Содержание к диссертации
Введение
1. Роль экологии строительных материалов в формировании устойчивой среды обитания. Опыт использования каустического магнезита в строительной индустрии 10
1.1. Формирование экологических представлений в конце XX - начале XXI вв. 10
1.2. Исследования в области экологически безопасного строительства 14
1.3. Экологическое управление в строительстве 16
1.4. Экологическая оценка строительных материалов 25
1.5. Значение систем экологических оценок строительных материалов при экологической оценке зданий 26
1.6. Области использования магнезиальных вяжущих 28
1.7. Структура и строение магнезиального камня 31
1.8. Способы модификации магнезиального вяжущего 33
2. Методы повышения экологической эффективности плитных изделий из каустического магнезита и определение потенциальных модифицирующих добавок 49
2.1. Анализ каустического магнезита и изделий из него по жизненному циклу 49
2.2. Выявление факторов, ухудшающих экологическую эффективность изделий на основе каустического магнезита 53
2.3. Выбор модифицирующих добавок 53
3. Результаты исследований физико-механических свойств образцов, модифицированных полимерными добавками, щавелевой кислотой, хризотил-асбестом и микрокремнеземом 58
3.1 Плитные изделия на основе каустического магнезита, модифицированного полимерными добавками 58
3.2 Деструкция плитных материалов на основе каустического магнезита, модифицированного полимерными добавками 61
3.3 Плитные материалы на основе каустического магнезита с добавкой щавелевой кислоты 63
3.4 Плитные материалы на основе каустического магнезита, модифицированные отходами асбоцеметных производств. 66
3.5 Оптимизация составов плитных материалов на основе каустического магнезита, модифицированного серной кислотой. 70
3.6 Исследование взаимодействия каустического магнезита с добавкой хризотил-асбеста, модифицированного серной кислотой 76
4 Разработка оптимальных составов материалов на основе каустического магнезита, обладающих повышенной водостойкостью 88
4.1 Сопоставление экспериментальных данных и предварительной экологической оценки модифицирующих добавок 88
4.2 Материалы исследования 89
4.3 Методы исследования 105
4.4 Планирование эксперимента и статистическая обработка результатов исследований 111
Результаты и общие выводы 113
Список литературы
- Исследования в области экологически безопасного строительства
- Выявление факторов, ухудшающих экологическую эффективность изделий на основе каустического магнезита
- Деструкция плитных материалов на основе каустического магнезита, модифицированного полимерными добавками
- Сопоставление экспериментальных данных и предварительной экологической оценки модифицирующих добавок
Исследования в области экологически безопасного строительства
Поворотной точкой в отношении человечества к устойчивому развитию можно считать создание в 1968 г. международной научной организации – Римского клуба, начавшего исследование вопросов, названных «Глобальной проблематикой». Первая работа Клуба – это применение разработанной в Массачу-сетском технологическом институте методики моделирования динамических систем к изучению пяти основных факторов глобализации, а именно индустриализации, роста населения, исчерпания природных ресурсов, нехватки продуктов питания, деградации природной среды. Тогда впервые прозвучало, что дальнейшее развитие человечества на физически ограниченной планете Земля приведет к экологической катастрофе в 20-х годах XXI столетия. Согласно прогнозам, планету в ближайшие десятилетия ожидал глобальный кризис [1, 2]. Через несколько лет к аналогичным выводам пришли М. Месарович и Э. Пестель – специалисты в иерархических системах [3]. С докладов Римского клуба началось формирование современного экологического общественного сознания [4–7]. Вместо одной биологической науки появилось, согласно Н.Ф. Реймерсу, около ста ответвлений экологии [8].
Общепринятые сегодня понятия «устойчивое развитие», «устойчивое строительство», «устойчивая реставрация» напрямую связаны с решением экологических проблем во всех сферах деятельности человека и являются научной основой устойчивого развития ноосферы и регулирования природоохранной деятельности в мировом масштабе [9].
Одно из определений устойчивого развития – это неистощимое развитие в долгосрочном, межпоколенном плане. Поскольку природа является основой жизнедеятельности человека, ее истощение и деградация при существующих экономических отношениях негативно сказываются на социальных отношениях и структурах производства и потребления и провоцирует рост нищеты. Так же важно учитывать качество природной среды [10], которое сводится к пригодности окружающей среды для жизнедеятельности человека и ее способности сохранять генофонд человека и обеспечивать биоразнообразие.
