Серный бетон, иногда называемый тиобетоном или серным бетоном, представляет собой композитный строительный материал, состоящий в основном из серы и заполнителя (обычно крупного заполнителя из гравия или дробленых камней и мелкого заполнителя, такого как песок). Цемент и вода, важные соединения в обычном бетоне, не входят в состав серного бетона. Бетон нагревается выше точки плавления элементарной серы (115,21 °C (239,38 °F)) при температуре около 140 °C (284 °F) в соотношении от 12% до 25% серы, остальное — заполнитель.
Для ингибирования кристаллизации и стабилизации полимерной структуры после затвердевания в расплавленную серу также добавляют низколетучие (т. е. с высокой температурой кипения) органические примеси (модификаторы серы), такие как дициклопентадиен (ДЦПД), стирол, скипидар или фурфурол.
В отсутствие модифицирующих агентов элементарная сера кристаллизуется в своей наиболее стабильной аллотропной (полиморфной) кристаллической фазе при комнатной температуре. При добавлении некоторых модифицирующих агентов элементарная сера образует сополимер (линейные цепи со стиролом, сшитая структура с DCPD) и остается пластичной.[a]
Затем серный бетон достигает высокой механической прочности в течение ~ 24 часов охлаждения. Он не требует длительного периода отверждения, как обычный цементный бетон, который после схватывания (несколько часов) должен все еще затвердевать, чтобы достичь своей ожидаемой номинальной прочности через 28 дней. Скорость затвердевания серного бетона зависит от скорости его охлаждения, а также от природы и концентрации модификаторов (процесс сшивания). Его затвердевание регулируется довольно быстрым изменением жидкого/твердого состояния и связанными с этим процессами фазового перехода (добавленные модификаторы поддерживают пластическое состояние, избегая его перекристаллизации). Это термопластичный материал, физическое состояние которого зависит от температуры. Его можно перерабатывать и изменять форму обратимым образом, просто переплавляя его при высокой температуре.
Патент на серный бетон был зарегистрирован еще в 1900 году Маккеем. Серный бетон изучался в 1920-х и 1930-х годах и вновь обрел интерес в 1970-х годах из-за накопления большого количества серы как побочного продукта процесса гидродесульфурации при добыче нефти и газа и его низкой стоимости.
Характеристики
Серный бетон имеет низкую пористость и является плохо проницаемым материалом. Его низкая гидравлическая проводимость замедляет проникновение воды в его матрицу с низкой пористостью и, таким образом, уменьшает транспортировку вредных химических веществ, таких как хлорид (точечная коррозия), к стальной арматуре (физическая защита стали до тех пор, пока в матрице серного бетона не образуются микротрещины). Он устойчив к некоторым соединениям, таким как кислоты, которые воздействуют на обычный бетон.
Помимо непроницаемости, Loov et al. (1974) также считают среди полезных характеристик серобетона его низкую тепло- и электропроводность. Серобетон не вызывает побочных реакций со стеклом (нет щелочно-кремнеземной реакции), не образует выцветов, а также имеет гладкую поверхность. Среди основных ограничений они также отмечают высокий коэффициент теплового расширения, возможное образование кислоты под действием воды и солнечного света. Он также вступает в реакцию с медью и при плавлении выделяет запах.
Использует
Серный бетон был разработан и продвигался как строительный материал для избавления от больших объемов хранимой серы, образующейся при гидродесульфуризации газа и нефти (процесс Клауса). По состоянию на 2011 год серный бетон использовался только в небольших количествах, когда необходимо быстрое затвердевание или кислотостойкость. Исследователи предложили этот материал в качестве потенциального строительного материала на Марсе, где вода и известняк не так легкодоступны, а сера доступна.
Преимущества и выгоды
Совсем недавно его предложили в качестве почти углеродно-нейтрального строительного материала. Его безводное и менее энергоемкое производство (по сравнению с обычным цементом и обычным бетоном) делает его потенциальной альтернативой материалам на основе портландцемента с высоким уровнем выбросовCO2. Благодаря усовершенствованиям в технологиях изготовления его можно производить в высоком качестве и больших количествах. Перерабатываемые серобетонные шпалы используются в Бельгии для железнодорожной инфраструктуры и массово производятся на месте. THIOTUBE — это торговая марка сертифицированных кислотостойких сливных труб DWF (сухой погодный поток), используемых в Бельгии.
Долгосрочные научные и технические задачи
Сульфатредуцирующие бактерии (SRB) и сероокисляющие бактерии (SOB) производят сероводород (
H2S) и серной кислоты (H2SO4) соответственно. Когда в канализации активен цикл серы и выделения H2S из сточных вод окисляются в H2SO4 кислородом воздуха на влажной поверхности стен туннеля, серная кислота может воздействовать на гидратированное портландцементное тесто вяжущих материалов, особенно в не полностью погруженных секциях канализации. (не полностью заполненная водой вадозная зона). Она вызывает обширные повреждения кладочного раствора и бетона в старых канализационных инфраструктурах. Серный бетон, если будет доказано, что он устойчив к долгосрочным химическим и бактериальным атакам, может стать эффективным и долгосрочным решением этой проблемы. Однако, поскольку сама элементарная сера участвует в окислительно-восстановительных реакциях, используемых некоторыми автотрофными бактериями для получения необходимой им энергии из цикла серы, элементарная сера может способствовать непосредственному подпитке бактериальной активности. Биопленки, прилипшие к поверхности стенок канализации, могут содержать автотрофные микробные колонии, которые могут разрушать серный бетон, если они могут использовать элементарную серу напрямую в качестве донора электронов для снижения содержания нитрата (автотрофный процесс денитрификации) или сульфата, присутствующего в сточных водах. Исследования и испытания в реальных условиях показали, что для этих бактерий доступна только биологическая сера.
