Полимерсерные бетоны
Серные бетоны обладают рядом положительных свойств, к которым, в первую очередь, относятся: быстрый набор прочности, связанный только с периодом остывания серобетонной смеси, высокая прочность, химическая стойкость к ряду агрессивных продуктов, низкое водопоглощение и соответственно высокая морозостойкость.
За рубежом серные бетоны используют в качестве дорожных покрытий. В Канаде для этих целей применяли битумно-серные бетоны, а на наиболее ответственных участках — серные бетоны, не содержащие битума. Такие покрытия более прочны, обладают хорошим сцеплением, имеют меньшее водопоглощение и значительно большую долговечность.
В районе Калгари (Канада) успешно эксплуатируются участки скоростной шоссейной дороги и отбойные ограждения, выполненные в виде армированных сборных элементов из серного бетона. После 6 лет эксплуатации ограждения имеют хороший внешний вид.
Разработан способ нанесения облицовок на стенки земляных ирригационных каналов путем торкретирования горячих серных растворов непосредственно на грунт. Покрытие наносится слоями толщиной 5—6 мм. В зависимости от вида и степени уплотнения грунта общая толщина защитного покрытия составляет от 20 до 40 мм. Для нанесения таких защитных облицовок служит специальное передвижное оборудование, приспособленное для работы в полевых условиях. По сравнению с бетонными облицовками нанесение защитных покрытий путем торкретирования серных растворов уменьшает фильтрацию воды и значительно сокращает сроки строительства.
Вспененные серные композиции, имеющие при небольшой плотности сравнительно высокие физико-механические характеристики, применяют для теплоизоляции основания автомобильных дорог в зонах вечной мерзлоты.
Серные бетоны, по мнению канадских ученых, перспективны в условиях арктического климата для изготовления сборных и монолитных конструкций различного назначения, в том числе свай, водорезов, труб, опор и фундаментов, емкостей, покрытий для закрепления земельных откосов.
Серный бетон с полимерной добавкой «сульфуркрит» в настоящее время используется в Канаде для получения коррозионно-стойких строительных конструкций промышленного и гражданского назначения, в том числе как материал для защиты и ремонта покрытий цементного пола и изготовления новых коррозионно-стойких и непроницаемых покрытий полов толщиной от 8 до -20 см. Впервые такие полы из «сульфуркрита» были выполнены на ряде промышленных предприятий 6 лет назад в объеме около 1000 м2. Технология формования изделий из горячих смесей «сульфуркрита» позволяет производить формовку при отрицательных температурах до —40°С. Удачно применяют серный бетон и для пригрузов нефте- и газопроводов при их прокладке через болота и реки. Пригрузы армированы стальной арматурой диаметром 20 мм. Масса блоков таких пригрузов 5 — 62 т. В настоящее время выпущено уже более 20 000 т различных изделий и конструкций из «сульфуркрита».
Следует отметить еще одну особенность серного бетона — повторное использование бракованных конструкций путем их дробления, вторичного расплава и формования.
Отходы серного производства используют для приготовления сероасфальтобетонных смесей, что позволило улучшить качество асфальтового бетона, уменьшить водопасыщение и набухание и увеличить коэффициент водоустойчивости.
Исследования показали, что в зависимости от степени наполнения расплавленной серы мелкодисперсными минеральными наполнителями предел прочности отвержденных образцов на сжатие изменяется в среднем от 18—20 МПа без наполнения до 50—60 МПа при 200—250% наполнении. Дальнейшее увеличение степени наполнения приводит к резкому снижению прочности. Ярко выраженный экстремальный характер изменения прочности в зависимости от степени наполнения в общем виде подтверждает аналогичные зависимости, полученные ранее для полимерных мастик, хотя механизм упрочнения у них различен. В случае получения серных мастик на поверхности минеральных наполнителей в процессе остывания серы формируются однородные кристаллы, размеры которых значительно меньше, чем в объеме свободной серы. При оптимальной степени наполнения практически вся сера переходит в более однородное и мелкокристаллическое состояние, что и обусловливает столь значительное повышение прочности.
Таким образом, была обнаружена весьма важная закономерность, которая позволяет использовать теоретические предпосылки и основные положения разработанной ранее теории структурообразования полимербетонов для подбора оптимальных составов серных бетонов. Использование этой теории позволило существенно сократить расход серы и подобрать составы серных бетонов с высокой плотностью и пределом прочности на сжатие 50—60 МПа.
Для изготовления химически стойких серных бетонов в качестве крупных заполнителей по аналогии с полимербетонами должны использоваться химически стойкие щебень и песок и мелкодисперсные наполнители — кварцевая или андезитовая мука, зола-унос и др. Удельная поверхность наполнителей должна быть в пределах 2500—3000 см2/г.
