加速粉尘凝聚减少爆破拆除扬尘的理论与实践.pdf

第 2 2卷第4期 2 0 0 5年 1 2月 爆破 B LAS TI NG V 0 1 ． 2 2 No ． 4 D e c ． 2 0 0 5 文章编号 1 0 0 1 4 8 7 X 2 0 0 5 0 4 0 0 1 4 04 加速粉尘凝聚减少爆破拆除扬尘的理论与实践 李 战 军 ， 田 运生 ， 郑 炳 旭 ， 汪 旭 光 1 ． 北京科技大学土木与环境工程学院， 北京 1 0 0 0 8 3 ； 2 ．广东省宏大爆破工程公司， 广州 5 1 0 0 5 5 ； 3 ．北京矿业研究总院， 北京 1 0 0 0 4 4 摘要 通过对 尘粒起 动风速与 尘粒粒径之间关 系的研 究， 认为 可以通过加速粉 尘颗粒凝 聚 ， 从 而生成 大 尘粒的办法来减少爆破拆除中的扬尘。通过对尘粒间物理凝聚力的大小及其生成条件的研究， 发现在干燥 情况下促使尘粒凝聚的主导作用力是范德华力； 在湿润条件下促使尘粒凝聚的主导作用力是液体桥联力， 并 且液体桥联力比范德华力要大得多。因而认为用物理方法创造液体桥联力发挥作用的条件 ， 生成大而牢固 的尘粒， 减少爆破拆除中的扬尘是合适的。通过对尘粒间化学作用力的研究， 认为用化学方法增大尘粒间的 凝聚力， 减少爆破拆除中的扬尘是可行的和重要的。用现场实践数据支持了上述结论。 关键词 降尘； 粉尘凝聚； 扬尘； 爆破拆除 中图分类号 T D 2 3 5 ． 1 文献标识码 A Th e o r y a n d App l i c a t i o n o f Du s t S u p p r e s s i o n i n Bl a s t i n g De m o l i t i o n b y Fa c i l i t a t i n g Du s t - p a r t i c l e Co he s i o n L ／ Z h a n -j u n ， T I A N Y u n ． s h e n g ， Z H E N G B i n g ． M 。 W A N G X u ． g u a n g 1 ． C i v i l a n d E n v i r o n me n t E n g i n e e r i n g S c h o o l 。 U S T B。 B e i j i n g 1 0 0 0 8 3 。 C h i n a ； 2 ． Ho n g d a B l a s t i n g E n g i n e e r i n g C o o f Gu a n g d o n g P r o v i n c e。Gu a n g z h o u 5 1 0 0 5 5。C h i n a； 3 ．B e i j i n g G e n e r a l R e s e a r c h I n s t i t u t e o f M i n i n g a n d Me t a l l u r g y l B e ij i n g 1 0 0 0 4 4 。 C h i n a Abs t r a c t Ba s e d o n a n a l y z i n g t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e d u s t s i z e an d t h e s t a r t i n g w i n d v e l o c i t y-t h e c o n c l u ． s i o n i s d r a w n t h a t fl y i n g d u s t i n d u c e d b y b l a s t i n g d e mo l i t i o n C an b e r e d u c e d b y e n l a r g i n g t h e d u s t - p a r t i c l e s i z e ． T h r o u g h a n aly z i n g o f t h e p h y s i c al c o h e s i v e f o r c e s an d t h e i r o c c u r r i n g c o n