Серный бетон производство

Серобетон, свойства, преимущества и применение

По сравнению с обычным бетоном серобетон обладает целым рядом преимуществ: высокой прочностью (на сжатие и на изгиб), возможностью работать на растяжение, высокой коррозионной, химической и биологической стойкостью, низким водопоглощением, высокой морозостойкостью, быстрым набором прочности, способностью твердеть на морозе, возможность повторного использования, низкой ценой.

Сера в дорогах

О комплексном эффекте нового газпромовского инновационного проекта рассказал Председатель Правления компании Алексей Миллер на заседании Президиума Совета при Президенте России по модернизации экономики и инновационному развитию 17 мая 2013 года. Он пояснил, что «основным сдерживающим фактором увеличения добычи на Астраханском и Оренбургском месторождениях является значительное количество выделяемой из газа серы в условиях ограниченного спроса на нее на внешних рынках и на внутреннем рынке. В наших институтах разработаны технологии модификации асфальта на основе серы, которые позволяют увеличить прочность и пластичность асфальта, увеличить межремонтные сроки дорог до 5–7 лет со значительным экономическим эффектом для дорожного строительства… эта технология могла бы, на наш взгляд, дать тройной эффект. Во-первых, снизить экологическую нагрузку в Астрахани и Оренбурге, где накоплены очень большие объемы серы. Во-вторых, повысить рентабельность добычи газа на этих месторождениях. И, в-третьих, существенно улучшить качество дорог, особенно в регионах с резкими перепадами температуры, а также удешевить строительство дорог».

Метод модифицирования битума серой сам по себе не новый и получил первое промышленное использование еще 100 лет назад, однако масштабные работы в этом направлении в нашей стране и за рубежом начались только в 1970-е годы. В 1986 году в СССР была даже выпущена «Инструкция по применению добавок серы в горячих асфальтобетонных смесях». В связи с известными событиями дальнейшее развитие этих проектов в России застопорилось и до практического воплощения они не дошли, но эстафету подхватил «Газпром». В 1998 году «Газпром ВНИИГАЗ» начал исследования по использованию серы в дорожном строительстве, а впервые сероасфальтобетон был уложен в октябре — декабре 2002 года при ремонте дорожного покрытия моста в Крылатском. Работы проводились в экстремальных условиях (дождь, снег, минусовые температуры), а заключительная их часть — при температуре ниже минус 20 градусов, когда укладка обычного асфальтобетона фактически невозможна. В июне 2010 года сероасфальтобетон был положен на участке 50–51 км МКАД, на что потребовалось 558 т материала. Участок благополучно выдержал даже экстремальную летнюю жару. Таким образом, опытным путем было подтверждено качественное превосходство сероасфальта, который изготавливается путем добавления в битум СМВ, перед традиционным дорожным покрытием.

В настоящее время преимущество использования СМВ в дорожном строительстве сомнений не вызывает, и не случайно на упомянутом выше заседании Председатель Правительства РФ Дмитрий Медведев поручил Министерству транспорта проработать с «Газпромом» вопрос о реализации в регионах с разным температурным режимом ряда пилотных проектов строительства дорог из сероасфальтобетона.

Основные недостатки серобетона

Теперь давайте попробуем разобраться, что не позволяет серобетону перейти из разряда перспективного в разряд массово используемого строительного материала. На наш взгляд, это обусловлено такими причинами:

1. Количество полимерной серы в серобетоне со временем уменьшается. Она может переходить в моноклинную форму, поэтому требует химической стабилизации.
2. Серобетон термически неустойчив, поскольку температура плавления серы составляет 120 ºС. Появляется необходимость в термических стабилизаторах.
3. Биофильные свойства серы. При наличии влаги и органики некоторые виды бактерий способны поедать серу, словно сахар. Для исключения подобных явлений необходимы ингибиторы микробиологической коррозии.
4. Сера – вещество слабоядовитое. Но она способна сублимироваться даже в твердом виде. Поэтому необходимо предусматривать в серобетоне наличие специального изолирующего слоя.