Хронологию действий, ведущих к экологически ориентированной экономике и экономике устойчивого развития можно представить следующим образом. 5 марта 1980 г. принята «Всемирная стратегия охраны природы» [11]. «Стратегия» предлагает систему рациональных методов управления деятельностью человека по использованию ресурсов биосферы и отдельных экосистем, являющихся ее главными элементами, с таким расчетом, чтобы она давала наибольшие возможности воспроизводства ресурсов биосферы, которые необходимы для удовлетворения потребностей и развития будущих поколений.
В 1982 г. по инициативе ООН создается Комиссия Брундтланд, (формальное название – World Commission on Environment and Development (WCED)). Ее задача – оценка быстрого ухудшения состояния окружающей среды и природных ресурсов и определения последствий этого процесса для экономического и социального развития». Результатом деятельности комиссии стало доказательство положения о глобальном характере экологических изменений [12]. После этого началась разработка комплекса мероприятий, обеспечивающих экологически чистое и устойчивое развитие общества, а именно «развитие общества, отвечающее целям настоящего поколения в удовлетворении своих потребностей без снижения уровня такой возможности для последующих поколений».
В международном масштабе экологические рамки природоохранной деятельности были регламентированы в пяти основных документах, выработанных на конференции ООН по вопросам охраны окружающей среды и развитию UNCED-92, прошедшей в Рио-де-Жанейро в 1992 году (участвовали 189 стран) чивого развития», или «Концепция общих интересов», определившей суть этих понятий, должна была стать неотъемлемой частью процесса мирового развития. Устойчивое развитие требует сокращения техногенного воздействия на окружающую среду до «экологически приемлемого предела, определяемого способностью биосферы справляться с возмущениями» [9] и обеспечивает людям лучшие условия жизни без принесения в жертву окружающей среды и истощения ресурсов в ущерб будущим поколениям. Отсюда основная экологическая задача — рациональное природопользование для обеспечения устойчивого развития.
В нашей стране в том же году был принят Закон ФЗ-№7 «Об охране окружающей среды (19 декабря 1992 года). Важнейшие цели природоохранной деятельности были сформулированы в «Основных положениях государственной стратегии Российской Федерации по охране окружающей среды и обеспечению устойчивого развития» (одобрены Указом Президента РФ от 4 февраля 1994 года № 236) и т.д.
Еще одним важным документом является Киотский протокол, принятый в декабре 1997 года в дополнение к Рамочной конвенции ООН об изменении климата. Он обязывал развитые страны и страны с переходной экономикой сократить или стабилизировать выбросы парниковых газов в 2008–2012 годах по сравнению с 1990 годом. Период подписания протокола открылся 16 марта 1998 года и завершился 15 марта 1999 года.
Одним из последних глобальных мероприятий стала конференция «Рио+20», прошедшая в июне 2012 г. Ее главными задачами было определение пути, позволяющего построить «зелeную» экономику таким образом, чтобы добиться устойчивого развития, а также помочь развивающимся странам встать на путь «зеленого» развития; улучшить координацию международных усилий по достижению устойчивого развития [19].
Выявление факторов, ухудшающих экологическую эффективность изделий на основе каустического магнезита
До недавнего времени в России из всего спектра факторов, учитываемых при экологическом управлении в строительстве, упор делался на гигиенические характеристики строительных материалов, а в последние годы – на энергоэффективность здания. Этому способствовали обсуждения, предшествующие принятию в конце 2009 г. закона об энергоэффективности, который создал правовые, экономические и организационные основы стимулирования энергосбережения в России.
Вклад строительных материалов в общий энергетический баланс здания происходит по двум каналам: 1) Энергоемкость собственно строительных материалов (включая энергозатраты на транспортировку). 2) Энергозатраты на вентиляцию, которые повышаются, если строительные и отделочные материалы выделяют избыточное количество летучих вредных соединений [48–49].
Поэтому во всех рассмотренных системах экологической сертификации зданий предусмотрен прямой или косвенный анализ данных об используемых строительных материалах. В связи с этим актуальна проблема интеграции результатов экологической оценки материалов в системы сертификации зданий.
Оценка материалов предусматривает две группы критериев, связанные с оценкой воздействия на человека и воздействия на окружающую среду. В первой группе находятся показатели санитарно-гигиенической, радиационной, пожарной безопасности материалов, фиксируемые чаще всего на стадиях применения и эксплуатации материалов. В группу воздействий на окружающую среду включаются разнообразные критерии, способствующие возникновению глобальных и локальных экологических эффектов в экосистемах. К этим критериям, в частности, относятся усиление парникового эффекта, разрушение озонового слоя, повышение кислотности, фотохимический смог в нижних слоях атмосферы, локальное повреждение экосистем, переудобрение почв и водоемов и экотоксичность (в том числе воздействие на здоровье человека). Важным, что критерии оценки воздействия на окружающую среду носят комплексный характер и оцениваются по всему жизненному циклу материала [9].
