Инновации в строительстве: серный бетон, стекломагниевый лист, пенобетон с нанодисперсной арматурой

Серный асфальтобетон

Серобетон — это композитный современный материал, в основу которого входят инертные заполнители и наполнители, выполняющие функции структурного каркаса, и вяжущее — техническая сера с модифицирующими добавками (см. видео в этой статье).

Сера, по своей сущности — это термопласт. То есть, композиты, выполненные на основе данного вещества, включая и серные бетоны, являются термопластами.

Общие сведения

Конструкции, изготовленные из таких смесей, обладают высокими теплоизоляционными свойствами, прочностью, они устойчивы к химическому воздействию кислот, солей, масел и пр. При необходимости, учитывая проектные требования, прочность изделий может быть повышена методом введения в состав растворов (до 7%) стекловолокнистой фибры.

Свойства

Примеры структуры

Серобетоны отличаются рядом положительных качеств, в сравнении с другими аналогичными материалами.

Это:

• период набора прочности, связанный только с остыванием смеси;
• низкая цена исходных компонентов;
• возможность вторичной переработки материалов, что позволяет организовать безотходное производство изделий;
• стойкость к воздействию агрессивных сред:
• способность твердения смесей при достаточно низких температурах;
• за счет высокой скорости схватывания — быстрая оборачиваемость форм;
• низкая электро- и теплопроводность;
• водонепроницаемость;
• повышенная морозостойкость;
• высокая износостойкость.

Результаты исследований показывают, что серные композиты по плотности, показателям пористости и водопроницаемости, существенно превосходят классические цементные растворы. Например, водонепроницаемость конструкций, изготовленных из этих материалов, в 10–20 раз выше, чем у аналогичных изделий из тяжелого бетона.

Еще одним важным фактором, является износостойкость покрытий, которая почти в пять раз выше значений эксплуатируемых изделий на цементных вяжущих.

Сравнительные характеристики материалов

Однако, невзирая на такие положительные характеристики, отдельные недостатки серобетона могут отрицательно сказаться на широком его использовании:

1. Высокая температура (140°С) для приготовления смесей.
2. Высокая цена установки для выпуска изделий (10–12 млн).
3. Высокая токсичность производства (выделение сероводорода).
4. Низкая термостойкость (+90°С).

Классификация серных бетонов

Классификация бетонов

Серные бетоны по своему составу относятся к разряду специальных бетонов. Общие технические нормы и требования, предъявляемые к смесям и изделиям их них, перечислены в предварительном национальном стандарте — ПНСТ105-2016.

Условия настоящего стандарта необходимо соблюдать при проектировании и составлении технологической документации, а также руководствоваться при проведении строительных работ и определении качества готовых конструкций.

Учитывая среднюю плотность, композиты подразделяются на следующие категории:

• особо тяжелые — плотность >2,8 г/см3 (СбС О), марки D2500 и выше;
• тяжелые, со средней плотностью 1,8–2,8 г/см3 (СбС Т), D2000—D2500;
• легкие — <1,8 г/см3 (СбС Л), в пределах D800—D2000.

По показателям удобоукладываемости делятся на группы:

• жесткие (Ж);
• подвижные (П);
• литые (Л).

Условное наименование серобетонного раствора стандартного качества состоит из аббревиатуры: группа подвижности, класс прочности, и по необходимости может указываться морозостойкость, средняя плотность и водонепроницаемость.

Подсказки: например, подвижная серобетонная смесь (П) для приготовления тяжелого бетона класса прочности В25, со значением морозостойкости F 2200 и водонепроницаемостью W 4 —обозначается: СбС Т-П-В25 F2200 W4.

По классу прочности делятся на:

• прочные В10—В60;
• высокопрочные — более В60.

Физико-механические характеристики

Применение

Серобетоны используются в элементах конструкций жилых зданий и промышленных сооружений, в процессе эксплуатации которых необходимы высокие значения атмосферо- и морозостойкости, непроницаемости, повышенной устойчивости к воздействию агрессивных сред.