Перечисленные недостатки влияют на стоимость серобетона и нивелируют все экономические преимущества, приведенные выше. Поэтому задача использования отходов или недорогих компонентов вместо ингибиторов и стабилизаторов без привлечения дорогостоящего химического оборудования при сохранении качественных характеристик строительного материала является актуальной.

Астрахань ждет ОПП

Однако необходимо отметить, что свойства серобетона в большей степени, нежели в случае с цементным бетоном, зависят от соблюдения технологического процесса и контроля качества входного сырья на всех этапах производства. В настоящее время строительные материалы на основе серы в нашей стране производятся небольшими фирмами, как правило, в кустарных условиях. Эти производства могут подпортить репутацию материалов на основе серы. В результате такого дилетантского подхода и отсутствия точного оборудования, способного регулировать нагрев смеси в пределах плюс-минус 1 градус, «кустарные» серобетоны могут, достигнув температуры 150 градусов, выделять сероводород и сернистый ангидрид — газы, которые обладают нервно-паралитическим действием и представляют угрозу для человека. Поэтому особую актуальность приобретает создание производств, которые могут выпускать большие объемы серобетона в строгом соответствии с технологическими стандартами.

Именно в этом направлении сейчас и двигается «Газпром сера». На первом этапе стоит задача создания функционального комплекса опытно-промышленного производства (ОПП). На его базе будут выполняться: разработка составов и производство СМВ, смесей серобетонов и сероасфальтов, отработка технологий производства материалов и конструкций на основе серы, проектирование и промышленные испытания конструкций, материалов, машин, оборудования. Сотрудниками предприятия в настоящее время осуществляются НИОКР и разработка нормативно-технической документации, касающейся производства новых видов продукции, а также планируется обучение специалистов, которые в дальнейшем будут задействованы в производстве материалов и конструкций из серы. Словом, это будет научно-исследовательский и образовательный центр, испытательный полигон и производственное предприятие в одном лице. По словам заместителя начальника Департамента маркетинга, переработки газа и жидких углеводородов ОАО «Газпром», генерального директора «Газпром сера» Марата Гараева, «ОПП предполагается оснастить новейшим оборудованием на основе экологически безвредных и безлюдных технологий. Основными видами выпускаемой и реализуемой продукции станут СМВ в гранулированном виде (сейчас разработчики ориентируются на объемы порядка 120 тыс. т в год, которые со временем могут быть увеличены), серобетонные и сероасфальтовые смеси, плиты для покрытия временных и постоянных дорог, сваи квадратного сечения с ненапрягаемой арматурой, охватывающие утяжелители газопроводов. Все виды конструкций будут изготавливаться строго в соответствии с ГОСТом».

К настоящему времени специалисты «Газпром серы» совместно с институтом «ЛЕННИИГИПРОХИМ» подготовили ТЭО, обоснование инвестиций и основные технические решения по каждому из производств. В ближайшее время должен пройти конкурс по выбору проектировщика предприятия. Проектирование и выход на площадку строительства должны быть завершены в текущем году, а ввод в эксплуатацию предприятия ожидается в 2016-м. Местом его дислокации намечена Астрахань, в перспективе предполагается появления таких предприятий и в Оренбурге.

Это будет следующий этап программы — развитие сети производителей серосодержащих материалов и изделий из них. На этой стадии потребуется государственная поддержка. Основная помощь, которую могли бы оказать органы власти, — это включение проекта по использованию серы в народном хозяйстве в федеральную целевую программу. Это позволит участникам программы привлекать кредиты на льготных условиях, а признание серосодержащих материалов инновационными даст возможность их производителям получить налоговые послабления. Эта тема была обсуждена на встрече генерального директора «Газпром сера» Марата Гараева и заместителя министра экономического развития РФ Андрея Клепача 21 августа 2013 года, по итогам которой в текущем году можно будет ожидать положительного результата.

