（环境工程专业论文）露天矿汽车运输路面扬尘防治技术的研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i st h e s i ss t u d i e dd u s t p r e v e n t i n gt e c h n i q u ei no p e n p i tr o a d t h et h e s i s o v e r v i e ws u p p r e s st h e t e c h n i q u eo fr o a dd u s t r a i s i n g i nt h ed o m e s t i ca n d i n t e r n a t i o n a ld e v e l o p m e n tp r e s e n t d i s c u s s e dt or e s e a r c ht om a n u f a c t u r et o s u p p r e s st h ei m p o r tm e a n i n go fd u s t d e p r e s s o r d i s c o v e r ye a r l yt h em e c h a n i s m o fr o a d r a i s i n g by i n d e x i n gal o to fd o m e s t i ca n di n f o r m a t i o na n dp a t e n t s ， r e f e r r i n gs o m eo fs u c c e s s f u le x p e r i e n c e so nr e s e a r c h i n gt h ed e p r e s s o r d u s t o fa d v a n c e dc o u n t r i e si nm i n i n g ，a n dc o m b i n i n gt h e s ew i t ht h ec o n d i t i o n si n o u ro p e n p i t ，t h ea d d i n ga b s o r b i n gw a t e ra n dh o l d i n gw a t e ri n g r e d i e n t sw a y s w e r eu s e dd u r i n gt h er e s e a r c ho fd u s t d e p r e s s o r b yr a wa n dp r o c e s s e dm a t e r i a l o p t i m u ms e e k i n ga n dd i r e c t i o n sf o rp r o d u c i n gt h ed u s t d e p r e s s o r ，as e r i e so f d i r e s t i o n sf o rp r o d u c i n gd u s t d e p e r s s o ro fe f f e c t i v ec o n s t i t u e n tw e r eg o t t e n f r o mt h er e s u l t so fa n a l o g u ee x p e r i m e n t si nt h el a b o r a t o r y o n eh a l fs i t et e s t a n dt h r e el a r g e s c a l es i t et e s t sw e r ec a r r i e do u ti nao p e n p i ti nc h i n a t h e t e c h n o l o g i c a li n d e x e sh a v eb e e ni m p r o v e do nd u s t p r e v e n t i n gc a p 曲i l i t y ，p e r i o d o fv a l i d i t yo fd u s t c o n t r o l l i n g ，t r u c ks l i d e p r e v e n t i n gc a p a b i l i t ye t c a c c o r d i n gt ob o t hs t u d yi nl a b o r a t o r ya n ds i t et e s t s ，t h em p sd u s t d e p r e s s o r i se f f e c t i v ef o rd u s t p r e v e n t i n g ，a n dc a nr e d u c et h ed u s t r a i s i n gq u a n t i t yb y o v e r9 0 t h ev a l i dp e r i o do fd u s t d e p r e s s e dc a nb el o 1 5d a y s t h e i rc o s t i s