Научная статья на тему 'Конструкции из бетонов на термопластичном серном вяжущем'

Конструкции из бетонов на термопластичном серном вяжущем Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

CC BY
326
63
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
СЕРА / ТЕРМО-ПЛАСТИЧНОЕ СЕРНОЕ ВЯЖУЩЕЕ / SULFUR / THERMO-PLASTIC BRIMSTONE ASTRINGENT

Аннотация научной статьи по технологиям материалов, автор научной работы — Усов Б.А., Окольникова Г.Э.

Приведены результаты исследований НИИЖБ МАМИ по изучению технологических параметров приготовления и формования нового поколения композиционных материалов на основе термопластического серного вяжущего. Показаны перспективные направления по созданию новых решений долговечных, химически стойких конструкций из бетонов на основе ТПСВ.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Results of studies NIIŽB MAMI to study the technological parameters of preparation and molding a new generation thermoplastic composite materials based on sulfur bonding. Showing promising directions for creating new solutions of durable, chemically resistant structures made of concrete on the basis of the CRP.

Текст научной работы на тему «Конструкции из бетонов на термопластичном серном вяжущем»

Б.А. Усов, кандидат технических наук, доцент, кафедры «Промышленное и гражданское строителъство» Московского Государственного Университета Машиностроения (МАМИ), e-mail:

boris_40@list.ru

Г.Э. Окольникова, кандидат технических наук, профессор,

заведующий кафедрой «Промышленное и гражданское строителъство» Московкого Государственного Университета Машиностроения (МАМИ),

e-mail: okolnikova_ge@mail.ru

КОНСТРУКЦИИ ИЗ БЕТОНОВ НА ТЕРМОПЛАСТИЧНОМ СЕРНОМ ВЯЖУЩЕМ

Приведены результаты исследований НИИЖБ МАМИ по изучению технологических параметров приготовления и формования нового поколения композиционных материалов на основе термопластического серного вяжущего. Показаны перспективные направления по созданию новых решений долговечных, химически стойких конструкций из бетонов на основе ТПСВ.

Ключевые слова: сера, термо-пластичное серное вяжущее

Results of studies NIIZB MAMI to study the technological parameters of preparation and molding a new generation thermoplastic composite materials based on sulfur bonding. Showing promising directions for creating new solutions of durable, chemically resistant structures made of concrete on the basis of the CRP.

Key words: sulfur, Thermo-plastic brimstone astringent

Серные цементы и бетоны отличаются: быстрым набором прочности из-за ускоренного остывания смеси, высокой прочностью при сжатии (до 60 МПа), стойкостью к воздействию агрессивных сред, гидрофобностью, низким водопоглощением и высокой морозостойкостью [1].

Недостатком серы, является усадка при переходе из расплава в твердое состояние. Природная сера - кристаллическое вещество; до температуры 112,8оС - лишь устойчива ромбическая сера [2] с

плотностью 2,03-2,09 г/см3. При медленном нагревании ромбической серы до температуры 96 оС, образуется моноклинная модификация серы с плотностью 1,96г/см3 и температурой плавления 119,3 оС. При охлаждении расплава серы происходит кристаллизация и перекристаллизация. При изменении плотности во время кристаллизации имеют место усадочные деформации, приводящие к растягивающим напряжениям, и к, деформациям в виде микро- и макротрещин.

Интерес представляют материалы на полимерной серы.

Такая сера состоит из спиралеобразных цепей, включающих до 10-4-10-6 атомов серы. Полимерная сера нерастворима в органических растворителях, имеет высокую адгезией к минеральным наполнителям и эластичностью.

Однако полимерное состояние серы неустойчиво и через некоторое время начинается процесс кристаллизации.

Для получения устойчивого полимера серу модифицируют различными химическими добавками-стабилизаторами. Известно, что элементарная сера способна вступать в химическое взаимодействие с непредельными углеводородами с образованием устойчивых сополимеров [3, 4]. При этом молекулы модификатора, встраиваясь в полимерные цепочки серы, стабилизируют ее состояние и предотвращают процессы кристаллизации [3]. Исследованиями проверялась возможность получения вяжущего путем введения в расплав элементарной серы предварительно полученного стабилизатора-сополимера серы и дициклопентадиена (ДЦПД) общей формулы:

Для этого в расплав серы, имеющий температуру 150-155 °С, при перемешивании небольшими порциями добавлялся сополимер серы [5] с ДЦПД (модификатор) в количествах 1, 3, 5, 10, 20, 30, 40, 50, 70 %, от основной массы серы при каждом опыте. После полного растворения модификатора, температуру смеси медленно поднимали до 180оС и выдерживали при этой температуре 15 мин. Далее смесь охлаждали при нормальных условиях.