Николай Хренков

Справка

Серное модифицированное вяжущее (СМВ) — это минеральное термопластическое вещество, изготовленное из технической серы и модификатора. Способ его получения включает в себя расплавление серы в среде двуокиси углерода, нагревание расплава до температуры 135–140 °С и добавление в него модификатора в виде ненасыщенных органических соединений (олефиновых углеводородов), в частности, дициклопентадиена, в пропорции 93–98% — сера, 2–7% — модификатор. Добавление модификаторов позволяет регулировать свойства серы — снижать температуру плавления, замедлять кристаллизацию, улучшать совместимость с наполнителями. В итоге полученное таким образом вещество становится прочным (не ломается, не рвется) и пластичным.
Серобетон — это композиционный строительный материал, в состав которого входит серное вяжущее, инертные заполнители и наполнители. Спектр применения инертных заполнителей и наполнителей широк. В этом качестве могут использоваться щебень, песок, гравий, металлургические шлаки и прочие породы, применяемые для традиционного бетона.

Серобетон начали активно исследовать в Северной Америке в 70-х годах ХХ века, когда было доказано, что серобетон и сероасфальт безопасны для окружающей среды. Позднее, уже в 1980–1990-х годах, с увеличением добычи углеводородов выросла и добыча серы как продукта, сопутствующего нефти и газу. Поиск новых методов использования серы стали вести крупные нефтяные и газовые компании. В результате появились новые разработки по производству и применению бетона и асфальта на основе серного вяжущего. Уже тогда были выявлены его преимущества по отношению к традиционному бетону на основе портландцемента. Позже экспериментально было установлено, что предпочтительно использование модифицированной серы.
Сравнительная характеристика свойств серного и портландцементного бетонов

Преимущества серобетона перед обычным бетоном:

– высокая прочность (на сжатие и на изгиб),

– возможность этого материала работать на растяжение,

– высокая коррозионная, химическая и биологическая стойкость,

– низкое водопоглощение,

– высокая морозостойкость,

– быстрый набор прочности,

– способность твердеть на морозе,

– возможность повторного использования (вторичной переработки),

Сравнение характеристик серобетона с цементобетоном:

Сфера применения

Обычно серобетон используется в тех сферах, где нужны высокопрочные конструкции или покрытия, которые быстро набирают прочность. Поэтому данная разновидность бетона получила широкое распространение при монтаже:

• Сборных бетонных конструкций, таких как бордюры, плиты фундамента, шпалы, столбы ЛЭП и прочее.
• Дорожных покрытий разного типа, включая площадки аэропортов или дороги в зонах с низким температурным режимом. Так как серобетон химически устойчив, он не разрушается от используемых реагентов и прочих соединений, присутствующих на таких покрытиях.

• Подземных конструкций. Например, серобетон отлично подходит для строительства свайных фундаментов, ограждений, тоннелей, стен в опускных колодцах. Также строительный материал используется при возведении заглубленных конструкций, таких как хранилища сыпучих материалов негорючего типа.
• Труб самотечных или напорных канализаций, трубопроводов. При этом по ним могут идти не только обычные, но и токсичные сточные воды.
• Полов в складских, промышленных и других сооружениях.
• Кровель (верхнего перекрытия), уклон которых может доходить до 2,5%. При этом серобетон может использоваться для построек любого типа и назначения.
• Несущих и ограждающих конструкций с классом огнестойкости V.
• Различных типов покрытий (плит, настилов, рам, прогонов).

Также этот строительный материал широко применяется при необходимости утилизации отходов. Молекулы серобетона способны буквально цементировать или запирать частицы различных радиоактивных отходов. Поэтому именно этот материал используется для их захоронения. В составе некоторых металлов есть оксиды, которые активно взаимодействуют с модифицированной серой и за счет этого не проникают в окружающую среду. Таким образом при помощи серобетона может осуществляться утилизация кадмия, ртути и других опасных веществ.

Также при помощи этого материала выполняется пропитка высокопористых бетонов с целью усовершенствования их свойств. Серобетон можно использовать при ремонте трещин и других дефектов в готовых изделиях и конструкциях. Но для каждой сферы применения необходимо правильно подобрать состав, так как серный бетон тоже бывает тяжелым, легким и других типов.

Сравнение характеристик серобетона с цементобетоном:

План организации производства серобетона

1. Проведение НИОКР.

2. Организация предприятия.

3. Создание опытно-промышленного производства и обеспечение производственного процесса.

4. Маркетинговые исследование.

