Частный детектив. По следу аммиака в бетоне. Часть 6

Продолжаем знакомиться с работой специалистов СПбГУ и Росанаталит.

ОТЧЕТ

о выполнении 2 этапа НИР, подэтапы 1 и 3   

Подэтап 1 «Определение критических концентраций аммонийсодержащих соединений в сырье, вызывающих эмиссию аммиака из бетона:

-исследование влияния концентрации аммонийсодержащих соединений на эмиссию аммиака из бетона».

Подэтап 3 «Разработка основных положений Проекта стандарта СРО НП «Объединение строителей Санкт-Петербурга» «Экологическая безопасность бетонных смесей. Общие технические требования и инструментальный контроль».

 

Санкт-Петербург

2012


 

ОГЛАВЛЕНИЕ

Термины и сокращения.. 3

1.      Введение.. 4

2.      Постановка задачи и методы исследований.. 6

2.1.      Постановка задачи. 6

2.2.      Оборудование для экспериментов и измерительные приборы.. 7

2.2.1.     Климатическая камера. 7

2.2.2.     Измерения концентрации аммиака. 8

2.2.3.     Измерения параметров атмосферного воздуха. 10

2.3.      Изготовление экспериментальных образцов бетона. 10

2.4.      Методы и средства анализа данных экспериментов. 11

2.5.      Особенности проведения экспериментов. 11

2.5.1.     Длительность экспериментов. 11

2.5.2.     Пересчет единиц измерения концентрации аммиака. 12

3.      Исследования и их результаты... 14

3.1.      Рабочая модель загрязнения аммиаком воздуха помещений. 14

3.2.      Зависимость концентрации аммиака в помещении от интенсивности воздухообмена с внешней средой  15

3.3.      Зависимость эмиссии аммиака из бетона в климатической камере от метеорологических параметров внешней среды.. 18

3.4.      Зависимость скорости эмиссии аммиака из бетона от температуры и влажности в климатической камере. Стандартный температурно-влажностный режим для расчетов. 18

3.5.      Зависимость скорости эмиссии аммиака из бетона от пористости бетона. 20

3.6.      Зависимость концентрации аммиака в климатической камере от концентрации мочевины в бетоне  21

3.7.      Зависимость концентрации аммиака в климатической камере от удельной массы бетона, приходящейся на единицу бетонной поверхности. 24

3.8.      Итоговая формула расчета концентрации аммиака в климатической камере для стандартных параметров влажности и температуры.. 27

3.9.      Расчет удельных параметров загрузки бетона для реальных помещений. 31

4.      Выводы и предложения.. 33

Литература.. 35

Приложение 1. Графические результаты экспериментов.. 36

Приложение 2. Основные положения проекта стандарта СРО «Экологическая безопасность бетонных смесей. Общие технические требования и инструментальный контроль»  41

Приложение 3. Пояснительная записка к основным положениям проекта стандарта   44

 

 

 

 


 Термины и сокращения

КК

климатическая камера

 

 

МВИ

методика выполнения измерений

 

 

мг

миллиграмм (одна тысячная грамма) – одна из единиц измерения массы (веса) определенного вещества, содержащегося в единице объема (мг/м3) воздушной среды, либо в единице массы (мг/кг) какого-либо материала (например, бетона)

 

 

НИР

научно-исследовательская работа

 

 

НП

Некоммерческое партнерство

 

 

ПДК

предельно-допустимая концентрация

 

 

PPB

Part Per Billion (частей на миллиард) - безразмерная единица содержания объема определенного газа в единице объема воздушной смеси. 1 PPB равен одной миллиардной объемной части

 

 

PPM

Part Per Million (частей на миллион)- безразмерная единица содержания объема определенного газа в единице объема воздушной смеси. 1 ppm равен одной миллионной объемной части

 

 

СРО

Саморегулируемая организация

 

1.Введение

В ряде случаев в новых многоквартирных жилых домах Санкт-Петербурга различных застройщиков, введенных в эксплуатацию начиная с 2008-2009 г.г и по настоящее время, наблюдаются превышения предельно-допустимых концентраций (ПДК) газообразного аммиака (NH3) в воздухе помещений.

Исследованиями, ранее проведенные различными исследовательскими организациями в разное время, начиная с 2009 г., установлено, что:

- источником эмиссии аммиака в атмосферу помещений построенных зданий являются их бетонные конструкции (бетонные стены, перекрытия, колонны и т.п.);

- эмиссия аммиака осуществляется за счет адсорбированного в бетоне газообразного аммиака (т.н. первичная эмиссия), либо за счет образования аммиака в результате гидролиза содержащейся в бетоне мочевины (NH2CONH2), т.е. в результате т.н. вторичной эмиссии.

Как следует из результатов измерений, выполненных различными исследовательскими организациями Санкт-Петербурге (ХАЦ «Арбитраж» при ВНИИ им.Менделеева, ИЛ «Аналект» при Институте токсикологии и др.) содержания ионов аммония (собственно аммиака) в бетонных конструкциях возраста от года и старше – не превышает 0,1 – 1,4 мг/кг. Такое количество аммиака даже при равномерном выходе в течение месяца (при «загрузке» помещения бетоном 300 кг/м3 и кратности воздухообмена 1 час-1) обеспечит концентрацию аммиака в воздухе помещения на уровне около 0,9 мг/м3 в начале месяца и 0 – в конце месяца. Т.о. заражение воздуха помещений аммиаком в результате его первичной  эмиссии на протяжении нескольких месяцев, а тем более – лет, не может осуществляться вследствие незначительного количества аммиака в бетоне. Это подтверждается и материалами зарубежных исследований [1], которыми экспериментально установлено, что снижение исходного содержания адсорбированного аммиака в бетонной смеси и бетоне осуществляется темпами до 30% в месяц. Т.о. первичная эмиссия аммиака создает угрозу заражения лишь на этапе производства бетона (для производственных помещений бетонного завода), в крайнем случае – на этапе строительства, но не далее по времени. Следует также отметить, что в данном случае действуют ПДК, установленные для производственных помещений (20 мг/м3), в 500 раз превышающий ПДК среднесуточный для атмосферного воздуха населенных пунктов. Исходя из этого, оценка предельного содержания аммиака (аммония) в бетоне, приводящая к заражению воздуха помещений в концентрациях, превышающих установленный ПДК (0,04 мг/м3), не проводилась.

Поскольку истечение аммиака из бетона в результате его первичной эмиссии осуществляется весьма высокими темпами, которые приводят к практически полному истечению аммиака в течение строительного цикла здания, реальную угрозу заражения воздуха помещения во время его целевой эксплуатации аммиаком представляет вторичная эмиссия.

Исходя из этого, при строительстве в целях предотвращения будущего загрязнения аммиаком воздуха помещений необходимо осуществлять контроль наличия мочевины в поступающих на строительную площадку товарных бетонных смесях. Для этого организацией ООО «Росаналит» в декабре 2011 года разработана и в июне 2012 года аттестована соответствующая экспресс-методика выполнения измерений (МВИ) на содержание мочевины в бетонных смесях.

Целью настоящей НИР является экспериментальное определение предельно допустимых концентраций мочевины в бетонных смесях (бетонах), которые не приведут к загрязнению воздуха помещений аммиаком в концентрациях, превышающих среднесуточный ПДК (0,04 мг на 1 м3 объема помещений), установленный гигиеническими нормативами [2] Российской Федерации. Определение ПДК мочевины в бетонах необходимо для эффективного применения МВИ на содержание мочевины в бетонных смесях.  

