Исследование состава и структуры модифицированного серобетона

АННОТАЦИЯ

В статье исследован новый модифицированный серобетон на основе промышленных побочных продуктов госсиполовой смолы и пиролизного дистиллята, а также серы, золоуноса как мелкого наполнителя. Установлено, что микроструктура серного бетона показывает значительную степень упаковки с кремниевыми соединениями и частицами золоуноса.

ABSTRACT

The article explores a new modified sulfur concrete based on industrial by-products of gossypol resin and pyrolysis distillate, as well as sulfur, ash fly as a fine filler. It was established that the microstructure of sulfur concrete shows a significant degree of packing with silicon compounds and particles of ash.

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

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

Введение. В последние время для эффективной полимеризации серы разработаны десятки органических химических модификаторов. Обычно используемые модификаторы представляют собой дициклопентадиен (ДЦПД), комбинацию ДЦПД, циклопентадиена и дипентена [1], олефиновый полисульфид [6] и 5-этилиден-2-норборнен (ENB) и/или 5-винил-2-норборненен (ВНБ) [5]. При обработке расплавленной серой ненасыщенные углеводороды в органических модификаторах разрушают жидкие кольца S₈ и реагируют с образованием длинноцепочечных полимеров. Полимеризованные линейные серные цепи способствуют долговечности. Хотя модифицированный бетон является экологически устойчивым и долговечным, высокая стоимость этих органических модификаторов не позволяет широко его использовать в строительной промышленности [4].

Экспериментальная часть. Вместо используемых в последнее время органических модификаторов в нашей работе в качестве модификатора серы использовался промышленный побочный продукт – госсиполовая смола (хлопкового масла) и пиролизный дистиллят (то есть вторичный продукт при синтезе этилена и пропилена).

Модифицированную серу получали на основе порошковой серы, госсиполовой смолы и пиролизного дистиллята. Сера вступает в реакцию с непредельными соединениями пиролизного дистиллята при температуре от 90 до 160 °С в жидкой фазе с образованием нескольких типов полисульфидных продуктов [3]. При повышении температуры более 90 °C кольца S₈ постепенно распадаются на реакционно-активные бирадикалы. С помощью пиролизного дистиллята они достигают достаточной концентрации при температуре около 160 °C, чтобы самопроизвольно полимеризоваться в цепи μ-серы [2]. Полимерная сера имеет более низкую реакционную активность, чем другие исходные соединения, поэтому реакционная способность серы с добавкой снижается при 160 °С по сравнению с серой при 140 °С. Элементный состав модифицированной серы приведен на рис. 1.

Рисунок 1. Элементный состав модифицированной серы

Изготовление серного бетона проводили по следующему составу: 55 мас.% – песок, 15 мас.% – золоунос, 20 мас.% – сера и 10 мас.% органического модификатора. В работе золоунос (Ангренской ТЭС) использовался в качестве активатора реакции, которая позволяет во время реакции уменьшить количество углеводородного продукта, а также он обеспечивает равномерность реакции полимеризации и одновременно используется компонентом как наполнитель в композиционном материале.

Результаты и их обсуждение. С помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) показаны частицы элементарной серы и золоуноса с изображением неправильных форм частиц измельченной элементарной серы и размера (около 5 микрон или менее в диаметре) и сферических форм частиц золоуноса (рис. 2). На стадии получения серобетона материалы наполнителя и органического модификатора смешивали и нагревали до температуры 170–180 °С в течение 2 часов. Полученные материалы смешали с элементарной серой и измельчили до размера частиц 1 мм. Затем смесь нагревали и перемешивали в расплавленном состоянии при 135–145 °C в течение 2–3 часов и выливали в формы для охлаждения. Средняя плотность образцов раствора составляла 2276 (± 38) кг/м³.

Рисунок 2. СЭМ-изображения (а) измельченной элементарной серы и (б) летучей золы

Рис. 3 (a) – (б) показывает поверхностно-структурные СЭМ изображения серного бетона. В целом микроструктура показывает значительную степень упаковки с кремниевыми соединениями (нерегулярные крупные частицы) и частицами золоуноса (круглые частицы, рис. 3а), связанными вместе с серой. Как и следовало ожидать от пропорции конструкции смеси, мелкие агрегаты являются доминирующими фазами в микроструктуре серобетона. В результате анализа SEM-EDS обнаружены мелкие агрегаты и частицы золоуноса (рис. 3б). Исследование SEM на серобетон показало равномерно распределенную матрицу серы. Мы обнаружили, что некоторая область хорошо покрыта модифицированной серой, в то время как модифицированные фазы серы каким-то образом отделены и частично прикреплены на поверхности сыпучих материалов.

Рисунок 3. Микроскопические изображения СЭМ

Таким образом, можно сделать вывод, что подходящее покрытие частиц кварца и золоуноса модифицированной серой может быть важным фактором для определения дискретного образования пустот и однородной устойчивой микроструктуры. Непокрытый кварц и золоунос могут служить слабой межфазной переходной зоной для серного бетона. Полное покрытие может быть достигнуто путем увеличения количества серы в конструкции смеси или путем изменения условий смешивания (то есть скорости и температуры смешивания).

Заключение. В исследовании охарактеризован новый модифицированный серобетон с использованием промышленных побочных продуктов госсиполовой смолы и пиролизного дистиллята, а также серы, золоуноса как мелкого наполнителя.

В серии проведенных экспериментов успешно охарактеризован новый возможный устойчивый серобетон, который имеет низкий углеродный след и воздействие на окружающую среду. Результаты этого исследования будут использованы для дальнейшей оптимизации этого нового модифицированного серного бетона. Планируется провести дополнительные испытания на долговечность, включая циклы замораживания – оттаивания, чтобы оценить долговечность.

Список литературы:
1. Beaudoin J., Feldman R.F. Durability of porous systems impregnated with dicyclopentadiene-modified sulphur, Int. J. // Cem. Compos. Lightweight Concr. – 1984. – № 6 (1). – P. 13–18.
2. Lin S.-L., Lai J.S., Chian E.S. Modifications of sulfur polymer cement (SPC) stabilization and solidification (S/S) process // Waste Manag. – 1995. – № 15 (5). – P. 441–447.
3. Mohamed A., Gamal M.E., Saiy A.E. Thermo-mechanical Performance of the Newly Developed Sulfur Polymer Concrete. Reclaiming the Desert: towards a Sustainable Environments in Arid Land, Developments in Arid Region Research (DARE). – London : Taylor and Francis Group, 2006. – P. 27–38.
4. Mohamed A.-M.O., Gamal M.E. Hydro-mechanical behavior of a newly developed sulfur polymer concrete // Cem. Concr. Compos. – 2009. – № 31 (3). – P. 186–194.
5. Mohamed A.-M.O., Gamal M.E. Sulfur Concrete for the Construction Industry: a Sustainable Development Approach. – J, Ross Publishing, 2010.
6. Vroom AH. Sulphur cements, process for making same and sulphur concretes made therefrom. – Google Patents, 1981.