丙烯酸盐-环氧树脂固沙材料合成及性能研究

姜瑜，郭飞，孔恒，张丽丽，孙博通

(1.北京市政建设集团有限责任公司，北京 100089；2.北京高新市政工程科技有限公司，北京 100195)

沙漠化是由于气候变化和人类不合理社会活动等因素引起的土地退化现象，全球沙漠化已达到3 800 万平方千米[1]，已成为全球广泛关注的热点[2-4]。国内外固沙技术分为机械固沙[5-6]、植物固沙[7]和化学固沙[8-9]。化学固沙材料主要包括无机固沙材料、有机固沙材料和无机-有机复合固沙材料。无机固沙材料对水抵抗力较差，固化层强度较低。高吸水树脂类固沙材料具有强大的吸水保水性能，但固结后沙土强度低、环境危害性大[10-11]。有机无机复合固沙材料合成难度高，未得到广泛的应用[12]。

本文制备丙烯酸盐-环氧树脂互穿网络结构固沙材料，分析了固沙体的抗压强度、干缩性、耐温性、抗水和风蚀性，并探讨其固结机理。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

丙烯酸、氢氧化钠、N,N-双甲撑丙烯酰胺、过硫酸铵、环氧树脂6690、二乙烯三胺、硅氧烷偶联剂(KH-560)均为分析纯；采用去离子水或超纯水配制溶液。

DF-101S型磁力搅拌器;WT型电子分析天平;NDJ-8S型勃氏黏度计;Bruck ERD8 X-射线衍射仪;Hitachi-4800扫描电子显微镜。

1.2 丙烯酸盐-环氧树脂固沙材料制备

1.2.1 丙烯酸盐制备 将一定量的蒸馏水和丙烯酸加入到三口烧瓶后开启搅拌器，冰水浴下向反应瓶中添加氢氧化钠，保持反应体系的中和比为75%～100%，反应10 min后，向反应体系中继续加入氢氧化钠调节丙烯酸的中和比为100%～110%，继续反应1 h后，使中和反应产物老化，最后向反应体系中加入丙烯酸以调节丙烯酸的中和比为70%～100%。继续搅拌反应2 h后，加入去离子水调节丙烯酸盐溶液的质量分数为25%。

1.2.2 丙烯酸盐-环氧树脂固沙材料制备 丙烯酸盐-环氧树脂固沙材料分为A、B两种浆液，A、B浆液按体积比1∶1进行喷洒固结沙土。

在制备的丙烯酸盐溶液中加入适量环氧树脂6690，55 ℃下搅拌反应5 h，之后降温至室温，依次加入N,N-双甲撑丙烯酰胺、羟甲基纤维素、KH-560、二乙烯三胺和三乙醇胺反应1 h，得到固沙材料A浆液。将适量的过硫酸铵均匀混合于去离子水中，充分搅拌后配成丙烯酸盐-环氧树脂固沙材料B浆液。

1.3 丙烯酸盐-环氧树脂固沙材料性能测试

1.3.1 黏度测试 采用勃氏黏度计对丙烯酸盐-环氧树脂固沙材料浆液进行黏度分析，多次测定，求取平均值。

1.3.2 沙堆固化效果测试 将120 g的沙子在纸上堆成直径约为10 cm的沙堆，在沙堆表面按0.5 L/m2的喷洒量均匀喷洒固沙材料A和B液，室温下自然干燥后，采用400万像素数码照相机进行等倍拍照。

1.3.3 干缩性测试 采用沙柱标准件制备沙柱，初始重量为m0，之后每隔2 d测试一次沙柱的重量mt，直至恒重。每个样品测试7组求取平均值。按下式计算沙柱的干缩率：

1.3.4 耐温性测试 耐高温测试方法：将每个固化后的沙柱分别置于30,40,50,60,70,90 ℃的烘箱中，放置4 h后观测其固化层形貌和状态变化。

耐低温测试方法：将每个固化后的沙柱分别置于-10,-15,-20,-25,-30,-35 ℃的冰柜中，放置4 h后观测其固化层形貌和状态变化。

1.3.5 沙柱抗压强度 采用路面材料强度实验仪对标准沙柱压缩的全过程进行监测。压缩速度在2 mm/min 下，记录下沙柱初次出现裂痕时的抗压强度。

1.3.6 沙堆抗水蚀性 使用流量为2 mL/s的流水对沙堆表面先润湿，在从沙堆顶点以水流速1 min进行冲刷模拟实验，然后将冲刷后的沙堆放置于60 ℃ 的烘箱中烘至恒重。重复冲刷实验循环过程10次，用沙堆质量损失率来表明固沙材料的抗水蚀能力。

