3870

Тогда расчет динамики распределения концентраций сведется к решению одномерного уравнения турбулентного обмена [3, 7—9, 15]:

где с — концентрация вредного вещества, мг/м3; t — время, с; и — средняя по поперечному сечению помещения скорость воздушного потока, м/с; х — расстояние вдоль помещения, м; A — коэффициент турбулентного обмена, м2/с;g(х, t) — функция источника вредного вещества.

Начальным условием для решения данного уравнения является распределение вредного вещества вдоль помещения в начальный момент времени, а краевым — содержание вредного вещества в приточном воздухе.

Средняя по поперечному сечению скорость воздушного потока определяется как отношение расхода воздуха к площади поперечного сечения помещения.

Функция источника вредного вещества определяется из выражения

где G0 — интенсивность источника вредного вещества, мг/с; l — протяженность источника вредного вещества, м; S — площадь поперечного сечения помещения, м2; v — скорость движения источника вредного вещества, м/с.

Энергия, вносимая приточными струями, определяется зависимостью [4, 14, 15]:

где М — масса воздуха, подаваемого в помещение; — поправочный коэффициент на скоростное давление; v — средняя скорость выхода воздуха из приточных отверстий, м/с; Мп — масса воздуха в объеме помещения.

Энергия, вносимая в помещение движущимся источником вредного вещества:

где k — коэффициент аэродинамического сопротивления движущегося источника; Fn — площадь поперечного сечения источника, м2; v — скорость источника, м/с; — средняя продолжительность движения источника, с.

Коэффициент турбулентного обмена определяется по формуле [15, 16]

где l — определяющий размер помещения, м.

2. Реализация математической модели. В качестве среды разработки программы, реализующей математическую модель переноса вредных веществ в помещениях c движущимся источником, выбран пакет MatLab и Simulink в сочетании с языком программирова-

ния C++.

Simulink является средой для модельно ориентированного проектирования и моделирования динамических систем, он обеспечивает интерактивную графическую среду и настраиваемый набор библиотек блоков, которые позволяют создавать и моделировать изменяющиеся во времени системы. Simulink предоставляет инструменты для иерархического

51

Научный журнал строительства и архитектуры

моделирования, управления данными и подсистемами настройки. Simulink включает обширную библиотеку функций и часто используемые в моделировании системы алгоритмические и структурные блоки. Для построения модели предусматривается создание пользовательских блоков, ориентированных на использование в конкретной предметной области. После построения модели в Simulink выполняется ее динамическое моделирование и оцениваются результаты.

На рис. 1 приведена программа расчета переноса вредных веществ в помещениях c движущимся источником в среде Simulink.

Рис. 1. Программа расчета переноса вредных веществ в помещениях c движущимся источником в среде Simulink

Программа позволяет рассчитывать динамику концентраций в протяженных помещениях при различных схемах и кратности воздухообмена, скоростях и интенсивностях источников вредных веществ.

52

3. Расчеты по математической модели. Разработанная программа была применена для выбора эффективной схемы воздухообмена помещения длиной 100 м, шириной 12 м, высотой 8 м.

Кратность воздухообмена составляла 5 и 2 ч-1, скорость приточного воздуха — 3 м/с. Источник вредного вещества интенсивностью 785 мг/с перемещался по помещению со скоростью 0,2…10 м/с. Число конечных объемов при расчете коэффициента турбулентного обмена принималось равным 50. Исследовалось шесть схем организации воздухообмена, наиболее распространенных в практике проектирования протяженных помещений.

Схема воздухообмена 1 — подача всего объема приточного воздуха с одного торца помещения и удаление воздуха с противоположного торца помещения с попутным движением воздуха и источника вредного вещества.

Схема воздухообмена 2 — подача приточного воздуха с двух противоположных торцов помещения по 50 % от общего объема притока и удаление воздуха по центру помещения.

Схема воздухообмена 3 — подача приточного воздуха аналогично схеме 2, удаление воздуха осуществлялось равномерно по длине помещения.

Схема воздухообмена 4 — подача воздуха происходила равномерно по длине помещения, удаление воздуха аналогично схеме 3.