2.Постановка задачи и методы исследований

2.1.Постановка задачи

Определение ПДК мочевины в бетоне, которые не приводят к загрязнению воздуха помещений аммиаком в концентрациях, превышающих среднесуточный ПДК по аммиаку, возможно при понимании зависимости скорости истечения (эмиссии) аммиака из бетона от различных факторов, таких как количество содержания мочевины в бетоне, массы и геометрии бетона, площади, с которой осуществляется эмиссия аммиака, температуры, влажности, кратности воздухообмена в помещении, марки бетона и его свойств (таких, например, как пористость), условий химической реакции гидролиза мочевины в бетоне.

Как известно, во время твердения бетонных смесей и в последующем времени в бетоне происходят весьма сложные химические и физические процессы структуризации, которые в совокупности не позволяют с достаточной степенью точности определить зависимость концентрации аммиака в воздухе помещений от количественного содержания мочевины в бетоне и от других факторов, влияющих на эмиссию аммиака, теоретическими методами.

В этой связи остается единственный способ определения ПДК мочевины в бетоне – экспериментальный, суть которого заключается в изготовлении образцов бетона с известной концентрацией в нем мочевины и последующем измерении количества выделяющегося аммиака из таких образцов, помещенных в устройство с контролируемыми параметрами климата – климатическую камеру (КК).

На основе таких экспериментальных данных аналитически рассчитываются концентрации аммиака для реальных помещений с различным диапазоном «загрузки бетоном», понимаемой как удельная поверхность бетона (отношение площади поверхности бетонных конструкций, выходящих в помещение, к объему помещения), и как удельная масса бетона, приходящаяся на единицу его поверхности. Зависимости эмиссии аммиака от параметров «загрузки бетона», как и от концентрации мочевины в бетоне, также подлежат определению экспериментальным путем.

2.2.Оборудование для экспериментов и измерительные приборы

2.2.1.Климатическая камера

Принципиальная схема климатической камеры представлена на рис.2.1, фотографии – на рис.2.2.

 

Рис.2.1. Принципиальная схема климатической камеры

КК имеет независимые каналы управления температурой, влажностью и кратностью воздухообмена воздуха в рабочем объеме камере.

В целях минимизации искажений результатов эксперимента от эффекта масштаба, применялась камера с рабочим объемом 1 м3. В целях обеспечения чистоты экспериментов от влияния материалов стенки и все другие элементы рабочей камеры выполнены из нержавеющей стали.

                                   (а)                                                                      (б)

Рис.2.2 – Фотографии (а) внешнего вида климатической камеры и (б) ее рабочей камеры (видны заложенные для эксперимента 5 образцов бетона)

Подача воздуха в камеру осуществлялась из канала приточной вентиляции (без применения рекуперации воздуха) здания. Тем самым воздух на входе в камеру содержал фоновую концентрацию аммиака во внешнем атмосферном воздухе. Это значение фоновой концентрации вычиталось из измеренных значений концентрации аммиака в рабочей камере с помещенным в нее образом бетона.

2.2.2. Измерения концентрации аммиака

Для измерения концентрации аммиака в рабочем объеме камеры использовался высокоточный газоанализатор дискретно-непрерывного действия Teledyne T201 (см.рис.2.4), производства фирмы “A Teledyne Technologies Company” (США).

Рис.2.4. Внешний вид газоанализатора Teledyne T201

Прибор осуществляет измерение объемной концентрации окиси азота (NO)  и аммиака (NH3) в двух диапазонах: 1-50 ppp и 1–2000 ppb, выбираемых автоматически. Временной цикл измерения – 1 минута. Запись результатов измерений осуществляется в память прибора один раз в три минуты усредненным по трем измерениям значением с одновременной отметкой даты и времени измерения. Расход анализируемого воздуха – 1 л/мин. Нижний предел обнаружения – 1 ppb. Точность измерений – около 10% от диапазона измеряемых концентраций.

Принцип измерения прибора основан на хемилюминисцентной реакции оксида азота (NO) с озоном и измерении интенсивности возникающего при этом светового излучения. Исследуемый воздух вакуумным насосом попеременно подается либо непосредственно на измерительное устройство (где измеряется фоновое содержание NO), либо на то же измерительное устройство через молибденовый конвертор. В молибденовом конверторе при высокой температуре (825 0С) аммиак вступает в реакцию с кислородом (4 NH3 + 5 O2 = 4 NO + 6 H2O) с образованием оксида азота (молибден играет роль катализатора). Содержание аммиака в пробе рассчитывается как разность в измеренных концентрациях NO с пересчетом на аммиак.

2.2.3.Измерения параметров атмосферного воздуха

Для выявления возможной зависимости концентрации аммиака от параметров атмосферного воздуха (температура, влажность, атмосферное давление, направление и скорость ветра, наличие и интенсивность осадков) параллельно с экспериментами осуществлялся мониторинг указанных параметров метеостанцией, установленной в непосредственной близости от места забора атмосферного воздуха для подачи его в климатическую камеру.

Использовалась компактная метеостанция модели «Vantage PRO2» производства фирмы Davis (США). Метеостанция функционировала в автоматическом режиме с записью результатов измерений в память прибора с частотой один раз в час по усредненным параметрам (за час). Внешний вид метеостанции представлен на рис.2.3.

                          а)                                                                             б)

Рис.2.3. Внешний вид датчиков (а) и пульта индикации (б) метеостанции DAVIS Vantage PRO2

2.3.Изготовление экспериментальных образцов бетона

Для проведения экспериментов в климатической камере изготавливались различные образцы бетона. Бетонная смесь для этих образцов изготовлялась либо в Испытательной строительной лаборатории ООО «ДСК «Славянский», либо на бетонном заводе ООО «ТСК-Бетон». Твердение бетона в образцах, использованных в данной работе, осуществлялось в естественных условиях помещений.

2.4.Методы и средства анализа данных экспериментов

Для поиска математических зависимостей в полученных экспериментальных данных использовался аппарат регрессионного анализа. Параметры уравнений кривых тренда рассчитывались по методу наименьших квадратов. Значение коэффициента детерминированности R2 (может принимать значения от 0 до 1. Чем ближе его значение к 1, тем точнее аппроксимация), рассчитывалось по следующим формулам:

где: , где уi – фактическое значение измеряемой величины, уi' - расчетное по формуле приближения (тренда), i – порядковый номер эксперимента в серии (1-n), n –число экспериментов в серии;

Для анализа данных применялись следующие программные средства:

- процессор электронных таблиц Excel 2007 компании Microsoft (США);

- пакет математического моделирования Maple 15.01 компании Waterloo Maple Inc. (Канада).

2.5.Особенности проведения экспериментов

2.5.1.Длительность экспериментов

После загрузки образцов бетона в КК в большинстве случаев наблюдался резкий рост концентрации аммиака до некоторого пикового значения в течение около 1 часа. Далее в течение последующих 6 - 20 часов наблюдался спад концентрации (предположительно по экспоненте) и ее стабилизация постоянным значением с небольшими (1-2%) колебаниями.

Такая динамика концентрации (следовательно, и эмиссии) объясняется на наш взгляд следующим. В обычных условиях хранения образцов бетона в силу большого дипольного момента молекулы аммиака адсорбируются на поверхности бетона. При помещении образцов в камеру на них воздействует турбулентный поток воздуха с высокой кинетической энергией (создаваемый вентилятором для перемешивания воздуха в камере), который «срывает» поверхностный слой аммиака, вовлекая его в воздушную среду и создавая повышенную концентрацию. 

По мере уменьшения адсорбированного слоя аммиака, все возрастающее влияние на концентрацию аммиака в воздухе создает собственно эмиссия, которая через некоторое время (от 6 до 20 часов) и остается единственным источником поступления аммиака в воздушную среду камеры. Кроме того, в течение именно этого времени температура и влажность (влияющие на скорость химической реакции образования аммиака в бетонной толще) бетонного образца становятся примерно равными температуре и влажности, установленными в камере. 

Именно по истечении указанного времени измеряется собственно эмиссия аммиака из бетона для заданных в камере значений температуры и влажности.