e q u a l b e t w e e n d u s t r a i s i n g s a n d s p r i n k l e w a t e r s，a n dt h e d u s t d e p r e s s o r sr e s u l tc o n s u m e d l yb e t t e rt h a ns p r i n k l ew a t e r ，a n ds u p p r e s s t h ed u s t d e p r e s s o rt op r o c e s sh p p l l e dc r a f ts i m p l e ：s u p p r e s sac o s tl o w ，t h e m a t e r i a ls o u r c ei sw i d e ：( c o m b i n a t i o nt h eo u rc o u n t r yr e s o u r c e sp h y s i c a l l y d i s t r i b u t e ) s u p p r e s st h ed u s t d e p r e s s o r n o tp o i s o n o u s ，h a v en ot h ec a u s t i c i t y i t st e c h n o l o g i c a li n d e x e sa r eb e t t e r ，s y n t h e s i z et h ee c o n o m i cp e r f o r m a n c ef a r b e t t e rt h a ns p r i n k l ew a t e rt od e c l i n ed u s t d e p r e s s o r ，a n di tc a nb ep o p u l a r i z e d w i d e l y ，a n dh a sg o o de c o n o m i c a la n ds o c i a lb e n e f i t s a tt h es a m et i m e ，a n a l y z e d t h ee ls e s p r o b l e m ，a n dp r i m a r i l yi n c l u d et h er e s i nt y p e t h ef o r m u l a t i o n s d e v e l o p m e n t ，d i s c a r d st h ec o n d u c ta n da c t i o n st od e f e n dt h ee x p l o i t a t i o no f t h ed u s tf o r m u l a t i o n ，a n d d e v e l o p t h ew a t e r p r e v e n t i n gd u s t d e p r e s s o r s t a r g e tm e a n i n g ，a n db r i n gu p p i n gt h ef u r t h e rr e s e a r c hd e v e l o p m e n t m e a n w h i l e ， t h ep a p e ra n a l y z e st h es o m ee x i s t i n gp r o b l e m s ，p u tf o r w a r dr e s e a r c h i n ga i m s k e y w o r d s ： o p e n - p i tt r u c k t r a n s p o r t r o a d d u s t r a i s i n g ，d u s t d e p r e s s o r d u s t p r e v e n t i n g ，a b s o r b i n ga n dh o l d i n gw a t e r ；i 武汉理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 闻愿的提出及目的意义 1 1 1 问题的提出 我国是一个矿业大国，矿石产量约2 0 亿吨( 1 9 9 3 年数) ，尽管地方中、小铁矿的 产量已占全国总产量的4 0 左右，但大型露天矿开采仍然是国家所需铁矿石的主要提 供者 1 l 。目前，我国重点露天矿山，大部分进入凹陷开采，如大孤山露天铁矿、南芬 露天矿、大冶铁矿、眼前山铁矿、大宝山铁矿、德兴铜矿等，已进入深凹开采阶段， 而且均采用汽车或汽车一电机车联合运输方式。根据权威专家对全国大型冶金重点露 天矿的调查表明1 2 1 ，矿山的粉尘合格率为6 0 7 0 ，平均粉尘浓度为5 1 5 m g m 3 。 汽车路面扬尘量大， 路面产尘强度高达2 0 0 0 1 2 0 0 0 m g s 。某南方大型露天矿， 汽 车行驶时的粉尘浓度高达2 0 0 5 0 0 m g m 3 ，超过国家卫生标准数百倍，该矿曾发生 园大气粉尘浓度过高而影响视线，汽车会车发生相撞的恶性事故。