Согласно ГОСТ Р «Оценка соответствия. Экологические требования к объектам недвижимости» используются следующие критерии, позволяющие минимизировать воздействие материалов, используемых в строительстве на окружающую среду (пункт 8.1):
Все действующие сегодня системы экологической оценки (ЭО) зданий используют понятия «экологичности» строительного материала. При этом сами системы ЭО зданий оперируют лишь самыми общими критериями: сделано из местных материалов, использованы возобновляемые материалы. В остальном принято, что экологичными считаются материалы, прошедшие процедуру сертификации по той или иной системе. Между тем, в основе строительства и проектирования зданий должны лежать представления о механизме и степени воздействия СМ на окружающую среду [50, 51]. Выбор наиболее экологичного из доступных материалов может повлиять на строительство уже на этапе проектирования [52]. С другой стороны, производителям строительных материалов необходимо повышение точности данных о таких этапах жизненного цикла материала, как монтаж и эксплуатация. Схема совместной экологической оценки материалов и зданий с учетом разработок проф. Н. Колера (Университет Карлсруэ) [53] приведена на Рисунке 1.
Возможности интеграции систем экологической оценки строительных материалов и зданий основываются на следующих принципах: 1) Комплексность подхода к критериям материалов и оценке жизненного цикла материалов и объектов строительства; 2) Точный и рациональный выбор материалов на стадии проектирования; 3) Унификация методов оценки материалов и зданий.
С точки зрения описанных принципов, преимущество имеют те системы экологической сертификации, которые адаптированы к требованиям международных стандартов (в частности, стандартов системы управления качеством окружающей среды). Комплексность подхода к критериям означает, что следует учитывать не только безопасность используемых материалов (в том числе на основе отходов), но и экологическую эффективность всего их жизненного цикла, т.е. должно поощряться использование местных материалов, произведенных по технологиям с меньшими энергозатратами и т.д. Выбор материалов на ста дии проектирования должен осуществляться при помощи современных методов. К таким методам следует отнести технологии «экологических рюкзаков» (энергетических и материальных затрат, тянущихся за материалом), «экологических сит» (когда ставятся граничные условия на прохождение материала в следующий этап), сеток параметров (воздействия на окружающую среду по разным факторам откладывают на радиально расходящихся прямых). Для повышения качества оценочного процесса в ряде случаев необходимо использование методов теории рисков. Для упрощения процедуры выбора важно умение сочетать расчетно-информационные и экспертные методы.
Включение результатов экологической оценки материалов в системы добровольной сертификации зданий является перспективным направлением развития двух направлений повышения экоустойчивости отечественного строительства, что необходимо учитывать при формировании нормативной базы государственного уровня.
Деструкция плитных материалов на основе каустического магнезита, модифицированного полимерными добавками
Для того, чтобы исследовать влияние органических полимерных добавок на водостойкость и водопоглощение плитных материалов на основе каустического магнезита, был проведен оптимизационный анализ.
В качестве добавок использовалась поливинилацетатная дисперсия ПВА (ГОСТ 18992-80), РППВВ - редиспергируемый порошок на основе сополимеров винилацетата и винилверсатата Vinavil WW 10Z, натриевая соль карбоксиме-тилцеллюлозы (КМЦ).
При изготовлении данных образцов использовался заполнитель – перлитовый песок вспученный. Использование легкого пористого заполнителя уменьшает плотность материала, улучшает его термоизолирующие и звукоизолирующие свойства, что важно при использовании в качестве отделочного плитного материала. Было предположено, что цементное тесто может проникать в поры заполнителя и закупоривать их, превращая таким образом открытую пористость в закрытую. Известно, что увеличение закрытой пористости за счет открытой увеличивает долговечность материала.
В качестве контрольных образцов были взяты образцы без полимерных органических добавок, в одном из которых была повышена доля оксида магния, т.к. согласно литературным данным [87], это может увеличивать прочность на сжатие.
Были исследованы образы с содержанием ПВА 30% от массы каустического магнезита, образцы с аналогичным и меньшим содержанием добавки Vinavil. Образец с высоким содержание КМЦ приготовить сложно, т.к. КМЦ является загустителем. Поэтому были взяты составы, содержание КМЦ в которых составило 8%, 4% и 2% от массы каустического магнезита. Результаты испытаний приведены в Таблице 9.
