✖


Jump to content

Серный бетон

Серобетон , иногда называемый тиобетоном или серобетоном , представляет собой композиционный строительный материал, состоящий в основном из серы и заполнителя (обычно крупный заполнитель, состоящий из гравия или щебня и мелкого заполнителя, такого как песок ). Цемент и вода, важные соединения в обычном бетоне , не входят в состав серобетона. Бетон нагревается выше температуры плавления элементарной серы (115,21 ° C (239,38 ° F)) при температуре ок. 140 °C (284 °F) в соотношении от 12% до 25% серы, остальное — агрегат . [1]

Низколетучие (т.е. с высокой температурой кипения ) органические примеси (модификаторы серы), такие как дициклопентадиен (ДЦПД), стирол , скипидар или фурфурол , также добавляются в расплавленную серу для ингибирования ее кристаллизации и стабилизации ее полимерной структуры. после затвердевания. [2]

В отсутствие модифицирующих агентов элементарная сера кристаллизуется в наиболее устойчивую аллотропную ( полиморфную ) кристаллическую фазу при комнатной температуре. Элементарная сера при добавлении некоторых модифицирующих агентов образует сополимер (линейные цепи со стиролом, сшивающая структура с ДЦПД [3] ) и остается пластиковым. [2] [а]

Серобетон достигает высокой механической прочности примерно за 24 часа после охлаждения. Он не требует длительного периода отверждения , как обычный цементный бетон , который после схватывания (несколько часов) все равно должен затвердеть, чтобы достичь ожидаемой номинальной прочности через 28 дней. Скорость твердения серобетона зависит от скорости его охлаждения, а также от природы и концентрации модифицирующих веществ (процесса сшивки). [2] Его затвердевание обусловлено достаточно быстрым переходом жидкого/твердого состояния и связанными с ним процессами фазового перехода (добавленные модификаторы поддерживают пластическое состояние, избегая его рекристаллизации). Это термопластичный материал, физическое состояние которого зависит от температуры. Его можно переработать и изменить обратимым образом, просто переплавив его при высокой температуре.

Патент на серный бетон был зарегистрирован Маккеем еще в 1900 году. [4] [5] Серобетон изучался в 1920-х и 1930-х годах и возобновил интерес в 1970-х годах из-за накопления большого количества серы как побочного продукта процесса гидрообессеривания при добыче нефти и газа и его низкой стоимости. [5] [6] [7]

Характеристики

[ редактировать ]

Серобетон имеет низкую пористость и является плохо проницаемым материалом. Его низкая гидравлическая проводимость замедляет проникновение воды в матрицу с низкой пористостью и, таким образом, уменьшает перенос вредных химических веществ, таких как хлориды ( питтинговая коррозия ), к стальной арматуре (физическая защита стали при отсутствии микротрещин в серобетоне). матрица). Он устойчив к некоторым соединениям, например кислотам, которые разъедают 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.

Использование

[ редактировать ]

Серобетон был разработан и продвигался как строительный материал для избавления от большого количества накопленной серы, образующейся в результате гидрообессеривания газа и нефти ( процесс Клауса ). По состоянию на 2011 год серобетон использовался только в небольших количествах, когда необходимо быстрое затвердевание или кислотостойкость. [8] [5] Этот материал был предложен исследователями в качестве потенциального строительного материала на Марсе , где вода и известняк недоступны, но есть сера. [9] [10] [11]

Преимущества и преимущества

[ редактировать ]

Совсем недавно, [ когда? ] он был предложен как почти углеродно-нейтральный строительный материал. Его безводное и менее энергоемкое производство (по сравнению с обычным цементом и обычным бетоном) делает его потенциальной альтернативой для производства с высоким содержанием CO.
2- эмиссионные материалы на основе портландцемента . Благодаря совершенствованию технологии изготовления его можно производить в высоком качестве и в больших количествах. [ нужна ссылка ] Пригодные для вторичной переработки серобетонные шпалы используются в Бельгии для железнодорожной инфраструктуры и массово производятся на местном уровне. [12] THIO TUBE — это торговая марка сертифицированных кислотостойких выпускных труб DWF (поток для сухой погоды), используемых в Бельгии.

