Взаимосвязь экологического состояния атмосферы городов и долговечности строительных материалов и конструкций Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Экологическое строительство

------ЖИЛИЩНОЕ ---

строительство

Научно-технический и производственный журнал

УДК 624

Н.П. УМНЯКОВА, канд. техн. наук, зам. директора по научной работе

НИИСФ РААСН (Москва)

Взаимосвязь экологического состояния

атмосферы городов и долговечности строительных материалов и конструкций

Рассмотрено воздействие загрязняющих веществ и пыли, находящихся в воздухе крупных городов и скапливающихся на элементах, вентфасадов в вентилируемой воздушной прослойке в процессе эксплуатации здания, на долговечность элементов фасадных систем наружного утепления с воздушным зазором.

Ключевые слова: навесные фасадные системы, вентилируемый воздушный поток, скорость ветрового потока, загрязняющие вещества, уравнение Бернулли, договечность металлических элементов.

В городских условиях аэродинамика воздушных потоков для зданий, расположенных в микрорайоне в условиях плотной городской застройки, является сложным физическим явлением. При обтекании здания ветровым потоком фасада с поверхности земли, в том числе автомагистрали, вверх поднимаются загрязняющие вещества в виде газов и частиц пыли. По данным экологического мониторинга, в атмосфере воздуха Москвы в 2011 г. находились следующие газы: оксид азота, диоксид серы, формальдегид, бензол, толуол, параксилол, фенол, стирол, метаксилол. Проведенный анализ степени загрязнения воздуха показал превышение нормативных значений за первую половину 2011 г.: на Кутузовском проспекте - по оксиду азота превышение среднего значения ПДКсс (предельно допустимая концентрация среднесуточная за год) в 1,26-1,63 раза, а максимальная среднесуточная концентрация составляла 1,23-3,03 ПДКсс; по формальдегиду среднее значение концентрации превышало среднесуточную ПДКсс в 1,33-2,15 раза, а максимальная среднесуточная концентрация доходила до 3,42 ПДКсс; по стиролу среднее значение концентрации превышало среднесуточную ПДКсс в 1,24-1,33 раза; на площади Гагарина проведенные в этот же период замеры показали: по оксиду азота среднее значение концентрации превышало среднесуточную ПДКсс в 1,32-1,87 раза, а максимальная среднесуточная концентрация составляла 2,02-2,68 ПДКсс; по формальдегиду среднее значение концентрации превышало среднесуточную ПДКсс в 1,42-2,71 раза (за исключением мая 2011 г.), а максимальная среднесуточная концентрация превышала 2,32 ПДКсс; по стиролу среднее значение концентрации превышало среднесуточную ПДКсс в 1,17-1,44 раза, а максимальная среднесуточная концентрация составляла 1,1-1,87 ПДКсс; по фенолу среднее значение концентрации превышало среднесуточную ПДКсс в 1,77-1,92 раза, а максимальная среднесуточная концентрация составляла 1,88-2,12 ПДКсс.

Особенно легко вместе с воздушным потоком при обтекании здания вверх поднимаются частицы пыли. Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) обращает особое внимание на мелкие частицы пыли размером 10 мкм (РМ10)

