Мар 102011
 

Волгушев А. Н. НИИЖБ, Москва

Приведены результаты экспериментальных исследований основных физико-механи­ческих свойств серных композиций. Сравнение этих характеристик с аналогичными по-каза!слями традиционно применяемых материалов позволяет дать оценку преимуществ или недостатков предлагаемых решений. Приведены специальные свойства серных ком­позиций. Указано, что применение технической серы наиболее перспективно и экономи­чески выгодно в строительной и дорожной индустрии.

Стратегическим направлением деятельности НИИЖБ является повышение физико-механических свойств строительных материалов и изделий на их основе, разработка но­вых композиций и технологий, что остается основополагающим направлением развития стройиндустрии. Определяющими показателями конкурентоспособности и обоснован­ности технологических решении при организации нового или реконструкции существу­ющего производства являются материалоемкость, энергоемкость, капитальные затраты на единицу продукции. Потребность в долговечных материалах и конструкций на их основе огромная, задачи снижения энергозатрат и использование попутных продуктов и отходов всегда актуальны. Одним из вариантов решения этих задач является исполь­зование серы в технологии стройиндустрии, дорожном и специальном строительстве. В НИИЖБ выполнены комплексные исследования по подбору составов, изучению физи­ко-механических свойств и техники ических параметров пригоговления и формования нового поколения композиционных материалов на основе ТПСВ. серосодержащих огхо-дов промышленных производств и серных руд. При этом достигается минимальное изъ­ятие природных ресурсов, максимальное использование промышленных отходов других производств, повышение показателей прочности и долговечности, совместимость с тра­диционными материалами, безотхолность технологических процессов, экономичность, обеспечение высоких эстетических качеств, экологическая безопасность производства и эксплуатации. Всем этим требованиям в меньшей и ж большей степени отвечают как композиции на основе серного вяжущего, так и технологии их получения.

Работы по созданию новых композиционных материалов, способных длительное время эксплуатироваться в условиях воздействия промышленных, климатических и других видов агрессивных сред, всегда актуальны. Исследования последних лет как в нашей стране, так и за рубежом показали, что для получения химически стойкого компо­зиционного материала в качестве основы связующего может быть использован расплав серы. Серные компониы являются новым видом материалов, в состав которых входят термопластическое серное вяжущее (ТПСВ) и инертные заполнители. Особенностью этих композиций является вил связующего, в качестве которого используется техничес­кая сера, модификаторы и наполнители. Сера по своей природе является термопластом, и композиции на се основе являются термопластами.

Серные бетоны обладают рядом положительных свойств по сравнению с другими ви­дами бетонов, в том числе: быстрый набор прочности, способность отверждаться при от­рицательной температуре и под водой, свойство повторною использования при нагреве, имеют низкую стоимость Кроме ТОГО, эти материалы обладают водонепроницаемостью, атмосферо- и морозостойкостью, химической стойкостью, низкими тепло- и электропро­водностью и при соответствующем технико-экономическом обосновании могут найти применение в различных конструкциях и сооружениях. Серные бетоны применяются в конструкциях зданий и сооружений, в период эксплуатации которых предъявляются повышенные требования по стойкости к агрессивным средам, морозо- и атмосферостойкости, непроницаемости. Такие конструкции применяются в промышленных, сель­скохозяйственных, складских сооружениях как для сыпучих, так и жидких материалов. Наиболее перспективны серные бетоны для изготовления:

—           элементов дорожных покрытий (плиты, тротуарные плитки, торцовые шашки, бор­товые камни, дорожные ограждения);

—           конструкций, подверженных солевой агрессии (полы, сливные лотки, фундаменты):

инженерных сооружений (коллекторные кольца, канализационные трубы, очистные сооружения);

фугеровочных блоков и ряда других конструкций.

В качестве инертного наполнителя, выполняющего роль структурообразователя. при приготовлении ТПСВ применяют тонкодисперсные материалы с крупностью зерен до 0.15 мм, в том числе: андезитовую муку, кварцевую муку, маршатит, диабазовую муку, графитовый порошок, базальтовую муку, шамот, золу-унос, трепел и другие виды мине­ральных порошков. Удельная поверхность наполнителей должна быть от 2000 до 3000 см2. ТПСВ во многом определяет свойства как смеси, так и затвердевшей композиции. Это соотношение можно условно оценивать по аналогии с цементными бетонами как водоцементное отношение, т.е. отношение жидкой фазы к мелкодисперсной. При этом необходимо учитывать, что все количество жидкой серы переходит в твердое состояние. Наполнитель может быть охарактеризован размерами зерна, формой зерна. Эти свойс­тва определяют такими показателями, как удельная поверхность наполнителя и пусто-тность.