Схема воздухообмена 5 — подача всего объема приточного воздуха по центру помещения и удаление воздуха аналогично схеме 3.

Схема воздухообмена 6 — подача всего объема приточного воздуха с одного торца помещения и удаление воздуха с противоположного торца помещения со встречным движением воздуха и источника вредного вещества.

Для всех исследуемых схем воздухообмена с использованием разработанной программы проведены расчеты концентраций при различных скоростях движения источника вредного вещества. Зависимость максимальной концентрации вредного вещества в исследуемом объеме от скорости движения источника вредного вещества дана на рис. 2 и 3.

Рис. 2. Зависимость пиковых концентраций вредного вещества от скорости источника для различных схем воздухообмена при кратности воздухообмена 5 ч-1

53

Научный журнал строительства и архитектуры

Полученные результаты показывают, что при однонаправленном движении источника вредного вещества и воздушного потока наблюдается формирование облака повышенных концентраций вокруг источника, что резко усиливает величину пиковых концентраций; напротив, при встречном движении источника и воздушного потока наблюдается равномерное распределение вредного вещества по длине помещения со сниженными пиковыми концентрациями.

Рис. 3. Зависимость пиковых концентраций вредного вещества от скорости источника для различных схем воздухообмена при кратности воздухообмена 2 ч-1

При движении источников вредного вещества по протяженному помещению в одном направлении наиболее эффективной схемой воздухообмена является схема 1 с движением воздушного потока навстречу источнику.

При движении источников вредного вещества в различных направлениях наиболее эффективна схема воздухообмена 4.

Выводы

На основе нестационарного уравнения турбулентного обмена разработана математическая модель переноса вредного вещества в помещении c движущимся источником.

Разработанная модель реализована в виде программы на компьютере в среде пакета MatLab и Simulink. Программа позволяет рассчитывать динамику концентраций в протяженных помещениях при различных схемах и кратности воздухообмена, скоростях и интенсивностях источников вредных веществ.

Разработанная программа была применена для выбора эффективной схемы воздухообмена помещения с движущимися источниками вредного вещества. Выполнен анализ результатов расчетов для шести схем воздухообмена при различных кратностях воздухообмена и скоростях движения источника.

Установлено, что при движении источников вредного вещества по протяженному помещению в одном направлении наиболее эффективной схемой воздухообмена является схема с движением воздушного потока навстречу источникам; при движении источников вред-

54

ного вещества в различных направлениях наиболее эффективна схема воздухообмена с равномерной подачей и удалением воздуха по длине помещения.

При выборе схем воздухообмена помещений с движущимися источниками вредных веществ следует избегать однонаправленного движения источника и воздушного потока, так как это приводит к формированию облаков с повышенными концентрациями, намного превышающими среднеобъемные.

Предложенный подход позволяет выбрать схему и величину воздухообмена для помещений с движущимися источниками вредных веществ, наиболее эффективно использующую приточный воздух, и повысить эффективность общеобменной вентиляции.

Библиографический список

1. Кузнецов, И. С. Алгоритмы поиска оптимальной трассы прокладки автомобильной дороги / И. С. Кузнецов, Г. А. Кузнецова, А. Г. Мкртчян // Инженерные системы и сооружения. — 2014. — № 2 (15). — С. 73—79.

2.Кузнецов, И. С. Интегрированные карты влияющих факторов для выбора оптимальной трассы автомобильной дороги / И. С. Кузнецов, Г. А. Кузнецова, А. Г. Мкртчян// Инженерные системы и сооружения. — 2014. — № 2 (15). — С. 67—72.

3.Кузнецов, С. Н. Моделирование распространения вредных веществ в смежных помещениях / С. Н. Кузнецов, К. А. Скляров, А. В. Черемисин // Научный вестник Воронежского ГАСУ. Строительство и архитектура. — 2008. — № 1. — С. 108—112.

4.Кузнецов, С. Н. Составление карт влияющих факторов при определении оптимальной трассы автомобильной дороги / С. Н. Кузнецов, Г. А. Кузнецова, А. Г. Мкртчян // Научный журнал. Инженерные системы и сооружения. — 2014. —Т. 3, № 4 (17). — С. 202—206.

