В статье рассмотрены и определены направления применения технической серы (отхода при производ­стве нефтеперерабатывающих заводов и добычи газа) в строительстве. В частности, в производстве различных строительных материалов на основе технической серы. Показаны их преимущества и недостатки.

УДК 691:666.001

В.В. РЕМНЕВ, доктор техн. наук, профессор, советник РААСН, директор ООО «Кремнетех»

Ключевые слова: техническая сера, серосодержащие строительные материалы, модифицированная сера, серный бетон, пропитка расплавом серы
Keywords: technical sulfur, sulfur-containing construction materials, modified sulfur, sulfur concrete, impregnation with molten sulfur

Перспективы развития отечественной газонефтедобычи и цветной металлургии сопряжены с освоением новых месторождений полезных ископаемых с высоким содержанием сернистых соединений. Ввод в эксплуатацию ряда из них связан с нерешенностью проблем утилизации серы. Переход российской нефтепереработки на новые экологические стандарты производства чистых моторных топлив также приведет к заметному возрастанию объемов технической серы. Производство, хранение и транспортировка технической серы в больших объемах требуют существенных финансовых затрат, а в случае длительного хранения или открытой транспортировки комовая сера представляет значительную экологическую угрозу для населения и природной среды. Поэтому проблема утилизации технической серы, приобретая все большую масштабность, а вместе с ней и социально-экологическую остроту, имеет стратегический характер [1].

Например, выпуск серы в России, занимающей 3-е место среди крупнейших мировых ее производителей, составил в 2011 г. 6,44 млн т, или 10,3% мирового производства, причем на долю ОАО «Газпром» пришлось 89% национального производства серы. Более двух третей полученной серы экспортируется, но в последние годы нереализованные товарные запасы газовой серы составляли 2-3 млн т.

В настоящее время большая часть получаемой технической серы применяется для производства серной кислоты, остальная часть – в резинотехнической промышленности (в качестве вулканизирующего агента), при производстве красителей – пигментов и люминофоров, искусственного волокна, спичек, взрывчатых веществ, в медицине и строительстве.

Использование технической серы как вяжущего вещества в строительных материалах с улучшенными потребительскими свойствами является единственным реальным вариантом утилизации накапливающихся избытков этого активного вещества [3].

Применение серосодержащих строительных материалов (ССМ) вызывало определенные споры в плане негативного влияния на человека и окружающую среду, но при соблюдении культуры производства и технологии изготовления конструкций, а также при использовании модифицированной серы все экологические и санитарные нормы удается соблюсти [3].

Для ряда позиций в строительной отрасли – это ценнейшее сырье, которое при наличии соответствующих нормативных документов могло бы широко применяться.

На сегодня определились следующие направления применения серы в строительстве.

Первое: получение серных бетонов по асфальтовой технологии из смесей серы с минеральными заполнителями. Благодаря незначительным отличиям технологии серных бетонов от технологии асфальтобетона производство может быть налажено на существующих асфальтовых заводах. Например, для дорожных покрытий в Канаде применяют битумносерные бетоны (отношение битума к сере 1:1), а для наиболее ответственных участков – просто серные бетоны, не содержащие битума. Такие покрытия более прочные, обладают хорошим сцеплением с ниже расположенными конструкциями дороги, имеют меньшее водопоглощение и значительно большую долговечность.

Второе направление: пропитка расплавом серы цементного бетона, асбоцемента, древесины и других пористых материалов, поскольку сера менее дефицитна и значительно дешевле мономеров (олигомеров), используемых для пропитки бетонов. Цель пропитки: повышение прочности и долговечности конструкции [4].

Возможность применения серы в качестве безопасного связующего обеспечивается ее модифицированием, предотвращающим переход полимерной серы в орторомбическую после охлаждения сформованного изделия. Поэтому в настоящее время при изготовлении ССМ сера в чистом виде практически не используется. В процессе модифицирования сера значительно снижает хрупкость.

Использование модификаторов в сере обусловлено достижением большей однородности структуры композиции и высокой адгезией серного вяжущего к заполнителю, что увеличивает конечную прочность материала.

Опытное производство изделий из серного бетона (тротуарная плитка) осуществлялось в России трестом «Спецфундаментстрой» Норильского горно-металлургического комбината. В качестве заполнителей серного бетона могут применяться (в зависимости от назначения изделий) кварцевый песок, гравий, щебень, кислотоупорная силикатная мука, молотый кокс или графитовый порошок, известковая мука, золы ТЭЦ и др. Причем песок, щебень, гравий используются с повышенным содержанием глинистых и пылевидных частиц (некондиционные для изделий на основе цементного вяжущего).

