CC BY
150
Оригинальная статья / Original article УДК 691.335
DOI: http://dx.doi.org/10.21285/2227-2917-2018-3-122-129
ВЫСОКОПРОЧНЫЕ И МОРОЗОСТОЙКИЕ БЕТОНЫ С ПРИМЕНЕНИЕМ ТЕХНИЧЕСКОЙ СЕРЫ
© Ньят Тхюи Занг Леэ, Н.А. Епишкинь, В.Б. Балабанов^ В.П. Барышо^
аИнститут химии Вьетнамской академии наук и технологий, 10, Социалистическая Республика Вьетнам, г. Ханой, ул. Хоанг Куок Вьет, 18. ^Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Российская Федерация, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
РЕЗЮМЕ. ЦЕЛЬ. Многократная цикличность замораживания и оттаивания строительных материалов в водонасыщенном состоянии оказывает влияние на изменение технических характеристик и долговечность бетонных изделий и конструкций. Особенности работы бетонных изделий в суровых климатических условиях создают необходимость производства бетонов с улучшенными показателями физико-механических свойств. МЕТОДЫ. Определено воздействие модифицирующих добавок на характеристики серного бетона. Серные строительные материалы получают путем совмещения расплава серы, наполнителей, заполнителей и модифицирующих добавок. В качестве компонентов могут использоваться все известные виды наполнителей, которые применяются для изготовления строительных материалов на основе цемента, а в качестве модифицирующих добавок - как органические, так и неорганические вещества. От содержания и свойств компонентов серных материалов значительно зависят его физико-механические и эксплуатационные свойства. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ. Разработан состав серного бетона, который отвечает заданным требованиям, а также обладает повышенной прочностью и морозостойкостью. Исследованиями установлено, что оптимальными условиями после формования серобетонной смеси является скорость охлаждения 10-151 в час до температуры 961 по всей поверхности изделия. Далее охлаждение можно продолжать в естественных условиях. Постепенное охлаждение способствует перераспределению внутренних напряжений, уменьшению трещинообразования. Установлено, что при таких условиях прочность серного бетона возрастает на 13-28%. ВЫВОДЫ. Стоимость изделий на основе серных вяжущих в настоящее время значительно ниже всех известных бетонов с добавками, улучшающими их свойства. Это связано с производством попутной серы при переработке постоянно возрастающих объемов серосодержащего углеводородного сырья и более глубокой очисткой от серы продуктов нефтепереработки. Ключевые слова: морозостойкие бетоны, высокопрочный бетон, серобетон, бетон на основе серного вяжущего, модификаторы.
Информация о статье. Дата поступления 12 июня 2018 г.; дата принятия к печати 20 июля 2018 г.; дата онлайн-размещения 26 сентября 2018 г.
Формат цитирования. Ньят Тхюи Занг Ле, Епишкин Н.А., Балабанов В.Б., Барышок В.П. Высокопрочные и морозостойкие бетоны с применением технической серы // Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость. 2018. Т. 8. № 3. С. 122-129. DOI: 10.21285/2227-2917-2018-3-122-129
аНьят Тхюи Занг Ле, кандидат химических наук, научный сотрудник, e-mail: [email protected]
Le Nhat Thuy Giang, Candidate of Technical Sciences, Research Scientist, e-mail: [email protected]
ьЕпишкин Никита Андреевич, аспирант кафедры автомобильных дорог, е-mail: [email protected]
Nikita A. Epishkin, Postgraduate, e-mail: [email protected]
'Ъалабанов Вадим Борисович, кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой автомобильных дорог, е-mail: [email protected]
Vadim B. Balabanov, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Head of Department of Automobile Roads, e-mail: [email protected]
барышок Виктор Петрович, доктор химических наук, профессор кафедры химической технологии, е-mail: [email protected]
Viktor P. Baryshok, Doctor of Chemical Sciences, Professor of Department of Chemical Technology, e-mail: [email protected]
TECHNICAL SULPHUR IN HIGH-STRENGTH AND FROST-RESISTANT CONCRETE Nhat Thuy Giang Le, N.A. Epishkin, V.B. Balabanov, V.P. Baryshok
Institute of Chemistry of Vietnam Academy of Science and Technology, 18, Hoang Kuok Viet St., Hanoi, 10, Socialist Republic of Vietnam Irkutsk National Research Technical University, 83, Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russian Federation
