Перспектива применения инновационного материала на основе серы в условиях Арктики

Аннотация. В статье описана перспектива применения инновационного материала на основе серы в условиях Арктики. На примере строительства портового сооружения дебаркадер даны сравнительные показатели, подтверждающие экономическую эффективность применения серобетона взамен традиционного цементобетона. Уделено внимание механическим характеристикам серобетона, выполнен расчет себестоимости производства смеси на его основе. Представлен итоговый расчет возможных сокращений издержек производства при строительстве портовых сооружений из серобетона.
Ключевые слова: серобетон, строительство портовых сооружений в условиях Арктики, дебаркадер, инновационный материал на основе переработки вторсырья.
Важнейшей задачей экономического развития нашей страны являются освоение северного морского пути, инвестирование в строительство морской портовой инфраструктуры, реконструкция и модернизация существующих портовых сооружений. Транспортная система Арктической зоны России на сегодняшний день не достаточно развита, чтоб эффективно оснащать бесперебойную работу производственных комплексов и комфортное жизнеобеспечение людей, проживающих в прибрежной зоне арктических морей. За последние десятилетие объем перевозок по Северному морскому пути значительно снизился, морские порты обветшали и требуют экономического возрождения и модернизации, для экономики Арктики необходимо увеличение грузопотока по трассе Северного морского пути.
Климат Арктики весьма специфичен, условия для строительства экстремальны и достаточно суровы, помимо климатических особенностей, существуют еще и сейсмологические. При строительстве объектов используются специальные технологии, учитывающие климатические особенности региона. Также очень актуальна тема использования инновационных строительных материалов, производимых из вторичного сырья и отходов промышленности, с добавлением композиционных материалов. Применение инновационных материалов в климатических условиях Арктики является приоритетным пилотным проектом научно-технологического развития региона. В настоящее время при государственном финансировании научной деятельности в области строительных материалов и технологий, на территории российской Арктики происходят перемены, интенсивность и содержание которых часто не имеют аналогов в других регионах. 
Благодаря активной государственной стратегии планирования транспортной отрасли и долгосрочного развития морских портов стимулируется производство строительных материалов путем утилизации вторсырья. Это является инновационным методом решения проблем экологической ситуации в Арктической зоне России при ликвидации накопленных загрязнений из-за усиливающейся антропогенной нагрузки.
Примером такого инновационного материала служит серобетон, получаемый при переработке серосодержащих отходов промышленного производства. Стоимость основного сырья для производства серобетона в разы ниже стоимости компонентов традиционного бетона. При этом скорость набора прочности, стойкость к воздействию агрессивных сред первого материала гораздо выше, что позволяет ему быть более конкурентоспособным материалом по отношению к обычному бетону, обладающему более коротким сроком эксплуатации, неэффективным в агрессивных средах Арктики, и как следствие требующего более частых ремонтов и денежных затрат при эксплуатации.
Использование же серобетона позволяет значительно сократить сроки выполнения бетонных работ, что имеет огромное значение при экономической составляющей строительства.
На примере перспективного строительства портового сооружения типа дебаркадер были решены такие основные задачи и доказана экономическая эффективность серобетона как конструкционного материала работающего в суровых условиях Арктики по отношению к традиционному бетону:
1. Стойкость к длительному коррозионному воздействию и коррозионно-эрозионному износу в условиях соленой среды.
2. Эксплуатация конструкции при перепадах температур - годовые до 100 градусов, среднесуточные до 30 oC. Наиболее низкие температуры эксплуатации до -55 оС (1 - первая климатическая зона)
3. Способность воспринимать повышенные ледовую и ветроволновую нагрузки.
4. Транспортировка материала и конструкций при отсутствии транспортных путей.
5. Сезонные трудности в обслуживании – материалы должны быть как
можно более долговечными.
6. Экономичная стоимость жизненного цикла
В настоящее время в России имеются четыре стандарта на серобетон – минимально необходимая нормативная база для организации производства этого материала и ведения строительно-монтажных работ имеется. Экспертным советом Минстроя России все серосодержащие композиционные материалы признаны инновационными.
Именно свойства серы формируют конечные свойства серобетона и делают его более конкурентоспособным особенно в суровых условиях крайнего Севера. Отличительные свойства серобетона по отношению к бетону традиционному:
- твердение при низких отрицательных температурах;
- возможность работать на растяжение;
- низкая пористость;
- низкая гидрофобность;
- биологическая стойкость;
- повышенная морозостойкость, так при 100% влажности морозостойкость возрастает на 500 – 600%, т. е. в 5 – 6 раз.
- возможность вторичной переработки без потери свойств вяжущего.
Данные свойства позволяют проектировать достаточно большое количество разновидностей серобенных смесей, пригодных для работы конструкций в суровых климатических условиях Арктики, наиболее популярные из них:
- серобетон гидрофобный, занимает особое место в применение в условиях «мокрых грунтов»;
- пеносеробетон – разновидность ячеистого бетона, обладает высокой химической стойкостью и низкой теплопроводностью;
- серобетон ускоренного набора номинальной прочности – от нескольких минут до нескольких часов, используется при строительстве в стесненных или специфических условиях.
К материалам для приготовления серобетонной смеси (заполнителям, тонким наполнителям, модифицированной сере) и к составу самой смеси предъявляют требования в соответствии с нормативно-техническими документами ПНСТ 105-2016, а также в соответствии технологической документации к изготовлению изделий и конструкций из серобетона.
Экспериментальным путем доказано преимущество основных показателей серобетона в отношении цементобетона:
Таблица 1 Сравнение основных показателей серобетона и цементобетона
Характеристики материала: Серобетон Цементобетон
Состав вяжущего модифицированная сера портландцемент
Способность нейтрализовать наполнитель и заполнитель, содержащий в своем составе тяжёлые металлы и их соли до 100% 0%
Требования к качеству наполнителя и заполнителя, при производстве изделий не предъявляются предъявляются
Вторичная переработка без потери качества, % 100 0
Набор 50% марочной прочности, ч 0,5÷1,0 24
Набор 100% марочной прочности, ч 12÷24 672
Морозостойкость не менее F 500 F 100 ÷ F 200
Водонепроницаемость не менее W 20 W 2 ÷ W 8
Химическая стойкость, % 100 23 ÷ 35
Предел прочности на сжатие, МПа 40÷86 30÷60
Предел прочности на растяжение, МПа 5÷8 3÷8
Прочность при изгибе, МПа 10÷12 8÷10
Модуль упругости при сжатии, МПа 104 3,5÷4,1 2,4÷2,8
Плотность (для тяжёлого и особо тяж. бетона), кг/м3 2,2÷2,7 2,2÷2,7
Теплопроводность, Вт/м*Со 0,2÷0,5 0,7÷1,35
Линейная усадка, % 0,01÷0,02 0,015÷0,07
Истираемость, г/см2 0,2 ÷ 0,3 0,4 ÷ 0,7
Термостойкость, °С 90 80
Также с помощью технико-экономических расчетов на примере производства серобетона М300 и бетона М300 определена коммерческая себестоимость производства этих смесей. Экономическая выгода при производстве инновационного материала составила 19,4%, что подтверждается расчетами, приведенными в таблице 2
Таблица 2 Сравнение себестоимостей производства серобетона М300 и цементобетона М300
Статьи расхода Норма расхода на единицу Цена, руб. Сумма, руб. Статьи расхода Норма расхода на единицу Цена, руб. Сумма, руб.