В силу этой особенности каждый эксперимент в камере продолжался до того момента времени, когда концентрация аммиака в камере стабилизировалась. Обычный период времени проведения эксперимента составляя 15-20 часов.

Кроме того, как показала практика применения КК, очистка поверхностей рабочего объема камеры не давала нужного эффекта. После такой очистки все равно наблюдалась повышенная по сравнению с фоновым значением концентрация аммиака в рабочем объеме камеры.

Поэтому после выгрузки образцов из камеры, ее очистка проходила путем работы камеры на холостом ходу (без образцов бетона в рабочем объеме). При этом наблюдалось экспоненциальное падение концентрации аммиака до фонового значения, которое определялось стабилизацией концентрации (обычно в пределах 20 – 30 ppb, что соответствует 0,014 – 0,02 мг/м3 для рабочей температуры 250С). Время снижения концентрации аммиака до фонового значения составляло от 3 до 6 часов.

С учетом вышеизложенного, полный цикл эксперимента (измерения и возвращение камеры в исходное состояние) продолжался около 24 часов.

2.5.2.Пересчет единиц измерения концентрации аммиака

Измерения концентрации аммиака в воздухе КК осуществлялись в ppb (part per billion – одна миллиардная часть по объему) - объемных единицах концентрации, которые легко можно пересчитать в ppm, разделив на 1000. В России принято использовать объемно-весовые единицы (мг исследуемого вещества на единицу объема газовой смеси). Пересчет одних единиц в другие должен осуществляться с учетом температуры газовой смеси, поскольку плотность исследуемого вещества и плотность газовой смеси меняются в зависимости от температуры.

Ниже в справочных целях приводится таблица пересчета концентрации в единицах ppm в единицы мг/м3, принятой в России. 

Таблица 2.1 – Таблица коэффициентов пересчет концентрации аммиака в различных единицах для различной температуры

Температура, 0С

5

10

15

20

25

30

35

40

Из ppm в мг/м3

0,747

0,733

0,721

0,708

0,696

0,685

0,674

0,663

Из мг/м3 в ppm

1,339

1,363

1,388

1,412

1,436

1,460

1,484

1,508

 

Например, концентрация в 240 ppb для температуры 250С равна концентрации  - 0,167 мг/м3 (240 / 1000 * 0,696 = 0,16704). То же значение концентрации в ppm для температуры 50С равна концентрации уже 0,179 мг/м3 ((240 / 1000 * 0,747 = 0,17928)

 

3.Исследования и их результаты

3.1.Рабочая модель загрязнения аммиаком воздуха помещений

Описательно модель загрязнения аммиаком воздуха помещений может быть представлена следующим образом.

В толще бетона происходит химическая реакция мочевины с водой (гидролиз) с образованием в конечном счете аммиака и углекислого газа. На скорость этой реакции влияют температура бетона и его влажность. Одновременно происходит диффузия образующегося аммиака в бетоне, который в конечном итоге через поверхность бетонных конструкций (стен, перекрытий, колонн, балок и т.п.) проникает в воздушное пространство помещений. Поскольку любая химическая реакция одновременно происходит в прямом и обратном направлении, а скорости этих реакций прямо пропорциональны концентрациям исходных веществ, бо'льшая концентрация аммиака в воздухе помещения (следовательно, и в бетоне) приводит к смещению равновесия реакций в сторону обратной реакции, тем самым замедляя процесс разложение мочевины.

Разные бетонные конструкции конкретного здания, выходящие своими поверхностями в помещение, возводились в разное время и из разных сменных партий бетонных смесей. Фактическая концентрация мочевины в смеси отличалась от одной бетонной смеси к другой, и следовательно, концентрация мочевины в затвердевшем бетоне различается в бетонных конструкциях. В силу этого, эмиссия аммиака из различных бетонных конструкций в помещении тоже различна. Излучение аммиака происходит со всех поверхностей бетона: например, из какого-либо конкретного перекрытия аммиак поступает как в помещение, расположенное ниже, так и в помещение, расположенное выше.

Поступивший в помещение аммиак смешивается с воздухом. Из помещения аммиак вместе с воздухом удаляется через систему вентиляции. На смену удаляемому воздуху приходит атмосферный воздух с фоновой концентрацией аммиака.

Исходя из физики процесса, естественно предположить, что на концентрацию аммиака в воздухе помещений A [мг/м3] влияют многие факторы, основными из которых для целей настоящего исследования являются:

- интенсивность воздухообмена помещения с внешней средой, характеризуемая кратностью воздухообмена КВО. Под этой характеристикой понимается, какой объем воздуха в отношении к объему помещения удаляется из помещения в единицу времени в процессе функционирования системы вентиляции (естественной или принудительной). Если такой единицей времени является час, характеристика имеет размерность [час-1];

- концентрация мочевины в бетоне КМБ, измеряемая в мг (мочевины) / кг (бетона). Неявно этот фактор учитывает и время, прошедшее от момента возведения бетонных конструкций, поскольку в результате гидролиза концентрация мочевины с течением времени уменьшается;

- удельная площадь бетонных поверхностей (излучающих аммиак) в помещении SУПБ, т.е. площадь всех бетонных поверхностей, выходящих в помещение, отнесенная к объему помещения [м23 = м-1];

- удельная масса бетона, приходящаяся на единицу бетонной поверхности, PУПБ [кг/м2];

- температура (T), влажность (H) и пористость бетона (П).

Таким образом, концентрация аммиака в помещении является функцией многих переменных:

A = f(КВО, КМБ, SУПБ, PУПБ, T, H, П)                                                                 (3.1).

 

3.2.Зависимость концентрации аммиака в помещении от интенсивности воздухообмена с внешней средой

На концентрацию аммиака в воздухе помещений значительное влияние оказывает интенсивность воздухообмена помещения с внешней средой. Из-за простоты физических процессов воздухообмена эта зависимость может быть рассчитана теоретически.

Пусть:

A(t) – функция концентрация аммиака в воздухе помещений [мг/м3];

Aext(t) – функция концентрация аммиака в атмосферном воздухе [мг/м3];

КВО(t) – функция кратности воздухообмена в помещении (сколько раз в час по объему меняется воздух в помещении) [час-1];                                 

E(t) – функция скорости эмиссии аммиака из бетона в расчете на 1 м3 объема помещения [мг/м3/час].

Дифференциальное уравнение, описывающее изменение концентрации аммиака в воздухе помещений:

                                                                  (3.2),

т.е. изменение веса аммиака в расчете на 1 куб.м объема помещения за малый промежуток времени складывается из некоего веса аммиака, поступившего за этот промежуток времени в результате эмиссии из бетона, минус вес аммиака в достигнутой концентрации, удаленный из помещения в результате воздухообмена с внешней средой, плюс некоторое количество аммиака, поступившее в помещение вместе с приточным воздухом из внешней среды в концентрации аммиака во внешней среде (фоновая концентрация аммиака).

С учетом упрощений, что функция кратности воздухообмена является постоянной во времени, фоновая концентрация аммиака (во внешнем, приточном воздухе) ничтожна, а скорость эмиссии аммиака из бетона изменяется во времени незначительно, перепишем уравнение (3.2) в виде:

                                                                                                  (3.3).

В установившемся режиме, когда концентрация аммиака, достигнув некоторого значения, остается постоянной, ее значение не меняется, т.е..

Тогда из 3.3 следует, что:

                                                                                                                   (3.4)

Таким образом, концентрация аммиака в помещении прямо пропорциональна скорости эмиссии аммиака из бетона и обратно пропорциональна кратности воздухообмена помещения с внешней средой. Такая зависимость подтверждается и данными зарубежных исследований, в частности [3], графики из которого приведены на следующем рисунке.