и 2,5 мкм (РМ25), которые не только опасны для здоровья человека, но и легко проникают в конструкции вентилируемых фасадов. ВОЗ рекомендует следующие значения: для среднегодовой концентрации РМ2,5 - 0,01 мг/м3 и для РМ10 - 0,02 мг/м3. В странах ЕС для среднегодовой концентрации РМ10 действующий норматив составляет 0,04 мг/м3. В соответствии с постановлением Главного государственного санитарного врача РФ от 19 апреля 2010 г. № 26 «Об утверждении гигиенических нормативов» ГН 2.1.6.2604-10 «Предельно допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населенных мест» для взвешенных частиц РМ10 максимальная разовая величина ПДК составляет 0,3 мг/ м3; среднесуточная величина ПДК 0,06 мг/м3; предельные допустимые среднегодовые концентрации 0,04 мг/м3; для взвешенных частиц РМ2,5 максимальная разовая величина ПДК составляет 0,16 мг/м3; среднесуточная величина ПДК 0,035 мг/м3; предельные допустимые среднегодовые концентрации 0,025 мг/м3. С 2004 г. практически неизменным остается среднегодовое содержание мелких взвешенных частиц размером менее 10 мкм (РМ10), которое сохраняется на уровне 0,037-0,036 мг/м3. Однако эта стабильность главным образом сохраняется на территориях, удаленных от автотрасс, где одними из основных источников выбросов взвешенных веществ являются крупномасштабный атмосферный перенос и вынос частиц с поверхности почвы с не-задерненных участков. Вблизи крупных автотрасс отмечается незначительный (в пределах 6%), но устойчивый годовой рост максимально наблюдаемых среднегодовых концентраций РМ10: 2004 г. - 0,045 мг/м3; 2005 г. - 0,046 мг/м3; 2006 г. - 0,049 мг/м3. Следует отметить, что летом 2010 г. из-за лесных и торфяных пожаров максимальные концентрации взвешенных частиц размером менее 10 мкм достигали 5,6 ПДКм.р. (предельно допустимые максимальные разовые концентрации за 20-минутный период для тех веществ, которые оказывают немедленное, но временное раздражающее действие). Однако средний уровень загрязнений атмосферного воздуха в 2010 г. без учета периода задымления не превысил аналогичных показате-

Научно-технический и производственный журнал

Экологическое строительство

лей 2009 г. Минимальные среднегодовые концентрации отмечены в микрорайоне Зеленограда, которые составляют 0,017-0,025 мг/м3, а максимальные - на АСКЗА «Косино», которая находится около МКАД, и составляют 0,046 мг/м3. Все эти загрязняющие вещества через неплотности и отверстия в облицовочных плитах вентфасада, установленных на относе, проникают в вентилируемую воздушную прослойку, осаждаются на крепежных элементах и поверхности теплоизоляционных материалов. При резких колебаниях температуры наружного воздуха возникают условия для образования конденсата на элементах навесных фасадных систем, что в сочетании с наличием частиц пыли и других загрязняющих веществ, вступающих в химические реакции, может оказать негативное воздействие на долговечность конструкций в вентилируемом фасаде.

Схема перемещения загрязняющих веществ вместе с ветровым потоком с наветренной стороны здания на участке от транспортной магистрали до вентилируемой воздушной прослойки вентфасада приводится на рис. 1.

В нашем решении примем, что вместе с потоком ветра переносятся загрязняющие вещества в виде газов и взвешенных частиц, обладающих суммацией действия (С,+С2+^Сп), в мг/м3. Выделим некоторую воздушную струю и запишем для нее уравнения Бернулли. Рассмотрим скорость ветрового потока в сечении 1-1. Оно находится на значительном расстоянии от здания, и скорость в точке А можно принять как расчетную скорость ветра VA = Урасч. При этом будем считать, что плотность воздуха незначительно отличается от плотности газов. Так, если плотность воздуха при температуре 0оС составляет 1,293 кг/м3, то плотность азота равняется 1,25 кг/м3; аргона 1,782 кг/м3; бутана 1,976 кг/м3; диоксида серы 2,927 кг/м3; диоксида углерода 1,976 кг/м3; метана 0,717 кг/м3; оксида углерода 1,25 кг/ м3; пропана 2,02 кг/м3; пропилена 1,914 кг/м3; сероводорода 1,539 кг/м3; хлора 3,217 кг/м3; этилена 1,261 кг/м3. Как

4

■

□ □□□□ □ □□□□ □ □□□□ □ □□□□ □ □□□□

1

Рис. 1. Схема обтекания здания ветровым потоком. Сечение 1-1 находится на значительном расстоянии от здания; сечение 2-2 — около поверхности вентфасада

видно, разность плотностей воздуха и вышеперечисленных газов относительно небольшая. Поэтому плотность воздуха в ветровом потоке с загрязняющими веществами можно представить в виде: (С1+С2+^Сп)/10000, кг/м3. Тогда вместо р\/д/2 можно записать: (С1+С2+...Сп^2асч/(2-10000). Выражение для вычисления давления ветра в сечении 1-1 будет иметь следующий вид:

Pi-1 = РА+

(C1+C2+-Cn)Vgac4

2-10000

(1)

Примем, (С1+С2+...С)

что количество содержащихся в

загрязняющих веществ ветровом потоке сечения

1-1, больше по сравнению с их содержанием (С1/+С2/+.Сп/) в сечении 2-2. Тогда для воздушного потока у поверхности вентилируемого фасада его скорость обозначим через Vп.фас

А

dustl ms200410

26,36

Рис. 2. Хроматограммма определения состава пыли в зазоре вентфасада через 14лет эксплуатации здания

1'2012

31

Экологическое строительство

ц м .1

Научно-технический и производственный журнал

„ РУп.фас „ (С^ +С'г +-С^)Уп.фас , 3

и вместо К—„ запишем К-„ _ „„„„-, кг/м3.

