Характеристики и применение серобетона

Beton-House com

Сайт о бетоне: строительство, характеристики, проектирование. Соединяем опыт профессионалов и частных мастеров в одном месте

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.

Материалы для производства серных бетонов

Заполнители

Вяжущие

Модификаторы

Приготовление серных композитных материалов

Особенности состава серобетона

Основу серобетона составляют инертные наполнители, а также заполнители, которые выполняют роль надежного структурного каркаса. В качестве вяжущего используется техническая сера. По сути, сера представляет собой термопласт, поэтому и бетон, изготовленный с ее добавлением, также можно назвать термопластовым.

Однако просто так вводить серу в бетонный раствор нельзя по нескольким причинам:

Из-за повышенной хрупкости твердой серы. Она начинает крошиться даже при незначительном давлении. А значит и готовый бетон будет получаться хрупким.
Из-за горючести материала. Однако такие свойства появляются у серы только при непосредственном контакте с огнем.

Поэтому для строительных смесей может использоваться только модифицированная сера. Есть несколько методов ее модификации:

Физическая. В состав вводят структурообразующие заполнители.
Температурная. Сера подвергается фазовым изменениям свойств в ходе повышения и понижения температурного режима.
Химическая. В расплавленную серу добавляются стабилизаторы, а также пластификаторы.

Чаще всего применяется именно химический метод модифицирования. Благодаря присадкам можно регулировать свойства жидких смесей и задавать необходимые характеристики, которыми будут обладать бетоны после затвердевания.

Полезно! Серобетон должен соответствовать ГОСТ 25246-82, в котором говорится о химически устойчивых бетонах.

В состав серобетона можно добавлять 4 типа присадок:

Антипирены. Необходимы для снижения горючести.
Антисептики. Защищают смесь от биологического воздействия.
Пластификаторы. Значительно снижают параметры хрупкости, предотвращают процесс кристаллизации серы.
Стабилизаторы. Позволяют увеличить устойчивость материала к атмосферным изменениям.

Благодаря таким добавкам можно создавать разные типы строительного материала.

Астрахань ждет ОПП

Однако необходимо отметить, что свойства серобетона в большей степени, нежели в случае с цементным бетоном, зависят от соблюдения технологического процесса и контроля качества входного сырья на всех этапах производства. В настоящее время строительные материалы на основе серы в нашей стране производятся небольшими фирмами, как правило, в кустарных условиях. Эти производства могут подпортить репутацию материалов на основе серы. В результате такого дилетантского подхода и отсутствия точного оборудования, способного регулировать нагрев смеси в пределах плюс-минус 1 градус, «кустарные» серобетоны могут, достигнув температуры 150 градусов, выделять сероводород и сернистый ангидрид — газы, которые обладают нервно-паралитическим действием и представляют угрозу для человека. Поэтому особую актуальность приобретает создание производств, которые могут выпускать большие объемы серобетона в строгом соответствии с технологическими стандартами.

Именно в этом направлении сейчас и двигается «Газпром сера». На первом этапе стоит задача создания функционального комплекса опытно-промышленного производства (ОПП). На его базе будут выполняться: разработка составов и производство СМВ, смесей серобетонов и сероасфальтов, отработка технологий производства материалов и конструкций на основе серы, проектирование и промышленные испытания конструкций, материалов, машин, оборудования. Сотрудниками предприятия в настоящее время осуществляются НИОКР и разработка нормативно-технической документации, касающейся производства новых видов продукции, а также планируется обучение специалистов, которые в дальнейшем будут задействованы в производстве материалов и конструкций из серы. Словом, это будет научно-исследовательский и образовательный центр, испытательный полигон и производственное предприятие в одном лице. По словам заместителя начальника Департамента маркетинга, переработки газа и жидких углеводородов ОАО «Газпром», генерального директора «Газпром сера» Марата Гараева, «ОПП предполагается оснастить новейшим оборудованием на основе экологически безвредных и безлюдных технологий. Основными видами выпускаемой и реализуемой продукции станут СМВ в гранулированном виде (сейчас разработчики ориентируются на объемы порядка 120 тыс. т в год, которые со временем могут быть увеличены), серобетонные и сероасфальтовые смеси, плиты для покрытия временных и постоянных дорог, сваи квадратного сечения с ненапрягаемой арматурой, охватывающие утяжелители газопроводов. Все виды конструкций будут изготавливаться строго в соответствии с ГОСТом».