Исходя из визуальной оценки твердения полученного материала, выяснилось, что образцы, содержащие от 1 до 5 % модификатора, твердеют с образованием кристаллов серы, при нагревании плавятся, с переходом в пластическое состояние. Образцы, содержащие 10 и 20 % модификатора, в течение суток после синтеза обладали эластическими свойствами, отсутствием твердости и плавкости, однако через сутки становились твердыми и хрупкими. Образцы, содержащие 30 и 40 % модификатора, в первые пять суток после синтеза также обладали эластическими свойствами, затем твердели, не приобретая большой твердости, не плавились. Образцы с содержанием 50 и 70 % модификатора после синтеза приобретали эластические свойства на очень короткое время, затем твердели, приобретая твердость и хрупкость, не плавились.

При нагревании отвердевших образцов, содержащих от 10 до 70 % модификатора, выше точки плавления элементарной серы (112,8 0С), последние реверсируют в исходное состояние с приобретением эластических свойств.

Структуру образцов, содержащих 20 % модификатора, исследовали методом рентгенофазового анализа на дифрактометре ДРОН-3 с СиКа -излучением.

В монолитном варианте бетон вводится в большой класс промышленных и гражданских зданий, в том числе плотины, градирни, трубы, резервуары, телебашни, энергетические комплексы, включая АЭС, морские платформы для добычи нефти и газа, фундаменты, подземные конструкции и многие другие инженерные сооружения [6].

НИИЖБ(ом) с давних времен разрабатывались технология и оборудование для производства изделий из бетона на основе термопластичного серного вяжущего (ТПСВ).

Анализ результатов научных исследований и их опытно-промышленного применения подтверждает широкие возможности дальнейшего применения разработанных бетонов в строительстве.

Термопластическое серное вяжущее приготовляют из технической серы, серосодержащего отхода или серных руд, модификатора и мине-

рального мелкодисперсного наполнителя. Технология производства серного вяжущего значительно проще и дешевле, чем технология производства цемента. По результатам освоения производства ТПСВ могут быть получены следующие показатели по сравнению с цементом аналогичных марок:

- снижение энергозатрат в 1,52 раза,

- повышение экологической безопасности производства,

- снижение капитальных затрат на организацию производства на 4050%,

- получение безотходного производства,

- снижение себестоимости в 1,52 раза,

- значительное повышение срока хранения (практически без ограничений).

Бетоны на основе ТПСВ представляют собой искусственный каменный материал из затвердевшей отформованной смеси, состоящей из ТПСВ (20-40%) и заполнителей (60-80%).Приготовление смеси и формовку изделий производят в горячем состоянии при температуре 130-150 °С. Композиции в зависимости от сочетания инертных заполнителей по крупности могут быть изготовлены в виде бетонов, растворов или мастик. По плотности композиции могут быть легкие, тяжелые, особо тяжелые. По структуре композиции могут быть

плотные, поризованные, ячеистые, крупнопористые. Способ уплотнения смеси определяется ее подвижностью и может производиться без внешнего воздействия на смесь (литые смеси), вибрацией, силовым воздействием (прессование, прокат), комбинированным воздействием, набрызгом и др. Жизнеспособность смеси композиции при температуре 130-150 °С практически не ограничена. Конструкции из композиции на основе ТПСВ могут бетонироваться при отрицательных температурах (до -40 °С) и под водой.

Составы на ТПСВ в монолитном варианте могут найти применение при ликвидации последствий стихийных бедствий, захоронении отходов, в том числе и радиоактивных, подводном бетонировании.

Трубы и наливные емкости различного назначения - одно из перспективных направлений применения составов на основе ТПСВ, при этом используются такие свойства, как высокая плотность, водонепроницаемость, быстрый набор прочности, стойкость во многих промышленных, бытовых, природных жидких средах.

