А.Н. ДАВИДЮК, доктор технических наук, Заслуженный строитель РФ, научный руководитель Группы компаний «КТБ»;
П.С. ТРУНТОВ, ведущий специалист ООО «КТБ НИИЖБ», аспирант ФГБУ ВО «НИУ МГСУ»;
А.А. РЫКОВ, специалист ООО «КТБ НИИЖБ»;
А.Е. НИКИТИН, канд. техн. наук, ведущий научный сотрудник лаборатории легких и ячеистых бетонов и конструкций, НИИЖБ им. А.А. Гвоздева

Ключевые слова: серный бетон, серосодержащие отходы, физико-механические свойства, полимерсерные бетоны
Key words: sulfur concrete, sulfur-containing waste, physical and mechanical properties, polymer sulfur concrete

В данной статье рассмотрены полимерсерные бетоны с использованием серосодержащих отходов химических производств. Отмечено, что процесс приготовления бетонной смеси на основе серы происходит аналогично производству асфальтобетона. После предварительного обзора были исследованы основные физико-механические характеристики серосодержащих отходов, их химический и гранулометрический составы. На основе полученных данных предложена общая классификация отходов отстоя серы по содержанию твёрдой минеральной составляющей.

This article discusses polymer-sulfur concrete using sulfur-containing chemical waste. It is noted that the process of preparing a sulfur-based concrete mixture is similar to the production of asphalt concrete. After a preliminary review, the main physical and mechanical characteristics of sulfur-containing waste, their chemical and granulometric compositions were studied. Based on the data obtained, a general classification of sulfur sludge waste according to the content of the solid mineral component is proposed.

Введение

Исходя из опыта использования серы в бетоне намечаются три основных направления применения серы в строительстве:

• производство полимерсерных бетонов различного назначения;
• производство сероасфальтовых бетонов для дорожного строительства;
• использование серы для пропитки цементных бетонов расплавленной серой [1-3].

В статье рассматриваются полимерсерные бетоны с использованием серосодержащих отходов химических производств.

Процесс приготовления бетонной смеси на основе серы происходит аналогично производству асфальтобетона. Серные бетоны представляют собой искусственный каменный материал из затвердевшей отформованной смеси, состоящей из модифицированной серы с наполнителем (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 виде бетонов, растворов или мастик. По плотности классифицируются как легкие, тяжелые, особо тяжелые. По структуре: плотные, поризованные, ячеистые, крупнопористые.

Смеси серных композиций, в зависимости от расхода серного вяжущего, могут обладать различной подвижностью и быть литыми, подвижными, малоподвижными, жесткими, особо жесткими.

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 химической стойкостью при воздействии масел, растворов солей и кислот, суровых климатических и атмосферных условий.

Серные бетоны можно армировать стальной арматурой, причем прочность сцепления арматуры с бетоном не ниже прочности сцепления с цементными бетонами. Стойкость арматуры в серном бетоне обеспечивается его плотностью.

Методы исследования

Одним из основных факторов, сдерживающих его широкое применение, является относительно высокая стоимость серы. При этом в нашей стране находится множество предприятий, располагающих запасами некондиционной серы или серосодержащими отходами отстоя серы. Они представляют собой композицию, состоящую из технической серы – от 20 до 80%, и твердого минерального заполнителя различного гранулометрического состава. Примерами таких предприятий могут служить перерабатывающие заводы химической промышленности, выпускающие минеральные удобрения или серную кислоту.

По данным ВНИПИ Сера предприятия такого типа могут содержать до 3 тыс. тонн серосодержащих отходов в год. Некоторые из этих заводов представлены в табл. 1.

Таблица 1. Основные промышленные предприятия, располагающие серосодержащими отходами

Наименование предприятий	Количество отходов в год, т
«Минудобрение» Воскресенск «Азот» Новгород «Бор» Приморск «Азот» Гродно «Фосфорит» Кингисепп	3000 500 1000 1000 1500
Химические заводы: Константиновский Краснодарский Гомельский	3000 2000 1500

Большое количество серосодержащих отходов имеется на предприятиях, добывающих серу. Каждое крупное месторождение имеет в год от 5 до 15 тыс. тонн отходов с содержанием серы 40-60% от массы отхода [4-6].

Применение серосодержащих отходов поможет решить проблемы сырья, а также охраны окружающей среды. Однако в настоящее время серосодержащие отходы практически не используются.

Следует учитывать тот факт, что 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, безотходных технологических процессов, экономичности, обеспечения высоких эстетических качеств, экологической безопасности производства и эксплуатации. Всем этим требованиям в большей или меньшей степени отвечает использование промышленных отходов для получения серного бетона.

Авторами, после предварительного обзора, были исследованы основные физико-механические характеристики серосодержащих отходов, их химический и гранулометрический составы.

Результаты исследования

На основе полученных данных предложена общая классификация отходов отстоя серы по содержанию твёрдой минеральной составляющей:

1. Отходы мастичного типа, содержащие помимо серы только пылевидную минеральную фракцию, менее 0,014 мм.

2. Отходы растворного типа, содержащие пылевидную и песчаные минеральные фракции, т.е. фракции до 3 мм.

3. Отходы типа «бетон», т.е. имеющие в своем составе различные минеральные фракции, в том числе и щебеночную составляющую.

