Теория и практика науки и образования №5 (5) июль 2026 г.

Повышение стойкости бетона канализационных систем к воздействию сильных минеральных кислот и солей может быть достигнуто с помощью модифицированного серобетона (МСБ). МСБ – это термопластичный композитный бетон, состоящий из химически модифицированного серного полимера и заполнителей [1]. Этот строительный материал имеет гладкую поверхность, легко поддается обработке и схватывается значительно быстрее обычного бетона. МСБ, полученный из отходов, устойчив к коррозии, воздействию агрессивных сред в том числе морской воды и не пропускает влагу [2].

МСБ находит широкое применение в промышленности, например, при строительстве тротуаров и дорожных заграждений, дренажных и канализационных систем, фундаментов, резервуаров для кислоты, производства и ремонта бетонных платформ и т. д. [3, 4]. Исследования и разработки в области МСБ направлены на выявление возможностей использования элементарной серы, присутствующей в качестве побочного продукта нефтегазовой промышленности.  МСБ, полученный из отходов, устойчив к коррозии и влаге. 

Процесс производства серо бетона основан на «горячей» технологии, при которой все смешиваемые компоненты нагреваются до 140–150 °C. Сера, используемая в производстве серо бетона, может смешиваться с любым типом традиционного заполнителя. Количество должно быть оптимизировано в соответствии с практическими критериями, а также механическими свойствами [3]. При горячем смешивании серы и заполнителя и их охлаждении для получения серобетона, жидкое серное связующее вещество первоначально кристаллизуется в моноклинную серу (Sb). По мере дальнейшего охлаждения материал претерпевает твердофазный переход в орторомбическую серу (Sa), что приводит к усадке материала [5]. Это уменьшение объема создает внутренние напряжения и вызывает проблемы с долговечностью, особенно при воздействии циклов замораживания-оттаивания. Модификация элементарной серы подавляет изменение кристаллической фазы, происходящее при охлаждении серы ниже 95,6 °C из моноклинной в орторомбическую форму, что приводит к значительному увеличению плотности и внутренних напряжений. Такие остаточные напряжения способствуют разрушению изделий из элементарного серо бетона при ударе или термическом изменении.

Смешивание элементарной серы   с подходящим термопластичным материалом, предпочтительно полиолефином, предотвращает возникновение остаточных напряжений между кристаллами серы, приводящих к растрескиванию бетона на основе элементарной серы.  Хотя фазовое превращение все еще происходит при охлаждении серы, полимер действует как податливый слой между кристаллами серы, тем самым преодолевая недостаток бетонных изделий на основе элементарной серы.

В настоящее время во многих странах, включая и Россию, проводится множество исследований и инноваций, где используются такие строительные материалы, как серный бетон и серный асфальт, поскольку эти материалы являются экологически чистыми и экономически эффективными [9]. Изучение влияния различных пропорций МСБ на физические и механические свойства МСБ является относительно сложной задачей из-за сложности и количества переменных в этой системе. С этой целью в текущем исследовании были изготовлены различные смеси МСБ для использования в канализационных системах. Экспериментальный состав смеси использовался с учетом свойств, желаемых для ее конкретного использования со следующими характеристиками: высокие механические свойства, эквивалентные или превосходящие свойства ПЦБ (портланд цементный бетон), низкая пористость и гидравлическая проводимость и улучшенная стойкость к воздействию большинства кислот и/или солевых растворов.

1.1 Цель

Разработка и оптимизация состава нового модифицированного серо бетона (МСБ) на основе экономически эффективного процесса модификации серы с улучшенными физико-механическими свойствами и повышенной коррозионной стойкостью для применения в агрессивных средах.

2. Материалы и методы

2.1 Сырье

Сера: гранулированная элементарная сера чистотой 99,9%, полученная на нефтеперерабатывающем заводе или газоперерабатывающем заводе. Битум: представляет собой олефиновый углеводородный полимерный материал, чёрный, маслянистый, вязкий, с удельным весом 1,0289 г/см³, кинематической вязкостью 431 cSt при 135°C и температурой размягчения 48,8°C, получаемый перегонкой сырой нефти. Дроблёный песок с размером частиц от 38 мкм до 4 мм. Песок карьерный: наиболее распространённым компонентом песка является кремнезём с удельным весом 2,58 г/см³. Шлак из ковшовой печи (LF) был получен методом электродуговой печи на заводе. Молотый гранулированный доменный шлак (GGBFS), образующийся в доменной печи при производстве чугуна как побочный продукт был получен на металлургическом заводе.

