- Ю. Э. Васильев, д.т.н., профессор, (МАДИ)»;
- Н. В. Мотин, к.х.н., ООО «Газпром ВНИИГАЗ»
- А. Н. Шубин, ООО НПП «ПромСпецМаш»
Бетоны на основе модифицированного серного вяжущего следует относить к категории специальных бетонов, успешно противостоящих знакопеременным температурам и агрессивным средам. На этот материал разработан и передан в Росстандарт на утверждение предварительный национальный стандарт (ПНСТ) "Серобетонные смеси и серобетон. Общие технические требования".
Решением Экспертного совета Минтранса России по повышению инновационности государственных закупок в транспортном комплексе серобетон признан инновационным материалом (Протокол от 30.10.2013 № 9).
В соответствии с проектом ПНСТ, серобетон следует относить к специальным видам композиционных материалов, при изготовлении которых в качестве вяжущего применяется модифицированная сера.
Исследования в области производства серосодержащих композиционных материалов проводились и проводятся в НИИЖБ, МГСУ, МАДИ, ВНИИГАЗ и других организациях [1 - 3].
Отсутствие в составе серобетона традиционных компонентов, таких как цемент и вода, обеспечивает формирование плотного материала, характеризующегося высокими параметрами морозостойкости, не достижимыми для бетонов на основе портландцемента. Серобетон представляет собой фактически разновидность полимербетона, роль вяжущего в котором выполняет модифицированная сера [4].
Основная особенность серобетона заключается в существенно меньших затратах энергии на производство этого материала по сравнению с традиционным цементобетоном, что связано прежде всего со значительной энергоемкостью производства портландцемента от 3,4 ГДж/т при «сухом» способе производства и до 6,7 ГДж/т при «мокром» способе. В тоже время сера неминуемо образуется в качестве попутного техногенного продукта в нефтяной, газовой и металлургической промышленности и требует затрат энергии только на модификацию в объеме не более 10 кВт на 1 тонну. Кроме того, достаточно большие затраты энергии связаны с обеспечением процесса набора прочности бетонных изделий, в том числе в ходе тепловлажностной обработки. Исходя из этого, суммарные энергетические затраты на производство 1 м3 серобетона составляют около 250 МДж, в то время для бетона на основе портландцемента требуется около 2 500 МДж, т.е. в 10 раз больше.
При этом в процессе производства 1 тонны портландцемента в атмосферу выделяются парниковые газы в процессе декарбонизации исходных материалов и сгорания топлива в объеме около 0,81 тонны.
При этом следует отметить, что производство серобетона возможно организовать на любом асфальтобетонном заводе (АБЗ), обеспечив технологические температуры в пределах 130-150 оС. Также необходимо иметь ввиду, что в климатических условиях нашей страны асфальтобетонные заводы представляют собой типичное сезонное производство. Освоение технологии производства серобетонных смесей обеспечивает реальную возможность перевода асфальтобетонного завода на круглогодичный режим работы. Однако следует иметь в виду, что при организации производства сборных изделий из серобетона на территории АБЗ следует организовать формовочный цех с необходимым парком форм и уплотняющего оборудования. При организации производства монолитных конструкций из серобетонных смесей следует предусматривать их транспортирование в обогреваемых термос-бункерах, которые массово используются для транспортирования литых асфальтобетонных смесей.
В связи с этим модификация серы, в первую очередь, предполагает уменьшить процесс перекристаллизации серы, что достигается за счет перевода части серы в полимерное состояние с образованием сополимера. При этом существует достаточно много запатентованных технологий модификации серы. Наиболее широко за рубежом применяется технология модификации с использованием дициклопентадиена (ДЦПД), что обеспечивает получение сополимерной серы с высокими технологическими показателями. Однако, данная технология не обеспечивает, как правило, стойкости композитов в щелочных средах, а также имеются ссылки на некоторую токсичность получаемого продукта.