Ремонтные работы составами на основе ТПСВ могут быть эффективно выполнены при любых климатических условиях. К материалам, рекомендуемым для выполнения ремонтных работ, предъявляются специальные требования по физико-

механическим показателям, основными из которых являются хорошая адгезия, быстрый набор прочности, термическая совместимость с основным материалом, низкая стоимость, доступность сырья.

При применении композиций на основе ТПСВ в монолитных констру-циях могут быть достигнуты следующие показатели:

- сокращение (в 5-6 раз) сроков схватывания;

- увеличение оборачиваемости опалубки;

- повышение термосопротивляе-мосги ограждающих;

- экономия на 100% цемента и технической воды при производстве;

- расширение сырьевой базы производства стройматериалов за счет рационального использования попутных продуктов и отходов производства;

- исключение сезонности выполнения бетонных работ,

- существенное упрощение технологии подводного бетонирования;

- сокращение сроков выполнения ремонтных работ,

- снижение расхода энергоресурсов в 1,5-2 раза по сравнению с цементом.

Монолитное бетонирование является основным технологическим приемом при строительстве дорог. Одним из перспективных направлений применения монолитного серного бетона является его использование в

дорожном строительстве. Для прогнозирования перспективных объемов дорожного строительства необходимо исходить из сложившейся структуры автомобильных дорог, достигнутого уровня ежегодного строительства и намечаемого роста инвестиций в дорожное строительство. Достигнутые объемы работ явно недостаточны, и должны быть приняты кардинальные меры для значительного увеличения темпов дорожного строительства.

Реализация предлагаемой технологии позволит решить проблему улучшения качества покрытий автомобильных дорог, повысить их эксплуатационную надежность при одновременном снижении стоимости, вовлечь в производство крупнотоннажные отходы предприятий не-фте- и газопереработки и улучшить экологическую ситуацию на предприятиях, решить важную социально-экономическую проблему расширения сети дорог. Технология позволяет полностью исключить применение цемента.

Результаты обследований показывают, что более 80 процентов автомобильных дорог требуют ремонта и реконструкции. По оценкам специалистов, современная протяженность автомобильных дорог России явно недостаточна для удовлетворения социально-экономических потребностей страны. Минимальная протя-

женность дорог должна быть увеличена в 2,7 раза и составить не менее 1500 км.

Приготовление и укладку (формовку) смеси бетона на основе ТПСВ осуществляют на стандартном и специальном технологическом оборудовании, скомпанованном в технологическую линию. Наиболее близкими по технологическим параметрам и виду технологического оборудования являются асфальтобетонные заводы (АБЗ), которые рекомендуется принимать в качестве базовых. Удобно совместить приготовление, транспортировку и укладку бетонов на основе ТПСВ в одном агрегате, например, автосмесителе с обогреваемой грушей.

Жизнеспособность смеси зависит только от температуры и при поддержании ее в интервале 130150 °С практически не ограничена. Затвердевшая смесь при повторном нагреве восстанавливает первоначальную подвижность.

Твердение смеси серного бетона происходит в процессе остывания горячей смеси (табл.1), что сопровождается кристаллизацией серного вяжущего на поверхности заполнителей и переходом смеси в твердую структуру.

Разработка и освоение новых видов дорожных материалов и технологий, в том числе в монолитном варианте, является перспективным и экономически оправданным направлением как при строительстве новых

дорог, так и при выполнении ремонта покрытий.

Дорожное строительство - ма-териалоемкая отрасль, для функционирования которой изымаются огромные объемы естественных природных ресурсов. Существенное сокращение этих объемов можно полу-

по 20-25%, в Германии и Франции по 60-70%, а в Финляндии - 90%.

Не обойдется без монолитного бетона и космическое строительство, в первую очередь на Луне. Исследования показали, что бетоны на заполнителях из лунных пород обладают высокой прочностью. Это создает уверенность,

чить, используя техногенные отходы. что основным строительным материа-

К вторичным материалам относятся: попутная техническая сера, серосодержащие отходы, серные руды, различные заполнители (бой цементного бетона, шлаки и др.), напол-

лом при строительстве базы на Луне может быть монолитный бетон на лунных заполнителях.