2.2 Модификация серы

Модификация серы осуществляется путём смешивания элементарной серы и химического стабилизатора (2,5–5% битума) с образованием серосодержащего полимера. Для обеспечения совместимости элементарной серы с битумом в качестве эмульгатора использовался поверхностно-активное вещество (Тритон Х-100). Температура смешивания составляла около 140 °C в течение 45–60 минут (рис. 1).

Подробное описание процесса приготовления см. в [10]. За ходом реакции следят, контролируя изменение вязкости и однородности смеси. Конечный продукт – серосодержащий полимер, который при охлаждении приобретает стеклоподобные свойства.

Рисунок 1. Модификация серы

2.3 Производство серобетона

МСБ готовили в соответствии с процедурой, описанной в ГОСТ Р 59613-2021 для приготовления и укладки серного бетона [11]. Предварительно нагретые крупные, мелкие заполнители и наполнитель смешивали с расплавленной модифицированной серной с контролируемой скоростью 130–140 °C. 

Температура поддерживалась на протяжении всего процесса смешивания. Затем горячую смесь заливали в предварительно нагретые кубические и цилиндрические формы и оставляли на вибростоле в течение 1 минуты. После отверждения при 40 °C в течение 24 часов образцы выдерживали при комнатной температуре.

2.4 Протокол смешивания и измеренные параметры

Для определения пропорций компонентов смеси МСБ были использованы пять компонентов: сера модифицированная (X1), дробленый песок (X2), песок карьерный (X3), шлак LF (X4) и GGFBS (X5). Соотношения компонентов смеси по массовым долям были выбраны на основе предварительных испытаний. Нижний и верхний пределы соотношений были выбраны на основе результатов предварительных лабораторных экспериментов (таблица 1).

Таблица 1

Нижние и верхние пределы массовой доли различных ингредиентов МСБ

Для разработки и статистической оценки экспериментальных результатов использовалось программное обеспечение c искусственным интеллектом   DeepSeek.   В DeepSeek было предложено 31 смесь, в которых ингредиенты варьировались, как показано в таблице 2.   Кроме того, для получения более репрезентативных результатов, характеризующих влияние компонентов, 31 предложенная смесь была продублирована.  Для проверки разработанных моделей смесей были проведены дополнительные эксперименты. Успешная оптимизация состава МСБ требует определения оптимальных пропорций материалов для достижения оптимального механического отклика.  Обобщённая линейная модель по сути является регрессионной моделью.  Как и все регрессионные модели, она состоит из случайной составляющей и функции конструктивных факторов (x) и некоторых неизвестных параметров.  В стандартной нормальной теории отклик (y) в линейной регрессионной модели определяется уравнением (1).

Где: Y: – реакция; прочность на сжатие, прочность на растяжение при раскалывании и прочность на изгиб; X1, X2, … Xi – переменные; серный цемент (X1), дробленый песок (X2), дюнный песок (X3), шлак LF (X4) и GGBFS (X5); и β1, β2….. коэффициенты.

Это позволяет сравнивать различные математические регрессионные модели на основе их наилучшего соответствия экспериментальным результатам. Кроме того, он помогает выявить значимые члены выбранной математической модели, чтобы исключить другие незначимые члены, что позволяет построить более простую модель. В частности, была выдвинута гипотеза, что специальная кубическая модель коррелирует состав смеси МСБ с требуемыми характеристиками.

Поскольку статистический анализ был подробно описан для трёх механических характеристик:

прочность на сжатие, прочность на растяжение при раскалывании и прочность на изгиб. Для каждого из трёх характеристик модель была подогнана с использованием линейной (уравнение 2), квадратичной (уравнение 3) и специальной кубической (уравнение 4) модели соответственно [12].

Где: Y представляет собой отклик; переменные: серный цемент (X1), дробленый песок (X2), карьерный песок (X3), шлак LF (X4) и GGBFS (X5).

Таблица 2

Пропорции смесей МСБ

2.5 Исследования долговечности МСБ

Образцы из оптимальной смеси МСБ погружали в различные растворы: воду комнатной температуры, воду при 60 °C, 20% раствор серной кислоты и 5% раствор хлорида натрия в течение 18 месяцев. Измерялось снижение прочности на сжатие по сравнению с образцами, находящимися на воздухе (не подвергавшимися воздействию).