Долгосрочные научно-технические задачи

[ редактировать ]

Сульфатвосстанавливающие бактерии (СРБ) и сероокисляющие бактерии (СОБ) продуцируют сероводород ( H 2 S ) и серная кислота ( H 2 SO 4 ) соответственно. Когда цикл серы активен в канализации и Эманации H 2 S из сточных вод окисляются в H 2 SO 4 кислородом воздуха на влажной поверхности стен тоннелей, серная кислота может разъедать гидратированное портландцементное тесто вяжущих материалов, особенно на не полностью погруженных участках канализации (не полностью заполненная водой вадозная зона ). [13] Это наносит значительный ущерб каменному раствору и бетону в старых канализационных инфраструктурах. [14] [15] Серный бетон, если будет доказана его устойчивость к длительному химическому и бактериальному воздействию, может стать эффективным и долгосрочным решением этой проблемы. Однако, поскольку элементарная сера сама участвует в окислительно-восстановительных реакциях, используемых некоторыми автотрофными бактериями для производства необходимой им энергии из цикла серы , элементарная сера может напрямую способствовать активности бактерий. [16] Биопленки, прилипающие к поверхности стенок канализации, могут содержать автотрофные микробные колонии, которые могут разлагать серный бетон, если они смогут использовать элементарную серу непосредственно в качестве донора электронов для восстановления нитратов автотрофной денитрификации ). ( процесс [17] [18] [19] [20] или сульфат , присутствующий в сточных водах . Исследования и реальные испытания показали, что этим бактериям доступна только биосера.

Долговременная долговечность серобетона также зависит от физико-химических факторов, контролирующих, среди прочего, диффузию модифицирующих агентов (если они не полностью химически фиксированы) из матрицы элементарной серы и их выщелачивание водой. Результирующие изменения физических свойств материала будут определять его долговременную механическую прочность и химическое поведение. Биоразлагаемость микробной органических добавок (серных модификаторов) или их устойчивость к активности , а также их возможные биоцидные свойства (которые могут защитить серобетон от микробного воздействия) являются важными аспектами при оценке долговечности материала. Это также могло зависеть от прогрессирующей с течением времени перекристаллизации элементарной серы или от скорости пластической деформации ее структуры, модифицированной различными типами органических примесей.

Недостатки и ограничения

[ редактировать ]

Свами и Джурджис (1986) указали на ограничения серобетона. [21] Они поставили под сомнение стабильность и долговечность серобетонных балок со стальной арматурой, особенно серобетона, модифицированного дициклопентадиеном и дипентеном. Даже в сухом состоянии модифицированные бетонные балки теряют прочность с возрастом. Старение во влажной среде приводит к размягчению серобетона и потере прочности. Это вызывает структурные повреждения серобетонных балок, приводящие к разрушениям при сдвиге и растрескиванию. Свами и Джурджис (1986) также наблюдали сильную коррозию стальной арматуры. [21] Они пришли к выводу, что стабильность железобетонных балок может быть гарантирована только в том случае, если они не подвергаются модификациям и остаются сухими. [21]

Основанный на использовании элементарной серы (S 0 , или S 8 ) в качестве связующего, ожидается, что применение серного бетона будет страдать от тех же ограничений, что и применение элементарной серы, которая не является действительно инертным материалом, может гореть и также известна как сильный коррозионный агент . [22] [23] [24]

В случае пожара этот бетон легко воспламеняется и выделяет токсичные и едкие пары диоксида серы ( SO
2 ) и триоксид серы ( SO
3 ), что в конечном итоге приводит к образованию серной кислоты ( H
2 ТАК
4 ).

По мнению Мальдонадо-Загала и Бодена (1982), [23] гидролиз элементарной серы (восьмиатомной серы, S 8 ) в воде происходит за счет ее диспропорционирования на окисленную и восстановленную формы в соотношении H
2 С / Ч
2 ТАК
4 = 3/1. Сероводород ( H
2 S ) вызывает сульфидное растрескивание под напряжением (SSC) и при контакте с воздухом также легко окисляется в тиосульфат ( S
22О 2−
3 ), ответственный за питтинговую коррозию .

