Об экологической безопасности применена полистиролбетона в строительстве
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.
Вещество |
Температура, °С |
Эффективный коэффициент диффузии, |
Вода |
20 |
1,51 |
40 |
1,57 |
|
60 |
1,85 |
|
Стирол |
20 |
1,63 |
40 |
1 ,72 |
|
Толуол |
20 |
1,69 |
40 |
1,78 |
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.
K осл |
Количество выделенного свободного стирола в единице объема воздуха |
|||||||
0,5 |
1,0 |
1,5 |
1,7 |
2,0 |
2,5 |
2,7 |
3,0 |
|
1 |
2,45 |
4,89 |
7,83 |
8,31 |
9,78 |
12,22 |
13,20 |
14,67 |
1,5 |
1,63 |
3,26 |
4,88 |
5,54 |
6,52 |
8,61 |
8,80 |
9,78 |
2,0 |
1,22 |
2,45 |
3,66 |
4,10 |
4,89 |
6,11 |
6,60 |
7,33 |
2,5 |
0,98 |
1,95 |
2,93 |
3,32 |
3,91 |
4,88 |
5,28 |
5,91 |
3,0 |
0,81 |
1,63 |
2,44 |
2,77 |
3,26 |
4,07 |
4,40 |
4,89 |
5,0 |
0,49 |
0,93 |
1,46 |
1,66 |
1,95 |
2,44 |
2,64 |
2,93 |
10,0 |
0,245 |
0,489 |
0,733 |
0,831 |
0,978 |
1,22 |
1,32 |
1,46 |
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.
K осл |
Количество выделенного свободного стирола в единице объема воздуха |
|||||||
0,5 |
1,0 |
1,5 |
1,7 |
2,0 |
2,5 |
2,7 |
3,0 |
|
1 |
0,44 |
0,88 |
1,3 |
1,5 |
1,77 |
2,21 |
2,39 |
2,65 |
1,5 |
0,29 |
0.57 |
0,89 |
1,00 |
1,18 |
1,47 |
1,59 |
1,77 |
2,0 |
0,22 |
0,44 |
0,66 |
0,75 |
0.88 |
1,10 |
1,19 |
1,32 |
2,5 |
0,17 |
0,35 |
0,53 |
0,60 |
6,71 |
0,88 |
0,95 |
1,06 |
3,0 |
0,14 |
0,29 |
0,44 |
0,50 |
0,59 |
0,73 |
0,79 |
0,88 |
5,0 |
0,08 |
0,17 |
0,26 |
0,30 |
0,35 |
0,44 |
0,47 |
0,53 |
10 |
0,04 |
0,09 |
0,13 |
0,15 |
0,18 |
0,22 |
0,24 |
0,2 |
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.
Тип полистирольного
|
Исходная концентрация |
Рекомендуемые способы экологической защиты |
Содержание вредных примесей |
||||
Диффузионная обработка |
Химическая детоксикация |
||||||
циклическая |
непрерывная |
заполнителя |
бетона |
изделий |
|||
Нерассеянный
|
0,2—0,1 |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
<ПДК |
0,09-0,055 |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
<ПДК |
|
0,054—0,025 |
+ |
+ |
+ |
+ |
— |
<ПДК |
|
Менее 0,024 |
+ |
— |
+ |
+ |
— |
<ПДК |
|
Нерассеянный |
0,2—1 |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
<ПДК |
0,09—0,055 |
+ |
+ |
— |
+ |
— |
<ПДК |
|
0,054—0,025 |
+ |
— |
+ |
+ |
— |
<ПДК |
|
Менее 0,024 |
+ |
— |
— |
+ |
— |
<ПДК |
|
Рассеянный
|
0,2 – 0,1 |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
<ПДК |
0,09—0,055 |
+ |
— |
— |
+ |
+ |
<ПДК |
|
0,054-0,025 |
+ |
— |
— |
+ |
— |
<ПДК |
|
Менее 0,024: |
+ |
— |
— |
— |
— |
<ПДК |
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.