Опыт работы с полистиролом и изделиями на его основе по­казывает, что без специальных мер экологической защиты прак­тически невозможно обеспечить стопроцентную безопасность применения полистиролбетонных изделий и конструкций для жи­лищного и культурно-бытового строительства. Во ВНИИжелезобетоне были проведены исследо­вания по решению указанной проблемы с привлечением ана­литических расчетов и современ­ных методов, оперативного физи­ко-химического анализа.

Рассмотрены уравнения массо- и теплопереноса в капилляр­но-пористых телах для полистирольного заполнителя, внутри которого находятся вредные ве­щества, связанные каким-то об­разом с телом полимера. Харак­терной особенностью массо- и теплообмена в капиллярно-пори­стых телах является частичное заполнение конденсированной влагой пор и капилляров полистирольной матрицы, а осталь­ной части - парогазовой смесью. Количество влаги в про­цессе масссообмена с окружаю­щей средой постоянно меняется, что было учтено при выводе ана­литических уравнений в виде градиента изменения плотности диффузионного потока вредных примесей. В общем случае диф­ференциальное уравнение тепло-
и массопереноса показано А.В. Лыковым.

      Успешное решение системы уравнений А.В. Лыкова предпо­лагает наличие достоверных данных о количественных характе­ристиках входящих в них соответствующих параметров, каж­дый из которых сам по себе находится в функциональной зависимости от температуры сре­ды, фильтрационного потенциала и концентрации вещества в теле полимерной матрицы. Но наибо­лее затруднительным для экспе­риментальных исследований яв­ляется установление коэффици­ентов диффузии вещества
из-за ничтожно малых его концентра­ций и массовых потоков.

В самом деле, для величины предельно допустимой концент­рации (ПДК) свободного стирола в воздухе на уровне 0,002 мг/м3 при среднем коэффициенте на­сыщенности 1,2 м/м3 и толщи­не ограждающей конструкции из полистиролбетона 0,33 м и его плотности 350 кг/м3 массовая доля изменения веса изделия для указанных геометрических его размеров на величину ПДК по веществу составляет всего лишь 1,4 10-9%.

        В данной работе предпринята попытка разработать научно- прикладные методы расчета
эф­фективного коэффициента диф­фузии, используя общеизвестные приемы аналогий, критериаль­ных подобий и моделирования. Опыты проводили на образцах- кубах из полистиролбетона с ре­бром 10 см к коэффициентом объемного заполнения по поли­стиролу на уровне 1,1 м3 поли­стирола на 1 м3 бетона. По ре­зультатам исследований были рассчитаны соответствующие эф­фективные коэффициенты диф­фузии, которые были положены в основу последующего анализа математических уравнений. Ре­зультаты исследований приведе­ны в таблице 1.

Для конкретных условий си­стема уравнений тепломассооб­мена А.В. Лыкова была транс­формирована и методически рас­смотрена в виду двух математических моделей - линейной и степенной. Используя получен­ные уравнения, была рассчитана и предварительно оценена сте­пень экологической безопасности не только полистиролбетонных изделий, но и жилых помеще­ний. Каждая модель предполага­ет наличие экспериментальных данных по Коэффициенту диф­фузии, геометрическим размерам помещения, характеристическо­му размеру полистиролбетонных элементов и остаточному стиро­лу в исходном полистирольном сырье.

В таблице 2  приведены данные конкретного расчета количест­венного содержания в воздухе свободного стирола за счет диф­фузионной его эмиссии из полистиролбетонного образца в воз­душную среду при условии по­стоянства потоков (массовых) ве­щества.

Как следует из данных таблицы 2, с увеличением коэффи­циента насыщенности количест­во свободного стирола, выделен­ного в воздушную среду из полистиролбетенного образца, за­кономерно увеличивается. При Косл = 1 И Кнас =0.5 уровень расчетного выделения свободного стирола при 20 Со достигает 0,00245 мг/м3 из полистиролбетонного образца по линейной мо­дели, а при насыщенности, рав­ной 3, эта величина возрастает до 0,0147 мг/м3.

Увеличение коэффициента ослабления Косл приводит к за­кономерному снижению уровня выделения вредных примесей из полистиролбетонного образца за счет применения специальных мер экологической защиты. Если при Косл =1 и Кнас =0.5  м2/м3 концентрация свободного стиро­ла несколько превышает ПДК, то при Косл=5 содержание сво­бодного стирола, при прочих равных условиях, становится в 4 раза меньше ПДК.

В таблице 3 приведены резуль­таты аналитического расчета ко­личественного выделения свобод­ного стирола с применением сте­пенной математической модели. При этом предполагалось, что движущая сила процесса массообмена, определяемая разностью концентраций свободного стиро­ла внутри изделия и в пригра­ничном слое материал- воздух, не является постоянной величи­ной. Это условие нами было учтено соответствующей коррективкой эффективного коэффициента диффузии.

Сопоставительный анализ данных таблицы 2 и 3 показывает, что количество выделенного в атмосферу свободного стирола, рассчитанное по линейной модели, примерно в 5,5 раз больше, чем рассчитанное по степенной модели.
Экспериментальные исследования, проведенные институтом совместно с Государственным ко­митетом по санитарно-эпидемио­логическому надзору, показали, что реальный процесс массообмена осуществляется по промежуточной модели, лежащей внутри исследованной области и
расположенной ближе к линей­ной модели. Эти результаты бы­ли положены в основу разработ­ки специальных мер экологиче­ской защиты до обеспечению экологической безопасности из­готовления и применения полистиролбетонных изделий и кон­струкций в жилищном строи­тельстве.

             Степень экологической за­щиты выбирали на основании тщательных исследований физи­ко-химических свойств полистирольного сырья и физико- механических свойств бетона, а так­же с учетом данных хроматог­рафическою анализа по содержанию свободного стирола в исходном полистирольном  би­сере и в готовом полистирольном заполнителе. Принципиальная схема рекомендуемых способов экологической защиты приведена в таблице 4. Как следует из приведенных данных, тип экологи­ческой защиты и число защит­ных мероприятий зависит глав­ным образом от марки исходного полистирольного бисера и кон­центрации свободного стирола в исходном сырье.

                  Суть диффузионных способов экологической защиты сводится к механохимическому удалению свободного стирола из полистирольного заполнителя, в то время как механизм химической детоксикации полистирольных гранул бетонной смеси и готовых изделий рассчитан на связывание и капсулирование остаточного стирола в теле бетона с целью снижения его миграционной спо­собности.

             Устойчивое снижение уровня вредных выделений в воздушную среду в объеме воздуха жилых зданий и помещений с примене­нием полистиролбетона гаранти­ровано в широком диапазоне из­менения технологических пара­метров и достигается за счет указанных мероприятий, регла­ментируемых специальной тех­нологической инструкцией "Ком­плекс мероприятий по обеспе­чению экологической безопас­ности изготовления и при­менения железобетонных изде­лий и конструкций в жилищном строительстве.

Инструкция содержит нор­мативные требования по выбору исходного сырья, режимов его вспенивания и термообработки полистирольных гранул по химической детоксикации поли- стирольного заполнителя и полистирольной смеси, а также содержит указания по способам экологической защиты готовых изделий и конструкций с приме­нением полистиролбетона.

(с) В.А. РАХМАНОВ, А.И. КОЗЛОВСКИЙ, кандидаты техн. наук, А.В. ВАРЛАМОВА, инж.