Методология экологической оценки строительных материалов

УЕБТЫНС

мвви

УДК 691

Ю.В. Устинова, А.Е. Насонова

ФГБОУВПО «МГСУ»

МЕТОДОЛОГИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ОЦЕНКИ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Обоснована важность экологической оценки строительных материалов. Предложено проводить экологическую оценку модифицирующих добавок. Приведены данные о водостойкости изделий на основе каустического магнезита с различными модифицирующими добавками.

Ключевые слова: экологическая оценка строительных материалов, жизненный цикл, каустический магнезит, хризотил-асбест, микрокремнезем, водостойкость.

Экологические аспекты безопасности зданий и сооружений в данный момент начинают приобретать все большее значение в глазах профессионального сообщества. Свидетельством тому является разработка и утверждение сразу нескольких стандартов в области зеленого строительства — СТО НОСТРОЙ 2.35.4—2011 «Зеленое строительство. Рейтинговая система оценки устойчивости среды обитания», ГОСТ Р «Оценка соответствия. Экологические требования к объектам недвижимости», стандарт организации «Зеленые стандарты». Однако в данных стандартах достаточно мало внимания уделяется экологической оценке строительных материалов.

Между тем очевидно, что использование результатов комплексной оценки материалов в значительной степени позволяет упростить анализ, осуществляемый при сертификации зданий. Схема совместной экологической оценки материалов и зданий разработана профессором Университета Карлсруэ Н. Колером [1]. Она включает оценку материальных потоков и жизненного цикла строительных материалов, выбор наиболее оптимальных строительных материалов, проектирование здания с учетом экологических требований и оценку здания по его жизненному циклу.

Оценка строительных материалов предполагает две группы критериев. Первые связаны с оценкой влияния непосредственно на здоровье человека (санитарно-гигиенические, радиологические показатели, параметры пожарной безопасности). Вторые связаны с оценкой интегрального воздействия на окружающую среду. И для их описания применяется метод оценки по жизненному циклу [2]. С экологической точки зрения необходимыми качествами строительных материалов наряду с энергоэффективностью и утилизируемо-стью являются также долговечность и полифункциональность.

В качестве объекта исследований для проведения экологического анализа были выбраны магнезиальные вяжущие вещества. Магнезиальные вяжущие обладают рядом положительных свойств, например, способны образовывать прочный искусственный камень, имеют незначительную усадку при

ВЕСТНИК ~

2/2013

твердении, высокие износостойкость и ударную прочность затвердевшего магнезиального камня, термостойкость и негорючесть. Высокие адгезионные свойства цементного раствора позволяют укладывать магнезиальные бетоны практически на любую поверхность и работать с любыми наполнителями. Кроме указанных преимуществ следует также отметить то, что магнезиальные вяжущие относятся к быстротвердеющим. Их прочность через сутки твердения достигает 35.. .50 %, а через 7 сут — 60.. .90 % от конечной прочности. Начало схватывания — не ранее 20 мин, а конец — не позднее 6 ч от момента затворения.

Однако основным недостатком магнезиальных вяжущих является их низкая водостойкость, что позволяет использовать их в условиях, исключающих попадание влаги. Низкая водостойкость снижает долговечность и ограничивает область применения изделий из каустического магнезита. Таким образом, анализируя изделия из каустического магнезита по их жизненному циклу, можно сказать, что низкая водостойкость снижает экологическую привлекательность этого материала. Для решения данной проблемы предлагается вводить в состав смеси на основе магнезиального вяжущего различные добавки, изменяющие структуру искусственного камня и, соответственно, повышающие его водостойкость.

При этом водостойкость рассматривается как один из экологических критериев. А значит, работая над ее повышением, надо иметь в виду последующую оценку строительных материалов по жизненному циклу. Таким образом, целью данной работы является оценка жизненного цикла добавок, которые предлагается вводить в состав смеси на основе магнезиального вяжущего для повышения водостойкости продукта твердения.

В качестве смеси сравнения была выбрана смесь, содержащая в процентах от каустического магнезита MgO (ПКМ-75 ГОСТ 1261—87): 170 % бишофита ^а26Н20), 80 % вспученного перлитового песка (М100 ГОСТ 18992—80), 10 % фосфорной кислоты 85% весовой концентрации (ГОСТ 6552—80).