Известно, что под действием температурных перепадов, изменения солнечной радиации, и других атмосферных воздействий структурное состояние серы может изменяться за счет перехода ее молекул из одного аллотропного состояния в другое. Такие изменения вызывают появление опасных внутренних напряжений, которые могут привести к нарушению целости материала и сокращению долговечности конструкций. Кроме того, сера является хрупким материалом, а серные бетоны на ее основе обладают более высокой хрупкостью по сравнению с цементными бетонами.
Для устранения перечисленных недостатков в серное вяжущее вводят различные пластифицирующие и структурирующие добавки. В настоящее время при изготовлении серных мастик, растворов и бетонов сера в чистом виде практически не применяется.
В качестве пластифицирующих и структурирующих добавок в большинстве случаев используют различные полимерные материалы (тиокол, термопрен, резиновую крошку, атактический полипропилен, хлор-парафин и др). Поэтому при употреблении в качестве вяжущего серных бетонов серы, модифицированной полимерными добавками, такие бетоны следует называть полимерсер-ными бетонами. Полимерсерные бетоны могут быть получены и при использовании в качестве вяжущего полимерной серы, получаемой по специальной технологии.
Для снижения горючести серных бетонов и повышения огнестойкости конструкций из этих материалов в состав серного вяжущего вводят различные антипирены (полифторсодержащие фосфиты, пятихлористый фосфор, хлор-парафин и др.).
Полученные результаты показывают, что по прочностным характеристикам серные бетоны занимают промежуточное положение между цементными бетонами классов В25-В30 и высокопрочными полимербетонами. По химической и диэлектрическим характеристикам в сухом состоянии они не уступают большинству видов полимербетонов, а по стоимости значительно ниже наиболее дешевых из них.
Исследования сохранности стальной арматуры в течение 2 лет показали, что серный бетон надежно предохраняет арматуру от коррозии в условиях качественно изготовленного плотного бетона. Для повышения ударной прочности, прочности при растяжении и изгибе в серный бетон можно вводить обычное стекловолокно, в то время как в цементных бетонах такое волокно подвергается разрушению в результате воздействия щелочной среды цементного камня.
Таким образом, была определена первоочередная номенклатура конструкций из серных бетонов: фундаментные блоки, сваи, лотки, тоннели, трубы, блоки сенажных башен, емкости и др.
Следует отметить, что серный бетон может быть использован при изготовлении не только сборных, но и монолитных конструкций, а также при различных видах ремонтных работ.
Выполненные исследования и зарубежный опыт наглядно характеризуют перспективность использования серных бетонов в различных областях строительной индустрии.
На основе проекта разработана технология промышленного производства изделий и конструкций из полимерсерных бетонов. По этой технологии песок и щебень поступают на склад инертных материалов в саморазгружающихся вагонах или автомобильным транспортом, откуда их раздельно подают грейферным краном в соответствующие загрузочные воронки с ленточными питателями. Затем элеватором они направляются на грохоты для отсева крупных камней и посторонних включений и после этого в бункера-накопители агрегата питания и в сушильный барабан. Температура заполнителей при выходе из барабана должна быть 160°С±5.
Из сушильного барабана заполнители подают горячим элеватором в дозировочный бункер. Одновременно сера со склада и наполнитель из склада поступают в бункера-накопители.
Приготовление полимерсериого бетона осуществляют в горячем смесителе, в который подаются дозированные песок, щебень и минеральная мука.
Расплавленная сера с полимерными модифицирующими добавками подается в смеситель через объемный дозатор. Расплав серы получают в плавителе. Перекачку расплавленной серы производят специальными насосами типа «Раздол-3» или «Раздол-4». В горячем смесителе серобетонная смесь перемешивается при температуре 150±5°С в течение 2—3 мин и выгружается в нагретую металлическую опалубку, установленную на вибростоле. Виброформование серного бетона производится на типовом вибростоле с частотой колебаний 50 Гц и амплитудой 0,3—0,5 мм в течение 1,5—2 мин.
После виброформования изделие направляют на участок, где производят распалубку и приемку ОТК. Распалубку можно производить после охлаждения изделий до 40—50°С.
Подготовка опалубки и арматурных каркасов производится на участке и заключается в смазке внутренних стенок форм машинным маслом, установке (при необходимости) арматурных каркасов и закладных деталей и нагреве формы до температуры 140—150°С. Бракованные изделия направляются на участок переработки для повторного использования при приготовлении серного бетона.
Управление и контроль за технологическими параметрами осуществляются с пульта автоматического управления всего производства.