d i t i o n s a mo n g d u s t p a r t i c l e s ，i t i s f o u n d t h a t t h e ma i n a c t i n g force am o n g d u s t p a r t i c l e s i s t h e Va n d e r wa als force u n d e r t h e d r y i n g c o n d i t i o n an d t h e l i q u i d -- b r i d g -- i n g force und e r t h e we t t i n g c o n d i t i o n，a n d t h e l a t t e r i s r a t h e r s t r o n g e r t h a n t h e f o r me r ．I t i s b e l i e v e d e t h a t f a c i l i t a t i n g d u s t - p a r t i c l e c o h e ri n g for e nla r g i n g d u s t - p a r t i c l e s i z e b y p h y s i c al me tho d s i s r a t i o n al i n o r d e r t o r e d u c e b l a s t i n g d e m- o l i t i o n d u s t ．F u rt h e r ，t h e f e a s i b i l i t y a n d i mp o rt anc e o f d u s t s u p p r e s s i o n b y c h e mi c al me asu r e s t o s t ren g t h e n c o h e s i v e f o r c e am o n g d u s t p a rti c l e s are e mp h asi z e d i n b l ast i n g d e mo l i t i o n ．T h e c o n c l u s i o n s a b o v e a I e v e rifi e d b y e x p e ri me n t al d a t a i n s i t u． Ke y wo r d sd u s t s u p p res s i o n ；d u s t c o h e s i o n； fl a y i n g d u s t ；b l a s t i n g d e mo l i t i o n 一． ▲ 上 ．- J L 。 1 刖 置 为减少爆破拆除时的扬尘， 近年来， 人们想了许 收稿 日期 2 o o 5一 o 9 2 0 ． 作者简介 李战军 1 9 6 3一 ， 男 ； 北 京 北 京科技 大学 博士生． 广 州 广东省宏 大爆破 工程公 司高工． 多办法 ， 收到了一些成效。但 由于人们对粉尘 的凝 聚机理等缺乏认识， 使爆破拆除的粉尘治理工作一 直在方法粗放 、 手段单一的低水平上徘徊 ， 也难免出 现投人大 、 收效不理想 的结果。为此 ， 就利用粉尘凝 结机理降低爆破拆除粉尘问题进行一些探讨。 维普资讯 第2 2 卷第4期 李战军等加速粉尘凝聚减少爆破拆除扬尘的理论与实践 2 尘粒粒径影响尘粒的起动风速 1 理论 J 尘粒的粒径与其扬尘风速之间有一 定关系， 根据风沙动力学有关理论 ， 起动风速和尘粒 粒径的平方根成正比。这种比例关系在一定范围内 成立， 且已得到反复的证实。 2 实验结论 J 我国科研工作者在新疆塔里木 盆地布古里沙漠地 区， 用染色沙进行多次实验观测， 得出了表 1所示结果。 表1 砂粒粒径与起动风速的关系 Ta b 1 Re l at i o ns h i p b e t we en s a nd s i z e s a nd t h e i r s t ar t i ng v e l oc i t y 砂粒粒径／ m m 起动风速／ m s 0． 1 0～0． 2 5 0． 2 5～0． 5 0 0 ． 