Очень длительная прочность серного бетона также зависит от физико-химических факторов, таких как те, которые контролируют, среди прочего, диффузию модифицирующих агентов (если они не полностью химически зафиксированы) из матрицы элементарной серы и их выщелачивание водой. Результирующие изменения физических свойств материала определят его долгосрочную механическую прочность и химическое поведение. Биоразлагаемость органических добавок (модификаторов серы) или их устойчивость к микробной активности, а также их возможные биоцидные свойства (которые могут защищать серный бетон от микробного воздействия) являются важными аспектами при оценке долговечности материала. Это также может зависеть от прогрессирующей рекристаллизации элементарной серы с течением времени или от скорости пластической деформации ее структуры, модифицированной различными типами органических добавок.
Недостатки и ограничения
Свами и Джурджис (1986) указали на ограничения серобетона. Они поставили под сомнение стабильность и долгосрочную прочность серобетонных балок со стальной арматурой, особенно для серобетона, модифицированного дициклопентадиеном и дипентеном. Даже в сухом состоянии модифицированные бетонные балки демонстрируют потерю прочности со старением. Старение во влажной среде приводит к размягчению серобетона и потере прочности. Это вызывает структурные повреждения серобетонных балок, приводящие к сдвиговым разрушениям и растрескиванию. Свами и Джурджис (1986) также наблюдали сильную коррозию стальной арматуры. Они пришли к выводу, что стабильность армированных серобетонных балок может быть гарантирована только тогда, когда они не модифицированы и содержатся в сухом состоянии.
Поскольку в качестве связующего вещества используется элементарная сера (S0 или S8), ожидается, что применение серобетона будет иметь те же ограничения, что и применение элементарной серы, которая не является по-настоящему инертным материалом, может гореть и, как известно, является сильным коррозионным агентом.
В случае пожара этот бетон легко воспламеняется и выделяет токсичные и едкие пары диоксида серы (SO2) и триоксида серы (SO3). ), что в конечном итоге приводит к образованию серной кислоты (H2SO4).
Согласно Мальдонадо-Загалу и Бодену (1982), гидролиз элементарной серы (октаатомной серы, S8) в воде обусловлен ее диспропорционированием на окисленные и восстановленные формы в соотношении H
2S/H
2ТАК
4 = 3/1. Сероводород (H
2S) вызывает сульфидное растрескивание под напряжением (SSC) и при контакте с воздухом также легко окисляется в тиосульфат (S2O2−3), ответственный за точечную коррозию.
Подобно пириту (FeS2, дисульфид железа(II)), в присутствии влаги сера также чувствительна к окислению кислородом воздуха и в конечном итоге может образовывать серную кислоту (H2SO4), сульфат (SO2−4) и промежуточные химические соединения, такие как тиосульфаты (S2O2−3) или тетратионаты (S4O2−6), которые также являются сильно едкими веществами (точечная коррозия), как и все восстановленные соединения серы. Поэтому необходимо предвидеть и правильно решать долгосрочные проблемы коррозии сталей и других металлов (алюминия, меди…) перед выбором серобетона для конкретных применений.
Образование серной кислоты может также воздействовать на известняк (CaCO3) и бетонные конструкции и растворять их, а также приводить к образованию расширяющегося гипса (CaSO4·2H2O), что усугубляет образование трещин и щелей в этих материалах.
Если местные физико-химические условия благоприятны (достаточно места и воды для их роста), сероокисляющие бактерии (микробное окисление серы) также могут процветать за счет серы в бетоне и способствовать усугублению потенциальных проблем с коррозией.
Скорость деградации элементарной серы зависит от ее удельной поверхности. Реакции деградации наиболее быстры с серной пылью или измельченным порошком серы, в то время как неповрежденные компактные блоки серобетона, как ожидается, будут реагировать медленнее. Таким образом, срок службы компонентов из серобетона зависит от кинетики деградации элементарной серы, подвергающейся воздействию атмосферного кислорода, влаги и микроорганизмов, от плотности/концентрации микротрещин в материале и от доступности поверхности углеродистой стали для коррозионных продуктов деградации, присутствующих в водном растворе в случае макротрещин или технических пустот, подверженных проникновению воды. Все эти факторы необходимо учитывать при проектировании конструкций, систем и компонентов (ССК) на основе серобетона, особенно если они армированы или предварительно напряжены стальными элементами (арматурой или натяжными тросами соответственно).
В то время как процесс окисления элементарной серы также снижает значение pH, усугубляя коррозию углеродистой стали, в отличие от обычного портландцемента и классического бетона, свежий серный бетон не содержит щелочных гидроксидов (KOH, NaOH), ни гидроксида кальция (Ca(OH)2), и, следовательно, не обеспечивает никакой буферной емкости для поддержания высокого pH, пассивирующего стальную поверхность. Другими словами, неповрежденный серный бетон не защищает химически стальные арматурные стержни (арматурные стержни) от коррозии. Коррозия стальных элементов, встроенных в серный бетон, будет, таким образом, зависеть от проникновения воды через трещины и от их воздействия агрессивных химических видов серы, растворенных в просачивающейся воде. Присутствие микроорганизмов, питаемых элементарной серой, также может играть определенную роль и ускорять скорость коррозии.