ABSTRACT. AIM. The repeated cyclical nature of freezing and thawing of building materials under a water-saturated conditions affects changes in the technical characteristics and durability of concrete products and structures. Harsh climatic conditions determine the necessity to produce concrete with improved physical and mechanical properties. METHODS. The effect of modifying additives on the characteristics of sulphur concrete is determined. Sulphur building materials are obtained by combining sulphur melt, fillers, aggregates and modifying additives. All known types of fillers used for the manufacture of concrete building materials can be used as components; modifying additives include both organic and inorganic substances. Physical-mechanical and operational properties of concrete significantly depend on the content and properties of components of sulphur materials. RESULTS AND DISCUSSION. A composition of sulphur concrete is developed that meets the specified requirements as well as increasing strength and frost resistance. It is determined that the optimal conditions comprise a cooling rate of 10-15 °C per hour following the formation of a sulphur concrete mixture to a temperature of 96 °Cacross the entire surface of the product. Further cooling can be continued under natural conditions. Gradual cooling contributes to a redistribution of internal stresses and a reduction in the incidence of cracking. Under such conditions, the strength of sulphur concrete increases by 13-28%. CONCLUSIONS. The cost of products based on sulphur binders is significantly lower than all known types of concrete with improving additives. This is due to the production of associated sulphur in the processing of ever-increasing volumes of sulphur-containing hydrocarbon raw materials and a deeper purification of refined products from sulphur.
Keywords: frost-resistant concretes, high-strength concrete, sulfur concrete, concrete based on sulfur binder, modifiers
Information about the article. Received June 12, 2018; accepted for publication July 20, 2018; available online September 26, 2018.
For citation. Nhat Thuy Giang Le, Epishkin N.A., Balabanov V.B., Baryshok V.P. Technical sulphur in high-strength and frost-resistant concrete. Izvestiya vuzov. Investicii. Stroitel'stvo. Nedvizhimost' = Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real estate. 2018, vol. 8, no. 3, pp. 122-129. (In Russian). DOI: 10.21285/2227-2917-2018-3-122-129
Введение
Обзор российских и иностранных литературных источников показывает, что серные строительные материалы находят широкое применение в различных областях строительства. Такие материалы особенно перспективны при изготовлении строительных деталей и конструкций, в период эксплуатации которых предъявляются повышенные требования по стойкости к различным агрессивным средам, мо-розо- и атмосферостойкости, а также водонепроницаемости. Высокое качество изделий, простота технологии изготовления и низкая стоимость расходуемых материалов позволяют серным строительным материалам быть конкурентоспособными по отношению к строительным материалам на цемент-
ных вяжущих [1-4]. Резко континентальный климат Иркутской области характеризуется широким температурным интервалом в течение года. Многократная цикличность замораживания и оттаивания строительных материалов в водонасыщенном состоянии оказывает влияние на изменение технических характеристик и снижает долговечность бетонных изделий и конструкций. Это вынуждает ежегодно выделять финансовые средства на ремонт объектов транспортного, промышленного и гражданского строительства. Применяемые методы защиты от преждевременных разрушений малоэффективны. В настоящее время возросла необходимость в использовании бетона с повышенными показателями прочности, с устойчивостью к
агрессивным средам и повышенной морозостойкостью. Использование бетона с улучшенными показателями может решить несколько важных проблем:
- обеспечение строительного рынка региона высокопрочными изделиями;
- снижение себестоимости материалов, конструкций и изделий;
- снижение стоимости строительства сооружений за счет долговечности конструкций;
- снижение экологической нагрузки на окружающую среду за счет утилизации технической серы.