Были выбраны следующие добавки и наполнители. Редиспергируемый полимерный порошок на основе сополимеров винилацетата и винилверсатата марки Утауй ШШ 102 (РППВВ); поливинилацетатная дисперсия (ПВА) ГОСТ 18922—80; натриевая соль карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ); щавелевая кислота ГОСТ 22180—76; хризотил-асбест, модифицированный концентрированной серной кислотой (Н^04) ГОСТ 4204—77; микрокремнезем конденсированный уплотненный МКУ-85.

На первом этапе работы был проведен анализ жизненного цикла исследуемых добавок. При этом учитывались следующие факторы: используется ли в производстве данной добавки возобновляемое или невозобновляемое сырье; какие отходы образуются в процессе производства; какую нагрузку на окружающую среду несет производство добавки; как может вести себя добавка во времени, в экстремальных условиях (например, при повышении температуры). Результаты анализа приведены в табл. 1.

Табл. 1. Результаты экологического анализа жизненного цикла добавок

№ п/п Наименование добавки Ожидаемое воздействие на искусственный камень на основе каустического магнезита Экологическая оценка Рекомендация на основе экологической оценки

1 РППВВ и ПВА Увеличение адгезии цементного теста. Незначительное увеличение прочности Данные добавки получаются путем органического синтеза из невозобнов-ляемого нефтегазового сырья. При деструкции в составе строительного материала возможна эмиссия токсичных органических соединений Избегать

2 КМЦ Увеличение прочности и трещино-стойкости [3] Основой для получения данной добавки служит возобновляемое сырье (древесина). Хотя в технологии производства используются токсичные хлорорганические соединения По возможности избегать

3 Щавелевая кислота Замена фосфорной кислоты Щавелевая кислота при стандартных условиях твердая, а потому работа с ней более технологична, чем с концентрированной фосфорной кислотой Применять

4 Хризотил-асбест, модифицированный серной кислотой Оказывает структурирующее действие, приводящее к повышению прочности и водостойкости [4] С одной стороны, есть рекомендации избегать применения асбеста в строительных изделиях. (данное требование поддерживает, например, система «Зеленые стандарты»); с другой — речь идет об утилизации и иммобилизации накопившихся отходов Применять с осторожностью

5 Микрокремнезем Добавка полифункционального действия, улучшает прочность, стойкость к коррозии и водостойкость бетона [5] Является побочным продуктом производства ферросилиция. Минеральная добавка, не токсична Применять

ВЕСТНИК ~

2/2013

На втором этапе работы сравнивались результаты экологического анализа с данными испытаний образцов на основе каустического магнезита на водостойкость. Для этого были приготовлены растворы нормальной густоты. Принятые составы приведены в табл. 2. Данные составы выбраны как оптимальные по параметрам прочность/водостойкость для данной добавки.

Табл. 2. Составы образцов на основе каустического магнезита

№ п/п Добавка, % от массы MgO Наполнитель, % от массы MgO Затворитель, % от массы MgO Кислота, % от массы MgO

1 ПВА, 15 Перлит, 80 мga26н2o, 170 Н3Р04, 10

2 КМЦ, 0,01 Перлит, 80 мga26н2o, 170 Н3РО4, 10

3 РППВВ, 1 Перлит, 80 мga26н2o, 170 Н3РО4, 10

4 — Перлит, 80 мga26н2o, 170 Щавелевая кислота, 25

5 — Перлит, 80 мga26н2o, 170 Н3РО4, 10

6 — — Mga2 6Н20, 25 —

7 Хризотил-асбест, 1 — Mga2 6Н20, 25 H2SO4, 2

8 Микрокремнезем, 15-20 — — —

Результаты сравнения данных экологического анализа с данными испытаний образцов на основе каустического магнезита на водостойкость приведены в табл. 3.

