CC BY
36УДК 502.3:504.5:624.01
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ АДГЕЗИИ ГОРОДСКОЙ ПЫЛИ НА ВЕРТИКАЛЬНЫЕ ПОВЕРХНОСТИ ЗДАНИЙ
Кузьмичев А.А.
Волгоградский государственный технический университет Институт архитектуры и строительства, г. Волгоград, ул. Академическая,1, 400074
E-mail: andrew_9207@mail.ru
Аннотация: В связи с антропогенными факторами, такими как промышленность, транспорт и многие другие, внешний облик строительных конструкций и памятников архитектуры урбанизированной среды нуждается в особом внимании. Пылевое осаждение, вызванное загрязненным атмосферным воздухом, является одним из ключевых аспектов ухудшения состояния зданий. В данной статье рассмотрены проведенные автором экспериментальные исследования, моделирующие процесс адгезии пыли на вертикальные поверхности городской среды. На основании полученного уравнение регрессии, можно сделать вывод, что наиболее значимыми из четырех случайных факторов, среди которых концентрация пыли, дисперсный состав пыли, скорость ветра, направление воздушного потока, являются скорость ветра и направление воздушного потока. Таким образом, путем изучения закономерностей загрязнения зданий и сооружений достигается главная цель исследования - сохранение объектов культурного наследия.
Ключевые слова: пыль, твердые взвешенные частицы, атмосферный воздух, загрязнение воздуха, адгезия, адгезия пыли, массовый коэффициент адгезии, загрязнение зданий, планирование эксперимента, планирование эксперимента экологических исследований, объекты культурного наследия, экологическая безопасность строительства.
ВВЕДЕНИЕ
АНАЛИЗ ПУБЛИКАЦИЙ
В настоящее время в связи с развитием промышленности, повышением транспортной активности, урбанизацией внешний облик зданий, сооружений, памятников архитектуры нуждается в особом внимании. Пылевое осаждение, вызванное загрязнениями, содержащимися в атмосферном воздухе городов, является одной из главных причин ухудшения состояния фасадов строительных конструкций. Загрязнение атмосферного воздуха связано как с естественными процессами, такими как выветривание, разрушения горных пород, вулканическая активность, космическая пыль, так и с антропогенными процессами, связанными с развитием промышленности, сельского и коммунально-бытового хозяйства, транспортной активностью и, как следствие, с загрязнением воздушной среды [1-10].
Один из основных процессов, который протекает в атмосферном воздухе и негативно воздействует на внешний облик зданий, сооружений
и архитектурных памятников, является адгезия - это процесс взаимодействия частиц с твердой поверхностью. Адгезия частиц пыли и порошков -это взаимодействие микроскопических частиц с твердой поверхностью, обусловленное силами, зависящими как от свойств контактирующих тел, так и от свойств среды [11-14].
ПЛАНИРОВАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА ПО ОЦЕНКЕ АДГЕЗИИ ГОРОДСКОЙ ПЫЛИ НА ВЕРТИКАЛЬНЫЕ ПОВЕРХНОСТИ
С целью изучения закономерностей загрязнения зданий и сооружений, были проведены экспериментальные исследования, моделирующие процесс адгезии пыли на вертикальные поверхности в городской среде. В качестве лабораторной установки была использована разработанная автором конструкция, представляющая собой тройник (разновидность фитинга), соединенный с компрессором. Компрессор подключен к тройнику через вход 1, осуществляется подача воздушного потока. Пыль в установку подается через вход 2 (рисунок 1). Воздушный поток подхватывает частицы пыли в «камере смешивания» - 3. Через выход 5 происходит выдувание воздушного потока
вместе с образцами пыли и дальнейшая адгезия частиц на вертикальные поверхности - 6 (рисунок 1). В качестве вертикальных поверхностей были изучены такие образцы, как стекло, сталь, оштукатуренная поверхность и другие строительные и отделочные материалы - 6 (рисунок 1). В данной статье в качестве вертикального образца рассмотрена оштукатуренная поверхность.
