Тонны серобетона

Тонны серобетона

13 марта 2014
Материал опубликован в № 1–2 корпоративного журнала «Газпром»

«Газпром» выходит на рынок строительных материалов

Ценность и экономическая эффективность инноваций неизменно возрастают, когда благодаря их использованию удается одновременно решить сразу несколько задач. Таким примером является проект «Газпрома» по разработке и внедрению производства серного модифицированного вяжущего (СМВ), а также материалов и конструкций на его основе. Реализация этого проекта позволит «Газпрому» преодолеть производственные трудности, возникающие при добыче газа на высокосернистых месторождениях, параллельно обеспечив создание и развитие в России новой перспективной подотрасли, связанной с производством стройматериалов.

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.

Материал повышенной прочности

В то же время надо отметить, что при всех достоинствах сероасфальтобетона его производство даже в промышленных масштабах не решает ключевой для «Газпрома» проблемы — перепроизводства серы при добыче газа на Астраханском и Оренбургском месторождениях. Объемы «лишней» серы, то есть той, которую невозможно реализовать, достигают 2–3 млн т в год, а в случае роста добычи на обоих месторождениях эта цифра станет еще больше. И даже если весь асфальтобетон, производимый в России, будет наполнен СМВ, на его изготовление уйдет лишь около 100–200 тыс. т серы в год. Это обусловлено тем, что процент содержания самой серы в сероасфальтобетоне крайне невелик. Как показывают исследования, содержание 40% серы является границей ее положительного влияния на свойства серного битумного вяжущего (обычная дозировка — от 10 до 30%), при этом сама доля такого вяжущего в общей консистенции асфальтобетона составляет максимум 7% (обычно 5–6%).

Учитывая этот фактор, «Газпром» параллельно с производством сероасфальтобетона намерен заняться и выпуском серобетона для строительных целей в рамках единой программы «Создание и развитие подотрасли промышленности строительных и дорожно-строительных материалов на основе серного вяжущего». Разработчиком и исполнителем программы является ООО «Газпром сера» — оператор «Газпрома» по реализации этого вида продукции. Реализация программы также направлена на достижение комплексного эффекта, позволяющего решить и чисто газпромовские задачи, и многие проблемы отечественной стройиндустрии.

Такого рода перспективы связаны с особенностями производства и применения серобетона. Как уже отмечалось, доля 16-го элемента в сероасфальте невелика. Иное дело — серобетон. Здесь сера является главным структурообразующим материалом, основным вяжущим элементом, заменяющим цемент. Ее доля в вяжущем веществе составляет свыше 90%. В настоящее время в России производится порядка 60 млн т цемента. Если стройматериалы из серы закроют хотя бы 10% рынка, то в производство будет вовлечено свыше 5 млн т этого элемента, что позволит полностью справиться с проблемой имеющегося на сегодняшний день переизбытка серы и увеличить добычу газа на высокосернистых месторождения, причем не только газпромовских.

При этом для отечественной стройиндустрии плюсы также очевидны. Помимо увеличения физических объемов выпуска стройматериалов в условиях постоянно растущего спроса на них, использование серобетона в строительной отрасли существенно повысит надежность возводимых из него объектов. Основными преимуществами серобетона в сравнении с обычным являются: быстрый набор прочности, ее сохранение и более высокие прочностные характеристики (на сжатие и на изгиб), возможность этого материала эффективно работать на растяжение, высокая химическая (коррозийная) стойкость, стойкость в кислых и солевых средах и морозостойкость, в несколько раз превосходящая традиционный бетон. К этим характеристикам можно добавить низкую теплопроводность и низкое водопоглощение, водонепроницаемость, отвердение на морозе, возможность вторичной переработки, незначительную усадку и высокую адгезию (эффект сцепления поверхностей разнородных тел). Здесь, как и в случае с сероасфальтом, мы видим, что серобетон дает фору своему собрату из портландцемента (далее цемента) в отношении более высокой надежности сделанных из него конструкций, а также проведения самих работ. Обычный бетон нельзя класть на морозе (либо его надо специально разогревать), тогда как серобетон отвердевает при любой температуре в диапазоне от плюс 40 до минус 40.

Свойства серобетона являются следствием его внутренней структуры, которая довольно подробно изучена североамериканскими учеными. Сера без добавления наполнителя представляет собой вещество с гомогенной структурой, что означает плотное расположение молекул относительно друг друга. Присутствие наполнителя приводит к тому, что молекулы серы «скрепляют» молекулы наполнителя и заполняют внутренние пространства получаемого вещества таким образом, что пористость становится почти незаметной (даже под микроскопом).

Низкая пористость серобетона во многом обусловила сферы его применения. Это касается использования серобетона как основного материала для хранилищ отходов, коллекторов сточных вод, очистительных установок, свай, труб, канализационных лотков, различных сборных конструкций, словом, всех подземных инженерных коммуникаций, а также морских сооружений и плотин. Для газовой промышленности серобетон также может быть интересен, являясь идеальным материалом для строительства пригрузов (утяжелителей бетонных охватывающих, УБО) для газопроводов, дорожных плит и свай, которые используются при обустройстве месторождений, и т. д.

Стоит добавить, что серобетон удобен и в изготовлении. Любой, кому хотя бы раз приходилось делать строительный раствор, знает, что требуется три компонента: цемент, песок и вода. Для приготовления серобетона вода не нужна, да и песок можно использовать практически любой. Если в случае с цементом требуется песок, крупность которого должна быть 2,4, то для серобетона этот показатель может быть меньше 1. Иными словами, для серобетона годятся пылеватые пески, по сути дела барханные, а вот обычный бетон на таком песке развалится. Выходит, что качественные конструкции или сооружения можно производить на местных материалах.

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

| Наименование свойства (испытания) | Серобетон | Бетон |
| --- | --- | --- |
| Влагостойкость | 1,0 | 0,8 |
| Химическая стойкость (к кислотам), % | 84 | 23 |
| Морозостойкость (при 100% влажности) | 300 | 50 |
| Истираемость, % | 3 | 17 |
| Прочность на сжатие, МПа | 55–65 | 15–25 |
| Прочность на изгиб, МПа | 10–15 | 6–9 |
| Прочность на растяжение, МПа | 5–7 | 3–4 |
| Время набора прочности | 3 часа | 28 суток |