Исследование модифицированного серного бетона для достижения промышленной устойчивости

Введение. Портландцемент (ПЦ) является наиболее широко используемым бетоном в строительной отрасли. Тем не менее ПЦ имеет короткий срок службы в некоторых агрессивных средах, что приводит к необходимости дорогостоящего ремонта.

Сера и ее производные считаются одними из самых важных элементов, используемых в качестве промышленного сырья во всем мире [1]. Серу применяют в основном в сельскохозяйственной промышленности в качестве удобрения и в различных химических процессах, но также возможно ее применение и в обрабатывающей промышленности (фармацевтика, средства личной гигиены, косметика, очистка воды и т.д.). Сера в естественном виде содержится в окружающей среде и находится в числе десяти наиболее распространенных элементов в земной коре [1–3]. Поскольку потребление ископаемого топлива увеличивается во всем мире, при добыче нефти и газа образуется сера в качестве побочного продукта, который используется как связующее в композиционных строительных материалах, таких как асфальт и бетон [4]. Фактически серные цементы были признаны обеспечивающими хорошую устойчивость к химическому воздействию, имеющими быстрое отверждение (то есть достигающими требуемых свойств всего за 24 часа), высокую прочность и усталостную стойкость, очень низкую водопроницаемость и исключительную устойчивость к кислотным и солевым агентам, что позволяет использовать их в высокоагрессивных средах [4,5,6]. Кроме того, механические свойства серных цементов могут быть улучшены за счет включения различных добавок для получения так называемых модифицированных серных цементов.

Целью данного исследования было внедрение местных материалов в промышленное производство модифицированного серобетона (MCБ) с улучшенными характеристиками.

Методическая часть. Элементарная сера с чистотой 99,9%, удельным весом 1,032 г/см³ и другими компонентами использовалась в качестве связующего. Серу модифицировали с пиролизным дистиллятом, состоящим из олефиновых углеводородов. Полученные образцы представляли собой песчано-кремнистый речной гравий в виде мелких и крупных фракций и были получены из местных каменных карьеров с максимальным размером частиц ¾ (рис. 1). 

Рисунок 1. Образцы из серного бетона

Образцы из серобетона подвергали воздействию растворов серной кислоты (H₂SO₄) и сульфата аммония (NH₄)₂SO₄ в концентрации 40% для моделирования условий промышленной среды.

Результаты и их обсуждение. Одним из основных преимуществ MCБ перед ПЦ является его долговечность в большинстве кислых и солевых сред, особенно на промышленных предприятиях, где обычный ПЦ имеет короткий срок службы. Помимо промышленных предприятий, MCБ применяют в сооружениях при циклах замораживания и оттаивания, на объектах пищевой промышленности, при изготовлении канализационных труб, дренажных каналов и морских сооружений. Что касается устойчивости, MCБ может считаться экологически чистым материалом, поскольку он может заменить портландцемент в нескольких строительных приложениях.

MCБ развивает около 80% предела прочности при сжатии всего через несколько часов после отливки и обычно от 80 до 95% через 24 часа [7]. В этой работе исследования проводились на двух одинаковых образцах, отвержденных за 3, 7, 14 и 28 дней. Средняя прочность на сжатие и ее эволюция с течением времени для всех образцов показаны в таблице 1. Как видно из таблицы 1, средняя прочность на сжатие, полученная за 3 дня, составила 33 МПа и 41 МПа за 28 дней. Результаты согласуются с процентом прочности на сжатие, рассчитанным как 80,5% по сравнению со значением 28 дней, как приведены в других работах [8,9]. 

Таблица 1.

Прочности на сжатие для образцов MCБ

Испытания на долговечность образцов MCБ были проведены путем измерения массы образца через 3, 7, 14 и 28 дней и сравнения ее с начальным значением (до погружения), полученные результаты показаны на рис. 2 и 3. Потеря массы была рассчитана для квадратных образцов MCБ размером 10х10х10 мм, погруженных в 40%-ный раствор серной кислоты и сульфата аммония. Полученные значения изменения массы вследствие погружения были низкими, что говорит о том, что образцы после воздействия кислой и сульфатной сред не показали какого-либо ухудшения, как это было в работе [4]. 

Рисунок 2. Изменение массы во время погружения в 40%-ный H₂SO₄

Рисунок 3. Изменение массы во время погружения в 40%-ный (NH₄)₂SO₄

Результаты ухудшения свойств MCБ были оценены путем сравнения результатов прочности на сжатие при различном времени погружения в растворы и прочности на сжатие контрольных образцов, погруженных в обычную воду. Была рассчитана потеря массы и прочности на сжатие, полученные результаты приведены в таблице 2. Результаты по прочности на сжатие, по-видимому, слегка зависят от погружения в агрессивные среды, и контрольные образцы ведут себя аналогично другим образцам с увеличением времени погружения, демонстрируя высокую химическую стойкость MCБ. Средние значения массы после погружения в раствор были немного выше в обоих случаях, но оставались в пределах ожидаемых значений. Кроме того, трещин или повреждений не наблюдалось после того, как образцы подвергались экстремальным условиям воздействия во время испытания. Что касается результатов прочности на сжатие, как показано в таблице 2, средние значения снизились на 0,12-0,22% в 40% -ном растворе H₂SO₄ и на 0,02-0,7% в 40%-ном (NH₄)₂SO₄, аналогично результатам, приведенным в работах [4, 7,8]. 

Таблица 2.

Результаты испытаний на долговечность при погружении образцов в химические растворы: потеря массы и потеря прочности на сжатие после погружения

Заключение. Таким образом, полученные результаты дают основания утверждать, что, используя экспериментально полученные данные, можно разрабатывать различные конструкционные строительные материалы и смеси MCБ в зависимости от желаемой прочности на сжатие и для минимизации затрат.

Модифицированный серобетон достигает примерно 80,2% предела прочности за один день заливки. Это сопротивление продолжает расти со временем, но с меньшей скоростью. Никаких значительных изменений в весе единицы или прочности на сжатие не наблюдалось для образцов после испытания на долговечность в двух агрессивных средах, что свидетельствует о высокой химической стойкости MCБ. Результаты прочности на сжатие снизились на 0,12-0,22% в 40%-ном растворе H₂SO₄ и на 0,02-0,7% в 40%-ном (NH₄)₂SO₄.