Методы
Серные строительные материалы получают путем совмещения расплава серы, наполнителей, заполнителей и модифицирующих добавок. В качестве компонентов могут использоваться все известные виды наполнителей, которые применяются для изготовления строительных материалов на основе цемента, а в качестве модифи-120
100
#
f 80
i и
X W 60
e
1 40
20
цирующих добавок - как органические, так и неорганические вещества. От содержания и свойств компонентов серных материалов значительно зависят его физико-механические и эксплуатационные свойства [5]. Исследования показали, что серные строительные материалы характеризуются относительно высокой прочностью, стойкостью в различных агрессивных средах, непроницаемостью, морозостойкостью. Серные бетоны в кратчайшие сроки набирают заданную прочность в сравнении с бетонами на цементных вяжущих (рисунок). В связи с этим на сегодняшний день актуальной задачей является создание высокоплотных серных композитов, которые могут применяться в любой агрессивной среде и сохранять свои свойства долгое время. Следовательно, основной задачей разработки является подбор состава серного бетона, который сохраняет технические характеристики в процессе всего периода его эксплуатации [6].
: >
/ . -—
if / У s s
s
12 16 20 Возраст, сутки
24
28
График нарастания прочности при сжатии: 1 - тяжелый бетон на портландцементе нормального твердения в воздушно-сухих условиях; 2 - тяжелый бетон на портландцементе нормального твердения, 28 суток твердения во влажных условиях; 3 - тяжелый бетон на портландцементе нормального твердения, термовлажностная
обработка и последующее твердение в воздушно-сухих условиях; 4 - серный бетон Diagram of increase of compressive strength: 1 - heavy concrete on portland cement of normal hardening in air-dry conditions; 2 - heavy concrete on portland cement of normal hardening, 28 days hardening in wet conditions; 3 - heavy concrete on portland cement of normal hardening, thermal treatment and subsequent hardening in air-dry conditions; 4 - sulfuric concrete
Одним из основных критериев изделия, который в дальнейшем определяет область применения, является
прочность. Прочность бетонов на основе серного вяжущего зависит от прочности его компонентов. В зависи-
мости от прочности его составляющих, выделяют несколько видов разрушений изделий.
- по растворной части: прочность заполнителя больше прочности растворной части;
- по зернам заполнителя: прочность растворной части больше прочности заполнителя;
- равновероятное происходит и по зернам заполнителя, и по растворной части.
Первый и третий тип разрушений характерен для серного бетона с использованием плотных высокопрочных заполнителей, а второй - для легкого серного бетона, полученного с использованием пористых заполнителей [7, 8].
Исследования показывают, что прочность бетонов на основе серного вяжущего зависит от нескольких факторов, в том числе и от количественного содержания в бетоне всех составляющих. Для получения серного бетона с высокими прочностными показателями необходимое количество серы в составе изделия колеблется в районе 12-17% по массе. По мере увеличения серы выше оптимального прочность изделия будет снижаться. При приложении нагрузки сера, обладающая малой прочностью и низким модулем упругости, изменяется и передает внешнюю нагрузку на наполнитель и заполнитель с более высоким модулем упругости и прочностью, что способствует увеличению прочности изделия.
Следовательно, при использовании серы в оптимальном количестве происходит увеличение прочности, но при повышении оптимального количества серы увеличивается количество деформаций структуры, а значит, уменьшается и прочность. Фракция инертного заполнителя также оказывает влияние на прочность изделия из серобетона в целом [9].
Кроме вышеперечисленных факторов, на прочность серобетонных изделий оказывают влияние и содержа-
ние мелких фракций заполнителя, и процесс приготовления, и формовка, и т.д.
Прочность изделий из серного бетона может быть повышена с помощью точного соблюдения процесса их изготовления. Исследованиями установлено, что оптимальными условиями после формования серобетонной смеси является скорость охлаждения 1015 в час, до температуры 96 по всей поверхности изделия. Далее охлаждение можно продолжать в естественных условиях. Постепенное охлаждение способствует перераспределению внутренних напряжений, уменьшению трещинообразования. Установлено, что при таких условиях прочность серного бетона возрастает на 13-28% [10, 11].
При изготовлении изделий из серного композита больших размеров в пределах строительства, из-за неравномерности охлаждения, в теле бетона, под действием различных температур, могут образоваться усадочные трещины.
