Высокопрочные бетоны на основе серного вяжущего с применением модификаторов Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Оригинальная статья / Original article УДК 691.335

http://dx.doi.org/10.21285/2227-2917-2017-4-155-161

ВЫСОКОПРОЧНЫЕ БЕТОНЫ НА ОСНОВЕ СЕРНОГО ВЯЖУЩЕГО С ПРИМЕНЕНИЕМ МОДИФИКАТОРОВ

© Ле Ньят Тхюи Занг9, Н.А. Епишкинь, В.Б. Балабанов0, В.П. Барышо^

аИнститут химии Вьетнамской академии наук и технологий, Социалистическая Республика Вьетнам, г. Ханой, ул. Хоанг Куск Вьет, 18. ^Иркутский национальный исследовательский технический университет, Российская Федерация, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Резюме. Цель. В настоящее время возрастает необходимость в использовании бетона с повышенными показателями прочности, устойчивости к кислоте и морозостойкости. Актуальность применения высокопрочных бетонов вызвана не только их улучшенными физико-механическими и химическими свойствами, но и глобальными экологическими аспектами утилизации технической серы. Методы. Рассмотрены различные варианты составов смеси. Проведены испытания на определение прочности по контрольным образцам. Результаты. На протяжении последних лет запасы серы постоянно увеличиваются в связи с возрастанием объемов добычи газа и нефти. Большие объемы технической серы представляют серьезную экологическую опасность для окружающей среды. Выводы. Исследуя различные вариации составов инертных наполнителей и заполнителей, можно не только решить вопрос применения серобетона при строительстве автомобильных дорог и элементов обустройства на них, но и частично утилизировать имеющиеся запасы технической серы.

Ключевые слова: высокопрочный бетон, серобетон, бетон на основе серного вяжущего, модификаторы.

Формат цитирования: Ле Ньят Тхюи Занг, Епишкин Н.А., Балабанов В.Б., Барышок В.П. Высокопрочные бетоны на основе серного вяжущего с применением модификаторов // Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость. 2017. Т. 7, № 4. С. 155-161. DOI: 10.21285/2227-29172017-4-155-161

HIGH-ENDURANCE CONCRETES BASED ON SULPHUR BINDING WITH THE USE

OF MODIFICATORS

© Le Nhat Thuy Giang, N.A. Epishkin, V.B. Balabanov, V.P. Baryshok

Institute of Chemistry of Vietnam Academy of Science and Technology, 18 St. Hoang Kuok Viet, Hanoi, Vietnam Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk 664074, Russian Federation

Abstract. Purpose. Now the necessity to use concrete with high indexes of endurance, resistance to acid and frost-resistance is increasing. Topicality of the use of highly proof concretes is caused not only by the im-

аЛе Ньят Тхюи Занг, кандидат химических наук, научный сотрудник, e-mail: lenhatthuygiang@yahoo.com

Le Nhat Thuy Giang, candidate of chemical sciences, research scientist, e-mail: lenhatthuygiang@yahoo.com

ьЕпишкин Никита Андреевич, аспирант кафедры автомобильных дорог, e-mail: epishkin.nikita@inbox.ru

Nikita A. Epishkin, Postgraduate student of the Department of automobile roads, e-mail: epishkin.nikita@inbox.ru

балабанов Вадим Борисович, кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой автомобильных дорог, тел.: +7 (3952) 40-51-39, е-mail: ad@istu.edu

Vadim B. Balabanov, Candidate of technical sciences, Associate Professor, Head of the Department of automobile roads, tel.: +7 (3952) 40-51-39, e-mail: ad@istu.edu

барышок Виктор Петрович, доктор химических наук, профессор кафедры химической технологии, тел.: +7 (3952) 40-51-19, е-mail: baryvik@yandex.ru

Victor P. Baryshok, Doctor of chemical sciences, Professor of the Department of chemical technology tel.: +7 (3952) 40-51-19, e-mail: baryvik@yandex.ru_

proved physical and mechanical and chemical qualities, but also by global ecological aspects of utilization of technical sulfur. Methods. We considered different variants of substance structure. We performed experiments to define resistance according to control samples. Results. During the last years sulphur resources are constantly increasing in connection with the increase of volumes of excavating gas and oil. Large volumes of technical sulphur are a serious ecological danger for the environment. Conclusions. Investigating different variations of content of inert fillers and aggregates, it is possible not only to solve the problem of the use of sulphur concrete during the building of automobile roads and elements of arrangement on them, but also to partially utilize the existing resources of technical sulphur.