凹陷露天矿因汽车 运输扬尘严重，露天矿采区内出现尘雾天气，严重危害采矿工人的身体健康，影响正 常生产作业。因此，露天矿路面防尘成为矿山生产管理人员十分关心的焦点问题之一。 1 1 2 课题的意义 随着人类环境意识的加强及科学技术的进步：人们进一步认识到粉尘中对人类产 生危害的主要是呼吸性粉尘即粒径小于1 0um 的粉尘。资料表明，p m i o ( i i p 粒径小 于1 0 u i n ) 粉尘5 日内的平均浓度增加l o ug m 3 ，平均1 日的总死亡率增加1 5 ， 呼吸系统疾病者死亡率增加3 7 ，心血管疾病死亡率增加1 8 。因此，世界先进国 家对大气中颗粒物的控制早已由降尘转向对呼吸性粉尘的控制，并且标准日趋严格。 美国大气环境质量标准原规定p m i o 年平均值5 0 1 ag n ，2 4 h 平均值1 5 0 p g m 3 ，1 9 9 7 年修改后的大气环境质量标准规定p m 2 5 年平均值5 ug m 3 ，2 4 h 平均值6 5ug n 1 3 。 从中不难看出，美国1 9 9 7 年大气环境质量标准不仅对浓度控制更加严格，而且更注重 对微小粒子的控制，已由对p m i o 转向对p m 2 5 的控制f 3 1 我国修改后的大气环境质量 标准业已加强了对呼吸性粉尘的要求，表i 是我国大气环境质量标准。 武汉理工大学硕士学位论文 一缓标准二级标准兰级标准 年平均0 0 80 2 0 0 3 0 总悬浮颗粒物t s p 日平均0 1 2 0 ，3 00 5 0 年平均0 0 40 1 00 t 5 可吸入颗粒物p m l 0 日平均 0 0 50 1 50 2 0 随着我国经济的发展及入关后进一步与全球经济的融合粉尘摊放标准必将进一 步向世界先进水平靠近。而我国矿山道路扬尘治理依然采用传统的路面洒水降尘方式， 尽管当时抑尘效果较好，但由于其固有的抑尘时间短( 高温夏季仅15 m i n ) ，路面粉 化愈加严重的缺点，使用范围受到了较大的限制“。洒水防尘根本无法达到我国矿山 路面的环保要求( 2 m g m 3 ) ，更主要的是尽管频繁而反复的洒水可达到短暂的防尘效 果，但对路面材料的风化和粉化却起到了持续加速的作用，从而产生愈来愈多的细微 粉尘；另一方面在有大量粉尘的地方( 包括道路) 洒水保湿防尘，则第二次洒水量与 第一次相同的情况下( 相同气候条件) ，其保湿时间比第一次短，其原因是在第一次 洒水后，水份在蒸发过程中会生成许多的直通式毛细管，这种直通式毛细管对水份的 蒸发起到加速的作用。因此洒水防尘不单在理论和技术上不是个好办法，而且在实际 上也愈来愈行不通，因为要加速粉尘细化和浪费大量宝贵的水资源，这在干燥缺水( 特 别对我国东北、西北地区) 和炎热季节就特别明显”1 。 美国、南非、英国等世界矿业发达国家，采用化学抑尘剂治理路面扬尘，取得了 较大的经济、社会和环境效益”。美国c o h e r e x 抑尘剂处理一次路面，可实现1 0 2 0 天无尘作业；南非c o n a i d 抑尘剂处理路面，不但使路面不扬尘。而且还使路面固 化抗雨水冲刷破坏，提高路面等级。日本、德国和原苏联都有各具特色的路面抑尘剂 产品，并得到了一些应用。 目前国内从事路面防尘研究的不少，但尚未有成熟的防尘技术，更少有进入工程 应用的，本论文将路面防尘作为研究对象，研究开发适合我国国情的路面抑尘剂，要 求其技术经济指标优良，而且原材料来源广泛，加工制作方便。推广应用性强，具有 自己的鲜明特点，其必要性和重要性非同一般。 国内外有关露天矿大气质量的环境评价均表明，汽车运输矿岩，路面行车扬尘是 全矿最大的粉尘污染源，扬尘量占全矿总产尘量的7 0 9 0 。距路边5 m 处，空气含 2 武汉理工大学硕士学位论文 尘浓度高达7 5 0 8 0 嘶g 1 3 ，是卫生标准的4 0 0 倍左右；在行驶中的自卸汽车司机室内， 粉尘浓度达6 o 1 5 o a g 1 3 ，是卫生标准的3 7 5 倍；对人体危险最大的粒径小于 l o p _ 的飘尘分散度，最高可达9 6 9 9 8 2 z ”1 。 露天矿汽车运输路面产尘强度如此之大的原因在于：露天矿采场道路的建筑标准 偏低，工程质量较差，日常维护不够，此外，道路结构参数往往不能随汽车吨位的增 大而相应的改变，致使路况日益恶化，加之在行车中很难避免矿岩碎料沿途撤落 从卫生和环境保护角度来看，由于露天矿汽车运输路面粉尘污染严重，劳动条件 恶化，势必对现场职工的健康与安全构成戚胁，量实际的是矽肺病等职业病患者的敷 量大量增加，同时路面的扬尘还会污染矿区周围的环境，破坏生态平衡，影响正常的 工农关系。 从技术经济角度来看，如果路砸质量差，又不采取防尘技术措篪，不仅行车速度 会受到限制，车辆间距增大，致使自卸汽车运输能力大大下降，而且使车辆的主要部 件磨损加快，车辆维修费用增加，最后导致运输成本提高。 从六十年代开始，世界各工业发达国家从保护环境和提高劳动生产率的角度出 发，相继研究出了多种道路抑尘荆并取得了良好的经济效益和环境效益。广泛地了解 国内外在露天矿汽车运输路面扬尘综合防治技术的研究领域取得的成就和存在的问 题，作为本研究工作的指南，站在高的起点上，避免低水平重复浪费，少走弯路，是 十分重要和必要的。 