Модификация серы с промышленными отходами для получения серного бетона

АННОТАЦИЯ

В статье исследован новый модификатор для серы на основе промышленных побочных продуктов золошлаковых отходов и пиролизного дистиллята. Установлено, что прочность на сжатие увеличивается с повышением массы модификатора от 2 до 8%, для связующих с пиролизного дистиллята от 14,2 до 20,4 МПа.

ABSTRACT

The article investigates a new modifier for sulfur based on industrial by-products of ash and slag waste and pyrolysis distillate. It has been established that the compressive strength increases with an increase in the modifier mass from 2 to 8%, for binders with PD from 14.2 to 20.4 MPa.

Ключевые слова: сера, модификация, серобетон, модифицированная сера.

Keywords: sulfur, modification, sulfur concrete, modified sulfur.

Производство портландцемента - это энергоемкий процесс, связанный со значительными выбросами парниковых газов в количестве около одной тонны диоксида углерода на тонну полученного цемента [1]. Поэтому возникла необходимость в поиске других материалов, которые можно было бы использовать в качестве эффективного связующего и которые могли бы заменить гидравлический портландцемент. В последние несколько десятилетий большой интерес вызвали цементы на основе серы и их использование для вышеуказанных целей [2]. Однако, присутствие только серы в таком составе привело к ограничению прочности и долговечности при повторяющихся циклах замораживания-оттаивания [3]. Это связано с тем, что во время охлаждения приготовленного жидкого цемента сера сначала кристаллизуется в моноклинную серу (β-сера). Затем при температуре ниже 95,3°С он претерпевает аллотропное фазовое превращение в орторомбическую серу (α-сера), что связано с уменьшением объема, вызывающим внутренние напряжения в образованной структурной сети серобетона [4]. В литературах эти характеристики были уменьшены добавлением дициклопентадиена (ДСПД) или других синтетических ненасыщенных органических модификаторов, таких как циклопентадиен и дипентен. Эти химические вещества усиливают сшивание матрицы серного цемента на этапе приготовления цемента в горячем состоянии [5]. Модифицированный полимерный серобетон (ПСБ) является доступными материалом по сравнению с портландцементом, и поэтому их производство менее вредно для окружающей среды, чем портландцемент. Производство портландцемента – это энергоемкий процесс, связанный со значительными выбросами парниковых газов в количестве около одной тонны диоксида углерода на тонну полученного цемента.

Однако обычные модификаторы полимерного серобетона (ПСБ), используемые до сих пор (дициклопентадиен), представляют собой вывозимые дорогостоящие органические растворители для нашей Республики. Следовательно, разработка связующих для ПСБ с использованием модификаторов из отходов производств может привлечь внимание промышленности и академических кругов. Такие материалы, могут использоваться для модификации серы и являются сшивающими агентами синтетического происхождения [6].

Экспериментальная часть. В качестве органического модификатора в нашей работе использовался промышленный побочный продукт пиролизный дистиллят (ПД), то есть вторичный продукт при синтезе этилена и пропилена.

Полимерная модифицированная сера (ПМС, серное связующее) был приготовлен из элементарной серы и из пиролизного дистиллята: смешанной смеси, в взвешенной пропорции 1:1. Определенное количество серы, помещенное в цилиндрическую трубку с внутренним диаметром 2 см, расплавляли в глицериновой бане, нагревали до 140 °C и интенсивно перемешивали с помощью механической мешалки. При этой температуре модифицирующий реагент (пиролизный дистиллят) добавляли к расплавленной сере примерно 2, 4, 6 или 8% от массы серы. После завершения добавления модификаторов полученный расплав ПМС перемешивали при температуре 135–140 °C еще 20–30 мин. Композит с золошлаковыми отходами получали путем дополнительного добавления сухих золошлаковых отходов к расплавленному ПМС в виде порошка с размером гранул менее 0,5 мм. Конечное содержание золошлаковых отходов составило 25 или 50% от массы композита соответственно. Непрерывная гомогенизация проводилась путем перемешивания с добавлением золошлаковых отходов и длилась примерно 10–20 мин. Следует отметить, что в случае ПМС на основе пиролизного дистиллята при добавлении отходов (при 135–140 ^оС) наблюдалось образование гелеобразной (слегка резиноподобной) консистенции. Это препятствовало равномерному распределению золошлаковых отходов по всему объему приготовленных образцов. Затем их дегазировали с помощью вибрации на вибростоле в течение примерно 5 мин, после чего трубки охлаждали до комнатной температуры. Полученные таким образом образцы затвердевшего ПМС и его композиты в виде цилиндрических дисков диаметром 2 см и высотой 4 см были использованы для оценки их свойств и эффективности в иммобилизации металлов из золошлаковых отходов. Состав золошлаковых отходов приведены в таблице 1, а элементный состав модифицированной серы приведен на рис. 1.