Как показали результаты исследований, увеличение доли каустического магнезита в цементной смеси действительно способствует небольшому росту прочности образующегося искусственного камня. Но это повышение незначительно и сопровождается увеличением водопоглощения по массе почти в два раза и уменьшением коэффициента размягчения. Высокое водопоглощение по массе образца с повышенной долей каустического магнезита, вероятнее всего, можно объяснить тем, что свободный оксид магния реагирует с водой.
Кроме того было определено, что введение полимерных добавок не приводит к улучшению водостойкости плитного материала на основе каустического магнезита Таблица — 9 Результаты испытаний образов материала на основе каустического магнезита, модифицированного полимерными добавками
После выдерживания образцов в воде в течение 10 суток потеря массы составляет 20–30% от первоначальной. Процесс высушивания при комнатной температуре занимает 7–10 дней и дальнейшее выдерживание образцов в воде не приводит к существенному изменению массы. Наименее стойкими к вымыванию оказались образцы с добавками КМЦ, вымывание соединений магния в образцах, содержащих ПВА и Vinavil, происходит примерно с одинаковой интенсивностью. Сравнивая данные таблиц 9 и 10, можно сделать вывод, что уменьшение водопоглощения в образцах с добавкой КМЦ является кажущимся. В этих образцах усиливается интенсивность вымывания соединений магния и наполнителя. Этот вывод подтверждается существенным падением прочности водонасыщенных образцов с КМЦ. Таблица — 10 Результаты исследования цикла водонасыщения и высушивания образцов плитного материала на основе каустического магнезита
На основе данных Таблицы 9 видно, что фосфорная кислота – важный ингредиент цементной смеси, в ее отсутствие падает прочность, водостойкость, увеличивается водопоглощение искусственного камня. Согласно литературным данным [83], фосфорная кислота нужна для понижение pH цементной смеси, что приводит к дефициту ОН-групп и формированию структур типа –Mg–O– Mg–O–, которые придают прочность цементному камню.
Однако концентрированная фосфорная кислота имеет ряд неудобств в работе, например, возможность разлива и негативные последствия этого. Соответственно, предложено заменить фосфорную кислоту на подходящую по свойствам твердую (порошкообразную)кислоту, которая обладала бы достаточной растворимостью в воде, образовывала бы нерастворимые соли с магнием. Выбор пал на щавелевую кислоту, т.к. она и ее соединения удовлетворяют перечисленным требованиям. К тому же молекулярная масса щавелевой кислоты близка к молекулярной массе фосфорной кислоты, что облегчает изменение рецептуры. Рыночная цена щавелевой кислоты не превышает цену фосфорной кислоты.
Были приготовлены образцы, где фосфорная кислота была заменена на эквимолярное количество щавелевой кислоты. Щавелевая кислота вводилась в смесь в виде водного раствора, а также в сухом виде. Как оказалось, способ добавления щавелевой кислоты не влияет на свойства образующегося искусственного камня.
Сопоставление экспериментальных данных и предварительной экологической оценки модифицирующих добавок
Эфиры целлюлозы (ЭЦ) – это связующие, предназначенные для удержания водной фазы. Часто применяется в качестве добавки для сухих строительных смесей, предназначенных для использования в тонких слоях (шпатлёвки, клеи, штукатурки). Водоудерживающая способность растворных смесей — это их способность в контакте с пористым основанием сохранять в своём составе воду, необходимую для обеспечения пластичности смеси и протекания реакций гидратации и твердения цемента. Необходимый высокий уровень водо-удержания без применения добавок, только за счёт вяжущих веществ, заполнителей и наполнителей, невозможен [123].
В настоящее время эта группа добавок представлена, преимущественно, эфирами целлюлозы разного состава. Мы использовали натриевую соль кар-боксиметилцеллюлозы [С6Н7O2(ОН)3–x(ОСН2СООН)x]n.
При модифицировании водорастворимыми полимерами, такими как производные целлюлозы, небольшие количества полимера добавляются в виде порошка или водного раствора в цементный раствор или бетон при перемешивании. Это упрощает работу со смесью, благодаря поверхностной активности водорастворимых полимеров, и предотвращает «эффект высыхания», что объясняется повышением вязкости водной фазы в модифицированных цементных растворах и бетонах и эффектом герметизации, возникающим вследствие формирования очень тонких водонепроницаемых пленок. Водорастворимые полимеры практически не влияют на увеличение прочности модифицированных систем.