1.3.7 沙堆抗风蚀性 称取300 g沙堆成直径5 cm 的锥形沙堆。依次喷洒15 g A和15 g B液，在50 ℃烘箱中烘2 h。采用鼓风机模拟风洞，按照自然风级自低向高的顺序逐渐加大风速，并固定风速10 min，观察不同风级对沙堆的破坏程度，最后记录剩余沙堆的质量，即为m2。然后按下式计算样品风蚀率，取平均值。

风蚀率计算公式：

其中E——样品风蚀率,%；

300 g——吹蚀前沙样的质量，g；

m2——吹蚀后沙样的质量，g。

2 结果与讨论

2.1 丙烯酸盐-环氧树脂固沙材料黏度

固沙材料黏度较大，固结效果较好，但黏度过大，固沙材料难以下渗，从而聚集于沙层表面，降低固沙效果。表1为不同温度下丙烯酸盐-环氧树脂固沙材料密度和黏度。从表中数据可知，固沙材料浆液黏度与水接近，具有较好的渗透性。

表1 固沙材料浆液在不同温度下的密度和黏度

2.2 耐温性

表2和表3为沙柱耐高温性和耐低温性实验测试结果。

由图1和表2可知，固化后沙柱在-40～90 ℃环境下仍能保持良好状态，未见裂纹或崩解。说明丙烯酸盐-环氧树脂固沙材料在-40～90 ℃环境下能保持良好的固沙效果。

表2 固化层耐高温性

表3 固化层耐低温性

图1 标准沙柱在30，90，-10，-40 ℃的形态照片

2.3 丙烯酸盐-环氧树脂固沙材料沙柱抗压强度

图2为标准沙柱抗压强度测试照片。环氧树脂与丙烯酸盐共聚物在固化剂和交联剂的作用下形成互穿网络交联结构，进而大大提高沙柱力学性能。因此，考察丙烯酸盐与环氧树脂配比、交联剂用量对沙柱抗压强度的影响。

图2 抗压强度测试

固定丙烯酸盐、羟甲基纤维素、N,N-双甲撑丙烯酰胺和硅氧烷偶联剂的用量分别为0.3%，1.5%，0.03%，0.1%，通过改变丙烯酸盐与环氧树脂配比来考察沙柱抗压强度，测试结果见表4。

沙柱抗压强度随着丙烯酸盐与环氧树脂配比减小出现先增后减的趋势，这是因为当丙烯酸盐与环氧树脂配比较小时，丙烯酸盐用量相对较少，产生的自由基浓度较低，致使交联聚合反应不完全，产率低。随着丙烯酸盐与环氧树脂配比增大，丙烯酸盐用量相对增大，虽然活性自由基增多，但交联结构中聚丙烯酸盐结构占比较大，从而降低了沙柱的抗压强度。

表4 丙烯酸盐与环氧树脂不同配比对沙柱抗压强度的影响

固定丙烯酸盐、羟甲基纤维素硅氧烷偶联剂的用量分别为0.3%,1.5%和0.1%，丙烯酸盐与环氧树脂配比为2∶1，通过改变交联剂N,N-双甲撑丙烯酰胺用量来考察沙柱抗压强度，测试结果见表5。

表5 N,N-双甲撑丙烯酰胺用量对沙柱抗压强度的影响

N,N-双甲撑丙烯酰胺用量为0.01%时，沙柱抗压强度已达到7.69 MPa，当N,N-双甲撑丙烯酰胺用量为0.03%时，沙柱抗压强度更是提高至15.62 MPa， 远远超过国际上对固沙强度1 MPa的要求。沙柱的抗压强度随N,N-双甲撑丙烯酰胺用量的增加先增大后减小，这是由于随着N,N-双甲撑丙烯酰胺增大，交联密度增高，交联点数量增多，网络空间减小，进而提高了沙柱抗压强度。当N,N-双甲撑丙烯酰胺用量超过0.03%时，由于形成了较为致密的网络结构，导致其在沙柱中分散不均匀，反而使沙柱的抗压强度降低。

