丙烯酸鹽-環氧樹脂固沙材料合成及性能研究

姜瑜，郭飛，孔恒，張麗麗，孫博通

(1.北京市政建設集團有限責任公司，北京 100089；2.北京高新市政工程科技有限公司，北京 100195)

沙漠化是由于氣候變化和人類不合理社會活動等因素引起的土地退化現象，全球沙漠化已達到3 800 萬平方千米[1]，已成為全球廣泛關注的熱點[2-4]。國內外固沙技術分為機械固沙[5-6]、植物固沙[7]和化學固沙[8-9]?；瘜W固沙材料主要包括無機固沙材料、有機固沙材料和無機-有機復合固沙材料。無機固沙材料對水抵抗力較差，固化層強度較低。高吸水樹脂類固沙材料具有強大的吸水保水性能，但固結后沙土強度低、環境危害性大[10-11]。有機無機復合固沙材料合成難度高，未得到廣泛的應用[12]。

本文制備丙烯酸鹽-環氧樹脂互穿網絡結構固沙材料，分析了固沙體的抗壓強度、干縮性、耐溫性、抗水和風蝕性，并探討其固結機理。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

丙烯酸、氫氧化鈉、N,N-雙甲撐丙烯酰胺、過硫酸銨、環氧樹脂6690、二乙烯三胺、硅氧烷偶聯劑(KH-560)均為分析純；采用去離子水或超純水配制溶液。

DF-101S型磁力攪拌器;WT型電子分析天平;NDJ-8S型勃氏黏度計;Bruck ERD8 X-射線衍射儀;Hitachi-4800掃描電子顯微鏡。

1.2 丙烯酸鹽-環氧樹脂固沙材料制備

1.2.1 丙烯酸鹽制備 將一定量的蒸餾水和丙烯酸加入到三口燒瓶后開啟攪拌器，冰水浴下向反應瓶中添加氫氧化鈉，保持反應體系的中和比為75%～100%，反應10 min后，向反應體系中繼續加入氫氧化鈉調節丙烯酸的中和比為100%～110%，繼續反應1 h后，使中和反應產物老化，最后向反應體系中加入丙烯酸以調節丙烯酸的中和比為70%～100%。繼續攪拌反應2 h后，加入去離子水調節丙烯酸鹽溶液的質量分數為25%。

1.2.2 丙烯酸鹽-環氧樹脂固沙材料制備 丙烯酸鹽-環氧樹脂固沙材料分為A、B兩種漿液，A、B漿液按體積比1∶1進行噴灑固結沙土。

在制備的丙烯酸鹽溶液中加入適量環氧樹脂6690，55 ℃下攪拌反應5 h，之后降溫至室溫，依次加入N,N-雙甲撐丙烯酰胺、羥甲基纖維素、KH-560、二乙烯三胺和三乙醇胺反應1 h，得到固沙材料A漿液。將適量的過硫酸銨均勻混合于去離子水中，充分攪拌后配成丙烯酸鹽-環氧樹脂固沙材料B漿液。

1.3 丙烯酸鹽-環氧樹脂固沙材料性能測試

1.3.1 黏度測試 采用勃氏黏度計對丙烯酸鹽-環氧樹脂固沙材料漿液進行黏度分析，多次測定，求取平均值。

1.3.2 沙堆固化效果測試 將120 g的沙子在紙上堆成直徑約為10 cm的沙堆，在沙堆表面按0.5 L/m2的噴灑量均勻噴灑固沙材料A和B液，室溫下自然干燥后，采用400萬像素數碼照相機進行等倍拍照。

1.3.3 干縮性測試 采用沙柱標準件制備沙柱，初始重量為m0，之后每隔2 d測試一次沙柱的重量mt，直至恒重。每個樣品測試7組求取平均值。按下式計算沙柱的干縮率：

1.3.4 耐溫性測試 耐高溫測試方法：將每個固化后的沙柱分別置于30,40,50,60,70,90 ℃的烘箱中，放置4 h后觀測其固化層形貌和狀態變化。

耐低溫測試方法：將每個固化后的沙柱分別置于-10,-15,-20,-25,-30,-35 ℃的冰柜中，放置4 h后觀測其固化層形貌和狀態變化。

1.3.5 沙柱抗壓強度 采用路面材料強度實驗儀對標準沙柱壓縮的全過程進行監測。壓縮速度在2 mm/min 下，記錄下沙柱初次出現裂痕時的抗壓強度。

1.3.6 沙堆抗水蝕性 使用流量為2 mL/s的流水對沙堆表面先潤濕，在從沙堆頂點以水流速1 min進行沖刷模擬實驗，然后將沖刷后的沙堆放置于60 ℃ 的烘箱中烘至恒重。重復沖刷實驗循環過程10次，用沙堆質量損失率來表明固沙材料的抗水蝕能力。