К настоящему времени специалисты «Газпром серы» совместно с институтом «ЛЕННИИГИПРОХИМ» подготовили ТЭО, обоснование инвестиций и основные технические решения по каждому из производств. В ближайшее время должен пройти конкурс по выбору проектировщика предприятия. Проектирование и выход на площадку строительства должны быть завершены в текущем году, а ввод в эксплуатацию предприятия ожидается в 2016-м. Местом его дислокации намечена Астрахань, в перспективе предполагается появления таких предприятий и в Оренбурге.

Виды серобетона и типы заполнителя

Разновидностей серобетона не меньше, чем у классического бетона. Наибольшей популярностью пользуются следующие виды:

Гидрофобный серобетон. Хорошо отталкивает воду, благодаря чему часто применяется при монтаже фундаментов на «мокрых грунтах».
Пеносеробетон. Разновидность ячеистого бетона с повышенной химической стойкостью и пониженной теплопроводностью.
Серобетон быстро твердеющий. Для достижения номинальных прочностных характеристик требуется от 2-3 минут до 2-3 часов.

На показатели серобетона и сферу его применения оказывает влияние и тип выбранного заполнителя. Чаще всего в качестве крупного заполнителя в сероцемент добавляют щебень размером до 40 мм. Если необходимо создать особо тяжелую смесь, то добавляется металлическая стружка (также можно использовать свинцовую дробь). В процессе производства легких бетонов требуются пористые заполнители, которые отвечают стандартам ГОСТ 32496-2013. К ним можно отнести керамзитовый или шунгизитовый гравий, различные шлаки, а также аглопоритовый щебень. Природный кварцевый песок (обогащенный, фракционированный, дробленный) применяется в виде мелкозернистого заполнителя.

Также в качестве заполнителя может использоваться фибра, когда требуется армирование серобетона. Для изготовления фибросеробетона применимо волокно любого типа. Его в составе должно быть около 5-7% от объема серы. В качестве фибры подойдет стеклянное, полиэфирное и другое волокно. В итоге можно создавать высокопрочные конструкции, которые по своим характеристикам будут превосходить обычный бетон.

Казанский «Тиокомпозит» намерен скупить всю серу у нефтеперерабочиков

Как казанская компания научилась использовать серные остатки в отрасли дорожного строительства и возведения защитных сооружений

Ежегодно мировая нефте- и газопереработка генерируют порядка 70 млн тонн серы. Из них 50 млн тонн потребляются в качестве сырья для производства серной кислоты, удобрений, средств защиты растений и прочих химикатов. Соответственно остаются невостребованными 20 млн тонн. Только в регионах Ближнего Востока, где добывается лучшая по своим характеристикам нефть, к 2016 году было накоплено более 12,5 млн тонн серных излишков. В регионах, где добывается высокосернистая нефть, в частности, США и Канаде, эти цифры еще существеннее. Спрашивается, куда девать все это накопленное «добро»? Ответ: самой большой емкостью в плане потребления излишков могла бы стать отрасль дорожного строительства и возведения защитных сооружений. Казанская заявляет о готовности забрать все излишки серы, образуемые в республике в процессе переработки нашей вязкой высокосернистой нефти, то есть 300 тыс. тонн минерала.

Отсталая Россия

Тема использования серы в строительстве, надо признать, не нова. Да что там — она хорошо укладывается в смысл поговорки о хорошо забытом старом. Впервые бетон, где в качестве вяжущего — одного из двух основных компонентов материала, была применена сера, был получен еще в 30-х годах прошлого века. В 70-х тема пережила свой ренессанс — в это время американские и канадские дорожники стали использовать серобетон в качестве альтернативы традиционному асфальтобетону. Позднее заинтересованность в продукте проявила Япония, которая, в частности, стала активно использовать материал в производстве систем канализации и водоснабжения. Относительно недавно на рынок стали выходить новички — ОАЭ, Саудовская Аравия, Иран, Турция: там серобетон также используется при строительстве систем канализации, водоснабжения и водоводов.

Источник: CRU, GTIS

Россия же на этом рынке пока не присутствует, хотя на постсоветском пространстве тему «ведут» порядка 40 научных групп, участники которых к настоящему моменту защитили множество кандидатских и докторских диссертаций. В крупнотоннажное производство материал из-за почти полного отсутствия внедренческих компаний — посредников между учеными и предприятиями так и не поступил. Сегодня о своей готовности выступить в роли связующего звена заявляет казанское ООО «Тиокомпозит», созданное в 2014 году как совместное предприятие Центра нанотехнологий РТ и Казанского завода автомобильных фургонов.

«Волшебная» добавка

Вкратце о самой технологии. В производстве серобетона используется не сера как таковая, а серный сополимер — полученное с использованием модификаторов вещество, цепочки молекул которого состоят из множества структурных звеньев.