После обобщения данных по свойствам и составу серосодержащих отходов, опробовано несколько методов подбора состава бетона на их основе. Разработана методика приведения состава отхода к уже существующему оптимальному составу серного бетона.

В результате были получены составы серного бетона на основе серосодержащих отходов с физико-механическими показателями, не уступающими серным бетонам на основе чистой серы. Например, серный бетон на основе серосодержащего отхода Воскресенского химического ПО показал прочность на сжатие – 52-54 МПа, серного месторождения «Раздол» – 46-48 МПа. Прочность на изгиб – 9-10 и 8-9 МПа соответственно. Это показывает, что бетоны на основе серосодержащих отходов могут не уступать по эксплуатационным характеристикам более дорогим серным бетонам на основе технической серы и конкурировать по цене с цементными бетонами..

Если посчитать общие за траты на производство серного бетона на основе отходов, то выявляются неоспоримые преимущества. Ниже приведены некоторые преимущества производства серных бетонов на основе серосодержащих отходов по сравнению с цементными бетонами аналогичных марок:

• повышение экологической безопасности производства;
• снижение удельных капитальных затрат на 40- 50%;
• получение безотходного производства;
• снижение себестоимости в 1,2-1,5 раза;
• расширение сырьевой базы производства;
• рациональное использование природных ресурсов;
• получение цветных составов.

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. Допустимо применение защитных покрытий стержневой арматуры из стеклопластика или базальта.

Конструкции из серных бетонов обладают стабильными теплотехническими показателями, высокой термосопротивляемостью в ограждающих стеновых конструкциях.

После изучения и исследования свойств, авторами была выпущена опытная партия плит из серного бетона и серного бетона на основе серосодержащих отходов Норильского металлургического комбината. Образцы плит были уложены на одной из внутренних дорог на территории самого комбината. Наблюдение за образцами длилось в течении 20 лет. По итогам осмотра, внешних отличий в поведении плит из бетона на основе технической серы и на основе серосодержащего отхода, не обнаружено, что позволяет сделать вывод о возможности замены технической серы на серосодержащие отходы.

Ранее была сделана еще одна попытка более широко внедрить продукцию из серного бетона. Для этого в начале 90-х администрация Норильского металлургического комбината, при участии сотрудников НИИЖБ, заказало Ярославскому механическому заводу разработать и изготовить автоматическую карусельную установку для производства тротуарных плит из серного бетона. В течении одного года установку была изготовлена и сдана Заказчику. Однако перевести ее в г. Норильск не смогли, в связи со сменой руководства завода и экономическими сложностями в стране. Установка стояла на складе в г. Ярославль около 3 лет. Дальнейшая ее судьба не известна.

Выводы

На основании выполненного исследования и полученных данных сформирована общая классификация отходов отстоя серы по содержанию твердой минеральной составляющей. Получены составы серного бетона на основе серосодержащих отходов с физико-механическими показателями, не уступающими серным бетона на основе чистой серы (показатели прочности на сжатие 46-54 МПа, на изгиб 9-10 МПа). Полученные данные позволяют говорить о том, что бетоны на основе серосодержащих отходов могут не уступать по эксплуатационным характеристикам более дорогим серным бетона на основе технической серы.

По результатам длительного наблюдения (20 лет) за образцами выпущенной опытной партии плит из серного бетона и серного бетона на основе серосодержащих отходов установлено, что внешних отличий в поведении плит из бетона на основе технической серы и на основе серосодержащего отхода, не обнаружено. Данный факт позволяет говорить о замене технической серны на серосодержащие отходы.

Учитывая, что серный бетон обладает рядом преимуществ перед обычным бетоном, в настоящее время предпринимаются попытки вернуться к вопросу его использования. При этом использование серосодержащих отходов дает возможность существенно снизить цену бетона и осуществить его широкое промышленное внедрение.

Библиографический список

1. Давидюк А.Н. Бетоны, модифицированные полимерными композициями и серой // В сборнике: Долговечность строительных конструкций. Теория и практика защиты от коррозии. Материалы Международной конференции. 2002. С. 147-151.
2. Гусев Б.В., Давидюк А.Н., Ремнев В.В., Никитин А.Е. Модификация бетонов расплавом серы // В сборнике: 40 лет в стройкомплексе Москвы и России. Сборник трудов. Юбилейный выпуск. ФГУП Конструкторско-технологическое бюро бетона и железобетона Госстроя России. Москва, 2002. С. 22-24.
3. Никитин А.Е. Серные бетоны на основе серосодержащих отходов промышленного производства. Автореф. дис. канд. – М., 1989. – 23 с.
4. Орловский Ю.И., Дулеба М.Т., Ивашкевич Б.П. Повышение огнестойкости конструкций и изделий из бетона с добавкой серы. Пути повышения огнестойкости строительных материалов и конструкций: Материалы семинара. – М. – 1982. – С. 116-118.
5. Михайлов К.В., Патуроев В.В., Крайс Р. Полимербетоны и конструкции на их основе. – М.: Стройиздат, 1989. – 304 с.
6. А.Н.ВОЛГУШЕВ, канд. техн. наук, Основные физико-механические свойства строительных композитов на основе термопластического серного вяжущего. Бетон и железобетон, 2007 №4 с. 17