Keywords: high-endurance concrete, sulphur concrete, concrete on the basis of sulphur binding, modifi-cators

For citation: Le Nhat Thuy Giang, Epishkin N.A., Balabanov V.B., Baryshok V.P. High-endurance concretes based on sulphur binding with the use of modificators. Izvestiya vuzov. Investitsii. Stroitel'stvo. Nedvizhimost' [Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real estate], 2017, vol. 7, no. 4, pp. 155-161. (In Russian) DOI: 10.21285/2227-2917-2017-4-155-161

Введение

Новизна и значимость исследования обусловливается не только свойствами серобетонов, но и глобальными экологическими аспектами утилизации технической серы. За последние годы ее запасы постоянно увеличиваются в связи с ростом объемов добычи нефти и газа. Большое количество технической серы представляет серьезную экологическую опасность для окружающей среды.

Исследовательские и экспериментальные работы проводятся не одно десятилетие, и было установлено, что бетоны, приготовленные с использованием серы, обладают, по сравнению с бетоном на основе портландцемента, наилучшими физико-механическими и химическими показателями, такими как малое водопо-глощение, стремительный набор заданной прочности, высокая коррозионная стойкость. Основными недостатками серобетона, выявленными на ранних этапах исследования, оказались низкие сопротивление повышенным температурам и устойчивость к пожарам, образование дефекта в виде трещин при укладке больших объемов. С развитием исследований и технологий некоторые показатели улучшились. Стало известно, что добавление в состав серного вяжущего модификаторов приводит не только к улучшению пластичных характеристик, но и снижению количества тре-

щин, а добавка дициклопентадиена увеличивает сопротивление высоким температурам строительного материала конструкции [1].

Материал и методы исследования

Бетон - строительный материал, который состоит из воды, вяжущего вещества и заполнителя. Полученное вещество до затвердевания называют бетонной смесью. Бетоны классифицируют по следующим ведущим признакам: по основному назначению, виду вяжущего вещества и заполнителя и по структуре. Основные физико-механические, химические характеристики бетона с добавлением цемента представлены в табл. 1.

По своему назначению бетоны делятся:

• на конструктивные - для бетонных и железобетонных несущих конструкций зданий и сооружений (фундаменты, колонны, балки, плиты, панели перекрытий и др.);

• специальные - жаростойкие, химически стойкие, декоративные, радиационно-защитные, теплоизоляционные и др.;

• бетоны напрягающие, бетоно-полимеры, полимербетоны.

По виду вяжущего вещества различают бетоны цементные, гипсовые и силикатные. Недостатком цементобетона является появление деформаций в период эксплуатации.

Физико-химические показатели бетона на основе цемента Name of physical and chemical indices of concrete based on cement

Таблица 1 Table 1

Наименование показателей / Name indicators Результаты испытаний / Test results

Прочность на сжатие в возрасте 3 суток, МПа / Compressive strength in three days, MPa 15-25

Прочность на сжатие при изгибе, МПа / Compressive strength at bending, MPa 6-9

Прочность на растяжение, МПа / Tensile strength, MPa 3-4

Время набора 50 % прочности от марочной, ч / The time of collection of 50 % strength from branded, h 24

Морозостойкость (при 100 % влажности), цикл / Frost resistance (at 100 % humidity), cycle 50

Влагостойкость, % / Moisture resistance, % 0,8

Коррозионная стойкость, % / Corrosion resistance, % 24

Истираемость, % / Abradability, % 16

Прочность на растяжение у бетонов на основе цемента небольшая. В результате этого повышается водопроницаемость.

Силикатные бетоны представлены в виде мелкозернистой смеси, которая твердеет в автоклавных условиях. Отличительной особенностью является то, что песок используется не только в виде заполнителя, но и как часть вяжущего вещества. В результате химической реакции между песком и известью, которая происходит в автоклавных условиях, образуется твердый искусственный камень. Недостатком конструкций, в которых используется силикатный бетон, является низкий модуль упругости, который в несколько раз меньше, чем у цементных смесей. Следовательно, при добавлении нагрузки образуются деформации.

Гипсовый бетон - один из видов бетона, в котором в качестве вяжущего используется гипс. Применение гипсового бетона ограничивается устройством стен перекрытия. Для получения требуемых показателей материала и снижения объемов минерала в смесь добавляют наполнители. Добавки повышают эластичность образца на излом и снижают

теплопроводность, но вместе с этим требуется увеличение количества воды в отличие от состава на основе цемента. Следовательно, необходимо больше времени для затвердевания смеси, и понижается прочность бетона. У гипсобетона коэффициент водостойкости равен не более 0,5 в отличие от обычного бетона с коэффициентом 0,8. Поэтому для сохранения прочности и долговечности образца необходимо нанести гидроизоляционный слой1.

Серобетон - синтетический камнеобразный материал, который представляет собой застывшую смесь бетона и серы. В состав серо-бетона входит серное вяжущее, инертные заполнители и наполнители. Номенклатура применяемых инертных наполнителей и заполнителей достаточно широка. В этом качестве могут использоваться щебень, песок, гравий, металлургические шлаки и прочие породы, также применяемые для бетона на основе портландцемента [2].