5. Предварительная сертификация. Строисертификаты, санитарно-гигиенические сертификаты

6. Организация лаборатории (аренда)

7. Закупка бетоносмесительной установки г.Златоуст и сушильной камеры г. Чайковский Перм.край.

8. Организация производственной площадки площадью 100-150кв.м

9. Опытно-промышленный запуск—около 2месяцев.

10. Сертификация промышленной продукции и установки

11. Организация опытно-промышленного производства и обеспечение производственного процесса.

12. Маркетинговые исследования и рассмотрение вопросов промышленного сбыта.

13. Подбор вариантов стационарного оборудования в строительном и дорожном направлении.

Преимущества серобетона перед обычным бетоном:

– высокая прочность (на сжатие и на изгиб),

– возможность этого материала работать на растяжение,

– высокая коррозионная, химическая и биологическая стойкость,

– низкое водопоглощение,

– высокая морозостойкость,

– быстрый набор прочности,

– способность твердеть на морозе,

– возможность повторного использования (вторичной переработки),

– незначительная усадка,

– низкая цена.

Сравнение характеристик серобетона с цементобетоном:

Казанский «Тиокомпозит» намерен скупить всю серу у нефтеперерабочиков

Как казанская компания научилась использовать серные остатки в отрасли дорожного строительства и возведения защитных сооружений

Ежегодно мировая нефте- и газопереработка генерируют порядка 70 млн тонн серы. Из них 50 млн тонн потребляются в качестве сырья для производства серной кислоты, удобрений, средств защиты растений и прочих химикатов. Соответственно остаются невостребованными 20 млн тонн. Только в регионах Ближнего Востока, где добывается лучшая по своим характеристикам нефть, к 2016 году было накоплено более 12,5 млн тонн серных излишков. В регионах, где добывается высокосернистая нефть, в частности, США и Канаде, эти цифры еще существеннее. Спрашивается, куда девать все это накопленное «добро»? Ответ: самой большой емкостью в плане потребления излишков могла бы стать отрасль дорожного строительства и возведения защитных сооружений. Казанская компания «Тиокомпозит» заявляет о готовности забрать все излишки серы, образуемые в республике в процессе переработки нашей вязкой высокосернистой нефти, то есть 300 тыс. тонн минерала.

Отсталая Россия

Тема использования серы в строительстве, надо признать, не нова. Да что там — она хорошо укладывается в смысл поговорки о хорошо забытом старом. Впервые бетон, где в качестве вяжущего — одного из двух основных компонентов материала, была применена сера, был получен еще в 30-х годах прошлого века. В 70-х тема пережила свой ренессанс — в это время американские и канадские дорожники стали использовать серобетон в качестве альтернативы традиционному асфальтобетону. Позднее заинтересованность в продукте проявила Япония, которая, в частности, стала активно использовать материал в производстве систем канализации и водоснабжения. Относительно недавно на рынок стали выходить новички — ОАЭ, Саудовская Аравия, Иран, Турция: там серобетон также используется при строительстве систем канализации, водоснабжения и водоводов.

Источник: CRU, GTIS

Россия же на этом рынке пока не присутствует, хотя на постсоветском пространстве тему «ведут» порядка 40 научных групп, участники которых к настоящему моменту защитили множество кандидатских и докторских диссертаций. В крупнотоннажное производство материал из-за почти полного отсутствия внедренческих компаний — посредников между учеными и предприятиями так и не поступил. Сегодня о своей готовности выступить в роли связующего звена заявляет казанское ООО «Тиокомпозит», созданное в 2014 году как совместное предприятие Центра нанотехнологий РТ и Казанского завода автомобильных фургонов.

«Волшебная» добавка

Вкратце о самой технологии. В производстве серобетона используется не сера как таковая, а серный сополимер — полученное с использованием модификаторов вещество, цепочки молекул которого состоят из множества структурных звеньев.

По своим основным свойствам серобетон превосходит традиционный бетон, изготовленный на основе портланд-цемента — он устойчив к воздействию кислот и щелочей, массово применяемых в производстве дорожных противогололедных реагентов, не впитывает в себя воду, а следовательно, ему не страшен так называемый «переход через ноль», ему нипочем соленая вода, он пластичен, а кроме того, его можно красить, имитируя, таким образом более благородные природные материалы, например, гранит, мрамор или патину. Специалисты говорят, что бетон с такими свойствами можно сделать и на основе портланд-цемента, но тут уже встает вопрос соотношения цена/качество.

