Серобетон: характеристики и применение

Серобетон — это относительно новый строительный материал с композитной структурой. Помимо стандартных инертных заполнителей, в его состав входит техническая сера, которая формирует структурный каркас и связывает заполнитель. Благодаря этому, композит обладает рядом свойств, значительно отличающих его от других видов бетона. Так, молекулы серы облепляют заполнитель, образуя единый монолитный состав с мелкодисперсной пористостью. Это значит, что при высокой прочности застывший материал показывает низкую теплопроводность, а значит — имеет высокую степень теплоизоляции. Кроме этого, бетон, в основе которого находится сера, становится устойчивым к химическим реагентам, например, кислотам, солям и маслам.

Преимущества серобетона

К плюсам материала можно отнести такие его характеристики:

• Низкая стоимость исходных компонентов. В состав обычного бетона, как правило, входит портландцемент, крупный и мелкий заполнители. В серобетоне в качестве вяжущего выступает техническая сера, которая стоит не дороже цемента высокой марки.
• Возможность вторичной переработки материалов. Химические соединения, образованные серой, разрушаются при температурах свыше +90⁰С. Это свойство можно использовать для вторичной переработки строительного материала и дальнейшего его использования.
• Стойкость к воздействию агрессивных сред. Химический состав портландцемента подвержен влиянию активных сред: кислоты или соли могут разрушать образованные им соединения. Серные бетоны устойчивы к воздействию агрессивной химии и надолго сохраняют прочность.
• Способность твердения смесей при достаточно низких температурах. Это дает возможность использовать серные бетоны для строительства в холодное время года, когда применение бетонов на основе портландцемента без дополнительного прогрева невозможно.
• Быстрая оборачиваемость форм. При изготовлении стандартизированных железобетонных изделий большим плюсом является быстрое затвердевание раствора. Это значит, что вскоре после заливки формы, опалубку можно снять и использовать форму снова, экономя время.
• Низкая электро- и теплопроводность. Серные бетоны отлично подходят для возведения важных объектов электрохозяйства, устройства теплых складов или технических помещений.
• Водонепроницаемость. Несмотря на то, что материал пористый, он обладает низким водопоглощением, потому что поры в нем имеют микроскопический размер, который можно увидеть только под микроскопом.
• Повышенная морозостойкость. Это свойство — прямое следствие низкого водопоглощения. Отсутствие влаги внутри застывшего массива гарантирует, что в материале при воздействии низких температур не будут возникать трещины от расширения воды при заморозке.
• Высокая износостойкость. Плотность застывшего серобетона значительно превосходит характеристики тяжелых бетонов. Это означает, что данный состав устойчив к истиранию, статическим и динамическим нагрузкам.

Недостатки серобетона

К минусам материала относят такие особенности:

• Высокая температура для приготовления смесей. Сера — это термопласт: вещество переходит из твердого состояния в жидкое при нагревании и застывает при остывании. Чтобы активировать вяжущие свойства серы и приготовить бетонный раствор, нужна высокая температура в смесителе — около 150⁰С.
• Высокая цена установки для выпуска изделий. Это прямое следствие термопластичности серы. Если для приготовления цементобетона нужен простой смеситель, то для серобетона необходима специальная установка смешивания, поддерживающая температуру, необходимую для плавления вяжущего.
• Высокая токсичность производства. В твердом виде сера безопасна для человека. Но во время затворения смеси могут выделяться серные пары. Они вредны для дыхательной системы человека. Поэтому на производстве серных бетонов необходим тщательный контроль за соблюдением требований охраны труда.
• Низкая термостойкость. Поскольку вяжущее в составе серобетонов термопластично, оно теряет свои свойства при повторном нагреве до температур плавления. Поэтому нужно учитывать риск потери прочности, если конструкция будет подвергаться сильному нагреву.

Классификация серобетонов

По своему составу серобетоны принадлежат к классу специальных бетонов. Технические и технологические нормы для этих смесей и конструкций из них описываются в стандарте ПНСТ 105-2016. Согласно данному документу, градацию материала можно провести по его физико-механическим свойствам.