3. Результаты

3.1 Модификация серы

В процессе модификации битум, побочный продукт переработки сырой нефти, использовался для модификации элементарной серы с помощью неионогенного поверхностно-активного вещества, что способствовало совместимости серы с битумом. Добавление битума в количестве 2,5–5% мас. к элементарной сере инициирует химические реакции, которые зависят от содержания битума, температуры нагревания и времени реакции. Могут иметь место некоторые конкурирующие реакции, такие как включение битума в молекулы серы и/или дегидрирование с выделением сероводорода. Реакция серы с битумом при 140 °C дает смесь полисульфида и свободной элементарной серы, которая сохраняется в виде моноклинного кристалла серы. Предполагается, что рост крупных кристаллов может быть ограничен, поскольку частицы битума служат центрами нуклеации, которые вызывают образование множества мелких кристаллов вместо меньшего количества крупных орторомбических кристаллов серы. Образующаяся модифицированная сера приводит к затвердевшим продуктам серы, которые не подвергаются высоким нагрузкам и обладают хорошей     прочностью и коррозионной стойкостью [13].

3.2 Производство МСБ

Модифицированная сера представляет собой термопластичный материал, который переходит в жидкое состояние при нагревании выше точки плавления и может смешиваться с заполнителями. Кристаллизация серы в этом случае контролируется относительным процентным содержанием и распределением пространства между заполнителями и серным связующим. Эффект модификации, по-видимому, связан с увеличением степени полимеризации серы. Сама сера обладает склонностью к полимеризации; таким образом, модифицированная сера усиливает эту склонность или поддерживает ее в течение более длительного времени. Качество и количество заполнителей оказывают существенное влияние на свойства и долговечность готового МСБ. Для схватывания не требуется химической реакции, как в случае с портландцементным бетоном (ПЦБ), что минимизирует несовместимость между связующим и заполнителем. МСБ предлагает множество преимуществ в качестве альтернативного строительного материала по сравнению с ПЦБ.

3.3 Коллективные модели и дисперсионный анализ

При статистическом проектировании смеси прочность на сжатие, прочность на растяжение при раскалывании, прочность на изгиб и устойчивость в значительной степени зависят от пропорций дробленого песка, карьерного песка, шлака LF, GGBFS, а также от оптимальных пропорций модифицированной серы. Такой подход позволяет оценить линейные, квадратичные (линейные + коэффициенты взаимодействия) и специальные кубические эффекты взаимодействия компонентов, а затем сравнить модель. Таблица 3 показывает, что специальная кубическая модель обеспечивает адекватное соответствие откликам МСБ: прочности на сжатие, прочности на растяжение при раскалывании и прочности на изгиб, как представлено в уравнении № 4. Хорошее соответствие между прогнозируемыми и экспериментальными значениями подтверждает правильность модели и существование оптимальной точки.

3.3а Механические свойства МСБ (модифицированного серного бетона)

Механизмы, используемые для приготовления MСБ (модифицированного серного бетона), отличаются от механизмов, используемых в ПЦБ (портланд цементном бетоне). MСБ — это термопластичный материал, который смешивается и отливается в горячем состоянии. 

При затвердевании и охлаждении до температуры окружающей среды жидкая модифицированная сера связывает заполнители, образуя жёсткий МСБ.

ПЦБ (портланд цементный бетон) изготавливается при температуре окружающей среды и образуется в результате химической реакции гидратации. В таблице 4 представлено сравнение механических свойств приготовленного МСБ (модифицированного серного бетона) и типичного ПЦБ (портланд цементный бетон) с прочностью 40 МПа. В МСБ большая часть матрицы состоит из покрытых серой заполнителей, при этом сера накапливается в пустотах между частицами, что приводит к снижению общей пористости МСБ. Расплавленная модифицированная сера выступает в качестве связующего материала для этих заполнителей. Она способна глубоко проникать в щели между крупными и мелкими заполнителями, образуя прочную и плотную структуру. Более того, МСБ затвердевает и достигает высокой прочности благодаря модифицированной сере, выступающей в роли инкапсулирующего агента. Быстрое отверждение МСБ способствует сокращению сроков строительства. МСБ обладает высокой прочностью на изгиб и растяжение благодаря термопластичным свойствам модифицированной серы.

Подсчитано, что измельченный песок и шлак LF развивают очень прочные связующие свойства, что приводит к улучшению механических свойств. GGBFS увеличивает плотность, заполняя поры и лучше упаковывая частицы.

Карьерный песок позволяет расплавленной сере легче прилипать к поверхности заполнителей.