Единого мнения по поводу действия эфира целлюлозы в растворе смеси в настоящее время нет. Согласно одним источникам, вследствие повышения во-доудерживания раствора, гидратация цемента происходит более полно из-за наличия дополнительного количества воды в растворе, при этом цемент набирает большую прочность, как на изгиб, так и на сжатие. В то же время, другие исследователи имеют противоположное мнение, считая, что эфир целлюлозы в небольших количествах препятствует гидратации цемента из-за специфической адсорбции на поверхности частиц цемента, но при этом повышая трещиностой-кость, прочность при изгибе, сжатии и хорошую прочность сцепления к поверхности.
Целлюлоза – это биополимер состоящий из молекул глюкозы, образующих линейную цепочку. Каждая молекула глюкозы содержит три гидроксильныe группы (ОН–) (Рисунок 21), которые являются активными центрами и могут вступать в различные реакции [124].
Немодифицированная целлюлоза нерастворима в воде. Для перевода ее в растворимое состояние проводят этерификацию целлюлозы.
Латексные добавки в бетон. Наиболее распространенными добавками полимеров в цементные бетоны являются поливинилацетат (ПBA) и редиспергируе-мые полимерные порошки. ПВА представляет собой смолу, свойства которой, как и всех высокомолекулярных соединений, зависят от степени полимеризации винилацетата, температуры и влажности. Обычно применяется ПВА в виде эмульсии, содержащей около 50% сухого вещества и некотороe количествo поливинилового спирта как эмульгатора. После высыхания образуется твердая пленка, обладающая некоторым водопоглощением и набуханием. Влажное хранение ПВА сопровождается снижением прочности, а после высыхания прочность быстро нарастает. Подобным же образом проявляет себя ПВА в бетоне.
Количество вводимой добавки полимерного материала устанавливают предварительными опытами. Основным фактором, определяющим влияние добавки на свойства цементно-полимерного бетона, является полимер-цементное отношение. Обычно оптимальная добавка ПВА составляет 20% массы цемента. При применении латекса, чтобы не было коагуляции полимера, вводят стабилизатор (казеинат аммония, соду и др.).
Введение полимерных добавок увеличивает пластичность растворных смесей по сравнению с чисто цементными. Прочность увеличивается, если бетон выдерживается в воздушно-сухих условиях (влажность 40–50%); во влажных условиях прочность снижается. В сухих условиях особенно возрастает прочность на изгиб (в 1,5–3 раза), a прочность на сжатие увеличивается в меньшей степени.
Редиспергируемые полимерные порошки (РПП) – сухие порошки органических полимеров, способные при диспергировании в воде образовывать водные дисперсии, аналогичные латексам.
Основное свойство РПП – способность к быстрому диспергированию в воде с образованием коллоидного раствора, т.е. дисперсии мелких частиц полимеров в воде (от 1 до 10 м). Данный процесс происходит при затворении сухой смеси водой в течение короткого времени (менее 1 мин.). Впоследствие, при естественном высыхании растворной смеси и в результате процессов твердения, диспергированные частицы агломерируются и образуют сплошную фазу из полимерной плёнки, которая действует как вяжущее (органическое), склеивая друг с другом частицы заполнителя. В результате данного процесса усиливается структура растворной смеси и повышается адгезия к поверхности.
В Таблице 6 [125] представлены химические структуры и характеристики типичных редиспергируемых полимерных порошков. Нами была использована добавка с торговым названием Vinavil, представляющая собой сополимер ви-нилацетата и винилверсатата.
Хризотил-асбест («белый асбест») — волокнистая разновидность водного силиката магния — серпентина, состав которого отвечает формуле Mg6[Si2O5](OH)8 или 3MgO2SiO22H2O. В природном хризотил-асбесте содержатся примеси Fe2O3, FeO, Al2O3, Cr2O3, NiO, МnО, CaO. Он слагает жилки в темно-зеленых серпентинитах, обнаруживая обычно поперечно-волокнистую структуру. В плотном куске хризотил-асбест обладает зеленой или желтовато-зеленой окраской и перламутровым блеском, но после расщепления (фибриза-ции) на отдельные волокна превращается в белую пухоподобную массу. Асбест хризотиловый имеет весьма высокую температуру плавления (выше 1500 C), приблизительно при 700 C теряет кристаллизационную воду и становится хрупким
Похожие диссертации на Экологически обоснованное модифицирование строительных материалов на примере изделий из каустического магнезита