5.Лобода, А. В. Использование метода конформных отображений для определения полей скоростей воздушных потоков в задачах вентиляции / А. В. Лобода, С. Н. Кузнецов // Научный вестник Воронежского ГАСУ. Строительство и архитектура. — 2011. — № 1 (21). — С. 15—22.

6.Мелькумов, В. Н. Взаимодействие вентиляционных воздушных потоков с конвективными потоками от источников теплоты / В. Н. Мелькумов, С. Н. Кузнецов // Известия вузов. Строительство. — 2009. — №1. — С. 63—70.

7.Мелькумов, В. Н. Динамика формирования воздушных потоков и полей температур в помещении / В. Н. Мелькумов, С. Н. Кузнецов // Научный вестник Воронежского ГАСУ. Строительство и архитектура. — 2008. — № 4. — С. 172—178.

8.Мелькумов, В. Н. Моделирование задымленности помещений сложной конфигурации в начальной стадии пожара / В. Н. Мелькумов, С. Н. Кузнецов, В. В. Гулак // Научный вестник Воронежского ГАСУ. Строительство и архитектура. — 2010. — № 3 (19). — С. 131—138.

9.Мелькумов, В. Н. Нестационарное поле концентраций природного газа в скважине при его утечке из подземного газопровода / В. Н. Мелькумов, С. Н. Кузнецов, С. П. Павлюков, А. В. Черемисин // Приволжский научный журнал. — 2008. — № 4. — С. 98—103.

10.Мелькумов, В. Н. Нестационарные процессы формирования системами вентиляции воздушных по-

токов в помещениях / В. Н. Мелькумов, С. Н. Кузнецов, А. В. Черемисин, К. А. Скляров // Известия Орловского государственного технического университета. Сер.: Строительство и транспорт. — 2007. — № 3—15. — С. 36—42.

11.Мелькумов, В. Н. Оценка аккумулирующей способности вентилируемых объемов для снижения требуемого воздухообмена в помещениях / В. Н. Мелькумов, И. С. Кузнецов, Л. Ю. Гусева, А. В. Черемисин // Вестник Воронежского государственного технического университета. — 2007. — Т. 3, № 1. — С. 205—207.

12.Мелькумов, В. Н. Прогнозирование фильтрации газа в грунте при его утечке из подземного газопровода / В. Н. Мелькумов, С. Н. Кузнецов, С. П. Павлюков, А. В. Черемисин // Известия ОрелГТУ. Сер.: Строительство. Транспорт. — 2008. — № 3/19 (549). —С. 61—65.

13.Мелькумов, В. Н. Формирование конвективных воздушных потоков при действии в помещении источника тепла / В. Н. Мелькумов, С. Н. Кузнецов, С. П. Павлюков, Р. Н. Кузнецов // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Сер.: Строительство и архитектура. — 2008. —

№12. — С. 76—80.

14.Павлюков, С. П. Анализ состава и продолжительности эксплуатации газового оборудования / С. П. Павлюков, Г. А. Кузнецова, А. Н. Кобелев // Инженерные системы и сооружения. — 2012. — № 3 (8). — С. 16—23.

15.Эльтерман, В. М. Вентиляция химических производств / В. М. Эльтерман. — М.: Химия, 1980. —

284 с.

55

Научный журнал строительства и архитектуры

16.Chow, W. K. Simulating smoke filling in big halls by computational fluid dynamics [Электронный ресурс] / W. K. Chow, C. L. Chow, S. S. Li // Modelling and Simulation in Engineering. — 2011. — Vol. 2011 // Hindawi. — Режим доступа: http://downloads.hindawi.com/journals/mse/2011/781252.pdf.

17.Cox, G. Modelling enclosure fires using CFD / G. Cox, S. Kumar // SFPE Handbook of Fire Protection Engineering / Natl Fire Protection Assn. — 4th edition. — Quincy, Mass, USA, 2008. — P. 3-194—3-218.

