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Experimental Investigation of the Temperature-Dependent Mechanical Properties of Sulfur Mortars with Different Binder Compositions

Este estudio demuestra experimentalmente que, si bien el aumento del contenido de azufre mejora el desempeño mecánico de los morteros a base de azufre a temperaturas elevadas, la adición de betún reduce significativamente la resistencia a pesar de mejorar la ductilidad, lo que conduce a un límite de temperatura de servicio seguro recomendado de aproximadamente 75 °C.

Autores originales: Sayed Nematullah Sadat, Ömer Faruk Balalan, Ahmet Özbayrak

Publicado 2026-07-07

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CC BY 4.0

Autores originales: Sayed Nematullah Sadat, Ömer Faruk Balalan, Ahmet Özbayrak

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

Imagina que estás intentando construir una casa con un material muy especial y poco común: azufre fundido.

Normalmente, construimos con hormigón mezclando arena con cemento y agua. Pero el azufre es diferente. Es un subproducto de la limpieza del petróleo y el gas, y en lugar de agua, lo derretimos y lo mezclamos con arena para crear un bloque de construcción "sin agua". Este material es súper fuerte, resiste el ácido como un superhéroe y se endurece increíblemente rápido.

Pero hay un inconveniente: el azufre es un poco como un anillo que cambia de color con el calor. Se vuelve duro y quebradizo cuando hace frío, pero empieza a ponerse blando y maleable cuando hace calor.

Este artículo de investigación es como una prueba de esfuerzo para esta mezcla de azufre y arena. Los científicos querían responder a dos preguntas principales:

¿Cómo cambia la temperatura la resistencia de este material? (¿Se vuelve más fuerte o más débil a medida que se calienta?)
¿Ayuda o perjudica añadir un poco de "alquitrán de carretera" (betún)? (Piensa en el betún como un suavizante o plastificante, como añadir mantequilla a una masa espesa para hacerla más flexible).

Esto es lo que encontraron, desglosado de forma sencilla:

1. La montaña rusa de la temperatura

Los investigadores probaron el material a cinco temperaturas diferentes, que van desde unos gélidos -10 °C (como un día de invierno) hasta unos abrasadores 100 °C (como un día de verano intenso o una olla hirviendo).

La racha de frío (-10 °C): El material era muy rígido. Curiosamente, la mezcla con menos azufre (30%) fue en realidad más fuerte que la que tenía más azufre (40%) cuando hacía un frío extremo.
El "punto ideal" (75 °C): Esta es la parte más sorprendente. Normalmente, las cosas se debilitan a medida que se calientan. Pero para la mezcla de azufre con más azufre (40%) y sin betún, el material en realidad se volvió más fuerte a medida que se calentaba hasta los 75 °C. Era como una banda elástica que de repente se tensa más. Los científicos llaman a esto un "aumento de resistencia anómalo".
El punto de fusión (100 °C): Una vez que la temperatura alcanzó los 100 °C, la fiesta se terminó. El azufre empezó a ablandarse significativamente (recuerda, el azufre se funde alrededor de los 115 °C). En este punto, el material perdió su rigidez y su resistencia se desplomó. Fue como intentar construir un muro con mantequilla tibia.

2. El experimento del betún (La prueba de la "mantequilla")

Los científicos añadieron un 1,5 % de betún (una sustancia negra y pegajosa que se usa en las carreteras) para ver si esto hacía que el material fuera menos quebradizo y más flexible.

El resultado: Lo hizo mucho más débil, pero un poco más elástico.
El intercambio: Imagina una barra de chocolate. La barra de azufre pura es dura y se rompe limpiamente. La barra con betún es más blanda y se dobla un poco antes de romperse, pero se rompe bajo mucho menos peso.
Los números: Añadir betún causó una caída masiva en la resistencia.
- Resistencia a la flexión: Cayó entre un 67 % y un 82 %.
- Resistencia a la compresión (aplastamiento): Cayó entre un 28 % y un 67 %.
- Esencialmente, el betún actuó como un "eslabón débil" en la cadena, interrumpiendo la fuerte estructura cristalina del azufre.

3. La carga frente a la flexión (Ductilidad)

Los investigadores también observaron cuánto se doblaba el material antes de romperse (deflexión).