Дорожная плита из серного бетона

Наибольшее распространение применение серобетона получило при производстве следующих мелкоштучных изделий и конструкций:

1. Устройство дорожных покрытий (серный асфальтобетон).
2. Изготовление элементов сборных автодорожных покрытий (плиты, бортовые камни, торцовые шашки, дорожные ограждения, тротуарная плитка).
3. Элементы зданий, которые в процессе эксплуатации подвергаются воздействию солевой среды (фундаменты, полы, сливные лотки и др.).
4. Инженерные конструкции (канализационные трубы, коллекторные кольца, очистные сооружения).

Способ получения серного цемента

(51) 04 28/36 (2006.01) КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН(57) Изобретение относится к области промышленного и гражданского строительства,проводимых в условиях воздействия агрессивных сред, в частности, к получению серного цемента. Предложен способ получения серного цемента путм перемалывания серы с модификатором госсиполовой смолой и наполнителем волластонитом в шаровой мельнице в соотношении мас. сера — 30, модификатор — 20, наполнитель 50, причем помол осуществляют до достижения удельной поверхности 1600 3000 см 2/г. Предлагаемый способ получения серного цемента более прост по сравнению с технологией известного способа. Полученный серный цемент может применяться в качестве термопластичного вяжущего для получения различных видов строительных изделий лотков, бордюр, тротуарных плиток и т.п.(72) Имангалиев Тельжан Альжанович Джаппарова Меруерт Турсинбаевна Алманов Габит Абатович Ниязов Талгат Жаксылыкович Юриков Алексей Петрович Имангалиев Галымжан Тельжанович Мырзахметова Ботакоз Бейбитовна Джакипбекова Нагима Орманбековна(73) Республиканское государственное казенное предприятие Южно-Казахстанский государственный университет им. М. Ауезова Министерства образования и науки Республики Казахстан(54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СЕРНОГО ЦЕМЕНТА Изобретение относится к области промышленного и гражданского строительства, проводимых в условиях воздействия агрессивных сред, в частности, к получению серного цемента. Известен способ получения серного цемента, в котором однородный раствор серы и модификатора обрабатывают вращающимся электромагнитным полем аппарата вихревого слоя В 150 К-01 при температуре 140-150 С в течение 5-20 с. Соотношение компонентов раствора, мас. сера 90 — 98 модификатор 2-10. В качестве модификатора используют нефтяной остаток, например, мазут,предварительно обработанный вращающимся электромагнитным полем при температуре 300-350 С в течение 10-60 с. (Патент 2154602 РФ, 20.08.2000). Недостатком способа является предварительная обработка модификатора вращающимся электромагнитным полем при высокой температуре 350 С. Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ получения серного цемента,содержащего техническую серу и тонкомолотый минеральный наполнитель базовое соотношение 11,степень измельчения 2000 см 2/г. В качестве наполнителя берут кварцевый песок или каменную муку. Базовое значение измельчения 2000 см 2/г взято исходя из оптимального, практически достаточного предела, т.к. при дальнейшем измельчении эффективность производства резко снижается, например, при помоле до 3000 см 2/г прочность изделия повышается на 10, а производительность агрегата снижается вдвое (Патент 2319674 РФ, 2008.03.20). Недостатком способа является измельчение серы и минерального наполнителя до базового значения измельчения, равном 2000 см 2/г, которое трудно контролировать в шаровой или вибрационной мельнице. Задачей изобретения является разработка способа получения серного цемента при упрощении технологии процесса. Техническим результатом является упрощение способа получения серного цемента и утилизация технической серы, которая образуется в процессе нефтегазодобычи и относится к категории отходов производства. В Казахстане накоплено около 18 млн. тонн технической серы. Поставленная задача решается тем, что в способе получения серного цемента, заключающемся в совместном перемалывании серы с наполнителем,согласно изобретению, в смесь дополнительно вводят модификатор — госсиполовую смолу в соотношении,мас. сера — 30, модификатор — 20, наполнитель — 50. Причем помол осуществляют до достижения удельной поверхности 16003000 см 2/г. В качестве наполнителя может быть использован волластонит. Госсиполовая смола является отходом при производстве растительных масел. Техническая характеристика госсиполовой смолы по ОСТ 18-11473. Однородная, вязкотекучая масса темнокоричневого или черного цвета 70-100 80 1,0 Кислотное число, в мг КОН Растворимость в ацетоне, вСодержание золы в , не более Содержание влаги и летучих веществ в , не более Способ осуществляют следующим образом через дозаторы загружают в шаровую мельницу определенное количество серы, наполнителя и модификатора, перемалывают до значения удельной поверхности в интервале 1603000 см 2/г. Пример 1. 30 г серы, 20 г госсиполовой смолы и 50 г волластонита перемалывают в шаровой мельнице до значения удельной поверхности 1600 см 2/г. Получают базовый серный цемент. Прочность в пределах 60 МПа/см 2. Пример 2. 30 г серы, 20 г госсиполовой смолы и 50 г волластонита перемалывают в шаровой мельнице до значения удельной поверхности 2000 см 2/г. Получают базовый серный цемент. Прочность в пределах 75 МПа/см 2. Пример 3. 30 г серы, 20 г госсиполовой смолы и 50 г волластонита перемалывают в шаровой мельнице до значения удельной поверхности 3000 см 2/г. Получают базовый серный цемент. Прочность в пределах 80 МПа/см 2. Таким образом, полученный предлагаемым способом серный цемент может применяться в качестве термопластичного вяжущего для получения различных видов строительных изделий лотков,бордюр, тротуарных плиток и т. п. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Способ получения серного цемента,заключающийся в совместном перемалывании смеси технической серы с минеральным наполнителем,отличающийся тем, что в смесь дополнительно вводят модификатор — госсиполовую смолу, при следующем соотношении компонентов, мас. сера 30, модификатор — 20, наполнитель — 50, причем помол осуществляют до достижения удельной поверхности 16003000 см 2/г.