1 Серобетон М300 1 Бетон М300 Модифицированная сера, т 385 5,42 2086,7 Цемент, т 420 5,62 2360,4
Песок, м3 0,46 550 253 Песок, м3 0,45 680 306
Щебень, м3 0,8 330 264 Щебень, м3 0,75 450 236,5
Специальные добавки, м3 0,18 3,2 0,576 Вода, м3 0,18 3,2 0,57
ИТОГО 2604,276 ИТОГО 2903,48
2Вспомогательные материалы 7813 2Сопутствующие материалы 160,09
3 Топливо (пар), Ккал 0,08 530 42,4 3 Топливо (пар), Ккал 0,05 510 20,5
4 Электроэнергия, кВт, час 3,5 1,3 4,55 4 Электроэнергия, кВт. ч 3,4 4,14 14,08
5Зарплата основных рабочих 11,08 5 Зарплата основных рабочих 21,08
6Отчисления на социальное страхование 2,88 6Социальное страхование рабочих 12,88
7Содержание и эксплуатация оборудования 280,41 7 Эксплуатация и содержание оборудования 184,41
8 Цеховые расходы 26,16 8 Расходы цеха 126,12
ЦЕХОВАЯ СЕБЕСТОИМОСТЬ 3053,89 ЦЕХОВАЯ СЕБЕСТОИМОСТЬ 3443,63
9 Общепроизводственные расходы 32,33 9 общепроизводственные расходы 132,33
ПРОИЗВОДСТВЕННАЯ СЕБЕСТОИМОСТЬ 3086,22 ПРОИЗВОДСТВЕННАЯ СЕБЕСТОИМОСТЬ 3575,96
10 Коммерческие расходы 61,72 10Коммерческие расходы 269,03
КОММЕРЧЕСКАЯ СЕБЕСТОИМОСТЬ 3140,94 КОММЕРЧЕСКАЯ СЕБЕСТОИМОСТЬ 3844,99
Выполняя сравнительный расчет трудоемкости строительства судна дебаркадера с монолитным железобетонным каркасом из серобетона и цементобетона, определена очевидная разница в сроках производства работ. Согласно расчетам, систематизированным в Таблице 3, трудозатраты на производство работ из инновационного материала на 11,6% ниже, что позволит не только сократить сроки производства работ, но и снизить издержки производства.
Таблица 3 Сравнительный расчет трудоемкости строительства судна дебаркадера с монолитным железобетонным каркасом.
Также хочется отметить, что одна из проблем северных регионов это отсутствия производства цемента, а значит, стоимость этого материала, и соответственно себестоимость производства бетонной смеси, будут зависеть от дальности возки и внешних экономических факторов нашей страны.
В результате сравнительных расчетов производства строительных работ в условиях Арктики с использованием инновационного материала на основе серы по отношению к цементобетону, получены следующие значения:
- уменьшение себестоимости смеси на 19,4%,
- уменьшение количества трудозатрат и соответственно сроков производства работ на 11,6%.
Таким образом, при строительстве и реконструкции сооружений, имеется возможность сокращения материальных издержек до 30%. Кроме того долговечность серобетона и повышенная стойкость к агрессивному климату Арктики позволят исключить межремонтные сроки и увеличить сроки капитального ремонта возводимого сооружения, что также позволит сократить расходы на содержание сооружения в нормативном состоянии.
Привлекательность серобетона как материала, полученного путем переработки отходов производства, позволит в перспективе стабилизировать экологическую ситуацию в Арктике. А при реализации проекта массового внедрения серобетона в конструкционные материалы транспортной системы России, в  России появится новый перспективный сегмент производства современных стройматериалов на основе серы.
Список литературы:
1. Программа «Социально-экономическое развитие Арктической зоны Российской Федерации»
2. Северный морской путь: дорога в будущее. Экономика, № 236 (4199), от 02.11.2016 г.
3. Перспектива развития газо- и нефтедобычи в Арктическом регионе. URL: www.arctictoday.ru
4.http://www.tionstroy.ru/sudostroenie/proektirovanie-i-stroitelstvo-debarkaderov.html
5. Официальный сайт Инновационный центр Химические технологии и оборудование URL// http://chemteq.fis.ru
6. Евдокимов Г.П., Высоцкая Н.А., Костылев И.И. Перевозки по Северному морскому пути в и развитие арктического флота / Стратегия морской деятельности России и экономика природопользования в Арктике. IV Всероссийская морская научно-практическая конференция: материалы конференции. Мурманск, 07-08 июня 2012 г. Мурманск: изд-во МГТУ, 2012. С. 99-101.
7. Евдокимов Г. Арктический транспортный флот // Раздел 4.5 в монографии «Морская стратегия России и приоритеты развития Арктики» / Апатиты: изд-во КНЦ РАН, 2012. С. 170-173.
8. Андрианов В. Географии быть стратегией! // Транспорт России. 2009. № 18(566). С. 17-26.