По своим основным свойствам серобетон превосходит традиционный бетон, изготовленный на основе портланд-цемента — он устойчив к воздействию кислот и щелочей, массово применяемых в производстве дорожных противогололедных реагентов, не впитывает в себя воду, а следовательно, ему не страшен так называемый «переход через ноль», ему нипочем соленая вода, он пластичен, а кроме того, его можно красить, имитируя, таким образом более благородные природные материалы, например, гранит, мрамор или патину. Специалисты говорят, что бетон с такими свойствами можно сделать и на основе портланд-цемента, но тут уже встает вопрос соотношения цена/качество.

Кроме того, процесс производства серобетона куда менее металло- и энергоемок, чем производство традиционных бетонных конструкций: последние сначала формуются в специальных формах, потом либо выдерживаются в течение 28 суток, либо обрабатываются в специальных пропарочных камерах в этом случае срок «созревания» сокращается до 10 суток. В случае с серобетоном доставать готовую к употреблению конструкцию из опалубки можно уже через час.

Процесс производства серобетона куда менее металло- и энергоемок, чем производство традиционных бетонных конструкций. Фото serobeton.com

Наконец, серобетон может изготавливаться из отходов производства, например, из карьерных отсевов, единственное нынешнее предназначение которых — это рекультивация карьеров и месторождений полезных ископаемых или золо-шлаковых отходов. Что важно — серобетон сам подвержен рециклингу: отслужившее свое конструкции дробятся, плавятся и потом используются повторно.

Однако простое копирование уже существующих технологий лишено экономического смысла — производитель оборудования, как правило, сам же выпускает и модификаторы, с помощью которых сера превращается в серный сополимер.

Участок для эксперимента

Генеральный директор «Тиокомпозит» Евгений Храмов, физик по образованию, впервые занялся темой серных сополимеров еще в 2004 году, когда работал научным сотрудником КФУ. Тогда, правда, изучался вопрос их использования в резино-технической промышленности. Впоследствии спектр был расширен, и Храмов с коллегами (многие из них сегодня работают в компании) начали работать над применением серных сополимеров в производстве строительных материалов. Эта работа продолжалась без малого 12 лет. К моменту создания компании у Храмова и его коллег уже были наработки, которые можно было смело внедрять в серийное производство.

Характеристики серобетона и сравнение с цементным бетоном

При температуре от +15 до +20 градусов сера является твердым кристаллическим веществом с низкой электро- и теплопроводностью. Она не способна растворяться в воде. При этом сера может создавать связи почти со всеми элементами органического и неорганического типа. Она плавится при +120 градусах, а если повысить температуру до +445 градусов, то только в этом случае сера начнет кипеть.

Если сравнивать характеристики серобетона и обычных строительных смесей, то получается, что:

Прочность на сжатие у серобетона доходит до 102 МПа, тогда как у цементного бетона максимальный показатель составляет 40 МПа.
Предел прочности у смесей с добавлением серы в 5,5 раз выше (22 МПа).
Прочность на сгиб у обычного бетона составляет не более 7,5 МПа, а у серобетона доходит до 30 МПа.
Время набора прочности у обычных бетонов составляет 28 дней. Серобетону требуется максимум несколько дней.
Серобетон обладает более низкой теплопроводностью.
У цементного бетона довольно низкий показатель химической стойкости. Если же используется добавка в виде серы, то материал приобретает необходимую устойчивость.

Также серобетон на 100% водонепроницаем, поэтому даже при абсолютной влажности, морозостойкость конструкции повышается на 500-600%. Поэтому не удивительно, что такие более современные составы обладают огромным количеством плюсов.

Сера в дорогах

Как добывают природный газ

О комплексном эффекте нового газпромовского инновационного проекта рассказал Председатель Правления компании Алексей Миллер на заседании Президиума Совета при Президенте России по модернизации экономики и инновационному развитию 17 мая 2013 года. Он пояснил, что «основным сдерживающим фактором увеличения добычи на Астраханском и Оренбургском месторождениях является значительное количество выделяемой из газа серы в условиях ограниченного спроса на нее на внешних рынках и на внутреннем рынке. В наших институтах разработаны технологии модификации асфальта на основе серы, которые позволяют увеличить прочность и пластичность асфальта, увеличить межремонтные сроки дорог до 5–7 лет со значительным экономическим эффектом для дорожного строительства… эта технология могла бы, на наш взгляд, дать тройной эффект. Во-первых, снизить экологическую нагрузку в Астрахани и Оренбурге, где накоплены очень большие объемы серы. Во-вторых, повысить рентабельность добычи газа на этих месторождениях. И, в-третьих, существенно улучшить качество дорог, особенно в регионах с резкими перепадами температуры, а также удешевить строительство дорог».