При проведении исследований методами планирования эксперимента [15-19] в качестве функции отклика была выбрана следующая величина: массовый коэффициент адгезии (в долях) - Уа:
Га
W
(1)
где М- масса частиц, налипших на поверхность; Мо - первоначальная масса частиц.
В качестве варьируемых факторов, влияющих на функцию отклика, были выбраны следующие четыре фактора:
1. С - концентрация пыли в воздушном потоке,
мг/м3;
- максимальный размер частиц, мкм;
3. V - скорость воздушного потока, м/с;
4. ф - косинус угла воздушного потока к вертикальной поверхности.
Рис.1. Схема работы экспериментальной установки: 1 - вход, через который поступает движущий воздушный поток; 2 - вход, через который осуществляется подача образцов пыли; 3 - смешивающая камера; 4 - диффузор; 5 -выход, через который осуществляется подача воздушного потока с пылью на вертикальную поверхность;
6 - вертикальная поверхность
Fig. 1. Scheme of operation of the experimental setup: 1 -input through which the moving air flow; 2-input through which the supply of dust samples; 3-mixing chamber; 4-diffuser; 5-output through which the supply of air flow with dust on a vertical
surface; 6-vertical surface
Варьируемые факторы были приведены в
соответствии с [12-16] к виду:
г — г Н — Н
^ _ ^ _ ^ _ max ^тахО
1 ДС ' 2 Мтпу.
_ V-Vq _Ф-ФО Л3 = 7ТГ~ 'Л4 =
(2)
ДУ
Дер
где С0, dmaxo, V), фо - значения соответствующих факторов в центре плана; дС, дdmax, д^ дф - уровни изменения значений факторов.
План эксперимента представляет собой матрицу планирования, соответствующую центральному композиционному рототабельному плану, имеет в основе план полного факторного эксперимента 24 (ядро матрицы планирования) и дополняется определенными точками факторного пространства - звездными точками и опытами в центре плана. Для рассматриваемого случая п = 4, звездное плечо равно а = ± 2 , количество опытов ядра матрицы 24 = 16, число звездных точек Ыа= 8, число нулевых точек N0 = 8 [15-19].
ОБРАБОТКА И АНАЛИЗ ЭКСПЕРИМЕНТА ПО ОЦЕНКЕ АДГЕЗИИ ГОРОДСКОЙ ПЫЛИ НА ВЕРТИКАЛЬНЫЕ ПОВЕРХНОСТИ
Для оценки значимости коэффициентов Ьо, Ьь
Ь2, Ьз, Ь4, Ь12, Ььз, Ьь4, Ь23, Ь24, Ьз4, ЬЦ, Ь22, Ьзз, Ь44 в уравнении регрессии воспользуемся критерием Стьюдента при доверительной вероятности Р=0,95 %, используемую в технических экспериментах [1519].
Коэффициенты уравнения имеют следующие значения: Ьо=0,006182; Ь:=0,00121б; Ь2=0,001104; Ьз=0,002786, Ь4=0,002357; ЬП=0,000584; Ь22=0,000563; Ьз4=0,000563. Проверка значимости уравнения регрессии: F = 18,98 ; Fкр = 7,23, т.к. F > Бкр, то уравнение регрессии значимо. Проверка значимости коэффициентов регрессии по Ь критерию Стьюдента показала, что все коэффициенты значимы. Проверка
воспроизводимости опытов по критерию Кохрена
Результаты экспериментальных исследований аппроксимированы полиномом второй степени вида [15-19]:
(3)
Проверка показала, что значимыми являются восемь коэффициентов: свободный член а также коэффициенты при следующих членах Х1; Х2; Х3; Х4; Х12; Х22; Х3Х4. Таким образом, с учетом вышесказанного уравнение регрессии будет иметь вид:
(4)
показала, что проведенные опыты воспроизводимы. Проверка адекватности математической модели по критерию Фишера продемонстрировала, что математическая модель адекватна.
