Особо прочный и надежный

Ученые Коми научного центра предлагают запустить производство бетона и асфальта с использованием серы

В Институте химии ФИЦ Коми научного центра УрО РАН создали новый композиционный материал, который по своим характеристикам значительно превосходит традиционные бетоны и асфальты. Разработанный учеными материал долговечнее и прочнее, способен снизить экономические расходы на эксплуатацию дорог в условиях Севера. При его изготовлении можно использовать гранулированную серу, десятки тонн которой ежегодно пополняют склады нефтяных и газовых предприятий.

Новый проект

Сера – уникальный термопластичный минеральный материал, который как связующее вещество может использоваться при изготовлении бетона или асфальта. Метод модифицирования серы сам по себе не новый. В 1980–1990-х годах с увеличением добычи углеводородов выросла и выработка серы как продукта, сопутствующего нефти и газу. Тогда же в СССР начались масштабные исследования на предмет использования серы. В 1986 году выпустили «Инструкцию по применению добавок серы в горячих асфальтобетонных смесях».

В конце 1990-х годов поиск новых методов использования серы стали вести крупные нефтяные и газовые компании. Появились новые разработки по производству и применению бетона и асфальта с использованием серы как вяжущего материала. Уже тогда были выявлены его преимущества по сравнению с традиционным бетоном, который делают на основе портландцемента.

В 2002 году при ремонте моста в московском районе Крылатское использовали асфальтобетон с добавлением гранулированной серы. Работы проводили в экстремальных условиях (дождь, снег, минусовые температуры), а заключительную их часть – при температуре ниже минус 20 градусов, когда укладка обычного асфальта невозможна. В июне 2010 года сероасфальтобетон был положен на одном из участков МКАД. Участок благополучно выдержал даже экстремальную летнюю жару. Опытным путем удалось подтвердить качественное превосходство сероасфальта перед традиционным дорожным покрытием.

В 2021 году темой создания серобетона заинтересовались ученые Института химии Коми научного центра. Сера в больших количествах используется для производства серной кислоты, удобрений, резино-технических изделий, а также в медицине. Основные источники серы на территории нашей республики – серосодержащие соединения в нефти и газе.
В промышленности действуют жесткие требования к остаточному содержанию серы после очистки нефти и газа, в противном случае серосодержащие примеси оседают на стенках трубопроводов, загрязняют оборудование и мешают многим технологическим процессам.

Чтобы не допустить этого, на производствах работают установки по обессериванию углеводородного сырья. Полученную серу гранулируют, упаковывают в огромные мешки – биг-бэги, а затем отправляют на склад, оттуда – потребителю. Однако объемы «лишней» серы, то есть той, которую невозможно реализовать, все равно велики. По России переизбыток серы составляет десятки миллионов тонн.

– Доступность сырья, возможность протестировать новый материал для дорог и строительных конструкций в климатических условиях Арктики и подтолкнули нас начать проект, – рассказал Юрий Рябков, заместитель директора по научной работе Института химии, заведующий лабораторией керамического материаловедения, доктор химических наук. – Мы воспользовались грантовой поддержкой Научно-образовательного центра мирового уровня «Российская Арктика: новые материалы, технологии и методы исследования», действующего в Архангельске.

На протяжении трех лет наши ученые вели исследовательские работы.Эксперимент шел под руководством академика РАН Александра Кучина. В исследовательский коллектив помимо куратора проекта Юрия Рябкова вошли научные сотрудники: Людмила Назарова, Ирина Васенева, Наталья Скрипова, старший лаборант Владимир Тарасов.

В чем разница?

Любой, кому хотя бы раз приходилось делать строительный раствор, знает, что для этого требуется минимум три компонента: цемент, песок и вода. Для приготовления серобетона вода не нужна, да и песок можно использовать практически любой. А еще могут быть задействованы минеральные отходы – зола от сжигания углей, отсев при переработке строительного камня, шламы. Технология изготовления серобетона основана на том, что вместо воды и портландцемента для приготовления смеси в качестве связующего компонента используют техническую серу, являющуюся крупнотоннажным отходом промышленных производств.