1 2国内有关路面防尘技术研究简述 我国露天矿汽车运输路面防尘技术与矿业发达国家相比，差距约为2 0 3 0 年，这 是基于由单纯洒水防尘发展为化学抑尘剂及路面防尘新技术应用的历史发展过程而言 的。目前我国绝大多数露天矿汽车运输路面防尘仍采用传统的洒水防尘方法，但随着 我国进入w t o 和世界经济发展的一体化，随着环保意识的加强和环境保护力度的加大， 矿山环保人士充分意识到了研究露天矿汽车运输路面扬尘综合防治技术的迫切性和必 要性。 1 9 8 1 年吉林省科研所曾在吉林省双阳县双蒋公路砂石路面上铺筑了2 6 0 m 用石屑、 山砂、河沙、油灰砂和阳离子乳化沥青构筑防尘试验路段。经过一年试验观测，效果 尚好，因此在相接地段扩大试验，又铺筑了9 0 0 m 山砂、6 7 0 m 碎石、1 3 0 m 油灰矿阳离 子乳化沥青试验路段。实践表明：防尘处理适用于交通量为1 0 0 0 辆天以下的较平 3 武汉理工大学硕士学位论文 整、稳定的砂( 砾) 石路面，精心养护通车时间可达4 5 年，投资少，效益大，是改 善砂石路面的一种可行方法。参照吉林的经验。1 9 8 3 年冶金部冀东设计院在首钢矿山 公司大石河采场深部西土线上选择了一段无任何铺面的碎石土质路基上，进行了第一 次阳离子乳化沥青铺筑试验，共铺6 0 0 2 开放通车后约一个月，从压实不良地段( 回 填土部分) 开始龟裂，并逐渐扩大，致使通车两三个月后遭到破坏。第二次阳离子乳 化沥青试验，共铺设l o o o 2 。试验路段竣工一周后开放，经过重车上坡( 3 - - 5 ) 、空车 与重车刹车( 下坡) 以及暴雨冲涮，经过五个月的通车观察，路面平整光滑。效果令人 满意”1 。遗憾的是，对后来发展状况如何没有下文。 1 9 9 0 年中南工业大学对乳化重油进行了研究，探索乳化重油用于路面防尘的可行 性和可能性”1 。该研究的实验室工作比较深入，先后对几十种乳化荆进行了筛选。 并优选出了三种有代表性的乳化剂进行对比试验，同时也对不同的重油进行了优选和 比较。通过对乳化重油的理化性质的分析测试和乳化重油与粉尘结合后粉尘的物理性 质，如含湿率、抗蒸发性、粉尘粘结性等的分析比较，获得了适用于防尘的表面活性 剂和重油的类型，并在校园内的一段长约5 0 m 的马路上进行了观测试验。据研究报告 称，试验路段喷洒乳化重油的剂量为1 0 1 5 l r 2 ，喷洒乳液后的路面较平整、光洁， 有效防尘期为3 5 天。该研究没有进行具有规模的工业性试验，据称该研究工作受 阻，主要是财力上的原因。 1 9 9 1 年包头钢铁公司白云鄂博铁矿在本公司劳研所的组织下，对粉尘弥漫的汽车 运输路面撤盐防尘。在试验路段上，按0 5 k g m 2 铺撤氯化镁后，路面板结平整，有效 防尘期可达一周左右，但该工作没有坚持下来，原因是用户认为撒盐防尘费用难以承 受而停用。其实只单纯算经济帐而不考虑环境效益和潜在的经济效益，是不科学和客 观的“。1 9 9 0 年中国市政工程华北设计院申请了防止煤及粉料堆场的粉尘覆盖剂专利。 该覆盖剂是由丙烯酸酯共聚物，乳膳x t - s e 一1 等组成的水状悬浮液。将其洒于煤及粉 料堆场能在其表面形成固态薄膜层，使其下面的物料与大气隔离，从而使煤及粉料免 受风力、雨水、大气侵袭“。冶金部安全环保研究院曾开展了阳离子乳化沥青用于武 铜矿业公司大冶铁矿汽车运输路面防尘的实验室研究，并于1 9 9 0 年底至1 9 9 1 年5 月 在该矿进行了工业性试验，铺筑了长1 0 0 m ，宽1 2 m 试验路段。试验路段经过履带式 推土桃辗压，大型载重汽车空车( 重车) 刹车等极端条件的试验，试验路面遭到破坏， 未达到预期的试验效果1 。 4 武汉理工大学硕士学位论文 近年来北京科技大学、兰州沙漠研究所、南方冶金学院、冶金部安全环保研究院 多有论文报道，但至今少有其成熟的相关防尘技术应用于工程报道。 总之，我国露天矿汽车运输路面防尘技术的研究工作还处在刚刚起步和探索阶段， 由于受生产力和经济发展的制约，该技术还没有形成一定的市场供求关系，致使该技 术研究还处在徘徊和低水平重复，只有认真地分析别人成功经验和失败的教训，才能 在这一领域有所突破和有所创新 1 3 国外有关路面防尘技术研究简述 早在1 9 5 7 年兢有文章报道了在加拿大等国家，为了加固矿石碎石路面并获得防尘 效果，采用了2 5 * * 浓度的木质磺酸钙盐的水溶液处理碎石路面，其有效防尘期与天气 条件如季节、气温、降水量等有关，可达三周“”。1 9 6 5 年美国亚利桑那州某铜矿，路 面使用5 1 0 的沥青乳液，首先将碎石、砾石路面平整压实，而后喷洒该乳液，待干 涸2 小时后再袭面处理一次，第二次处理是在一星期后“。前苏联于1 9 6 3 年首次报道， 在空气相对湿度较高的地区，在矿山路面铺设由粒状氯化钙与小碎石混合后压实的表 层，可以形成有效的防尘路面。氯化钙的用量为0 6 k g m 2 ，防尘有效期可达4 弘_ 9 0 天“。八十年代西方工业发达国家在碎石、砾石路面或束铺路面的士路上采用的路面 防尘技术措施，大都还是以上述各类抑尘剂为主。