Таблица 3

Измеренные значения прочности на сжатие, растяжение при раскалывании и изгиб для смесей МСБ

Таблица 4

Сравнение механических свойств изготовленного MСБ и ПЦБ 40 МПа

* Средние значения, измеренные через 3 дня.
** Средние значения, измеренные через 28 дней.

3.4 Статистическая модель для прогнозирования прочности MCБ

Различные значения прочности MСБ, предсказанные специальной кубической моделью, а также соответствующие экспериментальные измерения представлены на рис. 2a–c. Сравнение этих значений показывает отличное соответствие между прогнозируемыми и экспериментальными данными. Максимальные различия между измеренными и прогнозируемыми значениями прочности на сжатие, прочности на растяжение при раскалывании и прочности на изгиб смесей составляют 4%, 3,4% и 5,2% соответственно.

Рисунок 2а. Корреляция между экспериментальными и прогнозируемыми значениями прочности на сжатие для MCБ.

Это соответствие между прогнозируемыми и экспериментальными значениями подтверждает точность модели и существование оптимальной смеси. В целом, чем выше R-квадрат, тем лучше модель соответствует данным. Скорректированный R2 является полезным инструментом для сравнения объясняющей способности моделей с разным количеством предикторов. Коэффициенты детерминации R2 прочности на сжатие, прочности на растяжение при раскалывании и прочности на изгиб составляют 0,95, 0,98 и 0,96 соответственно при 5% уровне значимости, как показано на рис. 2а, 2b и 2c соответственно.

Рисунок 2б. Корреляция между экспериментальными и прогнозируемыми значениями прочности на разрыв при раскалывании для МСБ.

Рисунок 2с. Корреляция между экспериментальными и прогнозируемыми значениями прочности на изгиб для МСБ.

3.5 Долговечность МСБ

На рисунке 3 показано снижение прочности на сжатие оптимизированных МСБ после воздействия в течение 18 месяцев различных растворов; вода комнатной температуры (23±3°С), вода 60°С, 20% раствор серной кислоты и 5% раствор хлорида натрия. Результаты по долговечности показали, что изготовленные МСБ обладают высокой устойчивостью к нейтральным, кислым и соленым средам.

Рисунок 3. Снижение прочности на сжатие МСБ после 18 месяцев воздействия различных сред.

Наименьшее снижение прочности на сжатие наблюдалось при воздействии дистиллированной воды при комнатной температуре. С повышением температуры воды снижение прочности также увеличивалось. Воздействие 20% раствора серной кислоты привело к наибольшему снижению прочности на сжатие после 3 месяцев воздействия, затем оно стабилизировалось через 6 месяцев, и дальнейшего снижения практически не наблюдалось, что указывает на очень хорошие характеристики в этих агрессивных средах. Такое поведение можно объяснить структурой МСБ, где большая часть матрицы состоит из материалов, покрытых серой (агрегатов и наполнителей). На рисунке 3 показано, что наблюдалось небольшое снижение прочности на сжатие МСБ, испытанного в 5%-ном солевом растворе, что можно объяснить образованием расширяющихся солей (например, гипса, эттрингита и таумазита), которые привели к потере связующих свойств [8].

3.6 Испытание трубы из МСБ

Оптимизированная смесь МСБ № 22, Таблица 2 (модифицированная сера: 0,21, дробленый песок: 0,38, карьерный песок: 0,24, шлак LF: 0,08 и гранулированный доменный шлак: 0,09) были использованы для отливки армированного сегмента трубы с наружным диаметром 360 мм, внутренним диаметром 300 мм и длиной 600 мм.

Рисунок 4. (а) Схема испытательной установки и (б) кривая зависимости нагрузки от боковой деформации изготовленного сегмента трубы МСБ

Испытание участка трубы проводилось под вертикальной линейной нагрузкой и стандартным испытанием на трехстороннее сжатие, как показано на рисунке 4a. Усиленный участок трубы МСБ разрушился под нагрузкой 12,5 кН, а средняя боковая деформация при максимальной нагрузке составила 0,25 мм, как показано на рисунке 4b.