Подобно пириту ( FeS
2 железа(II) , дисульфид ), в присутствии влаги сера также чувствительна к окислению кислородом воздуха и в конечном итоге может образовывать серную кислоту ( H
2 ТАК
4 ), сульфат ( SO 2−
4 ) и промежуточные химические соединения, такие как тиосульфаты ( S
22О 2−
3 ) или тетратионаты ( S
4 Ох 2−
6 ), которые также являются сильнокоррозионными веществами ( питтинговая коррозия ), как и все восстановленные виды серы. [22] [25] [26] долгосрочной коррозии проблемы сталей и других металлов ( алюминий , медь Следовательно, прежде чем выбирать серобетон для конкретных применений, необходимо предвидеть и правильно решать ...).

Образование серной кислоты также может разрушать известняк ( CaCO
3 ) и бетонные конструкции, а также производят расширяющийся гипс ( CaSO
4 · 2ч
2 O ), усугубляя образование трещин и трещин 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 бетона и способствовать усугублению потенциальных проблем коррозии. [27]

Скорость разложения элементарной серы зависит от ее удельной поверхности . Реакции разложения протекают быстрее всего с серной пылью или измельченным порошком серы, тогда как ожидается, что неповрежденные компактные блоки серного бетона будут реагировать медленнее. Срок службы изделий из серобетона зависит, таким образом, от кинетики разложения элементарной серы под воздействием кислорода воздуха, влаги и микроорганизмов , от плотности/концентрации микротрещин в материале, а также от доступности поверхности углеродистой стали для продукты коррозионного распада, присутствующие в водном растворе при наличии макротрещин или технических пустот, подверженных попаданию воды. Все эти факторы необходимо учитывать при проектировании конструкций, систем и элементов (КСБ) на основе серобетона, особенно если они армированы или предварительно напряжены стальными элементами ( арматурой соответственно или натяжными тросами).

Хотя 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 металлов гидроксидов (KOH, NaOH) и гидроксида кальция ( Ca(OH). )
2 ) и, следовательно, не обеспечивает никакой буферной способности для поддержания высокого уровня pH, пассивирующего стальную поверхность. Другими словами, неповрежденный серобетон не обеспечивает химической защиты стальной арматуры (арматуры) от коррозии. Таким образом, коррозия стальных элементов, заделанных в серобетон, будет зависеть от проникновения воды через трещины и от воздействия на них агрессивных химических соединений серы, растворенных в просачивающейся воде. Присутствие микроорганизмов, питаемых элементарной серой, также может сыграть свою роль и ускорить скорость коррозии.

См. также

[ редактировать ]
Викискладе есть медиафайлы по теме бетона .
Найдите серу в Викисловаре, бесплатном словаре.

Примечания

[ редактировать ]
  1. ^ В натурального каучука процессе вулканизации , разработанном Чарльзом Гудиером , к материалу (извлеченному из каучукового дерева латекса ), нагретому до высоких температур, добавляется элементарная сера, чтобы сшить его (сшивание с образованием дисульфидных связей ). малолетучую органическую жидкость ( дициклопентадиен (ДЦПД), стирол , скипидар или фурфурол В серобетоне все наоборот: к расплавленной сере добавляют ...) для ингибирования ее кристаллизации и сохранения определенной пластичности при ее охлаждении. закалка. В обоих случаях между серой и органическими молекулами происходят реакции сшивки.