Главное преимущество серобетона – способность затвердевать до марочной прочности за считанные часы даже при отрицательных температурах – от плюс 40 до минус 40. Материал обладает исключительной прочностью, устойчивостью к осадкам и многим химическим воздействиям. Сохранение прочности при сжатии и на изгиб, возможность серобетона эффективно работать на растяжение, высокая коррозийная стойкость, в несколько раз превосходящая традиционный бетон, – вот плюсы серобетона. К этим характеристикам можно добавить низкую теплопроводность, возможность вторичной переработки некондиционных изделий, незначительную усадку.

Серные композиты по плотности, показателям пористости и водопроницаемости существенно превосходят классические цементные материалы. Например, водонепроницаемость конструкций, изготовленных из серобетона, в 10–20 раз выше, чем у аналогичных изделий из обычного бетона.

Еще одним важным фактором является износостойкость покрытий, которая почти в пять раз выше значений эксплуатируемых изделий на цементных вяжущих. Таким образом, серобетон дает более высокую надежность сделанным из него конструкциям.

Экологический аспект технологии также важен – она позволяет утилизировать промышленные отходы, снижая техногенную нагрузку на окружающую среду.
Сегодня в России производится порядка 65 миллионов тонн цемента в год. Если стройматериалы из серы закроют хотя бы 10 процентов рынка, то в производство будет вовлечено свыше 5 миллионов тонн этого элемента, что позволит снизить остроту проблемы переизбытка серы.

Из серобетона и сероасфальта можно не только укладывать дорожное полотно, но и изготавливать элементы сборных автодорожных покрытий – плиты, бортовые камни, ограждения и тротуарную плитку, элементы зданий – фундаменты, полы, сливные лотки, а также инженерные конструкции – пригрузы, канализационные трубы, коллекторные кольца, очистные сооружения.

Сделано в Коми

В чем же уникальность сыктывкарского серобетона? На научно-технологическом предприятии (ООО «НТП Института химии»), которое функционирует при Институте химии, наработали опытную партию уникального по составу модификатора серы. НТП специализируется на выделении биологически активного концентрата из зелени хвои. В результате глубокой переработки хвои остаются отходы. Именно их ученые использовали для изготовления модификатора серы.

Чтобы выпустить опытную партию изделий из серобетона, требовалась производственная база. Оказалось, что в Сыктывкаре не так много подходящих предприятий. Принцип изготовления серобетонных изделий оказался аналогичным производству полимерпесчаных изделий на ООО «ГринТех Коми». И те и другие изготавливаются на основе термопластичного связующего и «выпекаются» при 150 градусах по Цельсию.

На предложение ученых о сотрудничестве откликнулся гендиректор ООО «ГринТех Коми» Анатолий Рубаняк. И в 2024 году ученые совместно с предпринимателем получили опытные образцы серобетона.

– Мне хотелось поучаствовать в проекте по созданию инновационного материала, – рассказал Анатолий Рубаняк. – Серобетон – материал интересный. Он значительно крепче, чем, например, та же бетонная плитка. Да и сырье у нас есть в доступности. Другой вопрос: как продвинуть этот товар потребителю? Важно, чтобы он был интересен не только физическим лицам, но и предприятиям.Для запуска производства изделий на основе серного связующего нужно получить сертификаты соответствия ГОСТам, СНИПам, провести маркетинговые исследования.

Юрий Рябков считает, что использование серобетона при строительстве дорог позволит усилить прочность и пластичность асфальта, увеличить межремонтные сроки эксплуатации дорог.

– Это приведет к значительному экономическому эффекту, – уверен он. – Для дальнейшего развития проекта требуются десятки миллионов рублей и, главное, заинтересованность правительства и бизнеса. – Уникальные свойства материала и высокая степень готовности наших разработок – мы получили отечественный патент на изобретение, изготовили и испытали опытные образцы серобетонных изделий – наряду с доступностью сырья и остротой решаемых технических, экологических проблем, являются конкурентными преимуществами, которые предлагает наука для развития региона.

Анастасия ПОЗДЕЕВА

Фото автора и Института химии ФИЦ Коми НЦ УрО РАН