但近十年来，国外矿山防尘路面用 的抑尘剂研制与更新的发展趋势较快，已从采用沥青、重油和无机盐类物质开始向有 机高分子粘性聚合物过渡，从单纯依赖其物理作用过渡到利用其物理化学作用综合抑 尘。 下面就近年来，在一些国家和地区已形成良好的市场供求关系并取得优良经济效 益和环境效益的道路抑尘剂作简要的介绍。 1 3 1 关于前苏联的y 1 t i , 4 b e p c i 4 h 粘尘荆“” 该粘尘剂具有良好的湿润性及粘结性，良好的吸尘性及粘度一温度特性，较低的 火灾危险性及较高的使用安全性。它是一种低毒性低危险的有机化合物。 该粘尘剂的主要成分包括高芳香族的物料与重油渣，后者含有大量的( 3 2 3 3 重量) 树脂一沥青物质，能很好地粘附路面的粉尘，并具有对高芳香族物质成分的抑 制作用，而且能改善粘度温度特性。通过向高芳香族物料添加一定数量的重油渣， 可以调整粘尘剂的结构及其使用性能，以适应不同季节的需要。研制成功的粘尘剂现 有三种产品：州m b e p c 4 h - a ( 夏天用) ；y h m b e p c 4 h _ b ( 高粘度，适用于南方及 5 武汉理工大学磺士学位论文 湿热地带) ；y h m b e p c m l 卜c ( 严寒地区用) 为了确保路面喷洒质量，同时节约物料，不宜采用自流喷洒方式，而应采用扁射 流喷嘴，并在一定压力下喷洒。 y h m b e p c h h 的渗透期与粉尘类型、厚度以及路面平整度、压实度、地基温度、 粘尘剂牌号有关，也和它的用量标准有关在标准用量为0 8 1 - 0 l r a m 2 ，渗入厚度为 8 1 0 m 情况下，该粘尘剂的渗入期参数见袭2 。由表2 可见事先能将路面扒松时，渗 入效率能够增加，这是因为物料能够全部渗入路面而不至于从路肩流失或流向低凹 处。基土及尘层扒松的最佳厚度为1 0 1 5 m m 。 表2 y h h b e p c h h 用于各种路面的渗入期( h r ) 路面类型压实路面( h r )扒松路面( h r ) 砾石4 ，2 0l ，0 0 碎石 3 0 00 8 0 最常见的粉尘的： 煤、金属矿的0 8 0 05 0 岩石的 0 5 00 3 0 细粘土的 02 501 0 在进行粘尘剂喷洒前，必须对路面进行细致的处理。首先应将碎屑清除，并将路 面尘泥结层扒松。在车辆行驶时，应按下列工序进行喷洒：首先将粘尘剂喷洒到道路 的一侧，同时设置绕道及路标，并在一小时后喷洒道路的另一侧。喷洒道路的时间一 般选在汽车运输流量最低的时期为宣。 在前苏联乌恰林露天矿，粘尘剂1 f h h b e p c m h 以乳液状态喷洒路面。该乳涟含n b e p c h h l 0 2 6 ，对于新铺设的路面，乳液消耗量为2 l m 2 ；对于已投入运行的路面 则为0 5 0 8 l i l l 2 。有效防尘期为i 0 1 2 昼夜。 1 3 2 关于南非的c o n a i d 土壤改良抑尘剂。1 co n 一 i d 是一种稳定土壤的水溶性表面活性材料，其成分可使亲性的黏土变成 疏水性，使土壤释放水份，同时c o n - - a i d 也可作为土壤颗粒间的润滑剂以确实达到结 合作用。c o n a i d 安全无毒，不会造成环境污染。 c o n a i d 可处理所有具黏性的土壤( 如黏土及泥沙) ，但非黏性材质( 如沙类) 则 不适用。c o n a i d 使用在黏土中，最大的作用为利用黏土矿物质中离子交换的特性， 6 武汉理工大学硕士学位论文 使得黏土矿物质因吸收了c o n - a i d 有机分子，从而改变了黏土矿物质的物理性质。由 于c o - a i d 降低了黏土矿物质的吸水性，使得黏土中原来存在的不良部分得以改良。 c o n a i d 可改善土质，增加土壤的稳定性，使就地的土壤成为道路的路基基础面。 c o n a i d 对黏土材料的影响是永久持续有效的，因此黏土与c o n - - a i d 结合后再吸收 的水份，经c o n - a i d 的作用均消失，而形成稳定永久的路基，以增加路基的承载作用 使用c o n a i d 处理路面，首先应扒松路面15 0 m m ，同时打碎较大块的土块，所 有超过lo o b 的石块或卵石皆丢弃在洒水车中，以l lc o r r - a i d ：2 0 0 l 水的比例， 先将洒水车装入一定量的水后再加入c o n a i d ，然后搅拌均匀：将c o r r - a i d 使用液 均匀地洒在已扒松的路面上，整理成最后路面，同时保留适当的排水性。经过c o f r a i d 结合过的路面可完全开放通车，数周内路面应每天洒水以维持铺层的湿润度，以便使 c o n a i d 与黏土物质完全结合，形成永久稳定的路基。 自1 9 7 8 年以来，c o n i d 已成功地使用于道路路基施工和路基改良，以及停车 场与机场等路面的施工与改良。它已被三十多个国家或地区所采用，在我国的台湾省 已有销售代理商。 1 3 3 关于美国的c o h e r e x 抑尘剂“”“ c o h e r e x 是一种稳定的、浓缩的、不挥发的乳液，内含约6 0 的半流体状的天然 石油树脂和4 0 9 6 的湿润剂溶液。