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, мг/(м3-°С) х 102 |
|---|---|---|
| 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.
| К | Количество выделенного свободного стирола в единице объема воздуха (в мг/м3 103) для насыщенности (в м2/м3) | - | - | - | - | - | - | - |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| - | 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 (в мг/м3 103) для коэффициента насыщенности (в м2/м3) | - | - | - | - | - | - - |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| - | 0,5 | 1,0 | 1,5 | 1,7 | 2,0 | 2,5 | 2,7 |
| 1 | 0,44 | 0,88 | 1,3 | 1,5 | 1,77 | 2,21 | 2,39 |
| 1,5 | 0,29 | 0.57 | 0,89 | 1,00 | 1,18 | 1,47 | 1,59 |
| 2,0 | 0,22 | 0,44 | 0,66 | 0,75 | 0.88 | 1,10 | 1,19 |
| 2,5 | 0,17 | 0,35 | 0,53 | 0,60 | 6,71 | 0,88 | 0,95 |
| 3,0 | 0,14 | 0,29 | 0,44 | 0,50 | 0,59 | 0,73 | 0,79 |
| 5,0 | 0,08 | 0,17 | 0,26 | 0,30 | 0,35 | 0,44 | 0,47 |
| 10 | 0,04 | 0,09 | 0,13 | 0,15 | 0,18 | 0,22 | 0,24 |
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.