На рисунке 2 изображена гистограмма остатков, которая указывает на нормальный закон распределения. На рисунке 3 изображена доверительная область линии регрессии с доверительной вероятностью, равной 95%.
Распределение : Остатки - Ожидаемое Нормальное
Y = Ъп + ЪлХл + ЪуХу + Ъ,Х, + ЪАХА + Ъ„Х„ + ЪЛ,ХЛ, + ЪЛАХЛА + Ъ7,Х7, + ЪуАХуА +
J0 т "I^I -Г и2л2 ^ -Г и\2л12 ^ ^ и14^14 ^ и23л23 ^ и24л24
Ь34%34 + bnXi + Ъ22Х2 + ЪззХз
Ya = b0 + bi • С + Ь2 • Dmax + Ьз • V + bA • <р + Ьц • С2 + Ъ22 • Dmax2 +ЪзА^У • <р
Рис.2. Гистограмма остатков Fig. 2. Residual histogram
Предсказанные и наблюдаемые значения Зависимая перемен.: у F
0,018 0,016 0,014 0,012 I 0,010
та
2 0,008
0,006 0,004 0,002 0,000
/ / /■ / / / ,-
/ / ''
о о / у' ✓ /^
✓ * s / / у
у 'У*' S / /
s/s 'f
О
/5 ОИ5 X
/ / ' ' / / / / / f
0,000 0,002 0,004 0,006 0,008 0,010 0,012 0,014 0,016 0,018
Предск. значения
^зч-95% доверит.
Рис. 3. Доверительная область линии регрессии Fig. 3. Confidence area of the regression line
ВЫВОДЫ
С целью изучения закономерностей загрязнения зданий и сооружений, были проведены экспериментальные исследования, моделирующие процесс адгезии пыли на вертикальные поверхности в городской среде. Для этих целей автором была разработана специализированная
экспериментальная установка (рисунок 1).
Получена зависимость массового
коэффициента адгезии от четырех случайных факторов (концентрация пыли, дисперсный состав пыли, скорость ветра, направление воздушного потока). Анализируя полученное уравнение регрессии, можно сделать вывод, что наиболее значимыми из четырех случайных факторов являются скорость и направление воздушного потока.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Kuzmichev A.A., Loboyko V.F. Impact of the Polluted Air on the Appearance of Buildings and Architectural Monuments in the Area of Town Planning. Procedia Engineering, 2016, vol. 150 , pp. 2095-2101, URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S187 7705816315612
2. Kuzmichev A.A., Azarov V.N., Kuzmichev A.V. The research of contamination regularities of historical buildings and architectural monuments by methods of computer modeling. MATEC Web of Conferences, 2017, vol.
129,5p,URL:https://www.matecconferences.org/article s/matecconf/abs/2017/43/matecconf_icmtmte2017_050 02/matecconf_icmtmte2017_05002. html.
3. Kuzmichev A.A., Azarov V.N., Stefanenko I.V. The Impact of Dust Particles on Cultural Heritage Objects in the Field of Environmental Mechanics. Applied Mechanics and Materials, 2018, vol. 878, pp.259-262.
4. Азаров В.Н., Кузьмичев А.А. Загрязнённость строительных конструкций и памятников архитектуры как один из аспектов визуальной экологии // Социология города. - 2015. - № 2. - C. 76-86.
5. Кузьмичев А.А., Азаров В.Н. Исследование влияния загрязнения атмосферного воздуха на внешний облик и восприятие строительных конструкций и памятников архитектуры // Биосферная совместимость: человек, регион, технологии. - 2016. - № 1. - C. 86-96.
6. Азаров В.Н., Кузьмичев А.А. Совокупность физического и визуального аспектов при исследовании загрязнений строительных конструкций и памятников архитектуры // Социология города. - 2016. - № 3. - C. 28-42.