1.3.7 沙堆抗風蝕性 稱取300 g沙堆成直徑5 cm 的錐形沙堆。依次噴灑15 g A和15 g B液，在50 ℃烘箱中烘2 h。采用鼓風機模擬風洞，按照自然風級自低向高的順序逐漸加大風速，并固定風速10 min，觀察不同風級對沙堆的破壞程度，最后記錄剩余沙堆的質量，即為m2。然后按下式計算樣品風蝕率，取平均值。

風蝕率計算公式：

其中E——樣品風蝕率,%；

300 g——吹蝕前沙樣的質量，g；

m2——吹蝕后沙樣的質量，g。

2 結果與討論

2.1 丙烯酸鹽-環氧樹脂固沙材料黏度

固沙材料黏度較大，固結效果較好，但黏度過大，固沙材料難以下滲，從而聚集于沙層表面，降低固沙效果。表1為不同溫度下丙烯酸鹽-環氧樹脂固沙材料密度和黏度。從表中數據可知，固沙材料漿液黏度與水接近，具有較好的滲透性。

表1 固沙材料漿液在不同溫度下的密度和黏度

2.2 耐溫性

表2和表3為沙柱耐高溫性和耐低溫性實驗測試結果。

由圖1和表2可知，固化后沙柱在-40～90 ℃環境下仍能保持良好狀態，未見裂紋或崩解。說明丙烯酸鹽-環氧樹脂固沙材料在-40～90 ℃環境下能保持良好的固沙效果。

表2 固化層耐高溫性

表3 固化層耐低溫性

圖1 標準沙柱在30，90，-10，-40 ℃的形態照片

2.3 丙烯酸鹽-環氧樹脂固沙材料沙柱抗壓強度

圖2為標準沙柱抗壓強度測試照片。環氧樹脂與丙烯酸鹽共聚物在固化劑和交聯劑的作用下形成互穿網絡交聯結構，進而大大提高沙柱力學性能。因此，考察丙烯酸鹽與環氧樹脂配比、交聯劑用量對沙柱抗壓強度的影響。

圖2 抗壓強度測試

固定丙烯酸鹽、羥甲基纖維素、N,N-雙甲撐丙烯酰胺和硅氧烷偶聯劑的用量分別為0.3%，1.5%，0.03%，0.1%，通過改變丙烯酸鹽與環氧樹脂配比來考察沙柱抗壓強度，測試結果見表4。

沙柱抗壓強度隨著丙烯酸鹽與環氧樹脂配比減小出現先增后減的趨勢，這是因為當丙烯酸鹽與環氧樹脂配比較小時，丙烯酸鹽用量相對較少，產生的自由基濃度較低，致使交聯聚合反應不完全，產率低。隨著丙烯酸鹽與環氧樹脂配比增大，丙烯酸鹽用量相對增大，雖然活性自由基增多，但交聯結構中聚丙烯酸鹽結構占比較大，從而降低了沙柱的抗壓強度。

表4 丙烯酸鹽與環氧樹脂不同配比對沙柱抗壓強度的影響

固定丙烯酸鹽、羥甲基纖維素硅氧烷偶聯劑的用量分別為0.3%,1.5%和0.1%，丙烯酸鹽與環氧樹脂配比為2∶1，通過改變交聯劑N,N-雙甲撐丙烯酰胺用量來考察沙柱抗壓強度，測試結果見表5。

表5 N,N-雙甲撐丙烯酰胺用量對沙柱抗壓強度的影響

N,N-雙甲撐丙烯酰胺用量為0.01%時，沙柱抗壓強度已達到7.69 MPa，當N,N-雙甲撐丙烯酰胺用量為0.03%時，沙柱抗壓強度更是提高至15.62 MPa， 遠遠超過國際上對固沙強度1 MPa的要求。沙柱的抗壓強度隨N,N-雙甲撐丙烯酰胺用量的增加先增大后減小，這是由于隨著N,N-雙甲撐丙烯酰胺增大，交聯密度增高，交聯點數量增多，網絡空間減小，進而提高了沙柱抗壓強度。當N,N-雙甲撐丙烯酰胺用量超過0.03%時，由于形成了較為致密的網絡結構，導致其在沙柱中分散不均勻，反而使沙柱的抗壓強度降低。