5 01 ． o o 1 ． 0 4． 0 5 ． 6 6． 7 7． 1 由表 1 的数据可以看出， 沙粒的粒径越大， 所需 的扬起风速越大。综合理论与实验两方面的结论， 可以通过促使尘粒凝聚， 增大尘粒粒径， 增加其起动 风速的办法， 减少扬尘。 3 尘粒间的物理凝聚力 粉体力学研究证明， 集聚在一起的固体颗粒间 有各种各样的吸引力， 在促进颗粒集聚方面最基本 的是以下几种作用力。 3 ． 1 尘粒间的分子作用力范德华力 I4 1 范德华力 范德华力由原子核周围的电子云 涨落引起， 是一种短程力， 但其作用范围大于化学键 力 。 2 作用范围 分子作用力是吸力， 并与分子间 距的7次方成反比， 故作用距离极短 1 a m ， 是典 型的短程力。但是由极大量分子组成的集合体构成 的体系， 随着颗粒间距离的增大， 其分子作用力的衰 减程度则明显变缓， 颗粒间的分子作用力的有限间 距可达5 0 a m， 这是因为存在着多个分子的综合相 互作用之故。因此在多个分子综合作用下范德华力 又成为长程力。 3 ． 2 静电作用力【 5 l 6 1 产生条件 空气中颗粒的荷电途径有三 颗 粒在其生产过程中荷电， 例如在干法研磨中颗粒靠 表面摩擦而带电； 与荷电表面接触可使颗粒接触荷 电； 气态粒子的扩散作用使颗粒带 电。 颗粒获得的最大电荷受限于周围介质的击穿强 度， 在干空气中， 约为 1 ． 7 1 0 电子／ c m ， 但实际观 测的数值要低得多。气体中粒子间静电吸引力主要 有以下2 种表现形式。 2 接触电位差引起的静 电引力及其大小。颗 粒与其它物体接触时颗粒表面电荷等电量的吸引对 方等电量的异号电荷， 使物体表面出现剩余电荷， 从 而产生接触电位差。接触电位差引起的静电吸力 F 可通过下式计算 F 4 1 T g ／ s 1 式中， q 为实测单位电量， C ； s 为接触面积， c m 。 用直径为4 0 6 0 m的玻璃球做实验， 测得它 黏附油漆板时 q 1 ． 91 0 C ； s 2 1 0 。 c m ， 静电力 F 1 1 0 N 。 可见 由接触 电位引起的静 电作用力是很小的。 3 由镜像力产生的静电引力及其大小。镜像 力实际上是一种电荷感应力。其大小由式 2 确定 F j Q ／ z 2 式中， 为镜像力， N ； Q为颗粒电荷， C ； Z 为电荷中 心距离， m。 对于粒径为 1 0 m的各类颗粒 如白垩， 煤烟， 石英， 粮食及木屑等 的测量表明， 颗粒在空气中的 电荷约在 6 0 01 1 0 0单位范围之内。据此可 以计 算得镜像力为 2 3 1 0 N 。 因此， 在一般情况下， 颗粒与物体间的镜像力可 以忽略不计。 3 ． 3 液体桥联力 ，。 】 1 粉体与固体或者粉体颗粒相互间的接触部 分或者间隙部分存在液体时， 称为液体桥。由液体 桥曲面产生的毛细压力及表面张力引起的尘粒间附 着力称为液体侨联力。 2 产生条件 由于蒸汽压的不同和颗粒表面不 饱和力场的作用， 大气中的水会凝结或吸附在粒子 表面， 形成了水化膜。其厚度视粒子表面的亲水程 度和空气的湿度而定。亲水性越强， 湿度越大， 则水 膜越厚。当表面水多到粒子接触处形成透镜形状或 环状的液相时， 开始产生液桥力， 加速颗粒的聚集。 当空气的相对湿度超过 6 5 ％时， 水蒸气开始在 颗粒表面及颗粒间聚集， 颗粒间因形成了液桥而大 大增强了粘结力。 4 尘粒间物理凝聚力的大小比较 1 研究表明， 颗粒间的上述 3种力都有促进颗 维普资讯 1 6 爆破 2 0 0 5年 1 2月 粒相互吸引， 吸附并凝聚成大颗粒的作用 。且它们 的大小都随颗粒半径的增大呈线性增大关系。 在干燥尘粒流和湿润尘粒流中起主导作用的颗 粒问作用力是不 同的。在干燥情况下， 尘粒间不存 在液桥力， 起主导作用的是范德华力。在湿润情况 下， 液桥力起主导作用， 并且液桥力比静电力和范德 华力要大的多 9 J 。 表 2 】。 。 是在一定的假设情况下， 对尘粒间4种 粒径尘粒液桥力 、 范德华力 、 静电力与其 自身重量的 量级分析结果。 