Кроме технической серы, для производства серных бетонов используются так на­зываемые серосодержащие отходы (ССО) различных производств и серные руды (CP). Учитывая, что ССО. как правило, не используются, а вывозятся на свалки, изготовление серных бетонов на основе ССО способствует решению не только технических, но и эко­логических задач. Оценку пригодности ССО и CP для приготовления серных бетонов производят по содержанию серы, гранулометрическому и химическому составам мине­ральной составляющей.

Свойствами серных композиций возможно в некоторых пределах целенаправленно управлять путем введения в состав модифицирующих добавок Количество модифици­рующей добавки составляет от 1 до 10% от массы серы. Модифицирующие добавки в зависимости от их функционального назначения подразделяют на пластифицирующие, стабилизирующие, антипирены. антисептики и комплексного воздействия.

Одним из важнейших этапов создания композиционных материалов с использова­нием новых видов вяжущих является изучение основных закономерностей их структу­рообразования на |ранице «заполнитель-ТПСВ» с учетом свойств исходных материалов и количественного соотношения. Наибольшее практическое значение имеет доведение этих закономерностей до количественных зависимостей, что позволяет использовать их при выполнении технологических и экономических расчетов. Углубленное изучение влияния составляющих на формирование структуры, определяющей физико-механичес­кие свойства материала, с использованием единого методического подхода позволяет получить надежные и сопоставимые количественные зависимости. Процесс формиро­вания структуры серного бетона протекает значительно проще, чем у цементного бетона, в котором нарастание структурной прочности связано с образованием продуктов взаи­модействия цемента с водой. При остывании смеси серного бетона происходит кристал­лизация серы на поверхности наполнителей и заполнителей и образование контактного слоя. Сухая смесь минеральных заполнителей, образуя каркас системы, после введения ТПСВ приобретает структуру и свойства смеси. Пустоты между зернами песка и щебня довольно велики, а удельная поверхность их мала, следовательно, действия поверхнос­тных сил ничтожно малы. При добавлении смеси ТПСВ, обладающего сильно развитой поверхностью, проявляются силы поверхностного взаимодействия, и смесь приобрета­ет связанность. По аналогии с цементными бетонами структура серных бетонов может быть представлена в виде трех структур. В первом виде структуры количество мастич­ной части значительно превышает объем межзерноных пустот. Черна раздвинуты на зна­чительное расстояние. Во второй структуре мастичной части столько, чтобы заполнить весь объем межзерновых пустот с незначительной раздвижкой зерен на толщину т 1 до 3 диаметров частиц минератьной муки. Наконец, в третьей структуре серного бетона мастичной части значительно меньше, чем объем межзерновых пустот. Мастика лишь обволакивает зерна заполнителей и скрепляет их только в зоне контакта. Каждая из пере­численных структур имеет свои особенности и закономерности как при формовании, так и работе под нагрузкой.

Подбор состава композиционного материала типа бетон, каким является серный бетон, заключается в определении оптимального содержания всех составляющих ком­понентов (щебня, песка. ТПСВ), чем достигается получение материала с требуемыми физико-механическими свойствами. Решающая роль при этом отводится определению содержания ТПСВ в композиции. В практике при подборе составов бетонов на основе ССО и CP наиболее удобным может служить метод привода их составов к известному

Изучение физико-механических свойств серных бетонов имеет большое определя­ющее значение для назначения областей его практического применения. Одним из ос­новных показателей серного бетона является его прочность. Структура серного бетона неоднородна. Крупный заполнитель, растворная часть. ТПСВ отличаются друг от друга способностью воспринимать нагрузку. Особенно это различие проявляется при исполь­зовании высокопрочных заполнителей из гранита или других пород, прочность которых значительно превышает прочность растворной части. В случае легких серных бетонов может наблюдаться обратная картина когда растворная часть по прочности превосходит прочность заполнителя. Прочность серных бетонов зависит от многих факторов, в том числе — от расхода ТПСВ.