Sin betún: El material era muy fuerte pero quebradizo. Cuando finalmente se rompía, se partía de repente, como una rama seca.
Con betún: El material era más débil, pero se doblaba más antes de romperse. Era más "dúctil", como un trozo de caramelo masticable.
El problema: Aunque ser capaz de doblarse suele ser bueno, el betún hizo que el material fuera tan débil que no podía soportar mucho peso para empezar. Además, su comportamiento se volvió impredecible a medida que cambiaba la temperatura.

La gran conclusión

Si quieres usar este material de azufre y arena para construir algo que necesite soportar mucho peso:

No añadas el betún. Hace que el material sea demasiado débil, aunque lo hace ligeramente más flexible.
Usa más azufre (40 %). Esto crea un material más fuerte, especialmente en condiciones cálidas.
Vigila la temperatura. El material está más feliz y es más fuerte entre los 50 °C y los 75 °C. Si se calienta demasiado (100 °C), pierde su fuerza. Si hace un frío intenso, está bien, pero la mezcla de 30 % de azufre es mejor en ese caso.

En resumen: Este estudio nos dice que, si bien el mortero de azufre es un material de construcción prometedor y ecológico, es muy sensible al calor. Añadir betún para hacerlo más "resistente" en realidad lo hace demasiado débil para trabajos de gran capacidad. La mejor receta es una mezcla de alto contenido de azufre sin betún, utilizada en entornos donde la temperatura se mantenga por debajo de los 75 °C.

Resumen Técnico: Investigación Experimental de las Propiedades Mecánicas Dependientes de la Temperatura de Morteros de Azufre con Diferentes Composiciones de Ligante

Planteamiento del Problema
La industria de la construcción enfrenta desafíos ambientales significativos debido al alto consumo de energía y las emisiones de carbono asociados con el Cemento Portland Ordinario (CPO). Simultáneamente, el sector energético genera vastas cantidades de azufre elemental como subproducto de la desulfuración, lo que crea un problema de gestión de residuos. Los morteros basados en azufre (SBM, por sus siglas en inglés) ofrecen una alternativa sostenible, utilizando azufre fundido como ligante para crear "concreto sin agua" con un rápido desarrollo de resistencia y alta resistencia química. Sin embargo, una limitación crítica de los compuestos basados en azufre es su naturaleza termoplástica; el ligante se ablanda a medida que la temperatura aumenta, lo que provoca una reducción de la rigidez y la resistencia mecánica. Si bien se conoce el punto de ablandamiento del azufre (aproximadamente 88–93 °C), el comportamiento mecánico específico de los SBM bajo variaciones de temperatura, particularmente cuando se modifican con aditivos como el betún y contenidos variables de azufre, permanece insuficientemente aclarado. Este estudio aborda la necesidad de comprender el rendimiento termomecánico de los SBM para asegurar su fiabilidad en aplicaciones de ingeniería.

Metodología
El estudio investigó experimentalmente las propiedades mecánicas de los SBM en un rango de temperatura de -10 °C a 100 °C. El diseño experimental involucró:

Materiales: $\alpha$ -azufre (ligante), arena de río (0–4 mm), ceniza volante Clase F (aditivo mineral) y betún B50/70 (modificador).
Diseños de Mezcla: Se prepararon morteros con dos contenidos de azufre (30% y 40% de la masa de arena) y un contenido constante de ceniza volante (15% de la masa de arena). Se añadió betún al 1.5% de la masa de la arena para las mezclas modificadas.
Especímenes: Se produjeron 60 especímenes prismáticos (40 × 40 × 160 mm) para ensayos de flexión, con los medios especímenes correspondientes utilizados para ensayos de compresión.
Condiciones de Ensayo: Las muestras se probaron a cinco temperaturas específicas: -10 °C, 25 °C, 50 °C, 75 °C y 100 °C.
Procedimientos: La resistencia a la flexión se determinó mediante flexión en tres puntos (TS EN 196-1), y la resistencia a la compresión se probó en los medios especímenes resultantes. También se analizó el comportamiento de carga-deflexión para evaluar la ductilidad y la fragilidad.