Выводы

В данной работе описывается модификация элементарной серы с использованием олефинового углеводородного полимерного материала (битума), что привело к контролю кристаллизации серы и формированию новой структуры с мелкими размерами зерен. Изготовление МСБ, состоящего из модифицированной серы, дробленого песка, карьерного песка, шлака LF и GGBFS, проводилось с использованием статистического эксперимента по подбору смеси для оптимизации пропорций МСБ с целью максимизации ее механических свойств. Разработанная модель показала хорошую корреляцию между прогнозируемыми и измеренными свойствами. Оптимальная смесь МСБ показала улучшенную стойкость к суровым условиям в течение 18 месяцев, в частности, в воде при различных температурах, 20% растворе серной кислоты и 5% растворе хлорида натрия. Оптимизированная смесь МСБ была использована для литья армированных сегментов труб для использования в канализационной системе. Сегмент трубы разрушился при нагрузке 12,5 кН и боковой деформации 0,25 мм. Представленный МСБ имеет хороший потенциал для использования в канализационных трубах в районах Арктики, что делает его критически значимым материалом в рамках государственной программы освоения северного морского пути.

***

1. Ремнев В. В. Применение технической серы в строительстве // Технологии бетонов. Сухие строительные смеси. — 2016. — № 9–10. — С. 20–21. — URL: https://rucont.ru/efd/520841 (дата обращения: 16.07.2026).
   
   
2. Ремнев В. В., Ремнев А. В. Строительство транспортной инфраструктуры на островах Арктики и побережья Крайнего Севера с использованием инновационных материалов на основе технической серы // Вестник НИЦ «Строительство». — 2019. — Т. 22, № 3. — С. 90–97.
   
   
3. ПНСТ 105-2016. Смеси серобетонные и серобетон.
   
   
4. Ремнев В. В., Кузеванов Д. В., Ремнев А. В. Золошлаковые бетоны на основе технической серы для гибких защитных матов // Технологии бетонов. — 2023. — № 6 (191). — С. 33–36.
   
   
5. Буренина О. Н., Николаева Л. А., Андреева А. В., Копылов В. Е., Саввинова М. Е. Исследование физико-химических свойств минерального сырья для модификации серобетонов // Вестник евразийской науки. — 2022. — Т. 14, № 5. — URL: https://esj.today/PDF/21SAVN522.pdf (дата обращения: 16.07.2026).
   
   
6. Ремнев В. В., Ремнев А. В. Применение серосодержащих отходов для гидроизоляции строительных конструкций // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. — 2023. — № 2 (277). — С. 69–72.
   
   
7. Ремнёв В. В., Ремнёв А. В. Восстановление и ремонт аэродромных и дорожных покрытий с применением СВЧ-технологии // Фундаментальные, поисковые и прикладные исследования РААСН по научному обеспечению развития архитектуры, градостроительства и строительной отрасли Российской Федерации в 2016 году : сборник научных трудов РААСН. — М. : Издательство АСВ, 2017. — С. 333–335.
   
   
8. Тураев Х. Х., Аманова Н. Д., Хайитова Ж. М., Махмудова Ю. А. К., Ахадов Б. Б. Модификация серы госсиполовой смолой или пиролизным дистиллятом и получение серного бетона // Universum: технические науки. — 2022. — № 4-9 (97). — URL: https://cyberleninka.ru/article/n/modifikatsiya-sery-gossipolovoy-smoloy-ili-piroliznym-distillyatom-i-poluchenie-sernogo-betona (дата обращения: 16.07.2026).
   
   
9. Ремнев В. В., Ремнев А. В. Скоростной ремонт аэродромных и дорожных покрытий на островах Арктики и побережья Крайнего Севера с помощью технической серы // Фундаменты. — 2022. — № 3 (9). — С. 36–38.
   
   
10. ГОСТ Р 59613-2021. Национальный стандарт Российской Федерации. Смеси серобетонные и серобетон. — 2021.
    
    
11. Малое инновационное предприятие «Сульфотекс МАДИ» (ООО «МИП «Сульфотекс МАДИ»). — URL: https://bbnt.ru/company/7714347515_ooo_mip_sulfoteks_madi
    
    
12. Юсупов Ф., Сетметов Н. У., Эржанов Б. О. Рекомендации по составлению статических моделей экспериментально-статистическими методами // Молодой ученый. — 2017. — № 16.2 (150.2). — С. 5–9. — URL: https://moluch.ru/archive/150/42569 (дата обращения: 16.07.2026).
    
    
13. Васильев Ю. Э., Воейко О. А., Царьков Д. С. Исследование коррозионной устойчивости сероасфальтобетона // Вестник евразийской науки. — 2014. — № 5 (24). — URL: https://cyberleninka.ru/article/n/issledovanie-korrozionnoy-ustoychivosti-seroasfaltobetona (дата обращения: 16.07.2026).