Анализируя свойства серобе-тона, мы видим, что следствием его высоких показателей (табл. 2) является внутренняя структура, полученная путем взаимодействия инертных

1ГОСТ 25192-2012. Бетоны. Классификации и общие технические требования. М.: Стандартинформ, 2013 / GOST 25192-2012. Concretes. Classification and general technical requirements. M.: Standartinform, 2013.

наполнителей, заполнителей, серного вяжущего и модификатора. Сера, если в нее не добавлять наполнитель, представлена в виде однородной структуры, а значит, ее молекулы размещены достаточно близко отно-

сительно друг друга. При введении наполнителя молекулы серы соединяются с молекулами наполнителя таким образом, что образовавшаяся пористость полученного материала становится минимальной (рис. 1) [3].

Таблица 2

Физико-химические показатели бетона на основе серного вяжущего

Table 2

Name of physical and chemical indicators of concrete based on sulfuric binder

Наименование показателей / Name indicators Результаты испытаний / Test results

Прочность на сжатие в возрасте 3 суток, МПа / Compressive strength in three days, MPa 40-55

Прочность на сжатие при изгибе, МПа / Bending strength at bending, MPa 8-14

Прочность на растяжение, МПа / Tensile strength, MPa 4-6

Время набора 50 % прочности от марочной, ч / The time of collection of 50 % strength from branded, h 0,32

Морозостойкость (при 100 % влажности), цикл / Frost resistance (at 100 % humidity), cycle 278

Влагостойкость, % / Moisture resistance, % 0,9

Коррозионная стойкость, % / Corrosion resistance, % 80

Истираемость, % / Abradability, % 3

Рис. 1. Плотность полученного образца из серного вяжущего Fig. 1. Density of the sample obtained from sulfur binder

Результаты исследования и их обсуждение

В настоящей работе представлены результаты исследования прочностных характеристик в зависимости от различных вариантов содержания инертных заполнителей и наполнителей, а также неорганического модификатора и серного вяжущего.

Сера по своему составу термопластична, следовательно, она может подвергаться повторному нагреванию и остыванию. Также наиболее важным отличием бетона на основе серного вяжущего от бетона на основе цемента является полное отсутствие воды в процессе приготовления бе-

тонной смеси. Зачастую сера применяется в комовой или гранулированной форме, в чистой же форме практически не используется. В роли наполнителя и заполнителя могут применяться горные породы, отходы производства (например, отсев дробления материала), искусственные материалы [4].

Модификаторы, используемые для приготовления серного вяжущего, можно разделить на группы:

• пластифицирующие добавки -увеличивают прочность и замедляют процесс кристаллизации серы при остывании;

• стабилизирующие добавки -повышают устойчивость к воздействию атмосферных условий;

• антипирены - понижают горючесть;

• антисептики - повышают стойкость воздействия микроорганизмов.

Без модификатора в составе серобетона сера кристаллизируется. Кристалл имеет разную прочность -аморфное состояние. При добавлении модификатора прочность кристалла остается постоянной вне зависимости от воздействия на него иных факторов. В зависимости от используемого модификатора мы можем получить в результате повышение характеристик серобетонной смеси [5]. В качестве модификатора можно применить нефтяной остаток, например мазут. Модификатор может быть использован без предварительной обработки или с предварительной обработкой вращающимся электромагнитным полем при температуре 300-350 °С в течение 10-60 с. Технический результат - интенсификация процесса получения серного цемента и упрощение технологии его производства. Недостаток способа в том, что для его реализации требует-

Варианты подбора сос Options for the selection of the

ся специальное дорогостоящее оборудование [6].

Серное вяжущее получали путем смешивания серы в гранулированном виде и модификатора. В настоящее время ведется поиск и исследование неорганических модификаторов, которые не подвергаются воздействию микроорганизмов, а также температуры, агентов окружающей среды, что в последующем может привести к кристаллизации серы и разрушению серобетона. Были разработаны несколько вариантов состава серобетона. В одном из составов использовали щебень природный фр. 5-15, серу гранулированной формы и неорганический модификатор. В зависимости от количества всех составляющих получили два варианта образцов. Испытания проводились согласно ГОСТ 10180-2012. В первую очередь нагревали щебень до температуры 160 °С, добавляли к нему гранулированную серу и модификатор и продолжали нагревать при температуре 135 °С во избежание выделения сернистого газа. Полученные образцы были испытаны на прочность, данные приведены в табл. 3.