Разработанная в МАДИ (совместно с НПП «ПромСпецМаш» и «Газпром-ВНИИГАЗ») технология модификации серы за счет применения комплексного модификатора на основе этилиденнорборнена (ЕНБ) обеспечивает при значительно меньших количествах модификатора повышение стойкости серобетона в кислых и основных средах, а также исключает токсичность получаемого материала [5]. Получаемая при этом модифицированная сера получила наименевание «Сульфотекс СБ».
Данная технология модификации серы обеспечивает получение экологически чистого материала, что подтверждено соответствующим заключением Всероссийского научно-исследовательского института рыбного хозяйства и океанографии (ВНИРО).
Проведенные в последнее время исследования показали целесообразность и эффективность направленного регулирования процесса кристаллизации серы, в частности, добавки фуллеренов обеспечивают повышение прочности и износостойкости серобетона до 40 % [6].
Высокое качество изделий, простота технологии получения и сопоставимая стоимость позволяют серобетонам быть конкурентно способными по отношению к строительным материалам на традиционных вяжущих материалах.
Наиболее перспективны серобетоны для изготовления конструкций, в период эксплуатации которых предъявляются повышенные требования по стойкости к агрессивным средам, морозо- и атмосферостойкости, водонепроницаемости.
Фирмами «Sulphur Innovation Ltd» и «H.P.Sulfur concrete» (Канада), «Nipon Oil» и «Recosul» (Япония), «StarCrete» и «MicroPowder» (Южная Корея), «Marbet WIL» (Польша) и другими налажен выпуск в промышленных масштабах серного бетона для сборных и монолитных конструкций. Композиционные материалы на основе серы успешно применяются также в странах Ближнего Востока, Мексике, США, Венесуэле и других странах.
В условиях, когда к бетонным конструкциям не предъявляются повышенные требования либо к показателю морозостойкости, либо показателю коррозионной стойкости при производстве серобетона на основе модифицированнрой серы "Сульфотекс СБ" допустимо существенно понизить требования к заполнителям, что обеспечивает существенный экономический эффект при производстве этого материала.
Это связано прежде всего с тем, что при отсутствии воды в технологии серобетона, исключается опасность повышения водопотребности бетонной смеси, свойственной бетонным смесям, приготовленным на основе портландцемента, и вызываемое наличием пылеватых и глинистых частиц в заполнителях. В связи с этим наличие указанных примесей не сказывается на таких параметрах свойств серобетона как водостойкость и морозостойкость. Также при производстве бетонов на основе портландцемента к заполнителям предъявляются требования по содержанию вредных примесей. Связано это с тем, что вредные примеси в бетоне могут вызывать: снижение прочности и долговечности бетона; ухудшение качества поверхности и внутреннюю коррозию бетона и арматуры.
Большая часть вредных для бетонов на основе портландцемента примесей не сказывается на свойствах серобетона. За счет этого номенклатура заполнителей может быть существенно расширена, в том числе за счет возможности применения широкого спектра различных техногенных отходов, что в значительной степени может способствовать снижению себестоимости продукции, а также способствовать решению проблемы по утилизации отходов.
Кроме того, при производстве серобетонных изделий может широко применяться композиционная арматура, в том числе стеклопластиковая, которая ограничено применяется в традиционных бетонах в связи с деструктивным действием на нее щелочной среды.
Таким образом, эффективность применения изделий и конструкций из серобетона как было указано выше складывается из следующего:
- значительная долговечность серобетонных изделий и конструкций, в условиях знакопеременных температур и агрессивных сред за счет высоких параметров морозостойкости, водостойкости и химической стойкости серобетона;
- возможность использования широкого ассортимента заполнителей, часть которых не могут быть рекомендованы для производства традиционного бетона на основе портландцемента;
- возможность производства серобетонных смесей на технологическом оборудовании традиционного асфальтобетонного завода, за счет чего асфальтобетонный завод может быть переведен из разряда сезонного предприятия на круглогодичный режим работы;
- энергоемкость производства изделий из серобетонной смеси на порядок меньше энергозатрат, свойственных производству традиционных бетонов на основе портландцемента;
- при производстве серобетонных изделий суммарная эмиссия «парниковых газов» существенно ниже, чем при традиционной технологии производства цементобетона;
- возможность широкого применения композитной арматуры для армирования изделий из серобетона.