Деформатнвныс свойства серных бетонов, которые проявляются в процессе тверде­ния и эксплуатации (усадка, ползучесть), необходимо учитывать при определении трс-щиностойкости и жесткости конструкции. Прочность, хотя и является одним из основ­ных показателей материала, все же не определяет полностью надежность его работы под нагрузкой. Говоря о ползучести материала, понимают его способность деформироваться

в напряженном состоянии от постоянно действующей длительной нагрузки. Деформа­ция ползучести наиболее ярко проявляется на первом этапе загружения. Со временем, если уровень напряжений не превышает определенного предела, деформации штулают. Ползучесть может иметь незатухающий характер, что со временем приводит к разруше­нию Исследования ползучести образцов с рагпичным содержанием ТПСВ показали, что с увеличением содержания ТПСВ в составах ползучесть значительно возрастает Таким образом, ползучесть серных бетонов во многом зависит от содержания серы. т.е. состава и количества ТПСВ. Как и в цементных бетонах, с увеличением содержания евягующего ползучесть возрастает.

Для оценки длительной прочности серных бетонов была испытана серия образцов при различных уровнях нагружения. Из приведенных результатов видно, что при уве­личении уровня нагружения с 0.3 до 0,5Rnp значительно, возросла мера ползучести. Де­формации образцов носили затухающий характер. Увеличение уровня нагружения до 0,8Rnp вызвало значительное возрастание деформаций 11рн уровне на!ружения 0.90Rnp образцы разрушились на 78 лень, а при уровне 0.94Rnp — через 66 дней. Таким образом, серные бетоны обладают затухающей ползучестью при уровне нагружения ло 0.5Rnp. Меры ползучести у серных образцов всех составов значительно меньше, чем у цемент­ных бетонов аналогичных но прочности марок.

Температурно-усадочные деформации в процессе твердения серных композиций приводят к изменению их объемов и соответственно линейных размеров. Эти явления связаны с температурными деформациями, которые протекают в серном бетоне в про­цессе охлаждения и в процессе структурных изменений мри перехоле серы из жидкого в твердое состояние. Усадкой принято считать процесс проявления и развития свободных объемных деформаций при отсутствии внешнего силового воздействия. Серные образ­цы после формования в процессе охлаждения и перехода серы из жидкого состояния в твердое испытывают деформации, суммарная величина которых складывается из темпе­ратурных деформаций и структурных при переходе серы из одного состояния в другое.

Стойкость серного бетона к попеременному замораживанию — оттаиванию опреде­ляли на образцах с предварительным замачиванием. В данном случае наблюдался общий эффекг изменения прочности серного бетона от совместного действия воды и мороза. Резкое снижение прочности серного бетона наблюдали уже в начале испытаний после первых 50 циклов. В дальнейшем до 500 циклов прочность снижается очень незначи­тельно.

Для изучения изменения свойств серного бетона в различных климатических услови­ях (Норильск. Москва. Ашхабад) видимых внешних изменений на образцах не обнару­жено. Прочность на сжатие после годичных испытаний снизилась до уровня 0.6- 0.85 от исходной. В нормальных условиях хранения прочность серного бетона не изменилась.

Серные бетоны обладают сравнительно низкой термостойкостью, так как при нагре­ве до 120°С сера плавится, происходит нарушение структурных связей, разуплотнение и переход из твердого состояния в подвижное. 11ри определении предельно допустимой температуры Haipeea было установлено, что при нагреве до 80°С составы практически не меняют своей первоначальной прочности. Дальнейшее увеличение температуры на­грева приводит к резкому снижению прочности, которая при 110°С составляет только 50% первоначальной. Таким образом, предельная температура ширена изделий из серно­го бетона не должна превышать 80°С.