Метод модифицирования битума серой сам по себе не новый и получил первое промышленное использование еще 100 лет назад, однако масштабные работы в этом направлении в нашей стране и за рубежом начались только в 1970-е годы. В 1986 году в СССР была даже выпущена «Инструкция по применению добавок серы в горячих асфальтобетонных смесях». В связи с известными событиями дальнейшее развитие этих проектов в России застопорилось и до практического воплощения они не дошли, но эстафету подхватил «Газпром». В 1998 году «Газпром ВНИИГАЗ» начал исследования по использованию серы в дорожном строительстве, а впервые сероасфальтобетон был уложен в октябре — декабре 2002 года при ремонте дорожного покрытия моста в Крылатском. Работы проводились в экстремальных условиях (дождь, снег, минусовые температуры), а заключительная их часть — при температуре ниже минус 20 градусов, когда укладка обычного асфальтобетона фактически невозможна. В июне 2010 года сероасфальтобетон был положен на участке 50–51 км МКАД, на что потребовалось 558 т материала. Участок благополучно выдержал даже экстремальную летнюю жару. Таким образом, опытным путем было подтверждено качественное превосходство сероасфальта, который изготавливается путем добавления в битум СМВ, перед традиционным дорожным покрытием.

В настоящее время преимущество использования СМВ в дорожном строительстве сомнений не вызывает, и не случайно на упомянутом выше заседании Председатель Правительства РФ Дмитрий Медведев поручил Министерству транспорта проработать с «Газпромом» вопрос о реализации в регионах с разным температурным режимом ряда пилотных проектов строительства дорог из сероасфальтобетона.

Преимущества серобетона

Помимо очевидного превосходства перед обычными бетонами и отличных характеристик, стоит выделить:

низкую цену состава;
переработку конструкций из серобетона для вторичного использования;
устойчивость даже к очень агрессивным средам;
возможность быстрого набора прочности даже при условии низких температур;
повышенную износостойкость.

Полезно! Серобетон по диэлектрическим характеристикам часто используется вместо полимербетонов, так как его стоимость в 3-4 раза ниже.

Но есть и свои недостатки. Например, приготовить серобетон в домашних условиях очень сложно, так как для смеси серу придется расплавить при температуре более +140 градусов. Для производства материала требуются установки, стоимость которых может доходить до 12 миллионов рублей. Оборудование также будет обеспечивать безопасное производство, так как в процессе выделяется сероводород.

«Газпром» выходит на рынок строительных материалов

Что можно сделать из природного газа

Ценность и экономическая эффективность инноваций неизменно возрастают, когда благодаря их использованию удается одновременно решить сразу несколько задач. Таким примером является проект «Газпрома» по разработке и внедрению производства серного модифицированного вяжущего (СМВ), а также материалов и конструкций на его основе. Реализация этого проекта позволит «Газпрому» преодолеть производственные трудности, возникающие при добыче газа на высокосернистых месторождениях, параллельно обеспечив создание и развитие в России новой перспективной подотрасли, связанной с производством стройматериалов.

Сфера применения

Обычно серобетон используется в тех сферах, где нужны высокопрочные конструкции или покрытия, которые быстро набирают прочность. Поэтому данная разновидность бетона получила широкое распространение при монтаже:

Сборных бетонных конструкций, таких как бордюры, плиты фундамента, шпалы, столбы ЛЭП и прочее.
Дорожных покрытий разного типа, включая площадки аэропортов или дороги в зонах с низким температурным режимом. Так как серобетон химически устойчив, он не разрушается от используемых реагентов и прочих соединений, присутствующих на таких покрытиях.

Подземных конструкций. Например, серобетон отлично подходит для строительства свайных фундаментов, ограждений, тоннелей, стен в опускных колодцах. Также строительный материал используется при возведении заглубленных конструкций, таких как хранилища сыпучих материалов негорючего типа.
Труб самотечных или напорных канализаций, трубопроводов. При этом по ним могут идти не только обычные, но и токсичные сточные воды.
Полов в складских, промышленных и других сооружениях.
Кровель (верхнего перекрытия), уклон которых может доходить до 2,5%. При этом серобетон может использоваться для построек любого типа и назначения.
Несущих и ограждающих конструкций с классом огнестойкости V.
Различных типов покрытий (плит, настилов, рам, прогонов).