Таблица 1.

Химический состав золошлаковых отходов Ангренской ТЭС

Рисунок 1. Элементный состав полимерной модифицированной серы

Интерес к использованию полимерного серобетона для удаления опасных промышленных отходов вызвал рост интереса к синтетическим модификаторам, которые позволяют заменять ДЦПД или другие широко используемые синтетические добавки. Пиролизный дистиллят, состоящий до 76% из непредельных соединений, содержит ненасыщенные двойные связи на цепь углеводородов, поэтому они являются очень привлекательной альтернативой для этой цели.

Результаты и их обсуждение. Прочность на сжатие - один из наиболее важных параметров при определении эффективности отверждения полимерного серобетона (ПСБ). Это важно при оценке структурной целостности образцов и должно иметь достаточное значение, чтобы поддерживать стабильность и форму образцов и выдерживать нагрузочное давление при эксплуатации. Кроме того, знание нагрузки, которую могут выдержать затвердевшие образцы, позволяет определить максимальное содержание составов. Прочность на сжатие исследованных ПСБ и затвердевших композитных образцов определяли через 24 ч их изготовления. Среднее значение было взято из двух измерений для соответствующего образца. Влияние исследуемых модификаторов и их доз на прочность на сжатие приготовленных ПСБ и композитов с золошлаковыми отходами показано на гистограмме на рисунке 5. Значение прочности на сжатие контрольного образца (S, без модификатора), т.е. серный бетон, приготовленный без модификатора, составило 5,27 МПа, что показано в виде полос на гистограмме на рисунке 5. Для модификатора ДЦПД с дозами до 8% соответствуют столбцы 8.9, 10.6, 12.9 и 15.6 МПа, для ПСБ на основе ПД выделены столбцы 14.2, 16.3, 18.6 и 20.4 Мпа. Из полученных данных видно, что постепенное увеличение прочности на сжатие наблюдается с увеличением массы модификатора от 2 до 8%, для связующих с ПД от 14,2 до 20,4 МПа, а для связующих с ДЦПД от 8,9 до15,6 МПа.

Рисунок 5. Зависимость вида модификатора серы для ПСБ и его дозы от прочности на сжатие связующих ПСБ

Представленные выше данные показали, что, несмотря на более сложную обрабатываемость образцов на основе ПД, их прочность на сжатие была выше по сравнению с соответствующими образцами на основе ДЦПД.

Заключение. Таким образом, представлена оценка возможности использования пиролизного дистиллята в качестве модификатора полимеризации серы при получении ПСБ. Полученные данные сравнивались с показателями ПСБ на основе модификатора ДЦПД и ПД. Свойства ПСБ, модифицированных модификаторами серы и их смешанной смесью (ПД и ДЦПД) в количестве 2, 4, 6 и 8%, которое оценивали по прочности на сжатие.

Представленные результаты указывают на многообещающее практическое значение ПСБ на основе легкодоступного и недорогого модификатора пиролизного дистиллята, который может заменить используемые в настоящее время импортные аналоги. ПСБ на основе пиролизного дистиллята является конкурентоспособным, высокоэффективным и экологически чистым сопутствующим материалом, по сравнению с другими обычными ПСБ. Необходимы дальнейшие обширные исследования для улучшения методологии его подготовки, определения его долговременной химической стойкости и механических характеристик для оценки его потенциального применения в качестве строительного материала или связующего для использования промышленных отходов.

Список литературы:

1. Бекназаров Х.С., Джалилов А.Т., Каримов М.У., Соттикулов Э.С. Исследование модифицированного серного бетона для достижения промышленной устойчивости // Universum: Технические науки : электрон. научн. журн. 2019. № 5(62). -С.65-68. URL: http://7universum.com/ru/tech/archive/item/7389
2. Бекназаров Х.С., Тураев Х.Х., Аманова Н.Д. Синтез и исследование нового полимерного серобетона // Universum: технические науки : электрон. научн. журн. 2020. № 6 (75). URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/9598
3. B.K. Bordoloi, E.M. Pierce, Plastic sulfur stabilization by copolymerization of sulfur with dicyclopentadiene, Adv. Chem. 165 (1978) 31–53.
4. M. Ksią_zek, The influence of penetrating special polymer sulfur binder-polymerized sulfur applied as the industrial waste material concrete, Composites Part B 62 (2014) 137–142.
5. J. Beaudoin, R.F. Feldman, Durability of porous systems impregnated with dicyclopentadiene-modified sulfur, Int. J. Cem. Compos. Lightweight Concr. 6 (1) (1984) 13–18.
6. Бекназаров Х.С., Тураев Х.Х., Хайитова Ж.М. Исследование состава и структуры модифицированного серобетона // Universum: технические науки : электрон. научн. журн. 2020. № 6 (75). URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/9607