Результаты и их обсуждение
На основании вышеизложенного следует, что для получения высокопрочных бетонов на основе серного вяжущего необходимо четко следовать технологическому процессу, а также учитывать все свойства и характеристики используемых материалов.
Результаты различных исследований по морозостойкости серных бетонов разнятся. Например, по итогам некоторых исследований установлено, что серные материалы благодаря их гидрофобности являются морозостойкими и в зависимости от вида наполнителя и заполнителя марка по морозостойкости доходит до 500 циклов. Такая высокая морозостойкость объясняется наличием замкнутых пор в теле изделия, попадание воды к которым из-за гидрофобности серы затруднено. При воздействии отрицательных температур величина давления, оказываемого замерзающей водой на бетон
изделий с серным вяжущим, будет минимальной. Следовательно, при циклическом последовательном замораживании и оттаивании структура бетона подвергается минимальным воздействиям замерзающей воды, а значит, такие материалы считаются морозостойкими. Подбор состава для изготовления бетона на основе серного вяжущего осуществляется в определении наиболее оптимального содержания всех составляющих в смеси для достижения заданных технологических требований по удобоукладываемости смеси, а также всем физико-механическим характеристикам. Подбор состава осуществлен экспериментальным путем с подробным анализом показателей полученных изделий, позволяющим определить зависимости полученных физико-механических характеристик. Образцы серных композитов готовили по следующей технологии. Предварительно высушенную и взвешенную смесь минеральных заполнителей щебня и песка смешивали и нагревали при температуре 150-160 С Затем перемешивали серу с моди-
Рекомендуемый состав конструкционного серного бетона Recommended composition of structural sulfuric concrete
фицирующей добавкой. Далее в нагретую смесь заполнителя вводили смесь серы с модификатором и выдерживали в течение 45-60 минут при температуре в 135-140 С С периодичностью в 10-15 минут смесь перемешивали с целью придания ей однородности в структуре. Составы серных композитов подбирали с учетом пористости минеральной части состава, удобоуклады-ваемости и подвижности смеси, при необходимости - с учетом виброуплотнения. Подвижность полученной бетонной смеси была не более 13-15 см. Нагретую серобетонную смесь укладывали в разогретые формы, размером 10 х 10 х 10 см, с последующим уплотнением (методом штыкования) до заполнения на 50% от полного объема формы. После окончания укладки формы на 10-15 секунд подвергались виброуплотнению на виброплощадке. Распалубку образцов проводили после одних суток - для дальнейшего определения физико-механических характеристик образцов. Рекомендуемый нами состав конструкционного серого бетона представлен в табл. 1.
Таблица 1 Table 1
Компоненты Масса
Сера техническая 16
Щебень 55
Песок 27
Модификатор 2
Подобранный нами состав серного вяжущего и количество его в серном бетоне (16%) обеспечивает серному бетону высокую прочность (до 45 МПа), достаточную подвижность (осадка конуса не больше 15 см). Бетон с такой прочностью соответствует классу В35 и М450.
Морозостойкость строительных композитов является одним из основных показателей, характеризующих способность материала в водонасы-щенном состоянии сопротивляться попеременному воздействию отрица-
тельных температур. В данной работе были исследованы образцы на основе серного вяжущего с использованием модифицирующей добавки.
Как известно, основной причиной разрушения бетона в водонасыщенном состоянии, подвергнутого циклическому воздействию отрицательных температур, является давление, оказываемое замерзающей водой на поры бетона. Расширению воды препятствует твердый скелет бетона, в котором возникают высокие внутренние напряжения. Эти напряжения в зоне
контакта зерна заполнителя с матрицей достигают максимального значения и могут привести к образованию микротрещин. Постепенно микротрещины объединяются между собой, образуя более протяженные трещины, которые приводят к значительному снижению прочности бетона и его разрушению. Из изложенного можно сделать вывод о том, что морозостойкость бетона, при всех прочих равных условиях, зависит от структуры материала,
концентрации и физико-механических свойств компонентов.