Табл. 3. Сравнение данных экологического анализа с данными испытаний образцов на водостойкость

№ п/п Прочность в сухом состоянии, МПа Прочность в водона-сыщенном состоянии, МПа Коэффициент водостойкости Рекомендация

1 4,3 3,1 0,72 Избегать

2 3,1 2,2 0,67 Избегать

3 5,9 3,0 0,66 Избегать

4 6,9 5,6 0,80 Применять

5 6,5 5,8 0,90 Применять

6 30,5 14,5 0,48 Избегать

7 25 21 0,84 Применять

8 10 20 2,0 Применять

Следует обратить внимание на повышенный (более единицы) коэффициент водостойкости при использовании в качестве добавки микрокремнезема. Повышение прочности образцов при контакте с водой можно объяснить появлением нерастворимой кремниевой кислоты, которая кольматирует поровое пространство искусственного магнезиального камня. Также возможно и хими-

ческое взаимодействие между основными и кислотными оксидами с образованием соединения типа диопсида CaMg(Si2O6).

Для оценки характера взаимодействия были проведены исследования образцов, твердевших на воздухе и в воде, методом ИК-Фурье спектроскопии на инфракрасном Фурье-спектрометре Nicolet iN10 в виде таблеток с KBr в интервале 4000...400 см1. Полученные спектры были интерпретированы с учетом предполагаемого химического взаимодействия.

Результаты исследований показали, что в области валентных колебаний Si—O и Si—O—Me наблюдаются характерный пик в интервале 1121.1119 см1, который можно отнести к колебаниям связей Si—O—Si, и пик в интервале 474.472 см1, характерный для валентных колебаний Si—O—Mg. На ИК-спектре образца, подвергнутого гидравлическому твердению, наблюдаются пик при 3712 см1, который относится к колебаниям гидроксильных групп вблизи иона Mg2+, и пик при 1654 см1, относящийся к деформационным колебаниям гидроксильных групп.

Согласно данным Н.В. Легостаевой [6], в продуктах твердения смешанного магнезиального вяжущего на основе каустического магнезита с добавкой микрокремнезема кроме оксигидрохлоридов магния присутствует новообразование — соединение гидрохлоридных оксидов магния и кремния. Микрокремнезем обеспечивает связывание свободного MgO в сложное ок-сихлоридное соединение и увеличивает коэффициент размягчения продуктов твердения.

Выводы. 1. Установлена корреляция экологической оценки использования модифицирующих добавок с результатами испытаний образцов из каустического магнезита на прочность в сухом и водонасыщенном состоянии.

2. Органические добавки, получившие неудовлетворительную экологическую оценку, не оказывают заметного влияния на водостойкость изделий из каустического магнезита.

3. Щавелевая кислота, хризотил-асбест, модифицированный серной кислотой, микрокремнезем являются приемлемыми добавками для магнезиального вяжущего с точки зрения экологического анализа.

4. Добавкой, обладающей наилучшими свойствами как с точки зрения экологического анализа, так и с точки зрения повышения водостойкости магнезиального вяжущего является микрокремнезем.

5. Экологический анализ модифицирующих добавок по жизненному циклу можно рекомендовать как необходимую стадию планирования эксперимента по улучшению свойств строительных материалов.

Библиографический список

1. Kohler N. Grundlagen zur Bewertung kreislaufgerechter, nachhaltiger Baustoffe, Bauteile und Bauwerke/ 20. Aachener Baustofftag 3. Maerz, 1998.

2. Князева В.П. Экологические аспекты выбора материалов в архитектурном проектировании. М. : Архитектура-С, 2006. 296 с.

3. Роговин З.А. Химические превращения и модификация целлюлозы. М. : Химия, 1987. 173 с.

4. Патент РФ № 2375323. Способ получения силикокизеритового вяжущего. Опубл. 10.12.09.

ВЕСТНИК ofon, ~

2/2013

5. Пустовгар А.П. Эффективность добавок микрокремнезема при модификации бетонов // СтройПРОФИль: Интернет-журнал. 2005. № 8. Режим доступа: http // storyprofile.com/archive/1980. Дата обращения: 06.11.2012.

6. Легостаева Н.В. Магнезиальные вяжущие и материалы на их основе из маг-незитов Савинского месторождения : автореф. дисс. ... канд. техн. наук. Томск, 2006.

Поступила в редакцию в ноябре 2012 г.