Также этот строительный материал широко применяется при необходимости утилизации отходов. Молекулы серобетона способны буквально цементировать или запирать частицы различных радиоактивных отходов. Поэтому именно этот материал используется для их захоронения. В составе некоторых металлов есть оксиды, которые активно взаимодействуют с модифицированной серой и за счет этого не проникают в окружающую среду. Таким образом при помощи серобетона может осуществляться утилизация кадмия, ртути и других опасных веществ.

Также при помощи этого материала выполняется пропитка высокопористых бетонов с целью усовершенствования их свойств. Серобетон можно использовать при ремонте трещин и других дефектов в готовых изделиях и конструкциях. Но для каждой сферы применения необходимо правильно подобрать состав, так как серный бетон тоже бывает тяжелым, легким и других типов.

Заграница нам поможет

Основная проблема для производства серофибробетона заключается в отсутствии необходимого оборудования в России. Его производит совместная компания AGT GMBH (Германия) и Sell (Нидерланды). Завод по производству серофибробетона SCPP 10 производительностью 24 т/ч стоит ориентировочно 2,2 млн евро.

Конечно, стоимость завода довольно значительная — немногим дорожно-строительным организациям она по силам. Однако за такие же деньги дорожно-строительные фирмы РТ приобретали асфальтосмесительные установки (АСУ) немецкого производства. При этом нужно учитывать, что время их работы ограничено строительным сезоном (максимум 4 месяца), тогда как завод SCPP 10 может выпускать изделия из серофибробетона круглогодично. Поскольку при его приготовлении используются компоненты местных производителей и отходов производств, стоимость дорожных изделий будет значительно дешевле, чем из цементобетона. Вкупе с высоким качеством это позволяет серофибробетону быть конкурентоспособным материалом для автомобильных дорог всех категорий, улично-дорожной сети городов, населенных пунктов и внутрихозяйственных дорог.

Ринат Губаев
ПромышленностьНефтехимияТехнологииБизнесТранспортОбществоИнфраструктураВласть Татарстан

Маркировка серобетона

При проектировании объектов необходимо четко понимать, какими характеристиками будет обладать готовая конструкция. Если учесть среднюю плотность композитного материала, то он может быть нескольких категорий:

Особо тяжелый серобетон. Плотность материала составляет более 2,8 г/см3. У таких составов может быть марка D2500 или больше. Также на таких смесях должна указываться классификация СбС О.
Тяжелый (СбС Т). Плотность состава должна быть в пределах 1,8-2,8 г/см3. Маркируется D2000-D
Легкий (СбС Л). Показатель плотности менее 1,8 г/см3. Соответственно и маркировка будет от D800 до D

Полезно! Подробнее о классификации серобетона и технических нормах его применения можно также прочитать в ПНСТ 105-2016.

Также материал классифицируется по удобоукладываемости. Соответственно должна быть указана группа подвижности, индекс прочности и иногда уровень морозостойкости. Исходя из этого серобетон маркируется:

Ж – жесткий;
П – подвижный;
Л – литой.

По классу прочности сероцемент может быть:

прочным (маркируется от В10 до В60);
высокопрочным (маркировка более В60).

Предположим речь идет о подвижной смеси, которая будет использоваться для производства тяжелого бетона с классом прочности В25, морозостойкостью F2200 и классом водонепроницаемости W4. В этом случае маркировка будет следующей: СбС Т-П-В25 F2200 W4.

Предисловие

1 РАЗРАБОТАН Обществом с ограниченной ответственностью «Малое инновационное предприятие «Сульфотекс МАДИ» (ООО «МИП «Сульфотекс МАДИ»)
2 ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 465 «Строительство»
3 УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 10 августа 2022 г. Ne 699-ст
4 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ

Правила применения настоящего стандарта установлены в статье 26 Федерального закона от 29 июня 2015 г. N9 162-ФЗ «О стандартизации в Российской Федерации». Информация об изменениях к настоящему стандарту публикуется в ежегодном (по состоянию на 1 января текущего года) информационном указателе «Национальные стандарты», а официальный текст изменений и поправок — в ежемесячном информационном указателе «Национальные стандарты». В случае пересмотра (замены) или отмены настоящего стандарта соответствующее уведомление будет опубликовано в ближайшем выпуске ежемесячного информационного указателя «Национальные стандарты». Соответствующая информация, уведомление и тексты размещаются также в информационной системе общего пользования — на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет (www.gost.ru)

Настоящий стандарт не может быть полностью или частично воспроизведен, тиражирован и рас* пространен в качестве официального издания без разрешения Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии