Технология специальных бетонов на серном и серобитумном вяжущих

ТЕХНОЛОГИЯ СПЕЦИАЛЬНЫХ 
БЕТОНОВ НА СЕРНОМ 
И СЕРОБИТУМНОМ ВЯЖУЩИХ

Б.А. УСОВ
Т.Н. ГОРБУНОВА

Рекомендовано Межрегиональным учебно-методическим советом 
профессионального образования в качестве учебного пособия 
для студентов высших учебных заведений, обучающихся 
по направлению подготовки 08.04.01 «Строительство» 
(квалификация (степень) «магистр») 
(протокол № 13 от 16.09.2019)

Москва
ИНФРА-М
2020

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

УДК 691.34(075.8)
ББК 38.32я73
 
У76

Усов Б.А.
У76  
Технология специальных бетонов на серном и серобитумном вяжущих : учебное пособие / Б.А. Усов, Т.Н. Горбунова. — Москва : 
ИНФРА-М, 2020. — 260 с. — (Высшее образование : Магистратура). — 
DOI 10.12737/989593.

ISBN 978-5-16-014541-9 (print)
ISBN 978-5-16-107045-1 (online)

Издание является учебным пособием для преподавания и изучения 
в технических высших учебных заведениях современных технологий производства специальных бетонов на серном и серобитумном вяжущих. Приведены результаты зарубежных и отечественных исследователей по применению серы в конструкциях, изделиях, работающих в агрессивной среде, 
и виды модификации дорожных битумов и асфальтобетонов.
Соответствует требованиям федеральных государственных образовательных стандартов высшего образования последнего поколения.
Для студентов, обучающихся по направлениям подготовки 08.03.01 
и 08.04.01 «Строительство» и специальности 08.05.01 «Строительство уникальных зданий и сооружений», а также для аспирантов. Полезно также 
для самостоятельного изучения.

УДК 691.34(075.8)
ББК 38.32я73

Р е ц е н з е н т ы:
Степанова В.Ф., доктор технических наук, профессор, академик 
Международной инженерной академии, дважды лауреат премии Правительства РФ, заведующий лабораторией коррозии и долговечности 
бетонных и железобетонных конструкций НИИЖБ имени А.А. Гвоздева;
Савин Д.В. , кандидат технических наук, заслуженный строитель 
Российской Федерации, академик Российской инженерной академии

ISBN 978-5-16-014541-9 (print)
ISBN 978-5-16-107045-1 (online)
© Усов Б.А., Горбунова Т.Н., 
2020

Список принятых сокращений

АБВ — автобетоновоз
АБЗ — асфальтобетонный завод
БДД — битум дорожный, долговечный
БДД-А — битум дорожный долговечный асфальтосодержащий
БНД — битум нефтяной дорожный
БПВ — битумополисульфидные вяжущие
ГОСТ — государственный общероссийский стандарт
ГХС — групповой химический состав
ДЦПД — дициклопентадиен
ЕРН — естественные радионуклиды
КЛТР — коэффициент линейного термического расширения
НОЦ — научно-образовательный центр
НПЗ — нефтеперерабатывающий завод
НПС — нефтеполимерная смола
ПБВ — полимерно-битумные вяжущие
ПДК — предельно допустимая концентрация
ПМО — полиминеральный отход
ПС — полисульфиды
СБ — серный бетон
СБВ — серобитумное вяжущее
СБК — концентрированная серобитумная композиция
СБС — стирол-бутадиен-стирольный каучук
СКМ — серные композиционные материалы
ССО — серосодержащие отходы
СТК-1-5 — сера + отработанный катализатор акролеина
ТГКК — тяжелый газойль каталитического крекинга