该制备品中不挥发的树脂能固结粉尘形成薄膜；湿润 剂溶液能将树脂分散成细微颗粒，从而能在乳液中保持悬浮，使稀释后的c o h e r e x 乳 液能随意喷洒，促进树腊粒子渗入土壤，此外还使产品能抗硬水并允许用任何一种水 来稀释。 c o h e r e x 是一种很优秀的抑尘剂，因为它经济、高效、安全、防火且易于应用。 用c o h e r e x 处理后的道路，可以立即放行，不会粘在鞋上，但当路面含有大量粘 土时则在通车前应将已处理的路面干燥到一定程度方可。 c o h e r e x 浓缩液可长期贮存( 一年以上) ，只要放入清洁的容器中能防冷冻或沸腾 稀释了的c o h e r e x 则应在2 4 小时内使用，否则会产生分层现象，但发生分层后通过 搅拌可以恢复原状。正因为c o h e r e x 在贮存和应用中性质稳定，不会变质而使其经济 性增加。在确定c o h e r e x 浓缩液的用量和所需的水量时应注意：渗透深度是由所用液 体( 4 浓缩液十水) 量来决定的，而树脂在尘粒上沉积的深度则由流体中c o h e r e x 浓 缩液的重量来决定的。具体应用中，浓缩液和水的用量取决于当时的粉尘条件预计的 7 武汉理工大学硕士学位论文 交通量以及土壤的类型。 应甩c o h e r e x 处理路面有三种最常用的配比( c o h e r e x ：水) ，它们是l ：4 、i ：7 和 1 ：i 0 。在处理交通频繁或尘土较多的道路时，使用每平方米l 1 5 加仑( 美制1 加仑 等于3 7 8 8 升) 的l ：4 乳液为好；一般情况建议采用1 1 5 加仑的l ：7 乳液。通常 最好在若干天后再处理一次，以形成稳定高效的防尘路面。 在用于矿山运输道路防尘时，由于行驶的车辆大多为大型载重车，通常需要多次 处理。最初几次用1 ：6 配比，然后用1 ：8 。道路表面至少要扒松l 英寸( 2 4 5 c m ) ， 然后用c o h e r e x 侵润。 c o h e r e x 可广泛地应用于汽车运输道路、运动场、停车场、飞机场和尾矿坝等的 防尘抑尘，因此它具有诱人的市场前景和良好的经济效益。 1 3 4 其它国家路面防尘技术概况 日本、德国和澳大利亚等发达国家在汽车运输道路扬尘综合防治技术方面也作了 大量研究工作并发表了许多专利文献资料。 据日本专利文献介绍了一种独特的抑尘剂配方，该抑尘剂主要由一种或多种聚丙 烯酸盐和表面活性剂组成。其中聚丙烯酸盐，主要是交联的聚丙烯酸钠或淀粉与丙烯 酸盐嫁接交联聚乙烯醇。聚丙烯酸盐既是一种吸水材料又是一种粘结剂，它具有双重 功效，既可吸收大气中的水份，使路面保持一定的湿润度，又可对粉尘有较强的粘结 能力，使细微粉尘颗粒粘结起来减少飞扬。表面活性剂的作用也是两方面的，既有助 于高分子聚合物渗入路面，提高抑尘剂的有效性，又有利于施工喷洒，用户可根据实 际情况对抑尘剂的浓度和剂量任意调整。抑尘剂处理后的路面( 2 3 l m 2 ) 有效抑尘期 为5 1 5 天2 “。 德国专利文献资料报道了一种有实用价值但价格低廉的专利配方：由氯化镁和 生石灰组成，氯化镁和生石灰的配比是3 ：l 或2 ：1 ( 重量) ，实际喷洒应用时抑尘剂的 固含量为5 2 0 。该抑尘荆处理后的路面一方面由于氯化镁有较强的吸水特性，吸收 大气中的水份而使路面湿润：另方面由于生石灰缓慢吸收大气中的二氧化碳后使路 面板结，使得处理过的路面平整板结。因此，该配方处理的路面由于氯化镁和生石灰 的共同作用，既避免了粉尘飞扬，污染环境，又改善了路况而有利于提高运输效率和 安全行车。”。 澳大利亚专利文献报道了一种由聚丙烯酸盐、羧甲基纤维素、聚乙酸酯乙烯、丙 8 武汉理工大学硕士学位论文 二醇和丁三醇组成的抑尘剂。该配方中的主要组分聚丙烯酸盐和羧甲基纤维素提供了 较强的对水的滞留特性，吸水保水性能均较突出。该配方溶液实用喷洒时的圆含量为 1 0 2 5 ，喷洒剂量2 5 3 5 l m 2 。该抑尘剂处理后的路面抑尘效果显著，有效抑尘 期可达二周1 。 1 4 本章小结 通过对国内外露天矿汽车运输路面综合抑尘技术现状的分析，可以总结如下： 露天矿汽车运输道路的扬尘是矿山最大的粉尘污染源，占矿山总产尘量的7 0 9 0 。有效控制汽车运输路面的粉尘污染也就基本上控制了矿山粉尘污染，其意义是 十分重大的。 我国露天矿汽车运输道鼯抑尘技术的研究虽作了许多工作，但总体水平处于起 步和探索阶段。了解国外该研究领域的现状，可以避免不必要的浪费和低水平的重复， 使我们把眼光投向矿业发达国家在这一领域所取得的成就，紧密跟踪国外先进防尘的 技术及其发展趋势。 世界各矿业发达国家从7 0 年代就开始着手露天矿汽车运输路面防尘技术的研究 并取得了初步成效。特别是近十多年来，国外防尘路面所采用的抑尘；f ! l 研制与更新的 发展趋势更快，已从采用沥青、重油和无机盐类物质开始向有机高分子粘性聚合物过 渡，更加注重抑尘剂使用的安全性、可操作性和持续有效性。 露天矿汽车运输道路舫尘技术是一项综合技术，不仅要研制出符合本国实际需 要的抑尘剂，而且还要考虑路面的合理结构、先进的施工工艺和后期的精心养护，形 成一整套与抑尘剂相适应的综合防尘技术。 