綜上所述，丙烯酸鹽-環氧樹脂固沙材料形成的沙柱抗壓強度在5.94～15.62 MPa之間，遠遠超過國際上對抗壓強度1.0 MPa的要求。

2.4 丙烯酸鹽-環氧樹脂固沙材料沙堆耐水蝕性

固沙材料抗水蝕性能是指固沙材料在沙體表面形成的固結層對水所造成的流體破壞的抵抗能力，抑制水侵蝕一直是防沙固沙工作中必須著重解決的問題。若雨水能輕易沖破固結層，則會使固結層下的沙土被水沖走，繼而需要在雨后重復噴灑進行補強，這將大大提高產品的使用成本。

表6 質量殘留率

由表6可知，首次水蝕循環后，未噴灑固沙材料的沙堆質量損失近20%，而噴灑了丙烯酸鹽-環氧樹脂固沙材料的沙堆未有質量損失。經過5次水蝕循環后，固沙材料固化后的沙堆毫無質量變化，而空白沙堆質量已損失近99.5%。水蝕循環12次后，固沙材料固化后質量殘留率仍能保持在92%以上，沙堆表面無任何水蝕破壞跡象。

2.5 丙烯酸鹽-環氧樹脂固沙材料沙堆耐風蝕性

風的作用會使土壤顆粒產生位移和沉降堆積，進而使綠地進一步加快沙漠化，因此在大風甚至強風的作用下，固結層能保持完整是固沙材料能持續起到穩定固化沙土的關鍵。

表7 質量損失率

由表7可知，當風力為7級疾風時，未固化的沙堆完全被吹散，而采用丙烯酸鹽-環氧樹脂固化的沙堆風蝕質量損失率低于0.2%，說明7級疾風對于固沙材料的固結效果幾乎無影響。當風力達到10級狂風時，沙樣質量損失率僅為1.3%，未出現明顯變化。由此可知，該丙烯酸鹽-環氧樹脂固沙材料形成的固結層具備優異的抗風蝕效果，足以抵御10級狂風。

2.6 丙烯酸鹽-環氧樹脂固沙材料固結機理研究

2.6.1 表面宏觀特性 將丙烯酸鹽-環氧樹脂固沙材料噴灑于沙土表面，固化效果見圖3。

圖3 噴灑固沙材料的沙堆表面形態

未噴灑固沙材料的沙堆表面松散，無硬殼形成。而噴灑了丙烯酸鹽-環氧樹脂固沙材料的沙堆在外表面明顯形成硬殼，將沙土表層充分潤濕并下滲至沙體內部固化形成固結層。通過與未噴灑固沙材料的沙堆比較，可以明顯看出固沙材料具有優良的固沙效果。

2.6.2 表面成分對比 圖4為沙土和采用丙烯酸鹽-環氧樹脂固沙材料固結后沙土的XRD譜圖。經過與PDF標準衍射圖譜比較，可以確定沙土里面含有SiO2,CaCO3,K(Al4Si2O9(OH)3),KAlP2O7這四相，相對含量分別為68.90%，16.66%，11.41%，3.03%，以鹽的形式存在的金屬離子，使沙土化學性質穩定，質地堅硬。對比固結前后沙土的 XRD圖譜和特征衍射峰，可以發現特征衍射峰基本重合，并未出現新的礦物衍射峰，這說明沙土經過固結后，土顆粒晶格結構沒有破壞。

圖4 沙土和固結后沙土粉樣XRD譜圖

2.6.3 表面微觀形貌 圖5顯示了噴水固化和噴灑丙烯酸鹽-環氧樹脂固沙材料后的沙堆的掃描電鏡照片。水固化后的沙土顆粒結構松散，呈無序狀態。而采用丙烯酸鹽-環氧樹脂固沙材料固結后的沙土顆粒是有序緊密交聯黏結在一起的，沙粒表面被固沙材料包裹，呈現出密集聯結甚至重疊狀態，表面未觀察到孔隙且結構高度緊湊。固結后的沙土顆粒排列有序，緊密聯結，使承載力得到大幅度提高。

圖5 沙土和固結后沙土的SEM圖

3 結論

(1)噴灑了丙烯酸鹽-環氧樹脂固沙材料的沙堆在外表面形成了硬殼，具有顯著的固沙效果。固結后的沙柱在-40～90 ℃環境下未見裂紋或崩解，沙柱抗壓強度可高至15.62 MPa。

(2)固結后的沙堆水蝕循環12次后質量殘留率仍能保持在92%以上，沙堆表面無任何水蝕破壞跡象。固沙材料具備優異的抗風蝕效果，在沙土表面噴灑丙烯酸鹽-環氧樹脂固沙材料能夠形成足以應對10級狂風的固結層。

(3)沙土經過固結后，土樣礦物的衍射峰依然存在，土顆粒晶格結構沒有破壞。固結后的沙粒表面被固沙材料包裹，沙粒間密集聯結甚至重疊，表面結構高度緊湊。