Рис.3.1 – Зависимость концентрации аммиака в климатической камере от кратности воздухообмена (AER) по данным [3]

На рисунке установившиеся значения концентрации (горизонтальные участки) аммиака при общем сохранении характера зависимости нелинейно зависят от кратности воздухообмена, в отличие от уравнения 3.4. Такое отличие может объясняться весьма высокими концентрациями аммиака в климатической камере, что может приводить к смещению точки равновесия химической реакции гидролиза мочевины в сторону обратной реакции. 

Скорость эмиссии Е в помещение может быть представлена в виде скорости эмиссии EП (вес аммиака, излучаемый с единицы бетонной поверхности в единицу времени), умноженной на SУПБ (удельной площади бетонной поверхности на единицу объема помещения).

Тогда:

                                                                         (3.5).

3.3.Зависимость эмиссии аммиака из бетона в климатической камере от метеорологических параметров внешней среды

Начиная с 4 апреля 2012 года, любой эксперимент с бетонными образцами в климатической камере сопровождался одновременными измерениями температуры, относительной влажности атмосферного воздуха, интенсивности осадков, атмосферного давления, скорости и направления ветра метеорологической станцией, установленной на крыше здания, в котором размещалась климатическая камера. На рис.П-1.1 (см Приложение 1) приведены результаты измерений, полученные в одном из экспериментов 22-23 мая 2012 года.

Ни по одному из вышеперечисленных параметров метеорологической обстановки никакой корреляции с измеренной концентрацией аммиака в климатической камере на стабилизированном участке концентрации не обнаружено, и в дальнейшем в расчет не принималось.

3.4.Зависимость скорости эмиссии аммиака из бетона от температуры и влажности в климатической камере. Стандартный температурно-влажностный режим для расчетов

Температура воздуха в климатической камере (следовательно, и температура бетона) существенно влияет на скорость эмиссии аммиака из бетона, источником которой является присутствующая в бетоне мочевина. Этот факт подтверждается и зарубежным исследованием [3], температурные зависимости концентрации аммиака в климатической камере из которого отражены на рис.3.1. К сожалению, из указанного исследования непонятно, какая при этом поддерживалась постоянной влажность воздуха – относительная или абсолютная. 

Рис.3.2 - Зависимость концентрации аммиака в климатической камере от установленной температуры - из [3]

 

В этом же исследовании [3] приведены зависимости концентрации аммиака в климатической камере от относительной влажности воздуха при различных сочетаниях кратности воздухообмена и температуры (рис.3.3).

Рис.3.3 - Зависимость концентрации аммиака в климатической камере от относительной влажности воздуха (RH) для различных кратностей воздухообмена (AER) - из [3]

 

В экспериментах, проведенных в рамках настоящей НИР, повышение температуры с 250С до 300С всегда сопровождалось не менее, чем 30% повышением концентрации аммиака. Однако при этом одновременно падала на 20-30% и относительная влажность воздуха вследствие недоработанной системы управления климатической камерой.

Вследствие ограничений в моделировании температурно-влажностных режимов климатической камеры был выбран стандартный температурно-влажностный режим, для которого температура равнялась 250С, а относительная влажность – 50%. Эти параметры несколько завышены по сравнению со средними условиям эксплуатации помещений, но такой подход гарантирует, что в реальных условиях выделение аммиака из бетона будет несколько меньшим, чем расчетное.

3.5. Зависимость скорости эмиссии аммиака из бетона от пористости бетона

Логично предположить, что на параметры эмиссии аммиака из бетона влияет его пористость. Такое влияние имеет двунаправленное действие. С одной стороны, большая пористость бетона (понимаемая в смысле большего количества крупных пор) должна способствовать выходу аммиака из бетона. Однако с другой стороны, это же будет способствовать и повышению влажности бетона для стандартных условий эксплуатации, что, как показано в подразделе 3.4, способствует падению эмиссии.

Для выявления зависимости эмиссии аммиака от пористости бетона были подготовлены и проведены эксперименты с образцами бетона, характеризующимися различным водоцементным отношением, заданным при приготовлении бетонной смеси. Характеристики бетонных смесей, использованных при изготовлении образцов, представлены в следующей таблице.

Таблица 3.1 – Параметры бетонных смесей, приготовленных для заливки образцов на исследование зависимости концентрации от пористости

Параметры бетонной смеси

Номера образцов бетона

53-57

58-61

62-66

67-70

71-75

Производитель цемента

Пикалевский цементный завод

Марка цемента

400

Количество и формат кубиков (дм)

4 – 1х1х1

1-1,5х1,5х1,5

4 – 1х1х1

4 – 1х1х1

1-1,5х1,5х1,5

4 – 1х1х1

4 – 1х1х1

1-1,5х1,5х1,5

Соотношение компонентов в замесе из расчета  кг/ м куб.:

 

 

 

 

 

- щебень

1 130

- песок

815

- цемент

350

- вода

140

175

210

245

280

- мочевина

6,3 (2 625 мг/кг в среднем)

Дата замеса

08.09.2011

Расчетное В/Ц

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

 

Изготовленные образцы твердели в естественных условиях.

В мае 2012 года, т.е. спустя 7 месяцев после их изготовления, образцы (по 4 кубика размером 1х1х1 дм каждой серии с разным В/Ц) помещались в камеру, где на протяжении 23 часов осуществлялись измерения концентрации аммиака. Обобщенный график всех пяти экспериментов представлен на рис.П-1.2 (Приложение 1).

Как следует из представленных результатов, формы кривых концентрации аммиака отличаются на начальной стадии исследования (в частности, для образцов с В/Ц=0,7 и частично В/Ц=0,6 характерны горбы в начале эксперимента), что возможно связано с особенностями адсорбции аммиака в поверхностных слоях бетона, а также явным отличием концентрации аммиака, выделяющегося из образцов с В/Ц=0,8, в отличие от образцов с В/Ц от 0.4 до 0.7, которые довольно близки по характеристикам выделения аммиака на горизонтальном участке графиков.

Ввиду того, что В/Ц=0,8 является скорее «экзотическим» случаем, влиянием пористости бетона для рабочих диапазонов В/Ц на скорость эмиссии аммиака в дальнейшем не учитывалась.

3.6.Зависимость концентрации аммиака в климатической камере от концентрации мочевины в бетоне

Для выявления зависимости концентрации аммиака в климатической камере от концентрации мочевины в бетонных образцах, помещенных в КК, было заблаговременно подготовлено 7 серий образцов бетона, при заливке которых в бетонную смесь добавлялось определенное количество мочевины, обеспечившее ее концентрацию в 20, 50,100, 200, 400, 700 и 1000 мг/кг бетонной смеси соответственно. Параметры бетонных смесей для заливки образцов представлены в следующей таблице.

Таблица 3.2 – Параметры бетонных смесей, приготовленных для заливки образцов

Параметры бетонной смеси

Номера образцов бетона

133-137

128-132

123-127

84-88

108-112

113-117

118-122

Производитель цемента

Савино

Латвия

Савино

Марка цемента

ЦЕМ II/А-Ш 32,5 Н

CEM I 42,5 R LST

ЦЕМ II/А-Ш 32,5 Н

Вес в замесе (кг):

 

 

 

 

 

 

 

- щебень

10,4

10,4

10,4

174,0

10,4

10,4

10,4

- песок

6,2

6,2

6,2

91,93

6,2

6,2

6,2

- цемент

4,5

4,5

4,5

47,12

4,5

4,5

4,5

- вода

2,25

2,25

2,25

29,0

2,25

2,25

2,25

Расчетный вес смеси, кг

23,35

23,35

23,35

342,06

23,35

23,35

23,35

Дата замеса

15.6.12

15.6.12

15.6.12

10.4.12

14.6.12

14.6.12

14.6.12

Количество мочевины на замес, г

0,47

1,16

2,34

69,6

9,34

16,34

23,35

Концентрация мочевины в бетоне, мг/кг:

 

 

 

 

 

 

 

- расчетная

20

50

100

200

400

700

1000

- измеренная  18-19.9.12

нет подходящей методики

234 ± 33

426 ±54

783 ± 49

996 ± 34

 

 

Изготовленные образцы твердели в естественных условиях помещений лаборатории.