Кроме того, процесс производства серобетона куда менее металло- и энергоемок, чем производство традиционных бетонных конструкций: последние сначала формуются в специальных формах, потом либо выдерживаются в течение 28 суток, либо обрабатываются в специальных пропарочных камерах в этом случае срок «созревания» сокращается до 10 суток. В случае с серобетоном доставать готовую к употреблению конструкцию из опалубки можно уже через час.

Процесс производства серобетона куда менее металло- и энергоемок, чем производство традиционных бетонных конструкций. Фото serobeton.com

Наконец, серобетон может изготавливаться из отходов производства, например, из карьерных отсевов, единственное нынешнее предназначение которых — это рекультивация карьеров и месторождений полезных ископаемых или золо-шлаковых отходов. Что важно — серобетон сам подвержен рециклингу: отслужившее свое конструкции дробятся, плавятся и потом используются повторно.

Однако простое копирование уже существующих технологий лишено экономического смысла — производитель оборудования, как правило, сам же выпускает и модификаторы, с помощью которых сера превращается в серный сополимер.

Участок для эксперимента

Генеральный директор «Тиокомпозит» Евгений Храмов, физик по образованию, впервые занялся темой серных сополимеров еще в 2004 году, когда работал научным сотрудником КФУ. Тогда, правда, изучался вопрос их использования в резино-технической промышленности. Впоследствии спектр был расширен, и Храмов с коллегами (многие из них сегодня работают в компании) начали работать над применением серных сополимеров в производстве строительных материалов. Эта работа продолжалась без малого 12 лет. К моменту создания компании у Храмова и его коллег уже были наработки, которые можно было смело внедрять в серийное производство.

Впоследствии компанией была разработана и построена опытная установка по производству изделий из серобетона; были произведены опытные работы, результатом которых явилась уникальная, по словам Храмова, технология производства крупногабаритных изделий из серобетона. Первые заказы на разработку технологии формования систем канализации и водоснабжения компания получила из Казахстана.

Первым контрактом ООО «Тиокомпозит» в сфере дорожного строительства стал заказ на прокладку 350-метрового экспериментального участка дороги, выполнить который компания должна в следующем году. В этом случае будет использована технология постнапряжения (дорожные плиты укладываются не просто вплотную друг к другу, а в так называемые пакеты с шипом и пазом; далее через пакет протаскивается арматурный канат, который затем натягивается), позволяющая укладывать дорожную одежду на облегченное дорожное основание.

Храмов к тому же утверждает, что помимо экономии, использование искусственного щебня из серобетона может отчасти решить колоссальную для республики проблему с дефицитом марочного щебня. Фото nanort.ru

Однако в данном случае главная фишка не в технологии постнапряжения как таковой (ее активно, в том числе и перед президентом РТ, продвигает академик Марсель Бикбау, генеральный директор Московского института материаловедения и эффективных технологий), а в том, что используемые на участке плиты и будут изготовлены из серобетона, чьи свойства позволяют едва ли не кратно увеличить продолжительность межремонтного периода, а значит, снизить эксплуатационные расходы.

Храмов к тому же утверждает, что помимо экономии, использование искусственного щебня из серобетона может отчасти решить колоссальную для республики проблему с дефицитом марочного щебня: ежегодная потребность дорожников республики в минерале составляет порядка пяти млн тонн, на территории региона он не добывается, а его доставка с месторождений увеличивает стоимость минерала с 400 до 1 100 рублей за тонну.

Однако зайти и закрепиться на этом рынке очень непросто — учитывая цену одного километра дороги (в Татарстане, к примеру, строительство одного километра дороги регионального значения может обходиться бюджету в сумму до 50 млн рублей), «новичков» здесь с распростертыми объятиями не ждут.

Серьезным препятствием для массового внедрения данной технологии в дорожное строительство является и нормативная база, которой руководствуется отрасль: до сих пор дорожники работают по ГОСТам и СНИПам, разработанным и принятым еще в 70-е годы. Понятно, что требования документов, «рожденных в СССР», уже давно не соответствуют нынешним нагрузкам на дорогу, трафику и т. д. Впрочем, справедливости ради стоит отметить, что недавно по инициативе ПАО «Газпром» были разработаны два новых ГОСТа — на модифицированную серу и смеси серобетонные и серобетоны, однако это только начало большого пути.

— Должен пройти как минимум год с момента начала эксплуатации участка, однако уже сейчас для нас дорожное строительство — одно из перспективных направлений, — уверяет Храмов. – Это будет если не сама укладка дорожного полотна, то строительство систем водоотвода, укладка бордюрного камня и т. д. Будут и новые опытные участки, причем не только на территории РТ, — говорит Храмов.

Используемые на участке плиты и будут изготовлены из серобетона, чьи свойства позволяют едва ли не кратно увеличить продолжительность межремонтного периода. Фото tv2.tomsk.ru

Северный завоз

Впрочем, дорожное строительство — пусть и перспективное, но далеко не единственное направление, в котором собирается развиваться компания.

— Сейчас большой интерес к теме проявляют добывающие компании, в частности, «Газпром», «Лукойл» и РАО ЕЭС, — рассказывает Евгений Храмов.

Если верить Храмову, большая технология интересна и металлургическим предприятиям, генерирующим сотни тысяч тонн серы и вынужденным складировать ее у себя в силу неоправданно дорогой логистики.

— Огромные залежи серы скопились, например, у «Норильского никеля». Выход — строить завод по производству изделий из серобетона вблизи предприятия и поставлять их дальше, на север, — поясняет руководитель компании.

Пока единственное производство, которое имеется в распоряжении у «Тиокомпозит» — мобильный завод, представляющий из себя несколько агрегатов, расположенных на четырех 16-метровых автомобильных платформах.

Завод является собственной разработкой компании. В 2015 году она была удостоена Гран-при отраслевой выставки «Газ. Нефть. Нефтехимия». Сумму, в которую обошлись проектирование и строительство завода, Храмов не раскрывает, ограничиваясь пространным «десятки миллионов рублей». Однако это все равно минимум вдвое дешевле, чем покупка импортного аналога, «заточенного» к тому же на работу с импортными модификаторами. При максимальной загрузке завод способен производить 20 тонн изделий из серобетона в час.

— Этого достаточно, чтобы удовлетворить текущий спрос, но явно недостаточно, чтобы говорить о серьезных заказах — для этого производительность должны быть как минимум впятеро больше, — признается Храмов.

Мобильный завод, представляющий из себя несколько агрегатов, расположенных на четырех 16-метровых автомобильных платформах, является собственной разработкой компании. Фото nanort.ru

Непаханое поле

Оценивая потенциальную емкость рынка изделий из серобетона, Евгений Храмов ссылается на подсчеты ВНИИГАЗа, согласно которым в 2020 году потребность в материале по России составит не менее 1 млн тонн, а к 2040 году — не менее 10 млн тонн.

Арктика скажет здесь если не решающее, то очень веское слово — суровый северный климат делает практически непригодными к использованию традиционные строительные материалы. Однако интересен и юг, особенно морские регионы, нуждающиеся в особо стойком к воздействию солей материале для строительства береговых и портовых сооружений. Возможно, компании удастся выйти на рынок стран АТР, в частности, Индонезии, Шри-Ланки и Ирана.

В оценке нынешних финансовых показателей своей компании Храмов довольно скромен: «Пока наши обороты исчисляются миллионами рублей». Однако уже в ближайшие три года выручка компании, по подсчетам Храмова, должна вырасти минимум до одного миллиарда: уже сегодня «Тиокомпозит» заявляет о своей готовности — правда, в перспективе — перерабатывать всю образующуюся в республике в процессе нефтепереработки серу.

Часть прибыли компании должно обеспечить строительство мобильных и в большей степени стационарных заводов по производству изделий из серобетона, стоимость строительства которых оценивается минимум в 300 млн рублей. В качестве основных заказчиков Храмов видит, опять же, нефтедобывающие, нефтеперерабатывающие и металлургические предприятия, генерирующие сотни тысяч тонн серы.