А.Н.ВОЛГУШЕВ, канд. техн. наук, Основные физико-механические свойства строительных композитов на основе термопластического серного вяжущего
Повышение физико-механических свойств строительных материалов и изделий на их основе, разработка новых композиций и технологий остаются основополагающими направлениями развития стройиндустрии. Определяющими показателями конкурентоспособности и обоснованности технологических решений при организации нового или реконструкции существующего производства являются материалоемкость, энергоемкость, капитальные затраты на единицу продукции. Потребность в долговечных материалах и конструкциях на их основе огромна, задачи снижения энергозатрат и использование попутных продуктов и отходов всегда актуальны. Одним из вариантов решения этих задач является использование серы в технологии стройиндустрии.
В соответствии с основными критериями, выдвинутыми Комиссией экспертов Европейского Союза, перспективность и рентабельность развития новых направлений стройиндустрии могут быть достигнуты при условии минимального изъятия природных ресурсов, максимального использования промышленных отходов других производств, повышения показателей прочности и долговечности, совместимости с традиционными материалами, безотходное технологических процессов, экономичности, обеспечения высоких эстетических качеств, экологической безопасности производства и эксплуатации. Всем этим требованиям в большей или меньшей степени отвечают как композиции на основе термопластичного серного вяжущего (ТПСВ), так и технологии их получения.
Предпосылками для производства ТПСВ и применения его в технологии стройиндустрии в настоящее время являются обширная сырьевая база в виде технической серы, а также большая потребность народного хозяйства в новых долговечных, химически стойких материалах. Вопрос переработки серосодержащих отходов промышленных предприятий не решен, и эти отходы, как правило, вывозят в отвал.
Ситуацию с перепроизводством серы и необходимость значительною расширения областей ее применения отечественные и зарубежные ученые прогнозировали еще в 50-х годах, называя серу материалом будущего. При этом отмечалось, что ее утилизация станет неотложной задачей как с экономической, так и с экологической точек зрения. В настоящее время эти прогнозы подтверждаются, а расширение областей ее применения является неотложной задачей.
Сера по своей природе является термопластом, и композиции на ее основе, в том числе и серные бетоны, тоже термопласты. Сера при температуре 15-20°С представляет собой твердое кристаллическое вещество с пределом прочности на сжатие 15-20 МПа. Она относится к хорошим изоляторам тепла, теплопроводность которой меняется от 0,276 до 0,155 Вт/(м °С) в интервале температур 12-96°С.
Строительный рынок готов к реализации технологии ТПСВ и бетонов на его основе. Конкурентоспособность серных бетонов весьма высока по сравнению с цементными и битумными бетонами. Экономия в сфере производства составляет около 130 р на 1 т смеси. Технология защищена патентами, имеются теоретическое и экспериментальное обоснование предлагаемых решений. Используя результаты работ НИИЖ- Ба, можно в кратчайшие сроки изготовить опытные образцы оборудования, подготовить пакет научно-тех- нической документации и организовать опытно-про- мышленное производство. Базовым предприятием при решении поставленных задач, с нашей точки зрения, должен стать технопарк, с предложением организации которого НИИЖБ обратился в директивные органы.
Разработанные в Госстрое в годы его существования программы развития стройиндустрии до 2010 и в последующие годы, в том числе и освоения технологии серных композиций, предусматривали перевооружение отрасли не менее чем на 15 % с ориентацией на более высокие уровни технологических решений и выпуск новейшей конкурентоспособной продукции. К сожалению, многолетние профессиональные разработки программ перспективного развития стройиндустрии Госстроя в настоящее время не востребованы.
В последние годы в НИИЖБе, а затем и в ряде других организаций (ВНИИГАЗ, МАДИ, Норильский никель, Астраханьгазпром) выполнены исследования возможности применения серы в технологии стройиндустрии. Показано, что в этой области наиболее экономически рационально применение серы для изготовления ТПСВ, добавок в асфальтобетон и пропиточных составов. Предлагаемые технологические решения отвечают основополагающему направлению развития стройиндустрии.
Разработка и внедрение новых вяжущих, в том числе и ТПСВ, является одной из возможных энергосберегающих технологий. Освоение нового класса многофункционального вяжущего на основе серы позволяет получать прочные, плотные и долговечные бесцементные композиции по ресурсоэнергосберегающей технологии. Кроме того, при этом достигается полностью безотходное производство, повышается степень использования побочного сырья и промышленных отходов, улучшается экологическая безопасность среды за счет сокращения добычи нерудных стройматериалов и уменьшения площадей под отвалы промышленных отходов, повышается качество изделий, расширяется номенклатура, возрастает конкурентоспособность выпускаемой продукции на отечественном и зарубежном рынках, расширяется материальная база стройиндустрии для промышленного, гражданского, гидротехнического, сельскохозяйственного, специального и дорожного строительства.