Далее последовательно каждая из этих серий образцов помещалась в климатическую камеру, в которой при стабильных климатических параметрах (температура, влажность и кратность воздухообмена) измерялась концентрация аммиака в воздухе КК. Каждый эксперимент продолжался до тех пор, пока наблюдаемое изменение концентрации аммиака не позволяло сделать вывод о ее стабилизации. Графики изменения концентрации аммиака в климатической камере и параметров ее микроклимата для эксперимента №52 представлены на рис.П-1.3 (Приложение 1), а совмещенные по времени от начала экспериментов графики измерения концентрации аммиака – на рис.П-1.4.

В следующей таблице представлены обобщенные данные о результатах вышеописанных экспериментов.

Таблица 3.3 – Результаты экспериментов на выявление зависимости концентрации аммиака в КК от концентрации мочевины в бетоне

Эксперимент

Обозначение

56

55

54

47

51

52

53

Дата эксперимента

 

20-21 сен.

18-19 сен.

17-18 сен.

06-07 сен.

13-15 сен.

15-16 сен.

16-17 сен.

Образцы бетона

 

133 -137

128 -132

123 -127

84 - 88

108 -112

113 -117

118 -122

Концентрация мочевины в бетоне (мг/кг)

КМB

20

50

100

200

400

700

1 000

Кол-во образцов

 

5

5

5

5

5

5

5

Размер образца (дм)

 

1х1х1,6

1х1х1,6

1х1х1,6

1х1х1,6

1х1х1,6

1х1х1,6

1х1х1,6

Вес (масса) бетона* (кг)

 

19,027

18,956

18,473

17,616

18,603

18,820

19,016

Площадь поверхности бетона (м2)

S

0,42

0,42

0,42

0,42

0,42

0,42

0,42

Объем бетона (м3)

 

0,008

0,008

0,008

0,008

0,008

0,008

0,008

Объем воздуха в камере** (м3)

VOL

0,992

0,992

0,992

0,992

0,992

0,992

0,992

Скорость подачи воздуха (л/мин)

VAIR

8,38

8,13

8,30

8,35

8,36

8,54

8,28

Кратность воздухообмена***, час-1

КВО

0,507

0,492

0,502

0,505

0,506

0,517

0,501

Установившаяся

концентрация аммиака

в камере + фон (PPB)

 

25,1

37,0

51,7

57,8

78,5

133,3

159,6

Фоновая концентрация аммиака (PPB)

 

23,5

31,0

35,0

30,0

25,0

27,0

21,0

Концентрация аммиака - фон             (PPB)

Аppb

1,6

6

16,7

27,8

53,5

106,3

138,6

То же****        (мг/м3)

А

0,0011

0,0042

0,0116

0,0193

0,0372

0,0740

0,0965

Скорость эмиссии***** (мг/м2/час)

ЕП

0,0013

0,0049

0,0139

0,0233

0,0448

0,0910

0,1150

Примечания:

* суммарный вес образцов бетона по результатам взвешивания до начала эксперимента

** определялся путем вычитания суммарного объема образцов из рабочего объема КК (1м3)

*** определялась по формуле:  KВО = VAIR * 60 / VOL

**** определялась по формуле:  A = Appb * 0,696 (для температуры 25 0С)

***** определялась по формуле: EП = А * KВО / S

 

На следующем графике представлен линейный тренд зависимости скорости эмиссии аммиака в КК от концентрации мочевины в бетоне, рассчитанный по методу наименьших квадратов:

Рис.3.4 - Зависимость скорости эмиссии аммиака в климатической камере от концентрации мочевины в бетоне

Значение коэффициента детерминированности R2=0,9925 показывает достаточно хорошее приближение уравнения тренда к экспериментальным данным. Это означает, что концентрация аммиака линейно зависит от концентрации мочевины и описывается уравнением 3.6 при условии соответствия значений всех остальных параметров, указанных в качестве переменных для функции 3.1, значениям, указанным в таблице 3.3.

Таким образом,

ЕП = 0,00011658 * КMB  - 0,00005                                                                                    (3.6)

Зависимость, представленная уравнением 3.6, верна для условий экспериментов, описываемых в этом подразделе. Такими условиями являются постоянство параметров PУПБ, T, H, П , указанных в качестве переменных функции 3.1.

3.7.Зависимость концентрации аммиака в климатической камере от удельной массы бетона, приходящейся на единицу бетонной поверхности

В следующей серии экспериментов оценивается, каким образом влияет на концентрацию аммиака удельная масса бетона в расчете на единицу поверхности бетона. Из физики процесса следует, что чем больше бетона приходится на единицу его поверхности (чем больше толщина бетонных конструкций), тем больше аммиака в единицу времени образуется в толще бетоне, тем значительнее градиент концентрации аммиака в бетоне, тем больше скорость диффузии аммиака в бетоне и, следовательно, тем больше скорость эмиссии аммиака в воздушное пространство. С другой стороны,  увеличение толщины бетона будет сопровождаться более высокой концентрацией аммиака в бетоне и смещением равновесия реакции гидролиза мочевины в сторону обратной реакции.

Для выявления этой зависимости был проведен ряд экспериментов к климатической камере с заранее подготовленными образцами бетона (см. следующую таблицу).

Таблица 3.4 – Параметры бетонных смесей, приготовленных для заливки образцов

Параметры бетонной смеси

Номера образцов бетона

79

81

82 - 83

84 - 99

100-106

Производитель цемента

Латвия

Марка цемента

CEM I 42,5 R LST

Объем бетонной смеси

0,145 куб.м

Вес в замесе (кг):

 

- щебень

174

- песок

92

- цемент

47,1

- вода

29

Расчетный вес смеси, кг

342

Дата замеса

10.04.12

Количество мочевины на замес, г

69,6

Концентрация мочевины в бетоне, мг/кг:

 

- расчетная

200

- измеренная  18-19.9.12

 

234 ± 33

 

 

Изготовленные образцы твердели в естественных условиях помещений лаборатории.

Далее последовательно каждая из этих серий образцов помещалась в климатическую камеру, в которой при стабильных климатических параметрах (температура, влажность и кратность воздухообмена) измерялась концентрация аммиака в воздухе КК. Каждый эксперимент продолжался до тех пор, пока наблюдаемое изменение концентрации аммиака не позволяло сделать вывод о ее стабилизации. На рис.П-1.5 (Приложение 1) приведены совмещенные графики (по времени от начала эксперимента) изменения концентраций аммиака в камере для всех 5 экспериментов этой серии.

В следующей таблице представлены обобщенные данные о результатах вышеописанных экспериментов.

Таблица 3.5 – Результаты экспериментов на выявление зависимости концентрации аммиака в КК от удельной массы бетона, приходящейся на единицу поверхности

Эксперименты

Обозна

чение

№49

№47

№48

№50

№45

№57

Дата эксперимента

 

10-11 сен.

06-07 сен.

07-10 сен.

12-13 сен.

03-04 сен.

21-24 сен.