Предисловие

Запрос на создание композиционных материалов, эксплуатируемых в условиях воздействия агрессивных сред, всегда является 
актуальным. Настоящее учебное пособие посвящено технологии 
специальных бетонов на основе необычных вяжущих веществ — 
серы, серобитума, битума и добавок к ним.
Химически стойкие композиционные материалы — на связующем (вяжущем) из расплава серы, наполнителей и инертных заполнителей были описаны ранее 1.
В связи с появлением новых исследований авторы сочли возможным расширить применение серы в специальных бетонах 
за счет совмещения ее с битумом и полимерными добавками.
В данном пособии приведены результаты зарубежных и отечественных исследователей по применению серы в конструкциях, 
изделиях, работающих в агрессивной среде, и виды модификации 
дорожных битумов и асфальтобетонов. Отечественные исследования в области бетонов на серобитумных вяжущих ограничиваются в основном лабораторными и опытно-производственными 
работами.
Магистры и бакалавры по производству строительных материалов и изделий или технологии строительной отрасли с глубоким 
специальным образованием по строительному материаловедению 
должны системно совершенствовать технологию бетоноведения, 
участвуя в создании новых разновидностей бетонов специального 
и даже уникального назначения.
Кроме того, в промышленном производстве, а в строительном 
процессе — при непосредственном монтаже строительных и особенно при возведении монолитных конструкций, от них требуется 
постоянное совершенствование контроля над проведением технологических процессов, качеством выпускаемой или применяемой 
продукции, к тому же с дальнейшей экспертной оценкой долговечности в период эксплуатации.
Поэтому необходимость расширения знаний магистров и бакалавров по совершенствованию свойств новых материалов путем 
их специальной подготовки, умению создавать способы приготовления бетонных смесей с заменителями портландцемента, с введе
1 
Усов Б.А., Волгушев А.Н. Технология модифицированных серных бетонов: 
учеб. пособие для студентов специальности 270106 — Производство строительных материалов, изделий и конструкций. М.: Изд-во МГОУ, 2010.

нием минеральных порошкообразных или пастообразных наполнителей, химических добавок — редиспергаторов, улучшающих 
поверхностную растяжимость и понижающих трещинообразование дорожного бетона, и, наконец, необходимость получения 
студентами, магистрантами знаний, которые помогут им хорошо 
ориентироваться в технологических требованиях по защите бетона 
от возможных агрессивных воздействий, даже и радиационных, 
предопределила написание настоящего учебного пособия.
Эти специалисты должны уметь работать в лабораториях научно-исследовательских и технических центров, строительных холдингов и предприятий и уметь оценивать качество применяемых 
материалов как в научных лабораториях, так и построечных и даже 
полевых условиях.
В пособии рассматривается сущность «химизации» применением технической серы, серобитума, модификаторов, порошкообразных материалов и дисперсных наполнителей, направленной 
на управление процессами отвердевания, повышения прочности, 
растяжимости и долговечности серобетона и сероасфальтобетонов.
Изучение специальных бетонов необходимо для формирования 
у будущих специалистов необходимых профессиональных компетенций:
знать
 
• основные физические явления, фундаментальные понятия, законы и теории классической и современной физики, химии и основные технологии производства бесцементных бетонов;
 
• теоретические основы получения специального и мелкозернистого бетона с высокой прочностью и другими показателями;
 
• взаимосвязь состава, строения и свойств конструкционных 
и строительных материалов, способы формирования заданных 
видов структуры и свойств материалов при максимальном ресурсоэнергосбережении, а также методы оценки показателей их 
качества;
уметь
 
• использовать основные понятия о структуре мелкозернистого 
бетона на серных и органических вяжущих для повышения его 
прочности, растяжимости и долговечности;
 
• производить технологические расчеты состава специальных высокопрочных мелкозернистых бетонов;
 
• оценить экономическую эффективность переработки отходов 
в строительные материалы;
 
• производить технологические расчеты составов бетонов с применением полимерных материалов и техногенных отходов;

 
• проектировать технологию строительных изделий с полным рециклом;
владеть
 
• достижениями науки и техники в технологии мелкозернистых 
высокопрочных серобетонов и асфальтобетонов;
 
• методикой расчета состава мелкозернистого бетона;
 
• методикой расчета потребности сырьевых материалов, в том 
числе с использованием отходов в зависимости от мощности 
технологической линии, цеха или предприятия в целом;
 
• методами выбора необходимого технологического оборудования;
 
• навыками организации и реализации мероприятий по охране 
труда и технике безопасности.
Наряду с общеметодическими подходами к изучению проблем 
в технологии получения специальных свойств важно наличие научно-исследовательских экспериментальных данных по материаловедению, и тем больше, чем сложнее строение вещества. Сегодня строительство весьма нуждается в применении материалов 
со сложными органическими композициями.
Написанию учебного пособия наряду с появлением действующих 
нормативов и практических рекомендаций частных компаний способствовали результаты новейших строительно-технологических 
исследований по битумным и серобитумным вяжущим наших 
ученых В.Ф. Галдиной, М.В. Самсонова, И.А. Поповой, А.Н. Хусаинова, Е.В. Королева и многих наших современников, к сожалению, 
слабо освещаемых в программах по обучению строителей.

Введение

Современный уровень научно-технического прогресса в строительстве предъявляет новые специальные требования к конструкционным материалам: особое внимание уделяется коррозионной 
стойкости, электро-, магнито- радиопроводимости и др., возникающим при эксплуатации зданий и сооружений энергетической, 
химической, оборонной, авиационной, космической, медицинской 
и дорожно-строительной отраслей.
Работы по созданию композиционных материалов, эксплуатируемых в условиях воздействия агрессивных сред, всегда актуальны.
Сегодня в нашей стране и за рубежом получены химически 
стойкие композиционные материалы на связующем — в виде расплавленной серы, модификаторов порошковых наполнителей 
и инертных заполнителей.
Особенность технологии их получения заключается в прогреве 
составляющих композита (серы) до 140 ± 5°C еще до перемешивания. Сера переходит полностью в жидкое состояние с началом ее 
плавления уже при температуре 120°C. Расплав серы, как и жидкая 
составляющая фаза цементных бетонных смесей, формирует реологические показатели строительных смесей (подвижность, удобоукладываемость). Благодаря горячему состоянию их «жизнеспособность» неограниченна. Важно и то, что связующее из технической 
серы может модифицироваться многими добавками.
Сера по своей природе является термопластом, обладающим 
способностью при нагревании обратимо переходить либо в высокоэластичное, либо в вязкотекучее состояние. Бетоны, растворы 
и специальные смеси на ее основе также являются термопластами.
Отверждение серы при охлаждении ниже 120°C сопровождается 
незамедлительной кристаллизацией с быстрым набором прочности, 
регулируемым лишь периодом остывания смеси. При этом существует возможность повторной переработки (подобно асфальтобетону) материала, что позволяет организовать безотходное высокорентабельное производство, так как с каждой следующей переработкой стоимость исходных материалов уменьшается.
Серные бетоны водонепроницаемы, атмосферо-, морозо- и химически стойки, с низкой тепло- и электропроводностью, они могут 
иметь широкую сферу применения в строительных конструкциях 
различного назначения. Например, к ним без учета зарубежного 

опыта строительства коттеджей, железнодорожных станций пригородного значения относятся промышленные, сельскохозяйственные 
(фермы) и складские сооружения для сыпучих или жидких материалов.
Серные бетоны представляются весьма перспективными для изготовления:
 
• отдельных или штучных доборных элементов дорожных покрытий (тротуарной плитки, бортовых камней, плит и торцовых 
шашек);
 
• конструкций (полов, сливных лотков, фундаментов), подвергаемых солевой агрессии;
 
• очистных сооружений и конструкций из коллекторных колец, 
канализационных труб, а также футеровочных блоков.
Серные (или специальные) бетоны, включая серосодержащие 
отходы нефтехимии, — это новые композиционные материалы, 
а по существу — продукты либо отходы производства химической 
технологии. Они должны быть доступны строительной отрасли 
не только в специальном, но и в гражданском строительстве как 
более долговечная и экономически весьма выгодная продукция. Поэтому эти материалы обязательно должны изучаться бакалаврами, 
магистрантами специальности 08.03.01 как специальные бетоны 
в курсах «Химизация бетонов добавками», «Долговечность бетона» 
и «Химия в строительстве», а также инженерами — строителями 
высотных, промышленных и уникальных зданий и сооружений.

Глава 1. 

СЕРА И СЕРОСОДЕРЖАЩЕЕ СЫРЬЕ

1.1. КЛАССИФИКАЦИЯ СЕРЫ

Прогнозы деятельности международных рынков по реализации 
серы до 2020 г. говорят об устойчивой тенденции превышения 
производства серы над ее сбытом. В связи с этим использование 
серы в различных ресурсоемких областях, в том числе в дорожном 
строительстве и стройиндустрии, взамен дефицитных и дорогих 
минеральных вяжущих является эффективным и перспективным 
направлением.
Приведем классификацию серосодержащих композиций.
Серные композиции в зависимости от содержания и сочетания 
инертных заполнителей (65–80% по объему) могут быть изготовлены в виде растворов, мастик или бетонов.
Для серных бетонов классификация может быть представлена 
следующим образом:
 
• по виду заполнителя — легкие, тяжелые и особо тяжелые;
 
• по структуре — плотные, поризованные, ячеистые и крупнопористые;
 
• по цветовой гамме — широкий диапазон цветовых фактур, зависящий лишь от колера красителя;
 
• по подвижности смеси — литая, подвижная, малоподвижная, 
жесткая и особо жесткая.
Соответственно, метод уплотнения строительной смеси может 
выполняться различными способами: без внешнего воздействия, 
вибрацией, прессованием, комбинированным воздействием, набрызгом и др. Приготовление и формовку смеси серного бетона 
производят на обычном и специализированном технологическом 
оборудовании. По технологическим параметрам и при наличии уже 
существующего оборудования рекомендуется в качестве базового 
производства использовать асфальтобетонные заводы (АБЗ).
Жизнеспособность смеси серного бетона находится в зависимости лишь от температуры и при поддержании ее в промежутке 
130–150°C фактически неограниченна. При повторном нагреве затвердевшая смесь восстанавливает первоначальную подвижность. 
Производить конструкции и изделия из серного бетона можно 
в сборном, монолитном и сборно-монолитном вариантах. Твердение смеси серного бетона происходит в процессе остывания го

рячей смеси, сопровождаемой немедленной кристаллизацией серного вяжущего на поверхности заполнителей и переходом смеси 
в твердую структуру. Серные бетоны могут быть использованы 
при зимнем бетонировании с температурой до –40°C, а также и под 
водой в пресных и засоленных водоемах.
Учитывая особенности серного бетона, сферы его применения 
могут быть следующими:
 
• дорожное строительство: основания и покрытия дорог, дорожные плиты, тротуарная плитка, бортовой камень, торцевая 
шашка и др.;
 
• в промышленных и сельскохозяйственных зданиях в коррозионно-стойких элементах: кирпич, плиты пола, футеровочные 
блоки, емкости, коллекторные кольца, сливные лотки;
 
• трубопроводах: дренажные, канализационные, пригрузы трубопроводов;
 
• элементы нулевого цикла, такие как сваи, фундаментные блоки 
и балки;
 
• стеновые материалы: блоки, кирпич, утеплитель и плитки;
 
• кровельные материалы: теплоизоляционные плиты, легкие навесы и черепица;
 
• декоративно-отделочные материалы: отделочные плиты, художественное литье, малые архитектурные формы;
 
• конструкции специального назначения: контейнеры для захоронения радиоактивных и химических отходов, экранирующие 
элементы;
 
• составы для выполнения ремонтных и реставрационных работ.
История применения серы до наших дней. Сера не является 
металлом, не имеет вкуса и запаха, не растворяется в воде и встречается в природе в виде желтых кристаллов самородного вещества 
или массивных образований, а также в виде соединений — сульфидов меди, свинца, железа и цинка или сульфатов бария, магния, 
кальция и натрия.
Месторождения самородной (элементной) серы долгое время 
были основными источниками сырья. Да и сейчас самородная 
сера — приоритетный продукт во всех областях применения.
Ранние цивилизации использовали самородную серу, вскрывая 
поверхность кратеров действующих и потухших вулканов. Египетские жрецы в период за 2000 лет до н.э. окуривали серой помещения культовых залов.
До римской империи серу применяли в форме кирпича в качестве фумиганта; как отбеливающее вещество и как ладан в религиозных обрядах.