Монолитные конструкции из бетонов на основе термопластичного серного вяжущего
Приведены результаты исследований НИИЖБ по изучению технологических параметров приготовления и формования нового поколения композиционных материалов на основе термопластического серного вяжущего. Показаны перспективные направления по совершенствованию существующих и созданию новых решений долговечных, химически стойких конструкций из бетонов на основе ТПСВ.

В монолитном варианте может возводиться большой класс промышленных и гражданских зданий, в том числе плотины, градирни (Рис.1), трубы, резервуары, телебашни, энергетические комплексы, включая АЭС, морские платформы для добычи нефти и газа, фундаменты, подземные конструкции и многие другие инженерные сооружения.

НИИЖБ разработаны технология и оборудование для производства изделий из бетона на основе термопластичного серного вяжущего (ТПСВ), проведены исследования физико-механических свойств, химической стойкости, внутренних напряжений, реологии и других свойств. Анализ результатов научных исследований и их опытно-промышленного применения подтверждает широкие возможности дальнейшего применения разработанных бетонов в строительстве.

Термопластическое серное вяжущее приготовляют из технической серы, серосодержащего отхода или серных руд, модификатора и минерального мелкодисперсного наполнителя. Технология производства серного вяжущего значительно проще и дешевле, чем технология производства цемента. По результатам освоения производства ТПСВ могут быть получены следующие показатели по сравнению с цементом аналогичных марок:

- снижение энергозатрат в 1,5-2 раза,
- повышение экологической безопасности производства,
- снижение капитальных затрат на организацию производства на 40-50%,
- получение безотходного производства,
- снижение себестоимости в 1,5-2 раза,
- значительное повышение срока хранения (практически без ограничений).

Бетоны на основе ТПСВ представляют собой искусственный каменный материал из затвердевшей отформованной смеси, состоящей из ТПСВ (20-40%) и заполнителей (60-80%).Приготовление смеси и формовку изделий производят в горячем состоянии при температуре 130-150 °С. Композиции в зависимости от сочетания инертных заполнителей по крупности могут быть изготовлены в виде бетонов, растворов или мастик. По плотности композиции могут быть легкие, тяжелые, особо тяжелые. По структуре композиции могут быть плотные, поризованные, ячеистые, крупнопористые. Способ уплотнения смеси определяется ее подвижностью и может производиться без внешнего воздействия на смесь (литые смеси), вибрацией, силовым воздействием (прессование, прокат), комбинированным воздействием, набрызгом и др. Жизнеспособность смеси композиции при температуре 130-150 °С практически не ограничена. Конструкции из композиции на основе ТПСВ могут бетонироваться при отрицательных температурах (до -40 °С) и под водой.

Составы на ТПСВ в монолитном варианте могут найти применение при ликвидации последствий стихийных бедствий, захоронении отходов, в том числе и радиоактивных, подводном бетонировании.

Трубы и наливные емкости различного назначения - одно из перспективных направлений применения составов на основе ТПСВ, при этом используются такие свойства, как высокая плотность, водонепроницаемость, быстрый набор прочности, стойкость во многих промышленных, бытовых, природных жидких средах.

Ремонтные работы составами на основе ТПСВ могут быть эффективно выполнены при любых климатических условиях. К материалам, рекомендуемым для выполнения ремонтных работ, предъявляются специальные требования по физико-механическим показателям, основными из которых являются хорошая адгезия, быстрый набор прочности, термическая совместимость с основным материалом, низкая стоимость, доступность сырья.

При применении композиций на основе ТПСВ в монолитных конструциях могут быть достигнуты следующие показатели:

- сокращение (в 5-6 раз) сроков схватывания;
- увеличение оборачиваемости опалубки;
- повышение термосопротивляемосги ограждающих;
- экономия на 100% цемента и технической воды при производстве;
- расширение сырьевой базы производства стройматериалов за счет рационального использования попутных продуктов и отходов производства;
- исключение сезонности выполнения бетонных работ,
- существенное упрощение технологии подводного бетонирования;
- сокращение сроков выполнения ремонтных работ,
- снижение расхода энергоресурсов в 1,5-2 раза по сравнению с цементом.

Монолитное бетонирование является основным технологическим приемом при строительстве дорог. Одним из перспективных направлений применения монолитного серного бетона является его использование в дорожном строительстве. Для прогнозирования перспективных объемов дорожного строительства необходимо исходить из сложившейся структуры автомобильных дорог, достигнутого уровня ежегодного строительства и намечаемого роста инвестиций в дорожное строительство. Достигнутые объемы работ явно недостаточны, и должны быть приняты кардинальные меры для значительного увеличения темпов дорожного строительства.

Реализация предлагаемой технологии позволит решить проблему улучшения качества покрытий автомобильных дорог, повысить их эксплуатационную надежность при одновременном снижении стоимости, вовлечь в производство крупнотоннажные отходы предприятий нефте- и газопереработки и улучшить экологическую ситуацию на предприятиях, решить важную социально-экономическую проблему расширения сети дорог. Технология позволяет полностью исключить применение цемента.

Результаты обследований показывают, что более 80 процентов автомобильных дорог требуют ремонта и реконструкции. По оценкам специалистов, современная протяженность автомобильных дорог России явно недостаточна для удовлетворения социально-экономических потребностей страны. Минимальная протяженность дорог должна быть увеличена в 2,7 раза и составить не менее 1500 км.

Приготовление и укладку (формовку) смеси бетона на основе ТПСВ осуществляют на стандартном и специальном технологическом оборудовании, скомпанованном в технологическую линию. Наиболее близкими по технологическим параметрам и виду технологического оборудования являются асфальтобетонные заводы (АБЗ), которые рекомендуется принимать в качестве базовых. Удобно совместить приготовление, транспортировку и укладку бетонов на основе ТПСВ в одном агрегате, например, автосмесителе с обогреваемой грушей.

Жизнеспособность смеси зависит только от температуры и при поддержании ее в интервале 130-150 °С практически не ограничена. Затвердевшая смесь при повторном нагреве восстанавливает первоначальную подвижность.

Изготовлять конструкции и изделия из серного бетона можно в сборном, монолитном или сборно-монолитном вариантах

Твердение смеси серного бетона происходит в процессе остывания горячей смеси, что сопровождается кристаллизацией серного вяжущего на поверхности заполнителей и переходом смеси в твердую структуру.

Разработка и освоение новых видов дорожных материалов и технологий, в том числе в монолитном варианте, является перспективным и экономически оправданным направлением как при строительстве новых дорог, так и при выполнении ремонта покрытий.

Дорожное строительство - материалоемкая отрасль, для функционирования которой изымаются огромные объемы естественных природных ресурсов. Существенное сокращение этих объемов можно получить, используя техногенные отходы. К вторичным материалам относятся: попутная техническая сера, серосодержащие отходы, серные руды, различные заполнители (бой цементного бетона, шлаки и др.), наполнители (в основном это золы ТЭС). Количество накопившихся золошлаковых отходов (ЗШО) превышает 1 млрд. тонн. Ежегодное количество получаемых ЗШО составляет 50 млн. тонн, из них 85% золы-уноса и 15 % шлаков. Объем использования зол ТЭЦ в России составляет не более 4%, в то время как в США и Англии по 20-25%, в Германии и Франции по 60-70%, а в Финляндии - 90%.

Усредненные показатели физико-механических свойств серных бетонов

тяжелые

легкие

Средняя плотность, кг/м3

2300-2600

1400-2000

Прочность, МПа

40-60

20=30

Модуль упругости, МПа

(4-5)104

(2-2,5)104

Коэффициент Пуассона

0,18-0,20

0,31-0,24

КЛТР, °С

(9-10)10-6

(7-9)10-6

Линейная усадка, %

0,2-0,4

0,2-0/1

Водопоглощение, %

0,5-1,2

0,7-1,5

Водонепроницаемость, ати

10 16

8-10

Морозостойкость, циклы

150-300

50-150

Термостойкость, ''С

80

80

Коэф. теплопроводности, Вт/м °С

-

0,35-0,4

Не обойдется без монолитного бетона и космическое строительство, в первую очередь на Луне. Исследования показали, что бетоны на заполнителях из лунных пород обладают высокой прочностью. Это создает уверенность, что основным строительным материалом при строительстве базы на Луне может быть монолитный бетон на лунных заполнителях.

В ближайшее время благодаря достижениям космических технологий мечта об освоении Луны станет реальностью. Предполагается, что человек подойдет к контактному освоению Луны, что предполагает на первом этапе кратковременное посещение, на последующих - длительное пребывание. Последнее потребует создания благоприятных условий для обитания и деятельности космонавтов в сложнейших условиях открытого космоса. Для благоустройства среды обитания возможна доставка необходимого оборудования с Земли или создания комплексных сооружений из местных, лунных материалов, возможно в сочетании с земными. Одним из возможных материалов для космического строительства являются серные композиции. Сера, поданным минералогического музея РАН, на Луне имеется. Известно, что американский космический центр (НАСА) провел большие работы по изучению серных композиций применительно к условиям космоса, в частности, лунному строительству.

Одновременно потребуется решение технической проблемы перемешивания и формования смеси в условиях невесомости и пониженной гравитации. Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства США планирует строительство постоянной базы на Луне. Основным конструктивным материалом при возведении базы, возможно, станет монолитный бетон. Представляют интерес проведенные в США исследования по возможности создания эффективной и экономичной технологии приготовления бетонной смеси в космосе. Реализация этого плана была начата еще в сентябре 1994 года при запуске корабля Space Shuttle Endeavour. Спонсор программы фирма «Master HuilJers Inc.» из г. Кливленд, штат Огайо, и возглавляющий программу коллектив исследователей определили исходные составляющие и их характеристики для бетонной продукции в космосе. Космический корабль использовался для изучения процесса гидратации портландцемента в космосе, в условиях отсутствия гравитации. Гравитация в земных условиях является главной силой, за счет которой достигается эффект перемешивания составляющих в процессе приготовления бетонной смеси во вращающемся смесителе. Подвижность, осадка смеси, отделение воды и воздуха также происходят в результате воздействия гравитационных сил.

Целью исследований являлось изучение возможностей получения бетонной смеси в условиях, близких к окружающей среде Луны. Эксперимент проводился с помощью установленного на космическом корабле изолированного цилиндрического контейнера, общий объем которого составлял 0,142 м3. В контейнере размещались герметичная камера, где находились сухие компоненты смеси; лопастной смеситель с двигателем; контейнер для воды и добавки; устройство для подачи воды из контейнера в смеситель. После обсуждения состава бетонной смеси для эксперимента было решено на первой стадии ограничиться получением раствора без крупного заполнителя. Выбор растворного состава был обусловлен двумя причинами: смесь песка и цемента должна предотвратить уплотнение цемента в момент взлета, т.к. имелось опасение, что щебень может повредить миниатюрные лопасти смесителя.

Пилотная модель смесительной камеры была изготовлена из плексиглаза «ТМ», ее длина 305 мм, внутренний диаметр 102 мм. Камера была сконструирована с двойным дном, что позволяло менять объем. Первоначальный внутренний объем камеры составлял 2260 см3, объем на заключительной стадии - 1640 см3. Вода и добавка хранились под давлением в алюминиевом поршневом сосуде и поступали в смесительную камеру по стальным трубам и через мелкие фильтры с первоначальным давлением 5,2 МПа. Смесь для эксперимента состояла из 1,25 части портландцемента и 1 части песка. Водоцементное отношение составляло 0,4. Небольшое количество добавки вводили для снижения потребности в воде. Через два часа после того, как корабль достиг орбиты, включился двигатель и началось смешивание сухих материалов. Через 15 минут в перемешанные материалы добавили воду с модификатором и дополнительно перемешали. Твердение приготовленного раствора продолжалось 11 дней. В первые три дня производили замеры температуры смеси. Проводились измерения физических свойств раствора, определялись такие показатели, как прочность на сжатие и модуль упругости. Другие исследования касались в основном общей микроструктуры раствора, включая определение размеров пор, конечного объема, образования гидроокиси кальция, морфологии кристаллов и др. Контрольный замес сделан на Земле в точном соответствии с программой космического эксперимента для того, чтобы сравнить характеристики раствора, полученного в условиях земною притяжения и в условиях космоса.

Проводились ли аналогичные исследования с цементными составами в России, нам не известно. По всей вероятности, для работы в космосе более приемлемыми будут полимерные связующие, в том числе и ТПСВ.

Монолитные конструкции из бетонов на основе ТПСВ можно применять для постройки плотин, дамб, подпорных стенок и других гидротехнических сооружений, в том числе систем орошения. Быстрое схватывание составов позволяет проводить строительство более высокими темпами, что особенно важно при ликвидации или предупреждении чрезвычайных ситуаций. Грибки, растения и другие микроорганизмы, являющиеся общей проблемой для конструкций гидросооружений, сильно ограничены в развитии и жизнедеятельности на поверхности конструкции из бетонов на основе ТПСВ. Они практически непроницаемы, не подвержены капиллярному подсосу. Нанесение методом набрызга на поверхность грунтовых оросительных сооружений позволяет быстро получить водонепроницаемое защитное покрытие.

Могильники для захоронения радиоактивных и токсичных отходов из бетонов на основе ТПСВ - одно из самых перспективных направлений. Радиоактивные отходы, токсичные и химические вещества могут помещаться в специальные контейнеры в естественном или в капсулированном виде, что значительно повышает надежность захоронения. Составы могут применяться при выполнении защитно-изоляционных устройств в земле (стенка в грунте) для предохранения фильтрации вредных веществ в окружающий грунт. Бетонирование составами на основе ТПСВ объектов под водой создает надежную И долговечную защитную оболочку над объектом защиты, например, затонувшей атомной подводной лодкой, затонувшего химического оружия и др.

Заключение.

Хотя сера давно и стабильно применяется в ряде отраслей промышленности и в сельском хозяйстве, физико-химические и другие ее свойства дают уверенность в значительном расширении областей ее использования в монолитном строительстве.

Отечественные разработки в области стройиндустрии и дорожного строительства, как правило, ограничивались лабораторными исследованиями и не нашли широкого применения на практике, хотя содержат много ценной информации, которую можно использовать в будущем.

Именно ТПСВ определяет практически все свойства создаваемых на его основе композиций, а форма входящей в него серы определяется специальными химическими добавками. При производстве ТПСВ в России такие химические добавки весьма желательно производить из местного сырья на отечественном технологическом оборудовании

Представляется целесообразным организовать производство ТПСВ и композиций на их основе. Расчеты позволяют выбрать наиболее перспективный с точки зрения быстрой окупаемости затрат регион, в котором будет сооружен первый завод по производству ТПСВ и изделий из них.

Волгушев А.Н., НИИЖБ Москва

Журнал "Строительная орбита" №9, 2008   22.10.2008
Copyright 2006 ЗЖБИ-500     Карта сайта
Реклама на сайте
|