Образцы бетона

 

100-106

84-88

84-99

82-83

81

79

   - количество

 

7

5

16

2

1

1

   - размеры (см):

 

 

 

 

 

 

 

       - длина

 

10

10

10

15

40

80

       - ширина

 

10

10

10

15

40

40

       - высота

 

10

16

16

15

16

16

Объем бетона (дм3)

 

7

8

25,6

6,75

25,6

51,2

Вес* (кг)

 P

14,557

17,616

57,244

14,385

53,624

107,248

S поверхности бетона (дм2)

 S

42

42

134,4

27

57,6

102,4

Масса бетона на единицу поверхности** (кг/м2)

PУБП

34,7

41,9

42,6

53,3

93,1

104,7

Концентрация мочевины (мг/кг)

 КМB

200

200

200

200

200

200

Температура КК (0С)

 

25

25

25

25

25

25

Влажность КК (%)

 

50

50

50

50

50

50

Приток воздуха (л/мин)

 

8,29

8,35

8,36

8,38

8,32

8,28

Объем воздуха в КК*** (дм3)

 VOL

993

992

974,4

993,25

974,4

948,8

Кратность воздухообмена****

(час-1)

 VAIR

0,50

0,51

0,51

0,51

0,51

0,52

Концентрация аммиака (PPB)

 

52

57,8

104,8

59,9

93,1

140

Фоновая концентрация аммиака (PPB)

 

28,8

30

19

39

31

25,9

Концентрация аммиака - фон (PPB)

 Appb

23,2

27,8

85,8

20,9

62,1

114,1

 То же*****                 (мг/м3)

 А

0,016

0,019

0,060

0,015

0,043

0,079

Скорость эмиссии аммиака (мг/час)

 

0,008

0,010

0,031

0,007

0,022

0,042

Скорость эмиссии аммиака с единицы поверхности****** (мг/час/м2)

ЕП

0,0193

0,0233

0,0229

0,0273

0,0384

0,0406

Примечания:

* суммарный вес образцов бетона по результатам взвешивания до начала эксперимента

** определялся по формуле PУБП  = P / ( S / 100 )

*** определялся путем вычитания суммарного объема образцов из рабочего объема КК (1м3)

**** определялась по формуле:  KВО = VAIR * 60 / VOL

***** определялась по формуле:  A = Appb * 0,696 (для температуры 25 0С)

****** определялась по формуле: EП = А * KВО / S

При сравнении различных трендов (линейный, степенной, логарифмический) к полученным экспериментальным точкам кривой (в осях х – удельная масса бетона на единицу поверхности и y – скорость эмиссии аммиака) оказалось, что наилучшим образом точки аппроксимирует логарифмический тренд. На следующем графике представлен логарифмический тренд зависимости скорости эмиссии EП от массы бетона, приходящейся на единицу поверхности бетона PУБП  (Ln() – натуральный логарифм).

Рис.3.5– Зависимость скорости эмиссии аммиака в климатической камере от удельной массы бетона на единицу поверхности бетона

 

Значение коэффициента детерминированности R2=0,9992 показывает очень хорошее приближение уравнения тренда к экспериментальным данным. Это означает, что концентрация аммиака логарифмически зависит от массы бетона, приходящейся на единицу поверхности бетона PУБП, и описывается уравнением 3.7 при условии соответствия значений всех остальных параметров, указанных в качестве переменных для функции 3.1, значениям, указанным в таблице 3.5.

Таким образом,

ЕП = 0,0194 * ln(PУБП) - 0,0495  = 0,0194 * ln(PУБП / 12,827)                                      (3.7),

где ln() – натуральный логарифм.

Зависимость, представленная уравнением 3.7, верна для условий экспериментов, описываемых в этом подразделе. Такими условиями являются постоянство параметров KMB, T, H, П , указанных в качестве переменных функции 3.1.

3.8.Итоговая формула расчета концентрации аммиака в климатической камере для стандартных параметров влажности и температуры

Скорость эмиссии аммиака с единицы бетонной поверхности, вычисленная по формуле 3.6, для эксперимента №47 (КМB =200 мг/кг, PУБП =41,9 кг/м2) в точности соответствует скорости эмиссии аммиака с единицы поверхности, вычисленной по формуле 3.7, для тех же значений параметров. 

Поскольку зависимость скорости эмиссии является линейной от концентрации мочевины в бетоне, в формуле 3.7 численный коэффициент 0,0194 представляет собой произведение некоей переменной X на значение концентрации мочевины в бетоне  КМB =200 мг/кг  при равенстве удельной массы бетона на единицу поверхности PУБП =41,9 кг/м2). Отсюда следует:

X * КМB  * ln(PУБП / 12,827) = 0,00011658 * КMB  - 0,00005                                         (3.8).

Подставляя в 3.8 значения КМB =200 и PУБП =41,9, решаем 3.8 относительно Х, откуда Х = 0,0009828, а формула расчета скорости эмиссии аммиака из бетона при известных концентрации мочевины в бетоне и удельной массы бетона на единицу поверхности приобретает вид:

EП = 0,00009828 * ln(PУБП / 12,827) * КMB                                                                                                      (3.9).

Подставляя 3.9 в 3.5, получим формулу расчета концентрации аммиака в помещении:

А = 0,00009828 * ln(PУБП / 12,827) * КMB  * SУБП / KBO                                              (3.10).

В целях оценки точности формулы 3.9, рассчитаем скорости эмиссии аммиака для экспериментов, приведенных в табл. 3.3 и 3.5, и вычислим коэффициенты детерминированности.

Для экспериментов, указанных в табл.3.3, получим следующие данные:

Таблица 3.6 – Оценка точности формулы 3.9 для экспериментов с концентрацией мочевины (табл.3.3)

Эксперимент

56

55

54

47

51

52

53

Образцы бетона

133 -137

128 -132

123 -127

84 - 88

108 -112

113 -117

118 -122

Концентрация мочевины в бетоне, КMB  (мг/кг)

20

50

100

200

400

700

1 000

Масса (вес) бетона на единицу поверхности, PУБП (кг/м2)

41,9

Скорость эмиссии аммиака (мг/м2/час):

 

 

 

 

 

 

 

 - измеренная  (y)

0,0013

0,0049

0,0139

0,0233

0,0448

0,0910

0,1150

 - рассчитанная по формуле 3.9 (y’)

0,0025

0,0062

0,0121

0,0233

0,0487

0,0861

0,1239

Расчет коэффициента детерминированности:

 

   SSE ( (yi-yi)2)

0,0001253

            yi2

0,0242726

             (yi)2/n

0,0123678

   SST

0,0119117

   R2= 1 – SSE / SST

0,9895

  

Анализ данных, приведенных в табл.3.6 позволяет сделать вывод о завышенных расчетных скоростях эмиссии аммиака для нижнего диапазона концентрации мочевины в бетоне. Несомненно, на этом сказываются проблемы измерения малых концентраций аммиака. Однако для целей настоящего исследования это даже хорошо, поскольку ужесточает требования к ПДК мочевины в бетоне.

Полученный коэффициент детерминированности R2 = 0,9895 позволяет сделать вывод о достаточно хорошем приближении формулы 3.9 к экспериментальным данным. Это иллюстрируется графиком на следующем рисунке.

Рис.3.6 – Сравнение расчетных и экспериментальных данных

            Аналогичный расчет сделаем для таблицы 3.4.

Таблица 3.7 – Оценка точности формулы 3.9 для экспериментов с параметрами загрузки бетона (табл. 3.5)

Эксперименты

№49

№47

№48

№50

№45

№57

Образцы бетона

100-106

84-88

84-99

82-83

81

79

Масса (вес) бетона на единицу поверхности, PУБП (кг/м2)

34,7

41,9

42,6

53,3

93,1

104,7

Концентрация мочевины в бетоне, КМB (мг/кг)

200

200

200

200

200

200

Скорость эмиссии аммиака с единицы поверхности (мг/час/м2):

 

 

 

 

 

 

 - измеренная

0,0193

0,0233

0,0229

0,0273

0,0384

0,0406

- расчитанная

0,0195

0,0233

0,0236

0,0280

0,0390

0,0413

Расчет коэффициента детерминированности:

 

   SSE ( (yi-yi)2)

0,00000181

                    yi2

0,00530594

          (yi)2/n

0,00491460

   SST

0,00039134

   R2= 1 – SSE / SST

0,9954

 

Полученный коэффициент детерминированности R2 = 0,9954 позволяет сделать вывод о еще лучшем приближении формулы 3.9 к экспериментальным данным. Это иллюстрируется графиком на рис.3.7.