Ссылки

[ редактировать ]
  1. ^ Абдель-Мохсен Онси Мохамед; Майса Эль-Гамаль (15 июля 2010 г.). Серный бетон для строительной отрасли: подход к устойчивому развитию . Издательство Дж. Росс. п. 109. ИСБН  978-1-60427-005-1 .
  2. ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с Левандовски, Михал; Котыня, Рената (2018). «Оценка свойств серобетона для использования в гражданском строительстве» . Сеть конференций MATEC . 219 : 03006. doi : 10.1051/matecconf/201821903006 .
  3. ^ Бордолой, Биной ​​К.; Пирс, Эли М. (1 марта 1978 г.). «Стабилизация пластической серы сополимеризацией серы с дициклопентадиеном». В: Новые способы использования серы — II . Достижения химии. Том. 165. Американское химическое общество. стр. 31–53. дои : 10.1021/ba-1978-0165.ch003 . ISBN  9780841203914 . ISSN   0065-2393 .
  4. ^ Маккей, Г., Патент США № 643, 13 февраля 1900 г., стр. 251.
  5. ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с Лув, Роберт Э.; Врум, Алан Х.; Уорд, Майкл А. (1974). «Серный бетон – новый строительный материал» (PDF) . Журнал PCI . 19 (1). Институт предварительно напряженного бетона: 86–95. дои : 10.15554/pcij.01011974.86.95 . ISSN   0887-9672 . Архивировано из оригинала 22 марта 2012 г. Проверено 20 сентября 2022 г. {{cite journal}}: CS1 maint: bot: исходный статус URL неизвестен ( ссылка )
  6. ^ Борн, Дуглас Дж., изд. (1978). «Новый подход к серобетону». Новые способы использования серы — II . Достижения химии. Том. 165. Вашингтон, округ Колумбия: Американское химическое общество. стр. 54–78. дои : 10.1021/ba-1978-0165.ch004 . ISBN  978-0-8412-0391-4 .
  7. ^ Грегор, Р.; Хакл, А. (1 марта 1978 г.). «Глава 4: Новый подход к серобетону». В Борне, Дуглас Дж. (ред.). Новые способы использования серы — II . Достижения химии. Том. 165. Вашингтон, округ Колумбия: Американское химическое общество. стр. 54–78. дои : 10.1021/ba-1978-0165.ch004 . ISBN  978-0-8412-0391-4 . {{cite book}}: CS1 maint: дата и год ( ссылка )
  8. ^ Брандт, Анджей Марек (1995). Композиты на цементной основе: материалы, механические свойства и эксплуатационные характеристики . ЦРК Пресс. п. 52. ИСБН  978-0-419-19110-0 .
  9. ^ Ван, Лин, Роман Венднер и Джанлука Кусатис (2016). «Новый материал для строительства на Марсе: эксперименты и численное моделирование». Строительство и строительные материалы, 120: 222–231.
  10. ^ «Чтобы построить поселения на Марсе, нам понадобится химия материалов» . cen.acs.org . 27 декабря 2017 г. Проверено 14 апреля 2022 г.
  11. ^ Ник Джонс (2019). «Смешиваем на Марсе» (PDF) . Sustainableconcrete.org.uk . Бетонный центр. стр. 18–19 . Проверено 19 сентября 2022 г. Марскрит будет иметь решающее значение для любой будущей высадки на Красную планету, пишет Ник Джонс
  12. ^ Инфрабел (8 марта 2021 г.). «Первые шпалы из серобетона, пригодные для вторичной переработки, установлены в Бельгии» . RailTech.com . Проверено 14 апреля 2022 г.
  13. ^ Сато, Хисаши; Одагири, Мицунори; Ито, Цукаса; Окабе, Сатоши (2009). «Структуры микробного сообщества и сульфатредуцирующая и сероокисляющая активность in situ в биопленках, возникших на образцах строительного раствора в корродированной канализационной системе» . Исследования воды . 43 (18): 4729–4739. Бибкод : 2009WatRe..43.4729S . дои : 10.1016/j.watres.2009.07.035 . hdl : 2115/45290 . ПМИД   19709714 . S2CID   10227999 .
  14. ^ Скривенер, Карен; Де Бели, Неле (2013), Александр, Марк; Бертрон, Александра; Де Бели, Неле (ред.), «Бактериогенное воздействие серной кислоты на цементные материалы в канализационных системах» , Эксплуатация материалов на основе цемента в агрессивных водных средах , Отчеты о состоянии дел в RILEM, том. 10, Дордрехт: Springer Нидерланды, стр. 305–318, doi : 10.1007/978-94-007-5413-3_12 , ISBN.  978-94-007-5412-6 , получено 2 октября 2022 г.