18.Drew, D. A. Mathematical Modeling of Two-Phase Flow / D. A. Drew // Annual Review of Fluid Mechanics. — 1983. — Vol. 15. — P. 261—291. — DOI: 10.1146/annurev.fl.15.010183.001401.

19.Marini, J. J. Determinants and limits of pressure-preset ventilation: a mathematical model of pressure control / J. J. Marini, P. S. Crooke 3rd, J. D. Truwit // J. of Applied Physiology Published. — 1989. — Vol. 67, № 3. — P. 1081—1092.

20.Menter, F. R. Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications / F. R. Menter // AIAA Journal. — 1994. — Vol. 32, № 8. — P. 1598—1605. — DOI: http://dx.doi.org/10.2514/3.12149.

21.Numerical modeling of the natural ventilation of underground transformer substations / C. R. Juan [et al] // Applied Thermal Engineering. — 2013. — Vol. 51, № 1—2. — P. 852—863.

22.Ratnieks, J. Mathematical modelling of airflow velocity and temperature fields for experimental test hous-

es / J. Ratnieks, A. Jakovičs, S. Gendelis // Proceedings of the 10th Nordic Symposium on Building Physics, 15— 19 June. — Lund, Sweden, 2014. — P. 871—878.

23. Shu, K. Reasonable layout and numerical simulation of compound ventilation mode in power transformer room / K. Shu, Y. Huang, S. Zhang // Building EnergyEfficiency. — 2010. — Vol. 38, № 1. — P. 34—38.

References

1.Kuznetsov, I. S. Algoritmy poiska optimal'noi trassy prokladki avtomobil'noi dorogi / I. S. Kuznetsov, G. A. Kuznetsova, A. G. Mkrtchyan // Inzhenernye sistemy i sooruzheniya. — 2014. — № 2 (15). — S. 73— 79.

2.Kuznetsov, I. S. Integrirovannye karty vliyayushchikh faktorov dlya vybora optimal'noi trassy avtomobil'noi dorogi / I. S. Kuznetsov, G. A. Kuznetsova, A. G. Mkrtchyan// Inzhenernye sistemy i sooruzheniya. — 2014. —

№2 (15). — S. 67—72.

3.Kuznetsov, S. N. Modelirovanie rasprostraneniya vrednykh veshchestv v smezhnykh pomeshcheniyakh / S. N. Kuznetsov, K. A. Sklyarov, A. V. Cheremisin // Nauchnyi vestnik Voronezhskogo GASU. Stroitel'stvo i arkhitektura. — 2008. — № 1. — S. 108—112.

4.Kuznetsov, S. N. Sostavlenie kart vliyayushchikh faktorov pri opredelenii optimal'noi trassy avtomobil'noi dorogi / S. N. Kuznetsov, G. A. Kuznetsova, A. G. Mkrtchyan // Nauchnyi zhurnal. Inzhenernye sistemy i sooruzheniya. — 2014. — T. 3, № 4 (17). — S. 202—206.

5.Loboda, A. V. Ispol'zovanie metoda konformnykh otobrazhenii dlya opredeleniya polei skorostei vozdushnykh potokov v zadachakh ventilyatsii / A. V. Loboda, S. N. Kuznetsov // Nauchnyi vestnik Voronezhskogo GASU. Stroitel'stvo i arkhitektura. — 2011. — № 1 (21). — S. 15—22.

6.Mel'kumov, V. N. Vzaimodeistvie ventilyatsionnykh vozdushnykh potokov s konvektivnymi potokami ot istochnikov teploty / V. N. Mel'kumov, S. N. Kuznetsov // Izvestiya vuzov. Stroitel'stvo. — 2009. — № 1. — S. 63— 70.

№4. — S. 172—178.

8.Mel'kumov, V. N. Modelirovanie zadymlennosti pomeshchenii slozhnoi konfiguratsii v nachal'noi stadii pozhara / V. N. Mel'kumov, S. N. Kuznetsov, V. V. Gulak // Nauchnyi vestnik Voronezhskogo GASU. Stroitel'stvo i arkhitektura. — 2010. — № 3 (19). — S. 131—138.