Об авторах: Устинова Юлия Валерьевна — кандидат технических наук доцент, доцент кафедры общей химии, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, Москва, Ярославское шоссе, д. 26, 8 (499) 183-32-92, UstinovaUV@mgsu.ru;

Насонова Алла Евгеньевна — аспирант кафедры общей химии, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, Москва, Ярославское шоссе, д. 26, 8 (499) 183-32-92, рпйерт@ mail.ru.

Для цитирования: УстиноваЮ.В., НаносоваА.Е. Методология экологической оценки строительных материалов // Вестник МГСУ. 2013. № 2. С. 123—129.

Yu.V. Ustinova, A.E. Nasonova

METHODOLOGY OF ENVIRONMENTAL ASSESSMENT OF BUILDING MATERIALS

The article covers the importance of environmental assessments of building materials. Magnesium binding materials were selected as the subject of the environmental analysis. The water resistance of these materials is regarded as one of environmental criteria. Thus, the purpose of this paper is an assessment of the life cycle of additives proposed to improve the water resistance of magnesium binding materials. Redispersible polymer powder based on the copolymer of vinyl acetate and vinilversatata, polyvinyl acetate dispersion, sodium carboxymethyl cellulose, oxalic acid, chrysotile asbestos, modified using concentrated sulfuric acid and micro-silica were selected for research purposes.

The following findings have been generated in the course of the research:

1. Correlation between the environmental assessment of the application of modifiers with the strength test results of caustic magnesite samples in dry and saturated states is identified.

2. Organic additives classified as producing an unsatisfactory environmental impact do not significantly affect the water resistance of the caustic magnesite sample.

3. Oxalic acid, chrysotile asbestos modified using sulfuric acid and micro-silica are acceptable for magnesium binding materials in terms of their environmental analysis.

4. Micro-silica is the additive that demonstrates the best properties both in terms of its environmental analysis and in terms of improving the water resistance of magnesium binding materials.

5. Environmental analysis of the life cycle of modifiers can be recommended as an important stage in the planning of experiments aimed at improvement of properties of building materials.

Key words: environmental assessment of building materials, life cycle, caustic magnesite, chrysotile asbestos, micro-silica, water resistance.

References

1. Kohler N. Grundlagen zur Bewertung kreislaufgerechter, nachhaltiger Baustoffe, Bauteile und Bauwerke 20. Aachener Baustofftag. March 3, 1998.

2. Knyazeva V. P. Ekologicheskie aspekty vybora materialov v arkhitekturnom proek-tirovanii [Environmental Aspects of Selection of Materials in the Architectural Design]. Moscow, Arkhitektura-S Publ., 2006, 296 p.

3. Rogovin Z.A. Khimicheskie prevrashcheniya i modifikatsiya tsellyulozy [Chemical Transformations and Modification of Cellulose]. Moscow, Khimiya Publ., 1987, 173 p.

4. Patent RF 2375323. Sposob polucheniya silikokizeritovogo vyazhushchego [RF Patent 2375323. Method of Generation of the Silica-kizerit Binding Material]. Published on December 10, 2009.

5. Pustovgar A.P. Effektivnost' dobavok mikrokremnezema pri modifikatsii betonov [Effectiveness of Micro-silica Additives If Used to Modify Concretes]. StroyPROFIl' Internet-zhurnal [Construction Profile Internet Journal]. 2005, no. 8. Available at: http // storyprofile. com/archive/1980. Date of access: December 06, 2012.

6. Legostaeva N.V. Magnezial'nye vyazhushchie i materialy na ikh osnove iz magnezi-tov savinskogo mestorozhdeniya [Magnesia Binders and Materials on Their Basis Made of Magnesites of Savinskoye Deposit]. Tomsk, 2006.

About the authors: Ustinova Yuliya Valer'evna — Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Department of General Chemistry, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; UstinovaUV@mgsu.ru; +7 (499) 183-32-92;

Nasonova Alla Evgenievna — postgraduate student, Department of General Chemistry, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; printepm@mail.ru; +7 (499) 183-32-92.

For citation: Ustinova Yu.V., Nanosova A.E. Metodologiya ekologicheskoy otsenki stroitel'nykh materialov [Methodology of Environmental Assessment of Building Materials]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2013, no. 2, pp. 123—129.