  15. ^ Александр, Марк Г.; Бертрон, Александра; Неле, Де Бели (2013). Эксплуатация материалов на основе цемента в агрессивных водных средах . Дордрехт: Спрингер. ISBN  978-94-007-5413-3 . OCLC   823643788 . {{cite book}}: |work= игнорируется ( помогите )
  16. ^ Окабе, Сатоши; Ито, Цукаса; Сугита, Кеничи; Сато, Хисаши (2005). «Сукцессия внутренних циклов серы и сероокисляющих бактериальных сообществ в микроаэрофильных биопленках сточных вод» . Прикладная и экологическая микробиология . 71 (5): 2520–2529. Бибкод : 2005ApEnM..71.2520O . дои : 10.1128/АЕМ.71.5.2520-2529.2005 . ISSN   0099-2240 . ПМЦ   1087539 . ПМИД   15870342 . Окабе_2005.
  17. ^ Бэтчелор, Б. (1978). «Кинетическая модель автотрофной денитрификации с использованием элементарной серы» . Исследования воды . 12 (12): 1075–1084. Бибкод : 1978WatRe..12.1075B . дои : 10.1016/0043-1354(78)90053-2 . Бэтчелор_1978.
  18. ^ Клаус, Гюнтер; Куцнер, Ганс Юрген (1985). «Автотрофная денитрификация Thiobacillus denitrificans в реакторе с насадочным слоем» . Прикладная микробиология и биотехнология . 22 (4). дои : 10.1007/BF00252032 . ISSN   0175-7598 . S2CID   23359931 .
  19. ^ Кениг, А.; Лю, Л.Х. (1996). «Автотрофная денитрификация фильтрата свалок с использованием элементарной серы» . Водные науки и технологии . 34 (5–6): 469–476. дои : 10.2166/wst.1996.0584 . ISSN   0273-1223 .
  20. ^ Ли, Чан Су; Ким, Кван Гю; Аслам, Зубайр; Ли, Сунг-Тайк (2007). « Rhodanobacter thiooxydans sp. nov., выделенный из биопленки на частицах серы, используемых в процессе автотрофной денитрификации» . Международный журнал систематической и эволюционной микробиологии . 57 (8): 1775–1779. дои : 10.1099/ijs.0.65086-0 . ISSN   1466-5026 . ПМИД   17684255 .
  21. ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с Свами, Р.Н.; Джурджис, ТАР (1 сентября 1986 г.). «Устойчивость серобетонных балок со стальной арматурой» . Материалы и конструкции . 19 (5): 351–360. дои : 10.1007/BF02472125 . ISSN   1871-6873 . S2CID   135888809 . Проверено 25 марта 2023 г.
  22. ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Макдональд, Дигби Д.; Робертс, Брюс; Хайн, Джеймс Б. (1978). «Коррозия углеродистой стали влажной элементарной серой» . Коррозионная наука . 18 (5): 411–425. Бибкод : 1978Corro..18..411M . дои : 10.1016/S0010-938X(78)80037-7 . ISSN   0010-938X . Проверено 19 сентября 2022 г.
  23. ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Мальдонадо-Сагал, СБ; Боден, П.Дж. (1982). «Гидролиз элементарной серы в воде и его влияние на коррозию мягкой стали» . Британский журнал по коррозии . 17 (3): 116–120. дои : 10.1179/000705982798274336 . ISSN   0007-0599 . Проверено 19 сентября 2022 г.
  24. ^ Смит, Лиана; Крейг, Брюс Д. (3 апреля 2005 г.). Практические меры борьбы с коррозией в средах, содержащих элементарную серу . Коррозия 2005. OnePetro . Проверено 19 сентября 2022 г.
  25. ^ Фанг, Хайтао; Янг, Дэвид; Несич, Срджан (2008). Коррозия мягкой стали в присутствии элементарной серы . Коррозия 2008. OnePetro.
  26. ^ Фанг, Хайтао; Браун, Брюс; Янг, Дэвид; Нешич, Срджан (13 марта 2011 г.). Исследование механизмов коррозии элементарной серы . Коррозия 2011. OnePetro . Проверено 19 сентября 2022 г.
  27. ^ Литтл, Би Джей; Рэй, Род-Айленд; Папа, РК (1 апреля 2000 г.). «Связь между коррозией и биологическим циклом серы: обзор» . Коррозия . 56 (4): 433–443. дои : 10.5006/1.3280548 . ISSN   0010-9312 .

Дальнейшее чтение

[ редактировать ]
[ редактировать ]
Retrieved from "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Sulfur_concrete&oldid=1230022235"
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: a27a4e4801a337a2312ad81912cd2d24__1718853540
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/a2/24/a27a4e4801a337a2312ad81912cd2d24.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Sulfur concrete - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)