表2 尘粒间液桥力、 范德华力、 静电力与其自身重量的量级比较 Ta b l e 2 Li q u i d b r i d g i n g f o r c e ，Va n d e r wa a l s f o r c e a n d de c t r o s t a t i c f o r c e a mo n g p a r ti c l e s v e r s u s p a r t i c l e g r a v i t y 从表2中可以看出， 液桥力均比静电力、 范德华 力大 l O 以上。因此， 液桥力的产生， 将促进尘粒间 的凝聚， 使小尘粒积聚成大尘粒。同时由于液桥力 较大， 通过液桥力粘结起来的粉尘的起动风力大大 增强， 与干燥尘粒相比， 不易被扬起。 2 实验研究⋯J 在实验室中， 对不同含水率的 沙层进行起动风速风洞实验研究， 试验结果 表 3 显示起动风速随沙子湿度的增 加而明显增大 ， 同时 也说明， 液桥力的确能在减少扬尘方面扮演重要角 色。 表3 沙子含水率对起动风速的影响 Ta b l e 3 Re l a ti o n s h i p b e t we e n s a n d wa t e r c o n ten t a n d i t s s t a r t i n g v elo c i t y 粒径／ mm 起 动 风 、速／ m s 2 ． 01 ． O 9 ． 9 O ． 5． ． O ． 2 O ． 2． ． O ． 1 O ． 1一 O ． 0 5 含水率／ ％ 0 ． 3 1 5 ． 1 2 3 ． 5 6 ． 7 8 ． 4 1 0 ． 1 l 1 ． 9 1 4 ． 2 1 5 ． 9 1 7 ． 5 1 8 ． 9 5 ． 2 8 ． 1 9 ． 8 l 1 ． 3 1 3 ． 7 1 5 ． 1 1 6 ． 6 1 7 ． 8 9 ． 4 1 4 ． 2 0 ． 5 1 ． 0 1 ． 5 2 ． 0 3 ． 0 4 ． 0 5 ． 0 6 ． 0 5 颗粒间的化学凝聚力 1 理论 引 由于化学反应、 烧结、 熔触和再结晶 而产生的固体桥联力是很强的结合力。固体桥联力 也是颗粒聚集的重要因素， 但通常难以计算， 而是靠 实验测得 。 2 实验研究 用 0 ． 8 ％ 的成膜剂 、 2 ％的天然多 糖高分子化合物、 2 ％的吸湿剂和 0 ． 1 ％的表面活性 剂与水混合制成黏结式抑尘剂。此种抑尘剂喷洒到 散体物料上后， 在空气蒸发和化学反应共同作用下 能将散体板结起来 ， 使散体问的结合力大大增强， 散 体间的牢固结合力能使散体在强风作用下不被扬 起 。 分别在装有沙土介质的培养皿上洒上黏结式抑 尘剂溶液和清水， 待干燥后用医用天平称样品的质 量， 做沙土抗风吹试验。实验时， 将培养皿放置在离 心风机出风 口， 用数字风速仪测定风速 。在培养皿 中心风速达到 8 m ／ s时， 连续吹风 1 0 m i n ， 然后测定 样品的损失量 ， 结果见表 4 。 表 4 化学作用力的实验研究 T a b l e 4 Co mp a r i s o n b e t we e n c h e mi c a l a c t i n g f o r c e a n d p h y s i c a l a c tin g f o r c e 从表 4中数据可 以看出， 黏结式抑尘剂与沙子 起化学反应后形成的新物质足可以抵抗 8 m ／ s 的强 风吹， 而保证物料不被扬起。而由洒水形成的物理 力结合体 沙团 ， 在同样的风力作用下被吹走了 2 1 ． 9 ％， 可见化学作用力的强大。 6 实际应用 根据上述理论 ， 广东宏大爆破工程有限公司在 爆破拆除广州市某机关 3 号楼时进行了大胆的降尘 尝试。广东宏大在爆破拆除时所采用的主要降尘措 施有 爆破前对建筑物的所有部分进行充分的洒水、 浸水， 充分发挥物理凝聚力的作用。在采用物理方 法降尘的基础上， 还首次采用化学方法增强降尘效 果。采用的主要化学降尘方法有 往建筑上洒化学 保湿剂， 减少水分的蒸发， 节约用水； 在建筑周围和 建筑上的积尘上面洒化学黏尘 、 板结剂 固结小粉尘 ， 增大积尘的起动风速； 在建筑的倒塌场地、 露面和楼 房天面上砌筑水池， 在水池中加人化学物品制造泡 维普资讯 第 2 2卷第4期 李战军等加速粉尘凝聚减少爆破拆除扬尘的理论与实践 1 7 沫液 ， 运用泡沫粘结建筑倒 塌解 体 时产生 的粉尘 。 