2 2-10000 В соответствии с принятыми условиями давление в сечении

2-2 будет равно атмосферному Рд, и для сечения 2-2 в точке Б запишем:

Р2-2=РА+К

(С^-К-.+СХфар

(2)

2-10000

где К - аэродинамический коэффициент с использованием геометрического критерия, предложенного Э.И. Рет-тером [1]; на основе экспериментальных исследований с учетом действия ветра под углом 45о на наветренную поверхность, имеющую отверстия, предложена следующая формула:

К45 = 0,25/^5 - 0,17) + 0,22,

(3)

г45 = хН3/4В1/4,

(4)

где х - абсцисса вертикального сечения, параллельная плоскости торца; Н и В - соответственно высота и длина здания, м.

Обнаруженные соединения Средняя концентрация в образцах пыли, взятых из воздушной прослойки вентфасада, мкг/г

Нафталин 0,549

Аценафтилен 0,657

Флуорен 0,030

Фенантрен 0,302

Антрацен 0,009

Флуорантен 0,370

Пирен 0,197

Бенз(а)антрацен 0,022

Бенз(Ь)флуорантен 0,111

Хризен 0,138

Бенз(а)пирен 0,022

Индено)1,2,3^)пирен 0,015

Дибенз(а,Ь1)антрацен 0,045

Бенз(дЫ)перилен 0,021

Дибутилфталат 8,324

Бутилбензилфталат 0,503

Ди-2-этилгексилфталат 5,144

Стронций 280,71

Рубидий 27,42

Свинец 42,99

Цинк 382,07

Медь 111,62

Никель 59,7

Кобальт 261,88

Железо 23416,48

Марганец 536,33

Хром 174,04

Исходя из условий, что потери энергии между сечением 1-1 и 2-2 практически нет, баланс энергии структурного потока выразим уравнением Бернулли:

(с1/+ф...+с;Упфас (с1+с2+...сп)у^асч

(5)

После соответствующих преобразований получим общее уравнение (6), которое позволяет в зависимости от скорости ветра проследить динамику перемещения загрязняющих веществ в виде газов и пыли и обтекания ими наветренной части вентфасада с частичным проникновением через зазоры между облицовочными плитами в вентилируемую воздушную прослойку:

К45(С1/+С2/+...С /)V2ф = ГС+С2+...С )V

45ч 1 2 п' п.фас 4 1 2 п'

2, расч'

(6)

где гАЪ - геометрический критерий, определяемый по следующему выражению:

где (С1+С2+.Сп) и (С1/+С2/+.Сп/) - количество загрязняющих веществ, мг/м3; определены экспериментально.

Определение скорости движения воздуха в вентилируемой воздушной прослойке по высоте их расположения на этаже в зависимости от скорости ветрового потока приводится в [2].

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования движению частиц пыли в вентилируемой воздушной прослойке вентфасада и образования конденсата на его элементах показали, что осаждение пылевых частиц происходит на деталях и поверхностях вентфа-сада в вентилируемом воздушном зазоре. Выдвинутые утверждения подтверждаются при вскрытии конструкций вентилируемых фасадов [3]. Автором исследован состав пыли, взятой из вентилируемой воздушной прослойки вентфасада, находящегося 14 лет в эксплуатации в условиях Москвы.

В результате исследований образцов пыли простроены хроматограммы (рис. 2), позволяющие определить химический состав пыли и выделить вещества, содержащиеся в наибольших количествах. Анализ состава пыли сделан с помощью рентгенофлуоресцентного детектора. На хроматограмме приведены результаты рентгеновских исследований, которые показали, что в составе пыли преобладают фталаты и тяжелые металлы. Основные химические элементы, входящие в состав пыли, представлены в таблице.