Рис.3.7 – Сравнение расчетных и экспериментальных данных

 

В целом эмпирически полученное уравнение расчета скорости эмиссии аммиака, в котором независимыми переменными являются концентрация мочевины в бетоне и удельная масса бетона в расчете на единицу бетонной поверхности, достаточно точно согласуется с экспериментальными данными.

Для расчета концентраций аммиака в реальных помещениях необходимо определить фактические удельные параметры загрузки бетона SУБП и PУБП для реальных помещений.

3.9.Расчет удельных параметров загрузки бетона для реальных помещений 

Удельные параметры загрузки бетона SУБП и PУБП  для типовых жилых помещений, реализованных ООО «ДСК «Славянский» в рамках проекта строительства I и VII кварталов жилого района «Славянка» (четырех- и пятиэтажные многоквартирные жилые дома с несущими стенами и перекрытиями толщиной 160 мм, выполненными по монолитной технологии строительства), представлены в следующей таблице.

Таблица 3.8 – Расчет удельной площади бетона (на единицу объема помещения) и удельной массы бетона (на единицу площади бетона)

Параметры

Квартиры

В среднем

1-комн.

1-комн.

2-комн.

2-комн.

3-комн.

3-комн.

Высота помещений, м

2,80

2,57

2,57

2,57

2,57

2,57

 

Объем квартиры VП, м3

99,4

103,0

140,6

156,1

184,7

208,0

 

S пола квартиры, м2

35,50

40,07

54,69

60,72

71,88

80,95

 

S бетонных стен, м2

54,50

57,99

103,85

95,71

139,30

136,88

 

S бетонных поверхностей (пол, потолок и стены) SБП, м2

125,50

138,13

213,23

217,15

283,06

298,78

 

Объем бетона, приходящийся на квартиру1, м3

9,96

11,05

17,06

17,37

22,65

23,90

 

Удельная площадь бетонной поверхности SУБП на единицу объема помещения, м23

1,26

1,34

1,52

1,39

1,53

1,44

1,43

Удельная масса (вес) бетона PУБП на единицу площади поверхности бетона, кг/м2

190,5

192,0

192,0

192,0

192,0

192,0

191,8

 

Т.о., для технологии строительства, используемой ДСК «Славянский», в расчете на один квадратный метр бетонных поверхностей в среднем приходится около 192 кг бетона, и 1,43 кв.м бетонной поверхности приходится на единицу объема помещения. Для других технологий строительства эти значения будут отличаться от вышеуказанных как в меньшую, так и в большую (в меньшей степени) сторону.

Примем для дальнейшего расчета следующие удельные параметры загрузки помещений бетоном (стандартные параметры загрузки):

- удельная площадь бетонной поверхности (SУБП)                                      - 1,5 м23;

- удельная масса бетона на единицу поверхности бетона (PУБП)             - 200 кг/м2.

По нашему мнению, такие параметры являются предельными для типового строительства многоквартирных жилых зданий в Санкт-Петербурге.


[1] Объем бетона, приходящийся на квартиру, рассчитывался как половина суммарного объема бетона стен и перекрытий (верхнего и нижнего), поскольку эти конструкции излучают аммиак в двух направлениях – в направлении искомой квартиры и в направлении соседней квартиры (помещения общего пользования). Следовательно, на долю искомой квартиры приходится ровно половина объема.


4.Выводы и предложения

1. Предыдущими отечественными и зарубежными исследованиями установлено, что опасность заражения воздуха помещений в процессе их целевой эксплуатации аммиаком исходит из наличия в бетоне мочевины, содержание которой в бетоне может варьироваться в пределах от менее 1 мг/кг до 3 000 мг/кг и более, ее участия в химических реакциях с образованием аммиака и последующим истечением аммиака в воздух помещений. Аналогичная опасность, вызываемая исходным наличием аммиака в бетонной смеси и далее в бетоне в тех количествах, которые обнаружены в различных образцах бетона различными независимыми исследовательскими организациями, может вызывать угрозу заражения лишь в период строительства, но никак не целевой эксплуатации помещений.

Исходя из этого, экологический контроль бетонных смесей должен осуществляться в отношении наличия в них мочевины (амидных соединений), но не аммиака (аммония).    

2. В результате нескольких серий экспериментов с образцами бетона в климатической камере выявлено, что основными параметрами, влияющими на скорость эмиссии образующегося из мочевины аммиака из бетона, являются 1) концентрация мочевины в бетоне, кратность воздухообмена в помещении, площадь бетонной поверхности, выходящей в помещение, масса бетона, относящаяся к помещению, а также температура и влажность воздуха в помещении.

3. По результатам экспериментов и моделирования, приведенных в разделе 3, для стандартных параметров микроклимата в помещении (температура + 250С, влажность воздуха 50%) получена приближенная формула расчета равновесной концентрации аммиака в помещениях (А [мг/м3]) в зависимости от концентрации мочевины в бетоне (КMB  [мг/кг]), удельной поверхности бетонных поверхностей в расчете на 1 куб.м объема помещения (SУБП-1]), удельной массы (веса) бетона на единицу поверхности бетона (PУБП [кг/м2]) и кратности воздухообмена (KBO [час-1]):

А = 0,00009828 * ln(PУБП / 12,827) * КMB  * SУБП / KBO

4. При известных значениях А (например, равной установленной санитарно-гигиеническими нормами ПДК), SУБП , KBO и PУБП  указанная формула позволяет рассчитать предельную концентрацию мочевины в бетонной смеси КMB, непревышение которой обеспечит непревышение ПДК по аммиаку в воздухе помещений при их эксплуатации:

КMB = 10175 * KBO / (SУБП * ln(PУБП / 12,827))                                                 (4.1).

5. Основываясь на полученных результатах сформулированы основные положения проекта стандарта саморегулируемой организации, направленные на обеспечение экологической безопасности бетонных смесей в отношении аммиака, образующегося из мочевины, и пояснительная записка к таким положениям (Приложения 2 и 3 к настоящему отчету).

 


Литература

1. Robert F. Rathbone and Thomas L. Robl. A Study of the Effects of Post-Combus-tion Ammonia Injection on Fly Ash Quality: Characterization of Ammonia Release from Concrete and Mortars Containing Fly Ash as a Pozzolanic Admixture. Final Report for U.S. DoE Cooperative Agreement Number: DE-FC26-00NT40908. University of Kentucky Center for Applied Energy Research and University of Kentucky Research Foundation. 2003. 63 с.

2. Предельно допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населенных мест. Гигиенические нормативы. ГН 2.1.6.1338-03. Минздрав России. М, 2003.

3. Z.Bay, etc. Emission of ammonia from indoor concrete wall and assessment of human exposure. Environment International 32 (2006) 303 – 311. www.elsevier.com/locate/envint

 

 


Приложение 1. Графические результаты экспериментов

Рис.П-1.1 - График изменений концентрации аммиака, температуры, относительной влажности в КК, температуры, влажности и отличия атмосферного давления от его стандартного значения (для одного из экспериментов)

Обозначения на графике: NH3, NO, NO2 – концентрации (в PPB) аммиака, окиси и двуокиси азота; Tk и Твх – температура воздуха в КК и подаваемого в камеру воздуха; Вк и Ввхт – относительные влажности воздуха в камере и подаваемого воздуха (приведенного к 250С) соответственно, dP – разность атмосферного давления по сравнению с нормальным (760 мм.рт.ст.). В период 13:03-14:03 22.06 произошел сбой в работе метеостанции. В период 12:06-13:03 22.06 заметны колебания влажности и температуры в КК, вызванные переходными режимами.

Рис.П-1.2 - График изменений концентрации аммиака по времени от начала эксперимента в зависимости от В/Ц образцов (0,4 – 0,8).