这些物理和化学降尘方法的综合运用， 收到了良好 的效果 。 2 0 0 5年 1月 2 0日 1 8时该楼所装炸药被引爆 ， 只见各楼层水池中和倒塌场地上储水池中的含有泡 沫粘尘剂的水在建筑残骸的冲击下迅速起泡； 楼顶 水池中的含有泡沫的水在被高速摔下 的时候形成片 片白沫。这些泡沫迅速吸附了建筑解体时产生的少 量灰尘， 爆破部位产生的爆尘也被泡沫吸收， 整个爆 破过程清晰可见 ， 不见烟尘滚滚 。爆后 2 m i n ， 整个 爆破现场恢复平静 ， 周围花草上一尘不染 ； 距爆破现 场只有6 m的柏油马路和其路边的白色灯罩上也不 见灰尘。经广东省广州市环保监测中心现场测定此 次爆破产尘量为上风侧4 7 m处 0 ． 3 5 4 m g ／ m ； 下风 侧4 6 m处 1 ． 6 5 m g ／ m 均为 3 0 m i n内平均 。 7 结 语 由上述分析可以得出以下结论 a ． 尘粒聚集体的直径越大越不易被风扬起。 b ． 在不对尘粒进行化学处理、 干燥情况下， 促使 尘粒凝聚的主作用力是尘粒间的范德华力； 在湿润 情况下， 液桥力是促使尘粒凝聚的主作用力， 并且液 桥力比静电力和范德华力要大的多。在爆破拆除时 若能加速尘粒的凝聚， 从而生成大量的大尘粒， 定能 达到降低扬尘目的。目前各家爆破公司在进行爆破 拆除所采用的洒水降尘法就是利用尘粒间的液桥力 来促使小尘颗粒凝聚成大颗粒， 并利用尘粒间的液 桥力远大于范德华力这一特性来减少粉尘被风流扬 起的可能。实践证明， 洒水降尘具有显著效果。 C ． 颗粒间的化学作用力固体桥联力在促使 尘粒凝聚方面也能发挥重要的作用。除了利用尘粒 间的物理作用力， 加速尘粒凝聚来达到降尘目的外， 也可以利用尘粒间的化学作用力 固桥力 来降低 爆破拆除时的扬尘问题。相信物理和化学降尘方法 的综合应用， 将会改写爆破拆除时浓烟滚滚的历史。 参考文献 [ 1 ] 李战军， 郑炳旭．尘粒起动机理的初步研究[ J ] ．爆 破 ， 2 0 0 3 ， 2 0 4 1 7 2 3 ． [ 1 ] L i Z h a n j u n ， Z h e n g B i n g x u ．M e c h a n i s m o f t h e M o v e m e nt o f D u s t P a r t i c l e s [ J ] ． B l a s t i n g ， 2 0 0 3 ， 2 0 4 1 7～2 3 ． [ 2 ] 张洪江． 土壤侵蚀原理[ M] ．北京 中国林业 出版社， 2 0 0 0． [ 2] Z h a n g H o n g j i a n g ． S o i l E r o s i o n P r i n c i p l e s [ M] ． B e r i n g C h i n a F o r e s t r y P u b l i s h i n g Ho u s e ， 2 0 0 0 ． [ 3 ] 卢寿慈．粉体加工技术[ M] ． 北京 中国轻工业 出版 社 ， 2 0 0 3 ． [ 3 ] L u S h o u c i ． P o w d e r P r o c e s s i n g T e c h n o l o g y [ M] ． B e ij i n g Ch i n a L i g h t i n d u s t ry P r e s s ， 2 0 0 3 ． [ 4 ] 李战军， 汪旭光， 郑炳旭． 水预湿被爆体降低爆破粉尘 机理研究[ J ] ． 爆破， 2 0 0 4 ， 2 1 3 2 1 ～ 3 9 ． [ 4 ] L i Z h a n j u n ， Wa n g X u g u a n g ， Z h e n g B i n g x u ． Me c h a n i s m o f B l a s t i n g Du s t C o n t r o l b y P r e w e t t i n g De mo l i s h e d B u i l d i n g s [ J ] ． B l a s t i n g ， 2 0 0 4 ， 2 1 3 2 1 ～ 3 9 ． 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