7. Кузьмичев А.А., Азаров В.Н. Методы создания комфортной визуальной среды города при реконструкции исторических зданий и сооружений // Социология города. - 2017. - № 2. - C. 44-52.
8. Кузьмичев А.А., Азаров В.Н. Исследование закономерностей загрязнения строительных конструкций с помощью методов компьютерного моделирования // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Сер.: Строительство и архитектура. -2017. - № 50 (69). - C. 440-450.
9. Кузьмичев А.А. Характеристика внешних и внутренних атмосферных загрязнений,
воздействующих на объекты культурного наследия // Современные научные исследования и разработки: электрон. журнал. - 2017. - № 5 (13).- C. 187-190. - Режим доступа:
http ://olimpiks. ru/d/1340546/d/vypusk_513. pdf.
10. N.Y. Orudjev, M.B. Lempert, I. Osaulenko N.A. Salnikova, A.A. Kuzmichev, A.G. Kravets. Computer - Based visual analysis of ecology influence on human mental health // Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE).- 2016.- URL: http://ieeexplore.ieee.org/xpl/mo stRecentlssue .j sp?pun umber=7774711.
11. Зимон А.Д. Адгезия пыли и порошков / Москва: Химия, 1967. - 372 с.
12. Зимон А.Д. Адгезия пыли и порошков / Изд. 2-е, пер. и доп. - Москва: Химия, 1976. - 432 с.
13. Zimon A.D. Adhesion of Dust and Powder. Springer, 1969, 413 p.
14. Зимон А.Д. Что такое адгезия / Москва: Наука, 1983.- 176 с.
15. Азаров В.Н., Ерещенко Т.В., Соловьева Т.В. Планирование и обработка эксперимента экологических исследований: учебно-практическое пособие / М-во образования и науки Рос. Федерации.- Волгоград: ВолгГТУ, 2018. - 82 с.
16. Адлер Ю. П. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий / Москва: Наука, 1976. - 280 с.
17. Романиков Ю. И. Методы планирования и обработки результатов физического эксперимента / Москва: Атомиздат, 1978. - 232 с. : ил.
18. Казаков Ю. Б. Методы планирования эксперимента / Москва: Энергия, 1971. - С. 73-78.
19. Казаков Ю.Б., Тихонов А.И. Методы планирования эксперимента в электромеханике: Метод. указания к выполнению лаб. работ / Иванов. гос. энергетический ун-т. - Иваново, 2001. - 28 с.
REFERENCES
1. Kuzmichev A.A., Loboyko V.F. Impact of the Polluted Air on the Appearance of Buildings and Architectural Monuments in the Area of Town Planning. Procedia Engineering, 2016, vol. 150 , pp. 2095-2101, URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S187 7705816315612
2. Kuzmichev A.A., Azarov V.N., Kuzmichev A.V. The research of contamination regularities of historical buildings and architectural monuments by methods of computer modeling. MATEC Web of Conferences, 2017, vol. 129,5p,URL:https://www.matecconferences.org/article s/matecconf/abs/2017/43/matecconf_icmtmte2017_050 02/matecconf_icmtmte2017_05002.html.
3. Kuzmichev A.A., Azarov V.N., Stefanenko I.V. The Impact of Dust Particles on Cultural Heritage Objects in the Field of Environmental Mechanics. Applied Mechanics and Materials, 2018, vol. 878, pp.259-262.
4. Azarov V.N., Kuzmichev A.A. [Pollution of building constructions and architectural monuments as
one of the aspects of visual ecology]. Sotsiologiya Goroda [Sociology of City], 2015, vol. 2, pp. 76-86.
5. Kuzmichev A.A., Azarov V.N. [The study of impact of air pollution on external appearance and perception of building constructions and architectural monuments]. Biosfernaya sovmestimost': chelovek, region, tekhnologii [Biospheric compatibility: human, region, technologies], 2016, vol. 1(13), pp. 86-96.