Технология производства ТПСВ значительно проще, чем цемента, и освоение ее позволит получить следующие показатели по сравнению с цементом аналогичных марок:
• снижение энергозатрат в 1,5-2 раза
• повышение экологической безопасности производства
• снижение удельных капитальных затрат на 40- 50%
• получение безотходного производства
• снижение себестоимости в 1,5-2 раза
• значительное повышение срока хранения
• расширение сырьевой базы производства
• рациональное использование природных ресурсов
• получение цветных составов.
Основные области применения ТПСВ: строительные конструкции; асфальтобетон; стыки, швы; художественное литье; гидроизоляция; ремонт, реставрация.
Гранулирование расплава ТПСВ можно производить на любом из существующих видов грануляторов для серы.
Анализ отечественной и зарубежной литературы показал, что разработанные НИИЖБом составы строительных композитов и технологии их производства соответствуют современному мировому уровню, являются патентоспособными. Результаты некоторых исследований, выполненных в НИИЖБе, не имеют аналогов в мировой практике.
Серные бетоны представляют собой искусственный каменный материал из затвердевшей отформованной смеси, состоящей из ТПСВ (20-40%) и заполнителей (60-80%). Приготовление смеси и формовку изделий производят в горячем состоянии при температуре 130-150°С. Серные композиции в зависимости от сочетания инертных заполнителей по крупности могут быть изготовлены в веде бетонов, растворов или мастик. По плотности они могут быть легкие, тяжелые, особо тяжелые. По структуре они могут быть плотные, поризованные, ячеистые, крупнопористые. Смеси серных композиций, в зависимости от расхода серного вяжущего, могут обладать различной подвижностью и быть литыми, подвижными, малоподвижными, жесткими, особожесткими. Способ уплотнения смеси определяется ее подвижностью и может производиться без внешнего воздействия на смесь, вибрацией, силовым воздействием (прессование, прокат), комбинированным воздействием, набрызгом и др. Жизнеспособность смеси серной композиции при температуре 130-150 °С практически неограниченна. Твердение таких смесей является физическим процессом и происходит в результате остывания, что сопровождается кристаллизацией серы на поверхности заполнителей, приводящей к цементации всех составляющих в монолитную структуру. Процесс отверждения может проходить при отрицательных температурах и под водой.
Серные бетоны обладают высокой стойкостью при воздействии масел, растворов солей и кислот, суровых климатических и атмосферных условий. Для повышения прочности при ударе, растяжении и изгибе в серный бетон можно вводить стекловолокно, базальтовое волокно, пластификаторы. Серные бетоны имеют хорошую сопротивляемость многократно повторным и динамическим нагрузкам. Прочность сцепления арматуры с серным бетоном не ниже, чем у бетонов на портландцементе, что обеспечивает их совместную работу в конструкции под нагрузкой. Сохранность арматуры в серном бетоне обеспечивается его плотностью. Допустимо применение защитных покрытий, а также стержневой арматуры из стеклопластика или базальта. Конструкции из серных бетонов обладают стабильными теплотехническими показателями, высокой термосопротивляемостью в ограждающих стеновых конструкциях.
Составы обладают затухающей ползучестью при уровне нагружения до 0,5Rnp и меру ползучести в пределах (0,5-1 )х1 О5 см2/кг. Температурно-усадочные деформации в пределах (20-30)х10э мм/мм наблюдаются только в первые сутки при остывании. Длительные наблюдения за образцами в климатических условиях Норильска, Москвы, Астрахани показали, что их атмосферостойкость составляет Кст = 0,7-0,85.
Серные бетоны обладают высокой совместимостью свежего состава со старым затвердевшим бетоном. При необходимости, например, при отрицательной температуре, поверхность старого бетона можно активизировать прогревом. Они способны быстро отверждаться и набирать отпускную и проектную прочность. Твердение смеси происходит в результате остывания.
Одним из недостатков бетона на основе ТПСВ является его горючесть и низкая термостойкость. Снижение горючести серного бетона достигается введением антипиренов, позволяющих получать композиции с тенденцией к самозатуханию, или нанесением огнезащитных покрытий.