Материалы для производства серных бетонов

Технология изготовления серобетона основана на том, что вместо воды и портландцемента, для приготовления смесей в качестве связующего компонента, используют техническую серу (20–40%) или серосодержащие отходы промышленных производств.

Заполнители

В роли крупного заполнителя для тяжелого бетона выступает искусственный или природный щебень пористой или плотной структуры. Максимальная величина зерен не должна превышать 40 мм.

Природный щебень

Для особо тяжелых смесей необходимо применять металлическую стружку или свинцовую дробь.

При производстве легких бетонов используют пористые заполнители (ГОСТ 32496-2013):

• керамзитовый гравий;
• аглопоритовый щебень;
• шунгизитовый гравий;
• металлургические шлаки.

Керамзитовый гравий

В качестве мелкозернистых заполнителей применяют природный кварцевый песок, который по своему составу может быть:

• природный обогащенный;
• природный фракционированный;
• дробленый;
• дробленый фракционированный.

Кварцевый песок фракционированный

Различные типы мелкого и крупного заполнителя употребляются, в зависимости от вида и назначения изготавливаемых элементов конструкций и условий их использования.

Зола-унос

В роли инертных наполнителей (см. табл.), служащих структурообразователями, выступают тонкодисперсные материалы с величиной зерен менее 0,15 мм, в том числе:

• андезитовая мука;
• маршалит;
• кварцевая мука;
• диабазовая мука;
• графитовая пудра;
• зола-унос и другие минеральные порошки.

Технические характеристики некоторых наполнителей

Отдельной строкой, в списке заполнителей, находятся материалы для армирования серных бетонов — фибры. В результате такого подхода к производству изделий, получаются прочные и долговечные конструкции из фибросеробетона.

В качестве фибр применяют органическое или неорганическое волокно в количестве 5–7% от общего объема используемой серы:

• стеклянное;
• полипропиленовое;
• полиэфирное и др.

Дисперсное армирование производится волокнистым материалом в виде связанных в пучок нитей, предварительно пропитанных клеящим составом, например, акриловой, эпоксидной или полиуретановой смолой. Рекомендуется применять фибры не длиннее 3–5 см с диаметром волокон 150–350 мкм.

Вяжущие

Сера в пределах температур 15—20°С представляет собой твердое кристаллическое вещество. Обладает низкой тепло- и электропроводностью, а также не растворима в воде.