В ближайшее время благодаря достижениям космических технологий

нители (в основном это золы ТЭС). мечта об освоении Луны станет ре-

Количество накопившихся золош- альностью. Предполагается, что чело-

лаковых отходов (ЗШО) превышает век подойдет к контактному освоению

1 млрд. тонн. Ежегодное количество Луны, что предполагает на первом

получаемых ЗШО составляет 50 млн. этапе кратковременное посещение,

тонн, из них 85% золы-уноса и 15 % на последующих - длительное пре-

шлаков. Объем использования зол бывание. Последнее потребует созда-

ТЭЦ в России составляет не более ния благоприятных условий для оби-

4%, в то время как в США и Англии тания и деятельности космонавтов в

сложнейших условиях от-

Таблица.1 крытого космоса. Для бла-Усредненные показатели физико-механических свойств серных бетонов

Показатели свойств тяжелые легкие

Средняя плотность, кг/м3 2300-2600 1400-2000

Прочность, МПа 40-60 20=30

Модуль упругости, МПа (4-5)104 (2-2,5)104

Коэффициент Пуассона 0,18-0,20 0,31-0,24

КЛТР, °С (9-10)10-6 (7-9)10-6

Линейная усадка, % 0,2-0,4 0,2-0/1

Водопоглощение, % 0,5-1,2 0,7-1,5

Водонепроницаемость, ати 10-16 8-10

Морозостойкость, циклы 150-300 50-150

Термостойкость, оС 80 80

Коэф. теплопроводности, Вт/м °С - 0,35-0,4

гоустройства среды обитания возможна доставка необходимого оборудования с Земли или создания комплексных сооружений из местных, лунных материалов, возможно в сочетании с земными. Одним из возможных материалов для космического строительства являются серные композиции.

Сера, по данным минералогического музея РАН, на Луне имеется. Известно, что американский космический центр (НАСА) провел большие работы по изучению серных композиций применительно к условиям космоса, в частности, лунному строительству.

Одновременно потребуется решение технической проблемы перемешивания и формования смеси в условиях невесомости и пониженной гравитации. Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства США планирует строительство постоянной базы на Луне. Основным конструктивным материалом при возведении базы, возможно, станет монолитный бетон. Представляют интерес проведенные в США исследования по возможности создания эффективной и экономичной технологии приготовления бетонной смеси в космосе. Реализация этого плана была начата еще в сентябре 1994 года при запуске корабля Space Shuttle Endeavour. Спонсор программы фирма «Master HuilJers Inc.» из г. Кливленд, штат Огайо, и возглавляющий программу коллектив исследователей определили исходные составляющие и их характеристики для бетонной продукции в космосе. Космический корабль использовался для изучения процесса гидратации портландцемента в космосе, в условиях отсутствия гра-

витации. Гравитация в земных условиях является главной силой, за счет которой достигается эффект перемешивания составляющих в процессе приготовления бетонной смеси во вращающемся смесителе.

Подвижность, осадка смеси, отделение воды и воздуха также происходят в результате воздействия гравитационных сил.

Целью исследований являлось изучение возможностей получения бетонной смеси в условиях, близких к окружающей среде Луны. Эксперимент проводился с помощью установленного на космическом корабле изолированного цилиндрического контейнера, общий объем которого составлял 0,142 м3. В контейнере размещались герметичная камера, где находились сухие компоненты смеси; лопастной смеситель с двигателем; контейнер для воды и добавки; устройство для подачи воды из контейнера в смеситель. После обсуждения состава бетонной смеси для эксперимента было решено на первой стадии ограничиться получением раствора без крупного заполнителя. Выбор растворного состава был обусловлен двумя причинами: смесь песка и цемента должна предотвратить уплотнение цемента в момент взлета, т.к. имелось опасение, что щебень может повредить миниатюрные лопасти смесителя.