笔者在参阅借鉴矿业发达国家在该研究领域成功经验的同时更要立足国内基 本原料市场，研制出从原材料的来源、加工至最终应用均符合我国国情的抑尘剂配方 及其相适应的防尘技术。 9 武汉理工大学硕士学位论文 2 道路扬尘防治机理初探乜蝴、扭6 棚乜8 1 道路扬尘是以气体为分散介质、固态细微颗粒为分散相的分散系统。粉尘是人们 可以在大气中看到、呼吸到的一种危险物质，易导致严重的呼吸系统疾病。地表( 路 面) 不稳定而导致扬尘的原因有三点：土壤缺少粘性、松散及干燥、易碎；缺乏保护 层，处于棵露和自然风化状态；无防风阻挡装置。因此对应的防止路面粉尘飞扬的也 有三种机理：固结、润湿、凝并 固结机理：其核心是使路面具有足够的强度。要使路面上运动物体的动态压力、 摩擦剪切作用、冷凝拉伸破坏，均不能使路蕊材料结构受到破坏，必须满足如下三个 条件： t ( ot g 由+ c ( 抗剪切破坏条件) ：( 2 - 1 ) 一2 p 221 o ，= 十一一一】 ( 抗拉伸破坏条件) ：( 2 - 2 ) “t d - 2 yd + 2 y d o 。= p l b h 2( 抗冲击弯曲破坏条件) 。( 2 - 3 ) 式中符号：t 一在外载作用下，某一点的最大剪应力，p a ： o 一在外载作用下，在同剪切面上的正应力，p a ： c 一材料的粘结力p a ： 由材料的内磨擦角，。； o ，一主应九p a ； p - - 总荷载，n ： t 试件的厚度，m ： y 试件在y 方向的位移，m ： d 试件的喜径，m ： a 。抗弯曲强度p a ； h 试件高度，m ： b 试件宽度，m ： l 试件跨度，m 。 沥青路面，混凝土路面，由于满足上述三个条件路面具有足够的强度，故车辆 在行驶过程中，路面能保持良好的固结状态，无扬尘产生。 l o 武汉理工大学硕士学位论文 润湿机理：其核心是使路面始终保持一定的水份( 2 ) 。描述粉尘沉降的数学 表达式为： v 。= 2 r 2 p ( p # 一p ) v 【_ 速度，m s r 一粒径，m ： g ( 2 - 4 ) 峨动粘性系数，m s ： or _ 外磨擦系数： g 一重力加速度，m s 2 ： p 一密度，k g m 3 。 从上式可知，v 。 o ，则使粉尘沉降而粉尘处于湿润状态，pt pt 0 ，则可使 v 。 o ，粉尘加速沉降，即达到降尘效果。 传统的洒水降尘法，就是利用水湿润粉尘，使粉尘的比重增加，粉尘加速沉降， 路面无扬尘产生。润湿类抑尘剂的关键是吸湿剂的选择。吸湿剂与水的结合能愈低。 愈易从周围环境吸收水份，而强碱弱酸盐就是其中典型代表。m 物质、n 物质、ca 物质的卤盐，因其水合热低而具有较强的吸湿性能。水合热愈低、愈易吸收水份，该 理论是实验室优选吸湿剂的依据。由于当代高分子聚合技术的迅猛发展，为保漫剂的 选择提供了宽广空间。例如，p 型高分子保湿剂，具有大量的亲水网络，能将水份牢 牢吸附在网络内，使水的蒸发速度极大地降低，达到保水目的( 见图2 1 ) 。 永徽粒 7 、m7 、m | v ，、一一、一7 、一7 、一 7 、一、一。一一一一v 矗分子月终 田2 1高分子聚台糟保水示意田 武汉理工大学硕士学位论文 从上图可知，高分子聚合材料的保湿特型主要是利用其众多的亲水网络结点和网 线，将水牢牢吸附，从而大大减少水的蒸发和流失。 凝并防尘机理：该机理的核心是使路面磨耗屡的粒径分布集中在d 8 0 目寸区 间，粉尘沉降速度v t 0 1 m s 。美国c o h e r e x 、南非c o n a i d 型粘尘剂，就是此类比较 成功的粒化型抑尘剂产品。上述抑尘剂可将路面的土、碎石粘结凝并( 见图2 2 ) ，路 面无可飞扬的细微粉尘对路面粉尘粒径分布要求如下： n = ，n ( d ) d ( d ) 9 8 9 b( 2 - 5 ) o2 - 式中n 一分布率 n ( d ) 一分布函数 d 一粉尘粒径( m ) 应用美国c o h e r e x 抑尘剂，当路面每平方米的用量为4 5 2 升时( 经1 ：4 稀释后) ， 路面的细微粉尘( d n 物质 c a ” t i o r f e ”为此在实验室配方优化过程中 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 将m 、n 和c a “作为重点优选对象。试验表明，m 物质的吸湿、保湿性能比较其它5 种 被优选吸湿材料，表现了更佳的性能。c a o 和j f c 等物质的功能是作为粘结固化成分、 催化及防腐蚀等作用。 3 2 1 吸湿性研究 通过文献查阅和参考国内外研制经验选取吸湿性较强、来源广泛的三种吸湿剂 ( 以旷+ 、n “、c a ”代表) 为本试验的主要原料。 试验用吸湿剂浓度范围的确定，参考了苏联及原西德的有关文献，经初步试验确 定1 8 4 0 为配方筛选范围1 。 样品的制各，是在中1 2 0 r a m 的玻璃培养皿内加入某露天矿的l o o g 路面试验粉尘 ( 2 3 4 ：o 一 有明显的铁锈层产生 样品于6 月2 9 日篝于室内大气7 月3 0 日观察4 号样品不腐蚀或基本不蚀，其 他相应不变。 