Гранулированный серный концентрат

Данное вещество способно образовывать соединения практически со всеми органическими и неорганическими химическими элементами. Температура плавления материала 120°С. А если довести температуру расплавленной серы до 445°С, она закипает.

Помимо технической серы, для приготовления серных бетонов применяют серосодержащие отходы различных промышленных производств:

• отходы отстойников, фильтров химических производств (до 70%);
• остатки серы в плавильных агрегатах (40%);
• отходы обогащения серной руды (7%).

В твердой фазе сера по своим качествам — хрупкий материал. В результате чего, затвердевший расплав не обладает удовлетворительной прочностью.

Поэтому, для получения качественных композиций на основе серных вяжущих применяют только модифицированные вещества, обладающие аморфно-кристаллической структурой, существенно повышающей механические свойства изделий.

Модифицированная сера

Способы модификации серы можно распределить на три вида:

• физический — добавление в состав структурообразующих заполнителей;
• температурный — фазовые изменения серы в зависимости повышения или понижения температуры;
• химический метод — введение в расплав стабилизаторов и пластификаторов.

Наиболее распространенный способ модификации серы — это использование специальных химических присадок, позволяющих в широком диапазоне регулировать как свойства жидких смесей, так и характеристики твердого материала.

Модификаторы

Модифицирующие добавки вводятся в момент приготовления расплава серы в зависимости от эксплуатационных требований и принятой технологии производства. Количество той или иной присадки может составлять 1–10% от общего объема серного концентрата.

По своему функциональному назначению лигатуры можно разделить на несколько категорий:

• пластификаторы (каучук, стирол, нефтеполимерные смолы, парафин и др.);

Нефтеполимерные смолы

• стабилизаторы (поливинилхлорид, хлорид цинка и пр.);

Хлорид цинка

• антипирены (сульфид мышьяка, треххлористый фосфор);

Сульфид мышьяка

• антисептики (нафталин, тимол).

Нафталин

Подсказки: модификация серных составов приводит к удорожанию и усложнению процессов приготовления растворов. Поэтому, применение присадок должно быть обосновано как технически, так и экономически.

Композиция, видоизмененная специальными присадками, получила наименование: полимерная сера.

ТАКТИЛЬНЫЕ ПЛИТЫ ИЗ СЕРНОГО БЕТОНА

Актуальной и важной проблемой является возможность безопасного и комфортного передвижения слабовидящих людей. Принимая во внимание то обстоятельство, что почти 9% населения Татарстана – это граждане с ограниченными возможностями здоровья, из них 2,9 процента – слепые и слабовидящие (9,5 тысячи человек) одним из направлений стратегии социально-экономического развития Республики Татарстан является реабилитация и социальная интеграция инвалидов. Наиболее оптимальным материалом для тактильных плит является бетон. В Казани в 2012 году укладывали бетонные тактильные плиты после года эксплуатации 5 кв. км уложенной на 52 улицах требуют ремонта. К сожалению бетонные тактильные плиты на портландцементе не соответствовали своим эксплуатационным характеристикам, массово приходя в негодность. Как правило, существующим тактильным плитам присуще следующие недостатки: невысокая прочность, низкая трещиностойкость , низкая морозостойкость и невысокая химическая стойкость. Решением данной проблемы, является повышение прочности бетонных тактильных плит и их стойкости по отношению к внешним воздействиям окружающей среды за счет замены вяжущего вещества, модификации состава добавками и введением армирующих волокон. Как вариант было предложено изготовление тактильных плит из серного бетона с добавлением базальтового волокна. Процесс производства серобетонных образцов включает в себя следующие этапы:

– Подготовка сырья

– Приготовление серобетонной смеси

– Формование образцов

Образцы серовяжущего готовили следующим образом.

Просеянную карбонатную породу через сито 0,16 (рис 3.1) весом 120 грамм смешивали с различным весом фибры(рис 3.2). После тщательного перемешивания расплав серы нагревали сушильном шкафу до температуры 155°С в течении 2 часов, при которой она имеет минимальную вязкость, и при перемешивании небольшими порциями добавляли в карбонатный наполнитель.