Технологической особенностью приготовления серных бетонов является способ их получения по так называемой «горячей» технологии, по которой все составляющие до

перемешивания подогреваются до 140 — 15()°С. При этой температуре сера находится в жидком состоянии. Расплав серы в составе смеси выполняет роль жилкой фазы, опреде­ляющей все основные технологические показатели смеси (подвижность, удобоуклады-ваемость). Жизнеспособность смеси в горячем состоянии практически не ограничена. Процесс отверждения связан с кристаллизацией серы при охлаждении. При температуре ниже 120°С сера из жидкого состояния переходит в твердое. Наиболее близко к серным бетонам по технологическим параметрам подходит производств*) асфальтобетона Пере­мешивание составляющих серобетонной смеси можно производить по одно- или двух стадийной технологии. Перемешивание по одностадийной схеме производят за одну операцию. В смеситель последовательно вводят отлозированное количество нагретых щебня, песка и перемешивают. Затем вводят гранулированное ТПСВ и вторично переме­шивают до получения однородной массы. При двухстадийном перемешивании на первом этапе приготовляют расплав ТПСВ. на втором — бетонную смесь. Приготовление ТПСВ производят в специальном смесителе. Приготовленная смесь выгружается из смесителя либо непосредственно в форму, либо в бункер-накопитель. Уплотнение смеси в форме предпочтительно производить на виброплощадках. Допускас1Ся применение навесных вибраторов. Свойства смеси серного бетона в процессе приготовления, укладки и уплот­нения швисят от количества ТПСВ и температуры.

Получение изделий заданной формы из рабочей смеси возможно лишь в том случае, если смесь обладает определенной подвижностью, т. е. способностью деформироваться без разрыва связей, принимать заданную форму и уплотняться. Основное влияние на это свойство бетонной смеси оказывает количество и состав ТПСВ. которое относится к структурирующей составляющей. Пленка жидкой серы на поверхности наполнителя и заполнителя придает композиции свойство подвижности в горячем состоянии и прочнос­ти при охлаждении смеси.

Серные бетоны не следует рассматривать как замену широко распространенного це­ментного бетона. Серный бетон имеет специальные свойства, что должно прежде всего учитываться при определении областей применения.

 

Усредненные показатели физико-механических свойств

Показатели Составы тяжелые Составы легкие
Средняя плотность, кг/м’ 2300-2600 1400-2000
Прочность, МПа 30-60 20-30
Модуль упругости при сжатии. МПа (3,5-4.1)1 О* 0.8-2.1)10′
Коэффициент Пуассона 0,18-0,20 0.31-0,24
КЛТР (х 10-6), С 11-13 7-9
Линейная усадка, % 0,2-0,4 0,2-0,4
Водопопюшенис, % 0,5-1,2 0,7-1,5
Водонепроницаемость, аги 10-20 6-10
Морозостойкость, циклы 200-400 50-150
Термостойкость, «С 80 80
Коэф. теплопровод кал/см сек/°С 0,23-0,3 0,05-0.11

 

Дополнительно по результатам исследовнаий установлено, что ТПСВ имеют:

— затухающую ползучесть при уровне нагружения до 0.5Rn[i. меру ползучести в преде­лах (0,5-1 )х 10-5 см’/кг;

-температурно-усадочные деформации — в пределах (20-30)х10-Змм/мм наблюдаются

только в первые сутки при остывании;

 

-атмосферостойкоеть в климатических условиях Норильска, Москвы, Ашхабада со­ставляет Ко — 0,7-0,85;

-прочность сцепления I арматурой не ниже прочности сцепления композитов на порт­ландцементе, что обеспечивает их совместную работу под нагрупсой;

-высокую совместимость свежего состава со старым затвердевшим бетоном. При не­обходимости, например при отрицательной температуре, поверхность старого бетона можно активизировать прогревом;

—           cтабильные теплотехнические показатели, высокую термосопротивляемость в ограж­дающих конструкциях;

-высокую коррозионную стойкость при воздействии масел, растворов солей и кислот, суровых климатических и атмосферных условий;

— хорошую сопротивляемость многократно-повторным и динамическим нагрузкам;

— способность быстро отверждаться и набирать отпускную и проектную прочность, твердение смеси происходит в результате остывания и может происходить при отрица­тельных температурах и под водой;

— жизнеспособность смеси при температуре 140-150°С практически не ограничена. .

— серные бетоны могут быть использованы при бетонировании зимой (до -40°С) и под

водой (в пресных и засоленных водоемах).

 

 Posted by at 19:08

 Leave a Reply

You may use these HTML tags and attributes: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>

(required)

(required)

Включите изображения, чтобы увидеть вопрос *

Яндекс.Метрика