Таблица 3

серобетонной смеси

Table 3

position of a mixture of sulfur

Варианты подбора состава серобетонной смеси / Options for the selection of the composition of a mixture of sulfur Время набора прочности, ч / Durability, h Прочность на сжатие, Мпа / Compressive strength, MPa

Сера 25 % + модификатор 5 % + щебень 50 % + песок 20 % (вариант 1) / Sulfur 25 % + modifier 5 % + rubble 50 % + sand 20 % (option 1) 3 28

Сера 25 % + модификатор 7 % + щебень 50 % + песок 17 % + йод (вариант 2) / Sulfur 25 % + modifier 7 % + rubble 50 % + sand 17 % + iodine (option 2) 31

Сера 25 % + модификатор 10 % + щебень 45 % + песок 20 % (вариант 3) / Sulfur 25 % + modifier 10 % + crushed stone 45 % + sand 20 % (option 3) 21

В настоящее время ведется подбор составов, а также вариантов замещения наполнителя и заполнителя отходами промышленности. Об-

ISSN 2227-2917 (print) ISSN 2500-154X (online)

разцы кубиков серобетона испытаны на одну из основных характеристик по прочности. Полученные результаты показывают, что добавление неорга-

нических модификаторов, на которые не воздействуют климатические условия и микроорганизмы, позволяет достичь той же прочности, что и при использовании органических модификаторов, которые применяются в настоящее время.

Из данных табл. 3 видно, что время набора прочности составляет 3 часа, что говорит о скорости затвердевания образца. Из полученных экспериментальным путем данных можно сделать вывод, что в течение 40 минут образец набирает до 80 % прочности (рис. 2).

Рис. 2. Время набора прочности контрольных образцов серобетона Fig. 2. Time of durability of control samples of sulfur concrete

Заключение

Все образцы полученного серобетона по прочностным характеристикам не уступают образцам бетона на основе цемента и на основе серного вяжущего с применением неорганиче-

ских модификаторов. Остальные физико-химические характеристики будут изучены в дальнейшем, что позволит в полной мере судить о преимуществах органических модификаторов перед неорганическими.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Официальный сайт STAR Crete [Электронный ресурс]. URL: www.starcrete.com/properties/ (05.04.2017).

2. Loov R.E., Vroom A.H., Ward M.A. Gray-concrete - a new building material // Journal of PCI. 1974. January-February. P. 86-95.

3. Ciak N., Harasymiuk J. Technology of sulfur concrete and its application in industrial construction // Technical Sciences. 2013. Vol. 16 (4). P. 323-331.

4. Khademi A.G., Sar H.I.K. Comparison of sulfur concrete, cement-concrete and cement-sulfur concretes and their properties, and application // International Scientific and Research Journal of Environmental Science. 2015. Vol. 10 (Special Issue 1). P. 201-207.

DOI: http://dx.doi.org/10.12944/CWE.10.Special-Issue1.26

5. Vlahovic M.M., Martinovic S.P., Bol-janac T.Dj., Jovanic P.B., Volkov-Husovic T.D. Persistence of sulfur concretes in various aggressive environments // Construction and building materials. 2011. Vol. 25. № 10. P. 3926-3934.

6. Пат. 2382009, Российская Федерация, С04В40, C04B28/36, C04B111/20. Способ приготовления смеси для серного бетона / Б.И. Афанасьев, А.О. Куксов. № 2007141980/03; заявл. 20.05.2009; опубл. 20.02.2010.

REFERENCES

1. Ofitsial'nyi sait STAR Crete [Official site STAR Crete]. Available at: http:// www.starcrete.com/properties/ (accessed 05.04.2017).

2. Loov R.E., Vroom A.H., Ward M.A. Gray-concrete - a new building material. Journal of PCI, 1974, January-February, pp. 86-95.

3. Ciak N., Harasymiuk J. Technology of sulfur concrete and its application in industrial construction. Technical Sciences, 2013, vol. 16 (4), pp. 323-331.

4. Khademi A.G., Sar H.I.K. Comparison of sulfur concrete, cement-concrete and cement-sulfur concretes and their properties, and application. International

Scientific and Research Journal of Environmental Science, 2015, vol. 10 (Special Issue 1), pp. 201-207. DOI: http://dx.doi.org/10.12944/CWE.10.Special-Issue1.26

5. Vlahovic M.M., Martinovic S.P., Boljanac T.Dj., Jovanic P.B., Volkov-Husovic T.D. Persistence of sulfur concretes in various aggressive environments. Construction and building materi-als, 2011, vol. 25, no. 10, pp. 3926-3934.

6. Afanas'ev B.I., Kuksov A.O. Sposob prigotovleniya smesi dlya sernogo betona [The way to prepare mixture for sulfur concrete]. Patent RF, no. 2382009, 2010.

Критерии авторства

Ле Ньят Тхюи Занг, 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.

Статья поступила 17.10.2017 г.

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.

The article was received 17 October 2017