从上表与试验观察可见，除4 号样之外，经过1 9 小时后各样品均开始腐蚀，腐 蚀程度随着防锈剂浓度的提高而减缓。当加入防锈剂0 1 9 5 ，其抗腐蚀性能即优于水： 当加入防锈剂浓度达到1 ，即能极大地劝止腐蚀。 3 2 3 实验小结： a 三种吸湿剂以“m ”为最优，吸湿效果最佳； b 吸湿剂浓度在可溶范围内，高比低好( 以2 0 3 嘶为最佳) ； c 防锈剂加入量以1 左右为宜； 3 3 高分子聚合树脂型抑尘剂配方的试验研究 3 3 1 主要内容 以水溶性高分子聚合物为基质，水为溶剂，加入功能性助剂( 要以不与基质材 料发生化学反应一不生成沉淀和产生气体为准) ，配制成抑尘液，按正交试验法，安 排试验，并以保湿效果和粘聚效果为主要指标考核和优选配方。 配方原料液的制备 水可溶性离分子聚合物的溶解，一般需要较长的时间和一定的条件。所以一般都 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 比较上述直观分析和计算分析的结果后发现：其具体最优配方组成是有差异的最 优配方差异在助剂c 因素上 究其原因t 我们实验采用正交表l 9 ( 3 ) 进行安捧，此表实质包含了( 分) 8 1 个配方 组成，而所做的9 个样品，只是其中的代表。直观分析看到的就是9 个代表当中的具 体数据。但计算分析却落在这9 个之外的8 1 个之中所以直观分析结果，以计算分析 修正后，再傲补充试验会更接近实际。 为了进行比较，做了只喷洒水的样品，以作为参比。结果说明：树脂类两个指标 都比水优越。 3 3 3 用同样的实验方法，对多种树脂和助荆分批组成配方进行试验，按保湿性 和粘聚性指标进行优选，共选出4 个较好的配方，并对这四个配方在同等条件下进行 对比试验。它们的代号和数据如表3 - 6 ： 袭3 - 6各配方参数对比表 指标保湿性粘聚性 配方6 0 ( 2 烘至恒重时间( m i n )磨后过1 6 0 目筛的量( ) 掩o1 7 0 4 2 8 r e s 一1 ( c a p ) 2 9 52 1 5 r e s - 2 ( p a c ) 2 8 52 4 0 r e s - 3 ( p v a ) 2 7 52 5 8 r e s - 4 ( u f ) 2 7 03 3 7 3 3 4 试验小结： 通过配方优选试验，可知： a 树脂型( r e s ) 抑尘剂有良好的粘聚性和较好的保湿效果。 b 树脂型( r e s ) 抑尘剂液制备方法简单，喷洒方便。 c 在配方优选试验中，选定的“指标”参数( 保湿性和粘聚性) 及评价标准符合 研究目标要求。 d 在设计配方组成时，基质选取最为重要，助荆的选取对改善和提高配方性能 影响很大。 e 根据试验测定结果，推荐三个较好配方：c a p 、p a c 、p v a ，供下步作扩大现场 应用试验。 3 4 复合型抑尘荆配方的实验室研究 经过对吸湿保湿型( l c ) 和高分子聚合物型( r e s ) 抑尘井寸的实验室试验和半工业性 2 0 武汉理工大学硕士学位论文 试验，抑尘剂的研究取得了较大进展。这两种类型的抑尘剂配方各有自己的特点，吸 湿保湿型( m c ) 抑尘剂抑尘效果好，但对细微粉尘的团粒化能力不够；高分子聚合物型 ( r e s ) 抑尘剂可使路面粉尘有效地团粒化，粉尘的聚并能力得以加强，并可有效地改 善路面层结构，这将提高汽车的运输效率，降低油耗和减少轮胎磨损，对吸湿保湿能 力也有较好的作用。 为保持并充分发挥( m c ) 和( r e s ) 两种类型抑尘剂优点，克服其不足；对复合型抑尘 剂配方进行了认真深入的探索、试验和研究。 3 4 1 主要研究任务 复合型抑尘剂是在吸湿保湿型( m c ) 和树脂型( r e s ) 配方基础上，对“复合型”配 方的组分，按“正交试验法”进行认真的试验和优选。 3 4 2 复合型抑尘剂的实验室研究 确定研制的“复合型”抑尘剂，其主要成分是强吸湿保湿性物质( 以m 物质为代表) 和强粘聚性物质( 以p 为代表) ；以及一些有特殊作用的功能性助剂( 以s 、g 等为代表) “m ”物质能强烈地吸收水份( 包括大气中的水份) ，并能有效地保持路面处于湿润或 半湿润状态：高分子聚合物( 可溶于水是必要条件) 有很强的粘结性能，它能将粉尘与 路面材料等粘( 聚) 结在一起；在适当条件下，p 物质中的一些活性基团能与土壤或碎 石中的某些离子发生物理化学反应，这不但可控制粉尘的产生，而且改善路面质量。 按正交试验袭安排配方优化试验，确定配方中各组分的最佳比例，在考虑其实用和经 济性的基础上，筛选出淞( 由氯化镁+ 羧甲基纤维酸钠组成) 和m p s ( 由氯化镁+ 聚丙烯酰 胺+ 羧甲基纤维酸钠组成) 两个配方作进一步对比分析试验。 3 5 抑尘效果技术指标比较 优选出的m s 和m p s 配方与m c 和r e s 保湿性能的比较试验。 在各“配方”抑尘剂的含量相当和外界条件相同，于静态条件下，在6 0 烘 箱中，进行水份蒸发试验，比较各配方对粉尘的保湿性能，见图3 - 3 。 2 l 武汉理工大学硕士学位论文 保3 0 s 湿 性2 0 含 水1 0 01 015 2 0h o u r2 5 豳3 3 各配方保浸性能的比较图 从图3