Пилотная модель смесительной камеры была изготовлена из плекси-

глаза «ТМ», ее длина 305 мм, внутренний диаметр 102 мм. Камера была сконструирована с двойным дном, что позволяло менять объем. Первоначальный внутренний объем камеры составлял 2260 см3, объем на заключительной стадии - 1640 см3. Вода и добавка хранились под давлением в алюминиевом поршневом сосуде и поступали в смесительную камеру по стальным трубам и через мелкие фильтры с первоначальным давлением 5,2 МПа. Смесь для эксперимента состояла из 1,25 части портландцемента и 1 части песка. Водоцементное отношение составляло 0,4. Небольшое количество добавки вводили для снижения потребности в воде. Через два часа после того, как корабль достиг орбиты, включился двигатель и началось смешивание сухих материалов. Через 15 минут в перемешанные материалы добавили воду с модификатором и дополнительно перемешали. Твердение приготовленного раствора продолжалось 11 дней. В первые три дня производили замеры температуры смеси. Проводились измерения физических свойств раствора, определялись такие показатели, как прочность на сжатие и модуль упругости. Другие исследования касались в основном общей микроструктуры раствора, включая определение размеров пор, конечного объема, образования гидроокиси кальция, морфо-

логии кристаллов и др. Контрольный замес сделан на Земле в точном соответствии с программой космического эксперимента для того, чтобы сравнить характеристики раствора, полученного в условиях земною притяжения и в условиях космоса.

Проводились ли аналогичные исследования с цементными составами в России, нам не известно. По всей вероятности, для работы в космосе более приемлемыми будут полимерные связующие, в том числе и ТПСВ.

Монолитные конструкции из бетонов на основе ТПСВ можно применять для постройки плотин, дамб, подпорных стенок и других гидротехнических сооружений, в том числе систем орошения. Быстрое схватывание составов позволяет проводить строительство более высокими темпами, что особенно важно при ликвидации или предупреждении чрезвычайных ситуаций. Грибки, растения и другие микроорганизмы, являющиеся общей проблемой для конструкций гидросооружений, сильно ограничены в развитии и жизнедеятельности на поверхности конструкции из бетонов на основе ТПСВ. Они практически непроницаемы, не подвержены капиллярному подсосу. Нанесение методом набрызга на поверхность грунтовых оросительных сооружений позволяет быстро получить водонепроницаемое защитное покрытие.

Могильники для захоронения радиоактивных и токсичных отходов из бетонов на основе ТПСВ - одно из самых перспективных направлений. Радиоактивные отходы, токсичные и химические вещества могут помещаться в специальные контейнеры в естественном или в капсулированном виде, что значительно повышает надежность захоронения. Составы могут применяться при выполнении защитно-изоляционных устройств в земле (стенка в грунте) для предохранения фильтрации вредных веществ в окружающий грунт. Бетонирование составами на основе ТПСВ объектов под водой создает надежную и долговечную защитную оболочку над объектом защиты, например, затонувшей атомной подводной лодкой, затонувшего химического оружия и др.

Выводы

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

1. Хотя сера давно и стабильно применяется в ряде отраслей промышленности и в сельском хозяйстве, физико-химические и другие ее свойства дают уверенность в значительном расширении областей ее использования в монолитном строительстве.

2. Отечественные разработки в области стройиндустрии и дорожного строительства, как правило, ограничивались лабораторными исследованиями и не нашли широкого применения на практике, хотя содержат много ценной информации, которую можно использовать в будущем.

3. Именно ТПСВ определяет практически все свойства создаваемых на его основе композиций, а форма входящей в него серы определяется специальными химическими добавками. При производстве ТПСВ в России такие химические добавки весьма желательно производить из местного сырья на отечественном технологическом оборудовании

4. Представляется целесообразным организовать производство ТПСВ и композиций на их основе. Расчеты позволяют выбрать наиболее перспективный с точки зрения быстрой окупаемости затрат регион, в котором будет сооружен первый завод по производству ТПСВ и изделий из них.

Список литературы:

1. Патуроев В.В., Волгушев А.М., Орловский Ю.И. Серные бетоны и бетоны, пропитанные серой. / Обз. инф. /. М.: ВНИИС Госстроя СССР, 1985. Сер.7. Вып.1. 59 с.

2. Технология и применение серных бетонов. Ж.Современные технологии 4^17 /2015.

3. Реакции серы с органическими соединениями / Под ред. А.И. Воронкова. — Новосибирск: Наука, 1979. — 368 с.

4. Усов Б.А,, Волгушев А.Н. Технология модифицированных серных бетонов. — М.,Из-во МГОУ, 2010.

5. Тагер А.А. Физико-химия полимеров. М.: Химия, 1968. 536 с.

6. Усов Б.А., Окольникова Г.Э., Акимов С.Ю. Экология и производство строительных материалов. Ж, Системные технологии 4^17.2015

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.