• По средней плотности:
  • Особо тяжелые композиты, плотность которых более составляет 2,8 г на см.куб., что соответствует марке В 2500 и выше. Носят аббревиатуру «СбС О».
  • Тяжелые композиты, средняя плотность которых лежит в пределах от 1,8 до 2,8 г на см.куб. Соответствующие марки — В 2000-D2500, маркировка «СбС Т».
  • Легкие композиты с плотностью ниже 1,8 г на см.куб., «СбС Л», марки от D800-D2000.
• По показателям удобоукладываемости смесь бывает трех видов:
  • Жесткая. Показатель осадки конуса в пределах 1-4 см.
  • Подвижная. Соответствует осадке конуса от 5 до 9 см.
  • Литые. Осадка конуса свыше 10 см.
• По классу прочности серные бетоны можно разделить на два типа:
  • Прочные, имеющие класс от В10 до В60. Соответствуют маркам бетона М150 - М800. При этом прочность отобраных образцов на сжатие лежит в пределах 12,84-77,06 МПа, или 130,9-785,5 кг/см2.
  • Высокопрочные. К ним относятся все классы свыше В60. Прочность на сжатие при этом превосходит 83,56 МПа или 851,3 кг/см2.

Состав серобетона

Заполнители

Подразделяются на крупные и мелкие. В качестве крупного заполнителя используют щебень с плотной или пористой структурой и размерами зерен не более 40 мм. Если необходим легкий бетон, то в качестве заполнителя иногда используют пористые материалы, например, керамзит или металлургический шлак.

Мелкозернистый заполнитель должен забивать свободное пространство между зернами щебня, увеличивая плотность смеси. Для этого хорошо подходит кварцевый песок.

Чтобы увеличить удельную площадь поверхности для взаимодействия с вяжущим, используют структурообразующие мелкодисперсные материалы с тонкостью помола менее 0,15 мм, например, кварцевую муку, графитовую пудру, золу уноса и др.

Кроме того, для увеличения прочности и долговечности конструкций из серобетона может применяться отдельный вид заполнителя — армирующая фибра. Это тончайшие нити из полиэфира, полипропилена или стекла.

Вяжущие

В сернистых бетонах в роли вяжущего выступает не цемент, а модифицированная техническая сера. Это твердое вещество в виде кристалла, которое не растворяется в воде. Имеет высокую адгезию, так как может создавать соединения со многими веществами органического и неорганического происхождения. Имеет температуру плавления 120 градусов и после остывания снова застывает в единый кристалл.

Однако застывшая сера хрупкая, поэтому в чистом виде ее нельзя использовать в качестве вяжущего вещества. Для повышения прочности и получения композита с подходящими для строительства свойствами серу модифицируют химическим методом.

Модификаторы

Составляют 1-10% от общего количества вяжущего вещества в составе готового бетонного раствора. В качестве модифицирующих добавок могут применяться пластификаторы (например, парафин, каучуки, стирол), улучшающие удобоукладываемость смеси, и стабилизаторы (хлорид цинка), влияющие на продолжительность жизни раствора и расширяющие температурный диапазон использования смеси. Кроме того, в составы иногда добавляют антисептики, такие как нафталин или тимол для увеличения гомогенности раствора и защиты от расслоения.

Технология производства серобетона

При производстве серного бетона используется специальное технологическое оборудование, которое обеспечивает получение раствора по «горячей» технологии. Предварительно все компоненты раствора просушивают, обеспыливают заполнители и прогревают их до 140-150 градусов.

Горячие заполнители перемешиваются в смесителе, к ним добавляют структурообразующие порошки и расплавленную серу. Затем компоненты перемешивают до достижения гомогенной структуры. Весь цикл занимает 8-10 минут. Готовую смесь отправляют либо в подогреваемый накопительный бункер, либо сразу в формы для изготовления ЖБИ.

Применение серобетона

Физико-механические и химические свойства бетонных составов на основе серы позволяют использовать их в самых разнообразных строительных отраслях. Так, низкое водопоглощение и высокое сопротивление истираемости необходимо при устройстве дорожных покрытий (серный асфальтобетон). При этом лабораторные исследования показывают, что применение данного материала значительно повышает срок службы дорог.

При производстве готовых железобетонных изделий (плит, дорожных ограждений, тротуарной плитки и др.) способность серобетона быстро застывать и набирать прочность значительно экономит время и ускоряет выпуск продукции. Хорошая морозостойкость материала дает возможность использовать его для возведения различных элементов зданий, например, фундаментов или наливных полов. Кроме того, различные инженерные сооружения, такие как канализационные трубы, очистные станции или коллекторные кольца тоже могут быть выполнены из серного бетона, благодаря его устойчивости к агрессивным средам.