Resultados Clave
Los resultados experimentales revelaron interacciones complejas entre la temperatura, el contenido de azufre y la modificación con betún:

Efecto del Betún: La adición de 1.5% de betún resultó consistentemente en pérdidas significativas de rendimiento en todas las temperaturas. La resistencia a la flexión disminuyó entre un 67% y un 82%, y la resistencia a la compresión disminuyó entre un 28% y un 67% en comparación con las muestras no modificadas. Si bien el betún aumentó la ductilidad post-pico (permitiendo la deformación después de la carga máxima), actuó como una "fase débil" que interrumpió la estructura cristalina de la matriz de azufre, comprometiendo severamente la capacidad de carga.
Efecto del Contenido de Azufre: Aumentar el contenido de azufre del 30% al 40% generalmente mejoró el rendimiento mecánico a temperaturas medias y altas (25–75 °C). Las mezclas con 40% de azufre (SM40) alcanzaron las mayores resistencias a la flexión y compresión, particularmente a 75 °C. Por el contrario, a bajas temperaturas (-10 °C), las mezclas con 30% de azufre (SM30) exhibieron un desempeño superior.
Sensibilidad Térmica y Aumento Anómalo de Resistencia:
- Bajas Temperaturas (-10 °C): Los materiales exhibieron mayor resistencia pero un comportamiento frágil.
- Temperaturas Medias a Altas (50–75 °C): Se observó un "aumento anómalo de la resistencia", particularmente en las muestras SM40. A 75 °C, la muestra SM40 no modificada alcanzó una resistencia máxima a la flexión de 8.44 MPa y una resistencia a la compresión de 38.91 MPa. Esto concuerda con la literatura que sugiere que los compuestos basados en azufre pueden exhibir un aumento de resistencia hasta los 74–80 °C.
- Temperatura Crítica (100 °C): A 100 °C, todas las muestras experimentaron una disminución abrupta de la resistencia. Esto se atribuye a haber excedido el límite de temperatura de servicio seguro (88–93 °C), donde el polímero de azufre se ablanda y se aproxima a su punto de fusión, lo que conduce a una transición hacia el flujo viscoso y la pérdida de rigidez.
Relación entre Resistencia a la Flexión y a la Compresión: El estudio encontró que no existe una correlación lineal directa entre la resistencia a la flexión y la resistencia a la compresión. En muchos casos, las tendencias fueron opuestas; por ejemplo, mientras que la resistencia a la compresión a menudo alcanzó su máximo entre 50–75 °C, la resistencia a la flexión mostró patrones de sensibilidad diferentes. Esto indica que evaluar los SBM basándose en un solo parámetro mecánico es insuficiente.
Comportamiento de Carga-Deflexión: El aumento de la temperatura y la modificación con betún incrementaron la ductilidad del material (mayores valores de deflexión), pero redujeron significativamente la capacidad de carga. Las muestras no modificadas fallaron de manera frágil tras la carga máxima, mientras que las muestras modificadas con betún continuaron deformándose bajo cargas menores.

Significancia y Reivindicaciones
Los autores concluyen que el límite de temperatura de servicio seguro para los compuestos basados en azufre en aplicaciones de ingeniería debe optimizarse aproximadamente a 75 °C. Más allá de este punto, específicamente a 100 °C, la integridad estructural del material se ve comprometida debido al ablandamiento del ligante de azufre.

El estudio enfatiza que, si bien aumentar el contenido de azufre al 40% ofrece una ventaja mecánica en el rango de 50–75 °C, el uso de aditivos plastificantes como el betún debe equilibrarse cuidadosamente. Aunque el betún mejora la ductilidad, la reducción sustancial en la resistencia a la flexión y a la compresión (hasta un 82% y 67%, respectivamente) presenta una clara desventaja para las aplicaciones estructurales que requieren una alta capacidad de carga.

En última instancia, esta investigación proporciona una base científica para el diseño de ligantes basados en azufre, destacando que el rendimiento mecánico de los SBM es altamente sensible a las fluctuaciones de temperatura y a la composición del ligante. Los hallazgos sugieren que, para un rendimiento estructural óptimo, las mezclas no modificadas con un 40% de contenido de azufre son preferibles dentro de la ventana operativa de 50–75 °C, siempre que se tenga en cuenta el modo de falla frágil en el diseño.

1. La montaña rusa de la temperatura

2. El experimento del betún (La prueba de la "mantequilla")

3. La carga frente a la flexión (Ductilidad)

La gran conclusión

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