К положительным свойствам бетонов и растворов на модифицированной сере в первую очередь относятся: быстрый набор прочности, связанный только с периодом остывания серобетонной смеси; высокая износостойкость и прочность; стойкость в кислых агрессивных средах; низкое водопоглощение и высокая морозостойкость. Особенностью серных бетонов является возможность повторного использования бракованных конструкций путем их дробления, вторичного расплава и формования.

Низкая теплопроводность серы открывает дополнительные возможности применения ССМ. В качестве теплоизоляционных материалов используются блоки из пеносеры, обладающие хорошо развитой ячеистой структурой, достаточно высокой механической прочностью и сравнительно небольшой плотностью (160-800 кг/м). Серопенопласт может быть изготовлен как в заводских условиях, так и непосредственно на месте заполнения необходимых объемов, с помощью передвижной установки. В отличие от других пенопластов, изготавливаемых на месте, процесс производства пеносеры может осуществляться и при пониженных температурах. Более того, низкая температура окружающей среды способствует затвердеванию серопенопласта, обеспечивая тем самым получение однородного по структуре материала и меньшую зависимость его свойств от непостоянства рецептуры. По своим эксплуатационным характеристикам пеносера равноценна жестким пенополиуретанам.

Серные бетоны применяются при изготовлении не только сборных, но и монолитных конструкций, а также особенно востребованы при различных ремонтных работах.

Серные бетоны занимают промежуточное положение между цементными бетонами классов В25-В30 и высокопрочными полимербетонами. По химической стойкости и диэлектрическим показателям в сухом состоянии они не уступают большинству видов полимербетонов, а по стоимости значительно ниже наиболее дешевых из них. Сера имеет неограниченные сроки хранения в отличие от цементов.

Наряду с указанными положительными свойствами у серобетона имеются и отрицательные.

Серный бетон может разрушаться тионовыми бактериями, что можно предотвратить введением в состав ССМ пентахлорфенолята натрия. Деструкция ССМ может происходить и при воздействии сильных окислителей, щелочей (особенно при повышенных температурах), некоторых органических растворителей. К недостаткам ССМ также следует отнести повышенную хрупкость, низкую огнестойкость и значительный коэффициент линейного температурного расширения.

Таким образом, наиболее перспективными направлениями применения ССМ в строительстве могут быть:

1. Устройство дорожных и аэродромных покрытий ­(серобетон, асфальтобетон).
2. Утилизация вредных химических и радиоактивных отходов.
3. Применение во всех типах фундаментов.
4. Ремонтные и гидроизоляционные работы всех типов конструкций.
5. Укрепление грунтов при различных видах строительных работ

В настоящее время в Астрахани проведена пусконаладка установки и начат выпуск модифицированной, экологически безопасной серы для производства серосодержащих строительных материалов.

Производительность установки составляет 14 тыс. тонн в год. Серобетон, изготовленный на модифицированной сере, обладает рядом преимуществ по сравнению с традиционным цементным бетоном:

— быстрым набором и сохранением высокой прочности (превышает 40 МПа);
— стойкостью в кислых и основных средах (коэффициент химической стойкости не менее 0,9);
— высокой водонепроницаемостью (не менее 20 атм.);
— более высокой морозостойкостью (не ограничена);
— низкой теплопроводностью;
— твердением при низких температурах (до -40°С);
— лучшей адгезией к бетону (по сравнению с цементным бетоном – в 2 раза);
— безотходностью технологического процесса (возможность повторной переработки серобетона).

К тому же сера не требует специальных условий хранения, срок хранения не ограничен, горюче- и взрывобезопасна.

Экспертным советом Минтранса РФ материал на основе модифицированной серы признан инновационным. Для успешного применения модифицированной технической серы в строительной отрасли необходимо разработать ряд нормативных документов (ТУ на модифицированное серное вяжущее для бетонов и растворов; СТО на изготовление изделий и конструкций из серобетона и т.д.).

Библиографический список

1. Королев Е.В., Прошин А.П. и др. Строительные материалы на основе серы. – Пенза, 2003.

2. Ахметова Р.Т., Медведева Г.А., Строганов В.Ф. Фундаментальные исследования, № 11/4, 2014, с. 739-743.

3. Прошин А.П., Королев Е.В., Калинкин Е.Г. Структура и свойства модифицированного серного вяжущего // Строительные материалы, № 7, 2005, с. 6-10.

4. Массалимов И.А., Корнилов В.М. и др. Защита строительных материалов наноразмерными серосодержащими покрытиями. Тезисы докл. конф. «Нанотехнологии – производству 2008». – Фрязино, с. 221-222.