На первом этапе были исследованы составы на ТПСВ, приготовленном с применением технической серы. Эти составы принимались за эталонные при замене в них технической серы на серосодержащие отходы (ССО) или серные руды (табл. 1).
Отличительной особенностью серных бетонов является вид связующего, обладающего определенными физико-механическими свойствами, что определяет как технологические приемы приготовления и формования смеси, так и физико-механические свойства композиции в затвердевшем состоянии.
Подбор состава серного бетона заключается в определении оптимального содержания всех составляющих компонентов (щебня, песка, наполнителя и связующего), чем достигается получение материала с требуемыми физико-механическими свойствами. Решающая роль при этом отводится определению содержания в ТПСВ так называемой мастичной части композиции. Для получения плотного и достаточно прочного бетона необходимо, чтобы мастика заполняла пустоты щебеночно-песчаной смеси. Исходя из этого, количество мастики (Мтпсв) в составе определяли из выражения
Исследования, выполненные в НИИЖБе, впервые показали, что, кроме технической серы, для производства серных бетонов могут быть использованы ССО различных производств и некондиционная сера. В больших количествах ССО имеются практически на всех предприятиях по добыче природной и попутной серы, а также в отраслях, использующих ее в качестве исходного сырья для получения минеральных удобрений, кислот и другой продукции.
Оценку пригодности ССО для приготовления серных бетонов по методике НИИЖБ производят по следующим показателям: содержание серы, гранулометрический состав минеральной части, химический состав минеральной части. В зависимости от гранулометрического состава минеральной части ССО подразделяют на мастичные, растворные и бетонные.
При подборе составов бетонов на основе ССО различного вида разработан метод приведения состава ССО к известному или рассчитанному на данных заполнителях составу (табл. 2).
Бетоны на основе серосодержащих отходов, как и контрольные составы, имели хрупкое разрушение (табл. 3).
Анализируя полученные данные по изменению коэффициента Пуассона и приращения коэффициента поперечной деформации, можно прийти к выводу, что начало трещинообразования происходит при нагрузке, близкой к 0,8 f?pa3p.
В технологическом процессе производства ТПСВ и композиций на его основе могут быть использованы серные руды, в том числе месторождений Курильских островов, Камчатки. Местные материалы и серные руды Курильских островов прошли успешные испытания в НИИЖБе. Результаты совместных работ, выполненных НИИЖБом, ГПТИОТС и ИГЕМ РАН, убедительно показали возможность использования серных руд и местных заполнителей при решении многих вопросов в реализации строительной части программы освоения Курильских островов.
Разработка и освоение природных богатств Курильских островов относятся к важнейшей проблеме Дальневосточного региона, для решения которой необходимо выполнить большой объем капитального строительства различных сооружений, в том числе дорог, объектов перерабатывающего комплекса, в первую очередь рыбного и сельскохозяйственных производств, морских сооружений, жилья, объектов соцкультбыта и многое другое. Для обеспечения такого объема строительных работ необходимо располагать хорошей базой по производству строительных материалов, так как существующая крайне слаба.
Учитывая, что регион Курильских островов богат природной серой, одним из возможных путей решения проблем производства строительных материалов является использование ее для приготовления ТПСВ и производства на его основе смесей различных составов (тяжелых, легких, крупнопористых). С предложением по освоению в рамках программы развития Курильских островов производства серных бетонов НИИЖБ обратился за поддержкой к руководителю Федерального агентства по строительству и жилищно-коммунальному хозяйству Крутику С.И. и мэру Москвы Лужкову Ю.М. как к председателю Совета старейшин по вопросам взаимодействия Рэссии и Японии.
На стадии приготовления смеси в состав асфальтобетона вводят серу, что снижает расход битума на 20-30% и более. Смесь сероасфальтобетона обладает большей подвижностью, что позволяет лучше и производительнее укладывать его в покрытие. Серу можно вводить в состав как в виде расплава, так и в виде порошка. Возможен вариант приготовления эмульсии расплава серы и битума в заданной пропорции. Сера в составе композиции играет роль “жидкого наполнителя, находясь в процессе перемешивания и укладки в виде мельчайших капель, которые переходят при остывании в твердые кристаллы-гранулы, выполняющие роль наполнителя. Введение серы в состав не только экономит битум, но и повышает сопротивление абразивному износу, а также термостойкость покрытия, что особенно важно для жарких южных районов.
Бетон и железобетон, 2007 №4