В настоящее время несущие конструкции навесных фасадных систем, как правило, выполняются из нержавеющей или оцинкованной стали и алюминиевых сплавов. Широкое распространение получили конструкции вентфаса-дов с несущими подсистемами, выполненными из оцинкованной стали и алюминиевых сплавов. Имея меньшую стоимость (по сравнению с нержавеющей сталью) алюминиевые сплавы типа АД31 и оцинкованные покрытия являются менее коррозионно-стойкими. Находящиеся в атмосфере загрязняющие вещества - оксиды азота, оксиды серы, диоксиды углерода, взаимодействуя с влагой, образуют растворы кислот, которые способствуют развитию процессов коррозии элементов вентфасадов.

Помимо обычных процессов коррозии на поверхности металлических элементов, обращенных в вентилируемую воздушную прослойку, могут происходить реакции с веществами, входящими в состав пыли, исследованной автором при вскрытиях вентфасадов. Хотя большинство соединений, приведенных в таблице, химически инертны в обыч-

Научно-технический и производственный журнал

Экологическое строительство

ных условиях, некоторые соединения способны окисляться на воздухе или гидролизоваться в кислых водных средах, а продукты их разложения способны взаимодействовать с металлами.

Так, при УФ-освещении растворов антрацена происходит присоединение О2 с образованием эндопероксида.

о,

А флуорен окисляется кислородом воздуха до 9-гидро-пероксифлуорена:

0

1

н

Образующиеся в результате перекисные производные ароматических соединений являются намного более реак-ционноспособными. Они могут взаимодействовать с металлами в присутствии влаги:

+Zn

+ZnO

O

I

H

OH

OH

+Zn + H2O

+ZnO

OH

Кислотные оксиды, растворяясь в воде, взаимодействуют с ней, образуя растворы соответствующих кислот.

SO2 + H2O = H2SO3

CO2 + H2O = H2CO3

В кислых средах эфиры фталевой кислоты могут гидро-лизоваться, в результате чего образуется фталевая кислота и соответствующие спирты:

fV^^^ H + H2C

O

C O

+ 2

OH

OH .OH

+ 2

OH

OH OH

OH

OH

Образующая фталевая (1,2-бензодикарбоновая) кислота может взаимодействовать как с металлами, так и с их оксидами:

O

O

O O

OH OH

'OH .OH

+ Zn

Zn + H2

+ ZnO

O

Zn + H2O

O

1,2,3-бензотрикарбоновая кислота будет реагировать аналогично фталевой:

O

OH OH

+ ZnO

Zn + H2O

В результате взаимодействия входящих в состав пыли веществ коррозия металлических элементов в условиях городской среды происходит более интенсивно, что приводит к снижению долговечности несущих элементов навесных фасадных систем. Также нельзя исключить, что в результате взаимодействия частиц пыли с защитным покрытием, нанесенным на металлические элементы, прочность последнего и его адгезия к металлу могут уменьшиться. Однако этот вопрос требует отдельных исследований. Также при оценке долговечности утеплителя из минеральной ваты в конструкциях навесных вентилируемых фасадов необходимо учитывать воздействие этих загрязняющих веществ.

Таким образом, оценка долговечности навесных фасадных систем требует комплексного исследования, в котором необходимо учитывать не только традиционное воздействие наиболее распространенных загрязняющих элементов воздушной среды крупных городов - углекислого газа, оксидов азота и серы, но и других загрязняющих веществ, таких как антрацены, флуорены, фталевая, бензотрикарбо-новая кислоты и др.

Список литературы

1. Реттер Э.И., Стриженов С.И. Аэродинамика зданий. М.: Стройиздат, 1968. 240 с.

2. Умнякова Н.П. Элементы навесных вентилируемых фасадов, определяющие их теплозащитные качества // Academia. Архитектура и строительство. 2009. № 5. С. 372-380.

3. Умнякова Н.П. Теплозащитные свойства эксплуатируемых навесных вентилируемых фасадных конструкций // Жилищное строительство. 2011. № 2. С. 2-6.

O

O

O

O

O

о

O

2

O

O

O

O

O

O

+

+

12012

33