9.Mel'kumov, V. N. Nestatsionarnoe pole kontsentratsii prirodnogo gaza v skvazhine pri ego utechke iz podzemnogo gazoprovoda / V. N. Mel'kumov, S. N. Kuznetsov, S. P. Pavlyukov, A. V. Cheremisin // Privolzhskii nauchnyi zhurnal. — 2008. — № 4. — S. 98—103.

10.Mel'kumov, V. N. Nestatsionarnye protsessy formirovaniya sistemami ventilyatsii vozdushnykh potokov v pomeshcheniyakh / V. N. Mel'kumov, S. N. Kuznetsov, A. V. Cheremisin, K. A. Sklyarov // Izvestiya Orlovskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. Ser.: Stroitel'stvo i transport. — 2007. — № 3—15. — S. 36—42.

11.Mel'kumov, V. N. Otsenka akkumuliruyushchei sposobnosti ventiliruemykh obˈemov dlya snizheniya

trebuemogo vozdukhoobmena v pomeshcheniyakh / V. N. Mel'kumov, I. S. Kuznetsov, L. Yu. Guseva, A. V. Cheremisin // Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. — 2007. — T. 3, № 1. —

S.205—207.

12.Mel'kumov, V. N. Prognozirovanie fil'tratsii gaza v grunte pri ego utechke iz podzemnogo gazoprovoda / V. N. Mel'kumov, S. N. Kuznetsov, S. P. Pavlyukov, A. V. Cheremisin // Izvestiya OrelGTU. Ser.: Stroitel'stvo. Transport. — 2008. — № 3/19 (549). — S. 61—65.

56

13. Mel'kumov, V. N. Formirovanie konvektivnykh vozdushnykh potokov pri deistvii v pomeshchenii istochnika tepla / V. N. Mel'kumov, S. N. Kuznetsov, S. P. Pavlyukov, R. N. Kuznetsov // Vestnik Volgogradskogo gosudarstvennogo arkhitekturno-stroitel'nogo universiteta. Ser.: Stroitel'stvo i arkhitektura. — 2008. — № 12. —

S.76—80.

14.Pavlyukov, S. P. Analiz sostava i prodolzhitel'nosti ekspluatatsii gazovogo oborudovaniya / S. P. Pavlyukov, G. A. Kuznetsova, A. N. Kobelev // Inzhenernye sistemy i sooruzheniya. — 2012. — № 3 (8). — S. 16— 23.

15.El'terman, V. M. Ventilyatsiya khimicheskikh proizvodstv / V. M. El'terman. — M.: Khimiya, 1980. —

284 s.

16.Chow, W. K. Simulating smoke filling in big halls by computational fluid dynamics [Elektronnyi resurs] / W. K. Chow, C. L. Chow, S. S. Li // Modelling and Simulation in Engineering. — 2011. — Vol. 2011 // Hindawi. — Rezhim dostupa: http://downloads.hindawi.com/journals/mse/2011/781252.pdf.

17.Cox, G. Modelling enclosure fires using CFD / G. Cox, S. Kumar // SFPE Handbook of Fire Protection Engineering / Natl Fire Protection Assn. — 4th edition. — Quincy, Mass, USA, 2008. — P. 3-194—3-218.

18.Drew, D. A. Mathematical Modeling of Two-Phase Flow / D. A. Drew // Annual Review of Fluid Mechan-

ics. —1983.— Vol. 15. — P. 261—291. —DOI: 10.1146/annurev.fl.15.010183.001401.

19.Marini,J. J. Determinants and limits of pressure-preset ventilation: a mathematical model of pressure control / J. J. Marini, P. S. Crooke 3rd, J. D. Truwit // J. of Applied Physiology Published. — 1989. — Vol. 67, № 3. — P. 1081—1092.

20.Menter, F. R. Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications / F. R. Menter // AIAA Journal. — 1994. — Vol. 32, № 8. — P. 1598—1605. — DOI: http://dx.doi.org/10.2514/3.12149.

21.Numerical modeling of the natural ventilation of underground transformer substations / C. R. Juan [et al] // Applied Thermal Engineering. — 2013. — Vol. 51, № 1—2. — P. 852—863.

22.Ratnieks, J. Mathematical modelling of airflow velocity and temperature fields for experimental test hous-

es / J. Ratnieks, A. Jakovičs, S. Gendelis // Proceedings of the 10th Nordic Symposium on Building Physics, 15— 19 June. — Lund, Sweden, 2014. — P. 871—878.

23. Shu, K. Reasonable layout and numerical simulation of compound ventilation mode in power transformer room / K. Shu, Y. Huang, S. Zhang // Building EnergyEfficiency. — 2010. — Vol. 38, № 1. — P. 34—38.

SELECTION OF AN AIR EXCHANGE METHOD IN A ROOM

WITH A MOVING SOURCE OF HARMFUL SUBSTANCES

C. N. Kuznetsov, A. I. Kolosov, A. S. Chesnokov

Voronezh State Technical University

Russia, Voronezh, tel.: (473)271-53-21, e-mail: kuznetvrn@mail.ru

C. N. Kuznetsov, D. Sc. in Engineering., Prof. of the Dept. of Heat and Gas Supply and Oil and Gas Business Russia, Voronezh, tel.: (473)271-53-21, e-mail: kolossn@yandex.ru

A.I. Kolosov, PhD in Engineering, Assoc. Prof. of the Dept. of Heat and Gas Supply and Oil and Gas Business Russia, Voronezh, tel.: (473)271-53-62

A.S. Chesnokov, PhD in Engineering, Assoc. Prof. of the Dept. of Higher Mathematics

Statement of the problem. When designing the ventilation systems of industrial premises with moving sources of harmful substances it is necessaryto choose an effective scheme of air exchange.

Results. Based on a non-stationary equation of turbulent exchange, a mathematical model of transport of harmful substances in a room with the moving source was developed. The model is implemented in the MatLab and Simulink software. It was found when that hazardous substance sources move along a long space in one direction, it is most effective to employ an air exchange scheme with an air flow moving towards the sources. When sources of harmful substances move in different directions, it is most effective to eomployan air exchange scheme with an even supplyand removal of air along the length of the room. Conclusions. The proposed approach allows one to select a scheme and the amount of air to premises with moving sources of harmful substances more effectively employing fresh air and to improve the effectiveness of ventilation.

Keywords: ventilation, moving source, mathematical model.

57

Научный журнал строительства и архитектуры

СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ

УДК 691-404-033.265

ОРГАНИЧЕСКИЕ ВОДОРАСТВОРИМЫЕ СИЛИКАТЫ ДЛЯ ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ

П. Г. Кудрявцев, О. Л. Фиговский

Холонский технологический институт

Израиль, г. Холон, тел.: +972-52-736-5647, e-mail: pgkudr89@gmail.com

П. Г. Кудрявцев, канд. хим. наук, проф. Израильский исследовательский центр Polymate Ltd

Израиль, г. Мигдаль ха-Эмек, тел.: +972-52-736-5647, e-mail: figovsky@gmail.com

О. Л. Фиговский, д-р техн. наук, проф., иностранный член РААСН

Постановка задачи. Для защиты конструкций зданий, сооружений и оборудования необходимы стойкие к воздействию коррозионных сред покрытия. Такая задача может быть решена с использованием полимерсиликатных нанокомпозиционных материалов на основе органических силикатов. Целью данной работы является изучение свойств и сравнение связующих на основе жидкого стекла и силикатов, содержащих сильные органические основания.

Результаты. В работе описаны свойства растворимых органических силикатов и их применение для получения нанокомпозитных материалов. Проанализированы свойства и технологии получения растворимых систем c высоким силикатным модулем. Показаны преимущества силикатов сильных органических оснований для приготовления термостойких нанокомпозитных материалов. Предложены пути получения силикатов четвертичного аммония и их использования для изготовления нанокомпозитов. Предложены модификаторы для создания гибридных наноструктурированных композитных материалов с использованием золь-гель-процесса. Показано, что явление структурирования позволяет прогнозировать некоторые аспекты синтеза и применения гибридных материалов на основе диоксида кремния с привитыми полимерами. Показана возможность модификации композиций с использованием наноструктурирующих агентов, таких как тетрафурфурилоксисилан.