综上所述，丙烯酸盐-环氧树脂固沙材料形成的沙柱抗压强度在5.94～15.62 MPa之间，远远超过国际上对抗压强度1.0 MPa的要求。

2.4 丙烯酸盐-环氧树脂固沙材料沙堆耐水蚀性

固沙材料抗水蚀性能是指固沙材料在沙体表面形成的固结层对水所造成的流体破坏的抵抗能力，抑制水侵蚀一直是防沙固沙工作中必须着重解决的问题。若雨水能轻易冲破固结层，则会使固结层下的沙土被水冲走，继而需要在雨后重复喷洒进行补强，这将大大提高产品的使用成本。

表6 质量残留率

由表6可知，首次水蚀循环后，未喷洒固沙材料的沙堆质量损失近20%，而喷洒了丙烯酸盐-环氧树脂固沙材料的沙堆未有质量损失。经过5次水蚀循环后，固沙材料固化后的沙堆毫无质量变化，而空白沙堆质量已损失近99.5%。水蚀循环12次后，固沙材料固化后质量残留率仍能保持在92%以上，沙堆表面无任何水蚀破坏迹象。

2.5 丙烯酸盐-环氧树脂固沙材料沙堆耐风蚀性

风的作用会使土壤颗粒产生位移和沉降堆积，进而使绿地进一步加快沙漠化，因此在大风甚至强风的作用下，固结层能保持完整是固沙材料能持续起到稳定固化沙土的关键。

表7 质量损失率

由表7可知，当风力为7级疾风时，未固化的沙堆完全被吹散，而采用丙烯酸盐-环氧树脂固化的沙堆风蚀质量损失率低于0.2%，说明7级疾风对于固沙材料的固结效果几乎无影响。当风力达到10级狂风时，沙样质量损失率仅为1.3%，未出现明显变化。由此可知，该丙烯酸盐-环氧树脂固沙材料形成的固结层具备优异的抗风蚀效果，足以抵御10级狂风。

2.6 丙烯酸盐-环氧树脂固沙材料固结机理研究

2.6.1 表面宏观特性 将丙烯酸盐-环氧树脂固沙材料喷洒于沙土表面，固化效果见图3。

图3 喷洒固沙材料的沙堆表面形态

未喷洒固沙材料的沙堆表面松散，无硬壳形成。而喷洒了丙烯酸盐-环氧树脂固沙材料的沙堆在外表面明显形成硬壳，将沙土表层充分润湿并下渗至沙体内部固化形成固结层。通过与未喷洒固沙材料的沙堆比较，可以明显看出固沙材料具有优良的固沙效果。

2.6.2 表面成分对比 图4为沙土和采用丙烯酸盐-环氧树脂固沙材料固结后沙土的XRD谱图。经过与PDF标准衍射图谱比较，可以确定沙土里面含有SiO2,CaCO3,K(Al4Si2O9(OH)3),KAlP2O7这四相，相对含量分别为68.90%，16.66%，11.41%，3.03%，以盐的形式存在的金属离子，使沙土化学性质稳定，质地坚硬。对比固结前后沙土的 XRD图谱和特征衍射峰，可以发现特征衍射峰基本重合，并未出现新的矿物衍射峰，这说明沙土经过固结后，土颗粒晶格结构没有破坏。

图4 沙土和固结后沙土粉样XRD谱图

2.6.3 表面微观形貌 图5显示了喷水固化和喷洒丙烯酸盐-环氧树脂固沙材料后的沙堆的扫描电镜照片。水固化后的沙土颗粒结构松散，呈无序状态。而采用丙烯酸盐-环氧树脂固沙材料固结后的沙土颗粒是有序紧密交联黏结在一起的，沙粒表面被固沙材料包裹，呈现出密集联结甚至重叠状态，表面未观察到孔隙且结构高度紧凑。固结后的沙土颗粒排列有序，紧密联结，使承载力得到大幅度提高。

图5 沙土和固结后沙土的SEM图

3 结论

(1)喷洒了丙烯酸盐-环氧树脂固沙材料的沙堆在外表面形成了硬壳，具有显著的固沙效果。固结后的沙柱在-40～90 ℃环境下未见裂纹或崩解，沙柱抗压强度可高至15.62 MPa。

(2)固结后的沙堆水蚀循环12次后质量残留率仍能保持在92%以上，沙堆表面无任何水蚀破坏迹象。固沙材料具备优异的抗风蚀效果，在沙土表面喷洒丙烯酸盐-环氧树脂固沙材料能够形成足以应对10级狂风的固结层。

(3)沙土经过固结后，土样矿物的衍射峰依然存在，土颗粒晶格结构没有破坏。固结后的沙粒表面被固沙材料包裹，沙粒间密集联结甚至重叠，表面结构高度紧凑。