Для испытаний были изготовлены образцы на основе серного вяжущего размером 10 х 10 х 10 см. В качестве среды насыщения использовали 5%-й раствор NаСL.
Испытания на морозостойкость проводились по ускоренному методу, согласно ГОСТ 10060-2012 Бетоны. Методы определения морозостойкости. Сравнение полученных характеристик отражено в табл. 2.
Таблица 2
Сравнение полученных характеристик морозостойкости с бетоном на основе цемента
Table 2
Comparison of achieved characteristics of frost resistance with concrete on the basis of cement
Характеристики Бетон на основе цемента Бетон на основе серы
Класс бетона по прочности на сжатие (марка) В 35 (М450) В 35 (М450)
Морозостойкость F200 F400
Из таблицы явствует, что образцы на основе серного вяжущего соответствуют марке по морозостойкости F400 и, следовательно, обладают очень высоким показателем морозостойкости в сравнении с бетоном на основе цемента, при той же марке по прочности.
Выводы
Эксплуатация таких бетонов в различных видах строительства на территории Иркутской области является перспективной, так как они имеют наилучшие показатели физико-механических характеристик для применения в суровой сибирской среде.
На сегодняшний день цена на бетоны на основе серного вяжущего значительно ниже всех известных бетонов с добавками, улучшающими их свойства.
Это объясняется тем, что на рынке серы в мире на протяжении последних лет, а также в перспективе на ближайшие 5 лет будет наблюдаться превышение предложения над спросом. Это связано со стремительно развивающейся нефтегазовой промышленностью, где сера является вторич-
ным продуктом при добыче нефти и газа.
В результате использования технической серы в составе бетонных изделий частично решается проблема утилизации ежегодно накапливающихся запасов технической серы.
Серные бетоны по отношению к бетонам на основе цементного вяжущего с каждым годом увеличивают свою конкурентоспособность.
Сернистые бетонные изделия могут использоваться для инженерных сооружений при строительстве автомобильных дорог в широком диапазоне условий окружающей среды, т.к. обладают стойкостью к напряжениям, возникающим из-за температурных перепадов, и не образуют таких рытвин и трещин, как на дорогах из асфальтобетона или цементобетона.
Трубы из серных бетонов не подвергаются воздействию бактерий, плесени и грибков, а на их поверхности эти микроорганизмы размножаться не смогут. Такие трубы устойчивы к блокировке, засорению и отложению солей на внутренней поверхности, что является общей проблемой для стан-
дартных бетонных армированных или металлических труб.
Серные бетоны дешевле, чем другие материалы для труб, такие как цемент, асбоцемент, армированный бетон или различные металлы. Эти материалы не только дороже для изготовления, установки и эксплуатации, но и не обеспечивают всех преимуществ серных бетонов.
Морские порты и относящиеся к ним сооружения также могут с успехом использовать серные бетоны, т.к. они
стойки к коррозии и соленой воде. Структурные ухудшения, являющиеся общей проблемой для морских сооружений из стандартных конструкционных материалов, в этом случае не имеют места.
Серные бетоны не предназначены для транспортировки веществ с температурой выше 120 °С, однако для большинства применений, требующих недорогих, легких, простых в получении и эксплуатации труб, они являются идеальным материалом.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Орловский Ю.И. Бетоны, модифицированные серой. Харьков: Строительство, 1992, 529 с.
2. Волгушев А.Н. Серное вяжущее и композиции на его основе // Бетон и железобетон. 1997. № 2. С. 46-48.
3. Волгушев А.Н., Шестеркина Н.Ф. Производство и применение серных бетонов. М.: Строительство, 1991. 51 с.
4. Chen W.F. Structural use of sulfur-for impregnation of building materials. Mehta Lehigh University, 1975, pp. 26-29.
5. Moon J., Kalb P.D., Milian L. Characterization of a sustainable sulfur polymer concrete using activated fillers. Northrup Cement and Concrete Composites, 2016, no. 67, pp. 20-29.
6. Ciak N., Harasymiuk J. Sulphur concretes technology and its application to the building industry. Technical Sciences, 2013, no. 16, pp. 323-331.