6. Azarov V. N., Kuzmichev A. A. [The totality of physical and visual aspects when studying contamination of building structures and monuments of architecture]. Sotsiologiya Goroda [Sociology of City], 2016, vol. 3, pp. 28-42.
7. Kuzmichev A.A., Azarov V.N. [Methods of creation of a comfortable visual environment of a city at the reconstruction of historical buildings and constructions]. Sotsiologiya Goroda [Sociology of City], 2017, vol. 2, pp. 44-52.
8. Kuzmichev A.A., Azarov V.N. [The research of contamination regularities in building structures with the help of computer modeling methods]. Vestnik Volgogradskogo gosudarstvennogo arhitekturno-stroitel'nogo universiteta. Seriya: Stroitel'stvo i arhitektura [Bulletin of Volgograd State University of Architecture and Civil Engineering. Series: Civil Engineering and Architecture], 2017, issue 50(69), pp. 440-450.
9. Kuzmichev A.A. [Characterization of External and Internal Atmospheric Pollution Influence on Cultural Heritage Objects]. Sovremennyye nauchnyye issledovaniya i razrabotki [Modern scientific research and development], 2017, vol. 5(13), pp. 187-190 , URL: http ://olimpiks.ru/d/1340546/d/vypusk_513 .pdf.
10. N.Y. Orudjev, M.B. Lempert, I. Osaulenko N.A. Salnikova, A.A. Kuzmichev, A.G. Kravets. Computer - Based visual analysis of ecology influence on human mental health. Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), 2016 , URL: http://ieeexplore.ieee.org/xpl/mostRecentIssuej sp ?punumber=7774711.
11. Zimon A.D. [Adhesion of Dust and Powder]. Moscow: Chemistry Publ., 1967, 372p.
12. Zimon A.D. [Adhesion of Dust and Powder]. Moscow: Chemistry Publ., 1976, 432 p.
13. Zimon A.D. Adhesion of Dust and Powder. Springer, 1969, 413 p.
14. Zimon A.D. What is adhesion. Moscow: Science Publ, 1983, 176 p.
15. Azarov V.N., Ereshenko T.V., Solovyova T.V. [Planning and processing of the ecological experiment studies: a practical guide]. Ministry of Education and Science of the Russian Federation, Volgograd: VolSTU, 2018, 82 p.
16. Adler Yu.P. [Planning an experiment when searching for optimal conditions]. Moscow: Science Publ., 1976, 280 p.
17. Romanikov Yu.I. [Methods for planning and processing the results of a physical experiment]. Moscow: Avtomizdat Publ., 1978, 232 p.
18. Kazakov Yu.B. [Methods of experiment planning]. Moscow: Energy Publ., 1971, pp. 73-78.
19. Kazakov Yu.B., Tikhonov A.I. [Methods of experiment planning in electromechanics: Methodological instructions for performing laboratory work]. ISPU, Ivanovo, 2001, 28 p.
EXPERIMENTAL STUDIES OF URBAN DUST ADHESION ON VERTICAL SURFACES OF
BUILDINGS
Kuzmichev A.A.
Summary: In connection with anthropogenic factors, such as industry, transport and many others, the external appearance of building constructions and architectural monuments of urban environment needs special attention. Dust deposition caused by contaminated atmospheric air is one of the key aspects of the deterioration of buildings. In this article, we consider the experimental studies carried out by the author, modeling the process of dust adhesion on vertical surfaces of the urban environment. Based on the regression equation, it can be concluded that the most significant of the four random factors, among which dust concentration, particulate dust composition, air flow speed, air flow direction, are air flow speed and air flow direction. Thus, by studying the regularities of buildings and constructions pollution, the main goal of the research, to preserve the objects of cultural heritage, can be achieved .
Key words: dust, particulate matters, atmospheric air, pollution of atmospheric air, adhesion, adhesion of dust, mass adhesion coefficient, pollution of buildings, experiment planning, planning of ecological research experiment, cultural heritage objects, ecological safety of civil engineering
