验方案直观有效。所以选用这两种试验方法进行三种湿润剂的湿润性能测试。2.2.1正向渗透湿润试验样品分别配制成浓度为0.00%（空白样）、0.02%、2.00%的水溶液。试验时，首先将粉尘装入内径为10～14mm、长度大于100mm的玻璃管中；然后用吸管吸取0.5ml的湿润剂溶液缓慢滴入装有粉尘的玻璃管中，并用秒表记下液面渗透到不同位置时所需的时间。溶液向下渗透越快，溶液的湿润性越好。试验装置见图2，试验结果见表3。（1—试验托板；2—玻璃管；3—粉尘；4—滴定管；5—秒表）图2正向渗透湿润试验装置示意图表3zs1号润湿剂正向渗透试验结果润湿剂浓度液面渗透粉尘一定深度的时间s0.00%（管径14mm）（24.5℃）0.02%（管径14mm）（24.5℃）2.00%（管径10mm）（24.5℃）1cm第一次6～81～21～2第二次5第三次41.5cm第一次4651233第二次351.8cm第一次360133第二次2403302cm第一次1500（最终深度2.2cm）第二次540（最终深度2.00cm）2.5cm第一次最终深度2.5cm2.2.2沉降试验试验步骤是将微量粉尘倒在润湿剂溶液液面上，记录下粉尘沉降到液面以下经过的时间。沉降试验应掌握粉尘微量、粉尘粒度均匀、轻柔加入等原则。所以，实验条件为：①水泥粉过100目筛，0.5g；②自来水；③zs1、zs2、zs3药剂水溶液均为100ml，浓度0.5%。试验结果见表4。表4三种润湿剂沉降试验结果样品种类沉降完成时间s试验现象自来水溶剂210.5g水泥粉倾入水面后，21s沉降基本停止，大部分水泥粉尘沉入液面下，但液面上中间部位始终漂浮一层微粒层。Zs1水溶液60.5g水泥粉倾入水面后，6s沉降基本停止，所有水泥粉尘沉入液面下，液面上没有微粒层漂浮。Zs2水溶液340.5g水泥粉倾入水面后，34.47s沉降基本停止，几乎所有水泥粉尘沉入液面下，液面上只有及微量微粒层漂浮。水泥粉沉入液面下似乎是被液面呈脉冲状态吞没。Zs3水溶液40.5g水泥粉倾入水面后，4s沉降基本停止，所有水泥粉尘沉入液面下。水泥粉沉入液面下极为迅速。3湿润剂对混凝土性能的影响3.1对混凝土坍落度的影响试验条件：空白混凝土配比自燃陶粒土：水泥：水为4：1：0.95，含高效减水剂的空白混凝土配比自然陶粒土：水泥：水：高效减水剂为4：1：0.95：0.01，含高效减水剂、zs3混凝土配比自然陶粒土：水泥：含zs3的拌合水（0.5%）：高效减水剂为4：1：0.95：0.01。湿润剂添加方式为与拌合水配制成水溶液后添加。湿润剂掺量（拌合水浓度）计算公式为湿润剂试液/拌合水×100（%）。湿润剂样品为zs1、zs2、zs3。试验结果见表5。表5混凝土坍落度试验结果试验项目湿润剂掺量/%（以湿润剂在拌合水中的浓度计）00.30.50.75掺入zs1坍落度/mm198208204200掺入zs2坍落度/mm198213200205参入Zs3坍落度/mm1982172202183.2陶粒土混凝土强度对比试验试验条件：湿润剂掺量（浓度）计算公式与湿润剂添加方式同上，湿润剂样品：zs3。试验结果见表6。表6水泥砂浆强度试验结果湿润剂掺量（占拌合水浓度/%）抗折、抗压强度/MPa3d7d28d0.006.5/31.87.1/37.28.5/49.00.755.0/20.95.7/25.66.5/31.03.3湿润剂对混凝土凝结时间的影响试验条件：按水泥净浆凝结时间测定试验，固定水灰比0.4，湿润剂掺量（浓度）计算公式与湿润