После растворения серы до однородности расплава к нему добавляли нагретый до такой же температуры, как и расплав, молотый (до удельной поверхности 3000 см2/г) известняк доломитизированный и базальтовую фибру. Полученной массой заполняли предварительно нагретые до температуры 150-160°С формы-кубы 2x2x2 см(рис 3.3), помещали формы в печи и нагревали до температуры 175-185°С, после чего массу в формах выдерживали при этой температуре 15-30 минут при нормальном атмосферном давлении, формы вынимали из сушилки и охлажда¬ли при нормальных условиях (комнатной тем¬пературе). В результате получили образцы серовяжущего, с более высокой прочностью на сжатие ,которые были испытаны на гидравлическом прессе .

Для подбора оптимального состава были замешаны 6 составов с различным содержанием компонентов. Отличительной особенностью каждого состава является изменение дозировки базальтовой фибры, от которого следует изменение дозировки вяжущего при одинаковой подвижности смеси.

Таблица 1.

Составы серобетонного вяжущего

Приготовленная вяжущая масса была заформована в формы 2х2х2 см. Прочность на сжатие испытывали на гидравлическом прессе через сутки твердения в естественных условиях хранения. Испытания проводили 2 раза, для корректности показанных результатов. Результаты испытания представлены в табл. 2

Таблица 2.

Прочностные показатели серобетона

По полученным результатам серобетон, с использованием базальтовых фиброволокон, показал высокие прочностные характеристики, что свидетельствует о целесообразности замены бетонных тактильных плиток на основе портландцемента на тактильные плиты на серного бетона. процесс получения серного бетона основан на свойстве серы из менять свою вязкость при различной температуре – при 119–122° С сера полностью переходит из кристаллического состояния в расплав. В качестве заполнителей используют кислотоупорный цемент, андезитовую или кварцевую муку, кварцевый песок и другие кислотостойкие минеральные наполнители. Во многих странах серный бетон применяют для изготовления свай, фундаментов, емкостей, покрытии дорог и химстойких полов.Одним из факторов, сдерживающим широкое внедрение серного бетона в нашей стране, является его стоимость, которая выше примерно в 2 раза бетона на портландцементе. Однако имеется много химических предприятий, располагающих серосодержащими отходами, которые содержат от 25 до 80% технической серы. Также, количество серосодержащих отходов образуется при добыче серы.

Список литературы:

1. Перспективные направления переработки серы и серосодержащих продуктов. //Материалы научно-технического совета в ОАО «Татнефтехиминвест-холдинг». Казань, 13 мая 2002 г.
2. Физико-химические свойства серы / Обзорная информация /.- М.: НИИТЭХИМ, 1985. –35 с.
3. Бусев А.И, Симонова Н. Аналитическая химия серы. – М.: Наука, 1975.–271 с.
4. Орловский Ю.И., Ивашкевич Б.П., Юрьева Е.В. Биокоррозия серных бетонов // Бетон и железобетон. — 1989. -№ 4.- С.45- 46.
5. Ахвердов И.Н. Основы физики бетона. – М.: Стройиздат, 1981. – 464 с.
6. Реми Г. Курс неорганической химии. – М.: Издательство иностранной литературы, 1963. — Т.1. – 920 с.
7. Химическая технология неорганических веществ /Ахметов Т.Г., Бусыгин В.М., Гайсин Л.Г. и др.– М.: Химия, 1998.– 448 с.
8. Реакции серы с органическими соединениями / Под ред. Воронкова. А.И. -Новосибирск: Наука, 1979. — 368с.
9. Меньковский М.А., Яворский В.Т. Технология серы. – М.: Химия, 1985. – 286 с.
10. Популярная библиотека химических элементов // Наука и техника. Электронная версия. – 2002. [http: www.phys.web.ru]
11. Химическая энциклопедия: Т.4. – М.: Большая Российская энциклопедия, 1995.-635 с.
12. Королев Е.В., Прошин А.П., Соломатов В.И. Серные композиционные материалы для защиты от радиации.- Пенза: ПГАСА, 2001 – 208 с.