Однако при всех вышеуказанных достоинствах серобетона, он характеризуется рядом особенностей, недопонимание которых может дискредитировать идею его производства и применения. В частности, попытки использовать для приготовления серобетонных смесей неочищенную (недегазированную) серу сопряжено с неизбежным выделением в процессе нагрева серосодержащих токсичных соединений, в том числе диоксида серы.
Кроме того, как было указано выше, для получения необходимого технического результата в обязательном порядке должна быть применена модифицированная сера, так как техническая сера не обеспечивает необходимых параметров получаемых композиционных материалов. Также следует отметить, что технология производства серосодержащих композиционных материалов должна относиться к технологии «высокой культуры производства», так как нарушение температурного режима производства серобетонной смеси может вызвать недопустимые последствия, связанные, например, с проявлением эмиссии серосодержащих соединений.
В соответствии с поручением Председателя Правительства РФ по итогам заседания президиума Совета при Президенте Российской Федерации по модернизации экономики и инновационному развитию России 17 мая 2013 г. Минтрансу России следует обеспечить совместно с ОАО «Газпром» реализацию пилотных проектов по строительству участков дорог в регионах с различными климатическими условиями с применением материалов с добавлением серы; в настоящее время интенсифицировались работы по использованию серосодержащих композиционных материалов.
Это крайне важно применительно к сооружениям транспортного строительства, которые на большей части территории России призваны работать в условиях интенсивного воздействия противогололедных реагентов при многократном замораживании и оттаивании. Однако, это не исключает возможности использования серобетона в гидротехническом и гидромелиоративном строительстве, в строительстве животноводческих объектов и при прокладке инженерных коммуникаций.
Исходя из вышесказанного, следует, что серобетон не стоит рассматривать в качестве конкурента традиционного бетона на основе портландцемента, начиная с того, что цементная промышленность на сегодняшний день выпускает около 70 млн. т портландцемента, в то время как для нужд строительной индустрии в ближайшие годы может быть предоставлено не более 2 млн. т серы.
Таким образом, серобетон следует рассматривать исключительно как достаточно дешевую разновидность бетона специального назначения, предназначенного для эксплуатации в условиях знакопеременных температур и агрессивных сред, когда обычный состав бетона на основе портландцемента не может обеспечить необходимую прочность и надежность.
Литература
- Васильев Ю.Э. Перспективы применения серосодержащих композиционных материалов // Дороги. Октябрь, 2013. С. 96-98.
- Васильев Ю.Э. Физико-химические основы применения серы как материала в качестве вяжущего для сероасфальтобетона и сероцементобетона // Ю.Э.Васильев, Н.В.Мотин, И.Ю.Сарычев, А.В.Кочетков / В сб.: Строительство, дизайн, архитектура: разработка научных основ создания здоровой среды обитания. Сборник материалов международной научной конференции, Россия, г. Киров, 24-25 июня 2013 г.. под редакцией А.В.Кочеткова. Киров, 2013. С. 64-71.
- Приходько В.М. Инновационные разработки МАДИ для транспортного строительства // Промышленное и гражданское строительство. 2014. № 12. С. 37-40.
- Патуроев В. В Полимербетоны / НИИ бетона и железобетона. - М.: Стройиздат, 1987. - 286 с.
- Пат. 2554585 Росийская Федерация, МПК С08L95/00 C04B26/26 C08K3/06 C01B17/00 C2. Способ получения модифицированной серы [Текст] / Ю.Э.Васильев, Н.В.Мотин, С.С.Пекарь [и др.]; ООО НПП "ПромСпецМаш". - № 2013140117/05; заявл. 30.08.13; опубл. 27.06.15.
- Стебелева О.П. Кавитационный синтез наноструктурированного углеродного материала, Дисс. … канд. техн. наук по спец. 05.16.06. Сибирский федеральный университет. Красноярск, 2011. 134 с.