7. Волгушев А.Н., Патуроев В.В., Пут-ляев И.Е., Красильникова О.М. Применение серы для пропитки поровой структуры строительных материалов // Бетон и железобетон. 1976. № 11. С. 38-39.
8. Баженов Ю.М. Технология бетона. М.: Высшая школа, 1987. 414 с.
9. Мацарин И.А. Плиты из серных композиционных материалов // Строительные материалы и конструкции. 1988. № 3. С. 11-12.
10. Орловский Ю.И. Технология изготовления и свойства серного бетона // Известия вузов. Строительство и архитектура. 1986. № 1. С. 51-53.
11. Орловский Ю.И., Труш Л.Е., Юрьева Е.В. Исследование свойств модифицированных серных вяжущих // Известия вузов. Строительство и архитектура. 1985. № 4. С. 66-69.
REFERENCES
1. Orlovskij Yu.I. Betony, modificiro-vannye seroj [The concrete modified by sulfur]. Har'kov, Stroitel'stvo Publ., 1992, 529 p. (In Russian)
2. Volgushev A.N. Sernoe vyazhushchee i kompozicii na ego osnove [Sulfuric knitting and compositions on its basis]. Beton i zhelezobeton [Concrete and reinforced concrete], 1997, no. 2, pp. 46-48. (In Russian)
3. Volgushev A.N., Shesterkina N.F. Pro-izvodstvo i primenenie sernyh betonov [Production and use of sulfuric concrete]. Moscow, Stroitel'stvo Publ., 1991, 51 p. (In Russian)
4. Chen W.F. Structural use of sulfur for impregnation of building gmaterials. Mehta Lehigh University, 1975, pp. 26-29.
5. Moon J., Kalb P.D., Milian L. Characterization of a sustainable sulfur polymer concrete using activated fillers. Northrup Cement and Concrete Composites, 2016, no. 67, pp. 20-29.
6. Ciak N., HarasymiukJ. Sulphur concretes technology and its application to the building industry. Technical Sciences, 2013, no. 16, pp. 323-331.
7. Volgushev A.N., Paturoev V.V., Put-lyaev I.E., Krasil'nikova O.M. Primenenie sery dlya propitki porovoj struktury stroitel'nyh materia-lov [Use of sulfur for impregnation of steam structure of construction materials]. Beton I zhelezobeton [Concrete and reinforced concrete], 1976, no. 11, pp. 38-39. (In Russian)
8. Bazhenov Yu.M. Tekhnologiya betona [Technology of concrete]. Moscow, Vysshaya shkola Publ., 1987, 414 p. (In Russian)
9. Macarin I.A. Plity iz sernyh kom-pozicionnyh materialov [Plates from sulfuric composite materials]. Stroitel'nye materialy I konstruk-cii [Construction materials and designs], 1988, no. 3, pp. 11-12. (In Russian)
10. Orlovskij Yu.I. Tekhnologiya izgotov-leniya I svojstva sernogo betona [Manufacturing techniques and properties of sulfuric concrete]. Izvestiya vuzov. Stroitel'stvo I arhitektura [News of higher education institutions. Construction and architecture], 1986, no. 1, pp. 51-53. (In Russian)
11. Orlovskij Yu.I., Trush L.E., Yur'eva E.V. Issledovanie svojstv modificirovannyh sernyh vyazhushchih [Research of properties of the modified sulfuric knitting]. Izvestiya vuzov. Stroitel'stvo I arhitektura [News of higher education institutions. Construction and architecture], 1985, no. 4, pp. 66-69. (In Russian)
Критерии авторства
Ньят Тхюи Занг Ле, Епишкин Н.А., Балабанов В.Б., Барышок В.П. имеют равные авторские права. Епишкин Н.А. несет ответственность за плагиат.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Contribution
Le Nhat Thuy Giang, Epishkin N.A., Balabanov V.B., Baryshok V.P. have equal author's rights. Epishkin N.A. bears the responsibility for plagiarism.
Conflict of interests
The authors declare no conflict of interests regarding the publication of this article.