Выводы. Показана возможность использования органических силикатов для производства новых нанокомпозиционных материалов и покрытий для защиты конструкций зданий, сооружений и оборудования от различных внешних факторов.

Ключевые слова: полимерсиликатные нанокомпозиционные материалы, жидкое стекло, силикаты четвертичного аммония, силикаты сильных органических оснований, тетрафурфурилоксисилан, наноструктурирующие агенты.

Введение. Несмотря на развитие новых видов коррозионностойких материалов — специальных видов стали, полимерных композиционных материалов, полимерных цементов, стеклопластиков и т. д., материалы на основе жидкого стекла не утратили своего значения [1, 4, 17]. Это связано с тем, что новые эффективные полимерные материалы дороги, дефицитны и требуют больших затрат труда, во многих случаях не имеют необходимой ресурсной базы и обладают повышенной токсичностью. Кислотоупорные материалы, приготовленные на основе жидкого стекла, лишены этих недостатков.

Основными видами кислотостойких материалов являются кислотоупорные цементы, замазки, бетоны и покрытия. Кислотные и химически стойкие покрытия подразделяются на

© Кудрявцев П. Г., Фиговский О. Л., 2017

58

две основные группы — полимербетон, изготовленный с органическими синтетическими смолами (фуран, полиэстер, мочевина и т. д.), и полисиликатные композиционные покрытия на основе натриевого или калиевого жидкого стекла.

Полисиликатные композиционные покрытия получают из кислотостойких заполнителей различного гранулометрического состава. Крупный заполнитель — дробленый гранит, тонкомолотый заполнитель — кварцевый песок, инициатор отверждения — натрия гексафторсиликат и специальные добавки пластификаторов, герметиков, водоотталкивающих компонентов и т. д. [1]. В промышленности наибольшее распространение получил кислотостойкий кварцевый цемент на основе гексафторсиликата натрия. Он представляет собой смесь, состоящую из мелкого кварцевого песка и гексафторсиликата натрия. Смесь затворяется с калиевым или натриевым жидким стеклом, и после прокалки на воздухе образуется кислотостойкий камень. Содержание гексафторсиликата натрия в материале составляет 4 % (материал 1-го типа для кислот) или 8 % по весу (материал 2-го типа для кислот, растворов). Кислотостойкие кварцевые материалы на основе гексафторсиликата натрия используются для укладки облицовки из химически стойких материалов (кирпича, черепицы), в защите зданий, химического оборудования, а также для производства кислотоупорных покрытий.

Наиболее трудной задачей является защита химического оборудования, работающего в условиях 70-процентной серной кислоты при температуре кипения. Такие процессы широко используются в тонкой химической технологии, например, при декарбоксилировании органических кислот, в процессах омыления сложных эфиров, для деполимеризации сложных полиэфиров и т. д. Для защиты таких устройств нами была разработана композиция, содержащая тонкомолотый циркон ZrSiO4 (88 %), гексафторсиликат натрия (2 %) и жидкое стекло (10 %). Такая композиция выдерживает в реальных условиях до 50 циклов в среде 70процентной серной кислоты с временем цикла 10—12 часов.

В последние годы начаты разработки прикладных силикатных полимерных композиционных материалов, которые представляют собой водорастворимые силикаты с добавками активных веществ фурановой серии. Они работают в кислых и нейтральных средах и под воздействием повышенных температур. Материалы дешевы и просты в изготовлении, не токсичны, не горючи. Стоимость полимерных силикатных материалов соизмерима со стоимостью цементного бетона и в несколько раз ниже, чем стоимость полимербетона. Силикатные полимерные материалы в виде бетона, строительных растворов, замазок используются для изготовления конструкций различного назначения (как монолитных, так и облицовочной плитки). Существует определенная перспектива развития в создании композиционных материалов на основе связующего из жидкого стекла, модифицированного веществами на основе фурфурилового спирта.

Значительное увеличение прочности, тепло- и огнестойкости, силикатной матрицы достигается за счет введения в ее состав эфиров ортокремневой кислоты и фурфурилового спирта (tetrafurfuryloxysilane — ТФС). Эффект достигается за счет укрепления контактов между глобулами силикагеля и модификации щелочного компонента, благодаря «прививке» фуранового радикала. Введение в состав связующего, добавки ТФС, приводит к образованию наночастиц SiO2 и фурфурилового спирта, который заполняет матрицу и образует сшитый полимер. Эти частицы действуют как центры зародышеобразования и кристаллизации. Добавление ТФС повышает механическую и химическую стойкость связующего вещества, и этот подход стал широко использоваться для приготовления кислотостойких покрытий [7, 11].

Для повышения прочности, кислотостойкости, термостойкости и огнестойкости строительных материалов и конструкций из них в состав композиционного связующего вводятся ТФС. Он синтезируются путем переэтерификации тетраэтоксисилана и фурфурилового спирта.

Полученное связующее содержит: жидкое стекло — 80—95 мас %; ТФС — 2—7 мас %; отвердитель, гексафторсиликат натрия — 13 мас %. Таким образом, часть используемого жидкого стекла представляет собой органическое щелочное жидкое стекло. В этом продукте в ка-

59

Научный журнал строительства и архитектуры

честве органический компонента используется 1,4-диазабицикло [2.2.2] октан-1,4-дииум силитат или 1,5-диазабицикло [3.3.3] ундекан-1,5-дииум силикат в количестве 2—4 мас % (рис. 1).

а)

б)

Рис. 1. Структурные формулы:

а) 1,4-диазабицикло [2.2.2] октан и 1,5-диазабицикло [3.3.3] ундекан; б) 1,4-диазабицикло [2.2.2] октан-1,4-дииум силикат и 1,5-диазабицикло [3.3.3] ундекан-1,5-дииум силикат

Водорастворимый силикат, содержащий органический катион щелочного металла, получают взаимодействием соли органического производного четвертичного аммония с аморфным кремнеземом. Растворимые органические щелочные силикаты, такие как тетрабутиламмоний силикат (ТБАС), были использованы в качестве компонента для самозатухания связующего [2, 9].

Предлагаемое наноструктурирующее связующее готовили ламинарным смешением жидкого стекла, содержащего катионы щелочных металлов, таких как натрий. В получаемую композицию добавляли ТФС и водорастворимый силикат, содержащий щелочной органический катион [5]. После смешивания всех компонентов связующего его необходимо использовать в течение 2—3 часов. Добавление отвердителя осуществляется совместно с тонкомолотым минеральным наполнителем.

Введение в состав связующего наноструктурирующего компонента ТФС приводит к образованию наночастиц SiO2 и фурфурилового спирта. Наночастицы SiO2 действуют как центры зародышеобразования и кристаллизации. Образующийся фурфуриловый спирт заполняет матрицу кремнезема, разрушается и полимеризуется. Добавление ТФС повышает механическую и химическую стойкость материалов на основе композиционного связующего. Это связующее находит широкое применение в приготовлении кислотостойких покрытий. Жидкое стекло с добавкой данных органических силикатов совместимо с водной дисперсией хлоропренового каучука и полиуретанов, а также большинства синтетических латексов на основе синтетических каучуков. Подобные композиционные материалы на основе взаимопроникающих неорганических и органических полимерных сеток описаны в работах [19, 20].

1. Синтез силикатов сильных органических оснований. Важным аспектом успеш-

ного применения силикатов сильных органических оснований является разработка простого и эффективного метода их синтеза на основе доступных и достаточно дешевых исходных веществ. Нами был разработан новый метод синтеза подобных соединений. Этот метод заключался в использовании кремнезолей в качестве исходного сырья при синтезе органических силикатов.

При взаимодействии кремниевого золя с сильными органическими основаниями стабилизация золя может быть достигнута только путем зарядки его поверхности. Для этого дос-

60