Исследовалось по 4 кубика размером 1х1х1 дм.



Рис.П-1.3 – Графики эксперимента для образцов бетона с концентрацией мочевины 700 мг/кг.

Фоновое значение концентрации аммиака не вычтено

 

Рис.П-1.4 – Сводные графики изменений концентрации аммиака по времени от начала эксперимента в зависимости от концентрации мочевины в образцах. Фоновое значение концентрации аммиака вычтено. В период с 8:00 до 8:15 в эксперименте с мочевиной 400 мг/кг измерения аммиака не проводились

Рис.П-1.5 – Сводные графики изменений концентрации аммиака по времени от параметров загрузки бетоном. Фоновое значение концентрации аммиака вычтено


Приложение 2. Основные положения проекта стандарта СРО «Экологическая безопасность бетонных смесей. Общие технические требования и инструментальный контроль»

1. Общие технические требования

1.1. В целях предотвращения заражения воздуха помещений при их эксплуатации выделяющимся из бетона аммиаком сверх его предельно допустимой концентрации, установленной санитарно-гигиеническими нормами (среднесуточная - 0,04 мг/куб.м , разовая – 0,2 мг/куб.м), при строительстве зданий, предназначенных для постоянного или временного пребывания людей, производстве бетонных конструкций для таких зданий необходимо осуществлять контроль количественного содержания мочевины в бетонных смесях, используемых при изготовлении строительных конструкций.

1.2. Предельная допустимая концентрация (ПДК) мочевины в бетоне определяется заказчиком строительства в соответствии с Приложением 1.

1.3. ПДК мочевины в бетоне указывается в договоре поставки бетонной смеси. Бетонная смесь, поставленная с превышением указанной в договоре концентрации мочевины в бетоне, считается не соответствующей условиям поставки, подлежит возврату поставщику и утилизации за его счет.

1.4. Контроль количественного содержания мочевины в бетонных смесях осуществляется по «Методике измерений массовой доли карбамидов в бетонных смесях» № 01.11.32, зарегистрированной в Федеральном информационном фонде по обеспечению единства измерений (раздел Сведения об аттестованных методиках (методах) измерений) под государственным номером ФР.1.31.2012.12152.

 

Приложение 1 (рекомендуемое)

Расчет предельной допустимой концентрации мочевины в бетоне

1.1. ПДК мочевины в бетоне рассчитывается для температуры эксплуатации помещений 250С и относительной влажности воздуха в помещении 50% по следующей упрощенной формуле:


   ,

где: КМБ              – искомая предельно допустимая концентрация мочевины в бетоне (мг/кг);

        АПДК            – предельная допустимая концентрация аммиака в воздухе помещений (мг/м3);

        КВО             – расчетная кратность воздухообмена в помещении (час-1);

           ПБП             – площадь бетонных поверхностей, выходящих в помещение, в расчете на единицу объема помещения (м23);

        ln()              – натуральный логарифм;

        ВУБП            – усредненная масса бетона, приходящаяся на единицу площади бетонных поверхностей (кг/м2).

1.2. Предельные допустимые концентрации аммиака (АПДК) в воздухе помещений установлены «Гигиенические нормативы. ГН 2.1.6.1338-03. Предельно допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населенных мест» и составляют среднесуточный ПДК – 0,04 мг/м3, разовый – 0,2 мг/м3.

1.3. В случае, когда в помещении присутствуют зоны с различной кратностью воздухообмена (например, жилые комнаты, кухня и т.п. в квартире), в расчет принимается минимальная кратность воздухообмена.

1.4. В расчет ПБП включаются все бетонные поверхности, выходящие в помещение, полы, потолки, несущие и ненесущие бетонные стены. При этом учитывается площадь только тех поверхностей, которые выходят в данное помещение.

1.5. При расчете ВУБП принимаются общий вес бетонных конструкций и их общая площадь поверхности, не только выходящая внутрь помещения, для которого осуществляется расчет, но и в другие помещения.

1.6. Примеры расчета ПДК мочевины в бетоне.                                       

1.6.1. Исходные данные: Площадь квартиры – 54 кв.м, объем – 150 куб.м, площадь бетонных стен, выходящих в квартиру -103 кв.м (все такие стены – межквартирные), верхнее и нижнее перекрытия – бетонные, толщина стен и перекрытий – 16 см.

Расчет:

1) АПДК (для квартиры) = 0,04;

2) КВО согласно проектной документации составляет 0,5 час-1;

3) ПУБП = (площадь пола + площадь потолка + площадь бетонных стен) / объем квартиры = (54+54+103)/150 = 211/150 = 1,407;

4) При плотности бетона, равной 2400 кг/м3, общий вес бетонных конструкций cоставляет 211 х 0,16 х 2 400 = 81 124 кг. Площадь поверхностей этих бетонных конструкций составит 211 х 2 = 422 м2. ВУБП= Вес / Площадь = 81 124 / 422 = 192 кг/м2.

5) Подставляя полученные величины в формулу, получим:

КМБ = 10175 х 0,04 х 0,5 / (1,407 x ln(192/12,827)) = 203,5 / (1,407 x ln(14,968)) ≈ 53,5 мг/кг.

            Содержание мочевины в бетоне не должно превышать 53 мг/кг.

            1.6.2. При тех же исходных данных, что и в 1.6.1, толщина стен и верхнего перекрытия – 16 см, толщина нижнего перекрытия – 30 см.

            Для этого случая изменится общий вес бетонных конструкций ((54+103) х 0,16 + 54 х 0,30) х 2400 = 99 168. ВУБП= Вес / Площадь = 99 168 / 422 ≈ 235 кг/м2.

5) Подставляя полученные величины в формулу, получим:

КМБ = 10175 х 0,04 х 0,5 / (1,407 x ln(235/12,827)) = 203,5 / (1,407 x ln(18,321)) ≈ 49,7 мг/кг.

            Содержание мочевины в бетоне не должно превышать 49 мг/кг.

 


Приложение 3. Пояснительная записка к основным положениям проекта стандарта

В ряде случаев в новых многоквартирных жилых домах Санкт-Петербурга различных застройщиков, введенных в эксплуатацию с 2008-2009 г.г и по настоящее время, наблюдаются превышения предельно-допустимых концентраций (ПДК) газообразного аммиака (NH3) в воздухе помещений.

Проведенными исследованиями  установлено, что источником этого явления являются бетонные конструкции (бетонные стены, перекрытия, колонны и т.п.), из которых за счет образования аммиака в результате гидролиза содержащейся в бетоне мочевины (NH2CONH2), происходит его эмиссия.

К настоящему времени не известны эффективные способы борьбы с эмиссией аммиака в уже построенных помещениях, хотя поиски таких способов ведутся различными организациями. В этой связи актуальной является задача предотвращения эмиссии аммиака путем организации контроля укладываемого в строительные конструкции бетона на предмет наличия в нем мочевины в концентрациях, превышающих допустимые.

На сегодняшний день по заказу СРО НП «Объединение строителей Санкт-Петербурга» разработана, аттестована и внесена в федеральный реестр измерений экспресс-методика выполнения измерений на содержание мочевины в бетонных смесях. Кроме того, проведены исследования на выявление зависимости эмиссии аммиака от основных факторов, в результате которых получена эмпирическая формула расчета допустимой концентрации мочевины в бетонной смеси, не приводящей к превышению концентрации аммиака в помещениях при их эксплуатации выше заданного значения.

Представленный проект основных положений стандарта саморегулируемой организации стандартизует требования к порядку осуществления превентивного контроля бетонных смесей на наличие в них мочевины и унифицирует расчет предельного содержания мочевины в бетонных смесях для различных проектных решений. 

 

 

Вы можете обсудить интересующие темы или предложить новые на форуме портала http://prostroymat.ru/forum.

Предметный указатель: