Новые модификаторы серного вяжущего для получения серобетонов повышенной прочности

Серобетон - композиционный материал, который отличается от обычного бетона тем, что вместо портландцемента и воды для его производства используют модифицированную серу (20-40%), т.н. серный цемент. В качестве наполнителей и заполнителей, как и в обычном бетоне, применяют щебень, песок, гравий, отходы производства - металлургические шлаки, отсевы дробления щебеночно-дробильных заводов и т.д.

Серобетон обладает рядом преимуществ по сравнению с традиционным бетоном:

Быстрым набором и сохранением высокой прочности
Стойкостью в кислых и солевых средах
Коррозионной стойкостью
Водонепроницаемостью
Морозостойкостью
Низкой теплопроводностью
Отвердением при низких температурах
Хорошей адгезией
Безотходностью технологического процесса

Все эти свойства определяют перспективные сферы его использования: железобетонные сваи, фундаментные плиты и монолитные фундаменты, ж/д и трамвайные шпалы, дорожные и тротуарные плиты, бордюры, дорожные покрытия и покрытия полов на химических и пищевых производствах, канализационные и водопроводные колодцы и трубы, люки теплотрасс, емкости для утилизации отходов (кислот, солей, тяжелых металлов и ядерных отходов с низким уровнем радиоактивности), гидротехнические сооружения, в том числе облицовочные плиты оросительных каналов и сооружений и т.д.

Однако применение серы в качестве связующего требует соблюдения определенных условий при формировании серобетона и изделий из него. Известно, что под действием температурных перепадов, солнечной радиации и других атмосферных воздействий структурное состояние серы может изменяться за счет перехода ее молекул из одного аллотропного состояния в другое. Такие изменения вызывают появление опасных внутренних напряжений, которые могут привести к нарушению целости материала и сокращению долговечности конструкций. Кроме того, сера является хрупким материалом, что приводит к более высокой хрупкости серных бетонов по сравнению с цементными бетонами. Для устранения перечисленных недостатков в серное вяжущее вводят различные пластифицирующие и структурирующие добавки - модификаторы.

В роли модификаторов обычно выступают ненасыщенные органические соединения - дициклопентадиен, тиоколы, стирол, пинен, норборнен и др. Наибольшее распространение получили тиоколы, дициклопентадиен (ДЦПД) и его олигомеры. Добавление модификаторов позволяет регулировать свойства серы - снижать температуру плавления, замедлять кристаллизацию, улучшать совместимость с наполнителями. Это, в свою очередь, позволяет изменять свойства серобетонов - повышать прочность, увеличивать кислотоустойчивость и огнестойкость, придавать устойчивость к щелочам и т.д.

Производство серобетона может быть организовано на любом асфальтобетонном заводе. Технология получения серобетонов мало отличается от технологии получения обычных бетонов на портландцементе и состоит из стадий растворения модификатора в жидкой сере при 130-135 °С, смешения приготовленного серного цемента и наполнителей при температуре 140-150 °С, формования и охлаждения готовых изделий.

Важными преимуществами технологии получения серобетонов является отсутствие воды в технологическом процессе, что позволяет проводить работы при отрицательных температурах. Кроме того, изделия из серобетонов можно подвергать многократной переработке нагреванием до 130 - 150 °С и повторным формированием конструкций, что исключает образование отходов и брака.

В России в промышленных объемах серобетон никто не производит, хотя разработкой технологии его производства занимаются в НИИЖБ Минстроя РФ, ООО "Астраханьгазпром", Норильском индустриальном институте; ООО "ВНИИГАЗ", Государственном научном центре РФ "Гинцветмет". Интерес к этой теме обусловлен не только уникальными свойствами серобетонов, но и проблемой утилизации технической серы, запасы которой увеличиваются в связи с постоянно возрастающими объемами серосодержащего углеводородного сырья (газ, нефть) и более глубокой очисткой от серы продуктов нефтепереработки, отходящих и дымовых газов коксохимических, металлургических и энергетических производств, что продиктовано ужесточением требований к защите окружающей среде.

Одним из сдерживающих условий развития производства серобетонов в России является отсутствие на отечественном рынке доступных и эффективных модификаторов серного вяжущего, позволяющего производить серобетоны с высокими эксплуатационными характеристиками. Рекомендуемые и известные на сегодня модификаторы стирол, ДЦПД и другие подобные соединения к числу удачных отнести нельзя как с точки зрения неопределенности поведения этих добавок в отношении к сере, так и санитарно-экологическоих требований к строительным материалам.

Нашими специалистами разработаны новые полимерные полисульфидные модификаторы серы, которые содержат ненасыщенные органические радикалы разной природы и высокое количество серы (60-80%).
Модификаторы отличаются хорошей совместимостью с серой, позволяют регулировать процесс ее кристаллизации в составе серобетона и образование однородной мелкокристаллической структуры. Содержание серы в модифицированном серобетоне - 25-30%, а полимерного модификатора в сере - 5-10%. Модификатор хорошо совмещается с элементной серой и позволяет получать серобетон повышенной прочности (70-100 МПа) и долговечности при сохранении других ценных свойств материала (быстрое твердение, водостойкость). Для достижения двукратного увеличения прочности серобетона (в сравнении с серобетоном без модификатора) достаточно введения 0,5-2,6% модификатора от массы всей композиции.

На разработанную композицию серного бетона с использованием наших модификаторов получен патент N 2374204.

Конкурентные преимущества предлагаемых модификаторов

Простая и безотходная технология, не требующая специального оборудования, заключающаяся в нагревании серы с нелетучими ненасыщенными органическими соединениями при температуре выше 120 °С.
Отсутствие летучих ядовитых компонентов.
Использование доступного дешевого сырья.
Низкая себестоимость продукта.
Получение серобетонов повышенной прочности (70-100 МПа)

Ориентировочная цена и себестоимость продукции
Расчетная себестоимость предлагаемых нами модификаторов составит - 21000 руб/т., рыночная цена (при 50% рентабельности) - 32000 руб/тн., что практически в два раза дешевле модификатора на основе широко используемого за рубежом дициклопентадиена (ДЦПД) и предлагаемого на рынке канадского модификатора STXтм компании StarCrete (2500 долл/т) (www.starcrete.com)
При рыночной цене модификатора 32 000 руб расчетная себестоимость серобетона составит 3 387 руб/м3
Ориентировочная рыночная цена серобетона при 15% рентабельности производства (средняя рентабельность производства бетона 12,5-15%)- 3895 руб/м3. Для сравнения отпускная цена высокопрочного бетона (данные сайтов московских поставщиков)
М 600 - 4000 руб/м3,
М 700 - 4300 руб/м3.
Таким образом, рыночная стоимость описанного варианта серобетона ниже стоимости соответствующего по прочности портландцементного бетона. Кроме того, надо учитывать возможность удешевления серобетонов за счет введения более дешевых наполнителей (например, отходов производства).
Модификатор может производиться на арендуемых площадях нефтехимических, газо- и нефтеперерабатывающих заводах
Основное оборудование для производства модификатора - аппарат с рубашкой и мешалкой, объем аппарата и количество аппаратов определяется объемами производства модификатора.
Для обслуживания производства понадобятся 2 аппаратчика и 1 начальник смены.

Предполагаемый объем платежеспособного рынка
При замене 3% ежегодно выпускаемого в РФ товарного бетона (26713 тыс. м3 в 2008 г. по данным ФСГС РФ) на серобетон (что составит примерно 801 тыс.м3), понадобится 36 000 т модификатора в год на сумму 1,152 млрд. руб. Прибыль до налогообложения составит 396 млн.руб./год..
При этом можно будет ежегодно утилизировать 480 000 т серы.

Необходимые инвестиции
Проект находится на стадии НИОКР. Для завершения НИОКР и организации производства модификатора необходимо инвестировать 13 млн. руб. Предполагаемый срок окупаемости - 3 года.