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

Questo studio dimostra sperimentalmente che, sebbene l'aumento del contenuto di zolfo migliori le prestazioni meccaniche dei malte a base di zolfo ad elevate temperature, l'aggiunta di bitume riduce significativamente la resistenza nonostante migliori la duttilità, portando a un limite di temperatura di esercizio sicuro raccomandato di circa 75°C.

Autori originali: Sayed Nematullah Sadat, Ömer Faruk Balalan, Ahmet Özbayrak

Pubblicato 2026-07-07

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CC BY 4.0

Autori originali: Sayed Nematullah Sadat, Ömer Faruk Balalan, Ahmet Özbayrak

Articolo originale sotto licenza CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Questa è una spiegazione generata dall'IA dell'articolo qui sotto. Non è stata scritta né approvata dagli autori. Per precisione tecnica, consulta l'articolo originale. Leggi il disclaimer completo

Immagina di cercare di costruire una casa usando un materiale molto speciale e insolito: il zolfo fuso.

Normalmente, quando costruiamo con il cemento, mescoliamo sabbia con cemento e acqua. Ma lo zolfo è diverso. È un sottoprodotto della pulizia di petrolio e gas e, invece dell'acqua, lo fondiamo e lo mescoliamo con la sabbia per creare un blocco edilizio "senza acqua". Questo materiale è super resistente, resiste all'acido come un supereroe e indurisce incredibilmente velocemente.

Tuttavia, c'è un problema: lo zolfo è un po' come un anello umorale quando si tratta di calore. Diventa duro e fragile quando fa freddo, ma inizia a diventare morbido e viscoso quando fa caldo.

Questo articolo di ricerca è come un test di resistenza per questa miscela di zolfo e sabbia. Gli scienziati volevano rispondere a due domande principali:

In che modo la temperatura cambia la resistenza di questo materiale? (Diventa più forte o più debole mentre si scalda?)
Aggiungere un po' di "catrame stradale" (bitume) aiuta o danneggia? (Pensa al bitume come a un addolcente o plastificante, come aggiungere burro a un impasto sodo per renderlo più flessibile.)

Ecco cosa hanno scoperto, spiegato in modo semplice:

1. La montagna russa delle temperature

I ricercatori hanno testato il materiale a cinque diverse temperature, che vanno da un gelo di -10°C (come una giornata invernale) a un caldo torrido di 100°C (come una caldaia in ebollizione).

Il colpo di freddo (-10°C): Il materiale era molto rigido. Interessante il fatto che la miscela con meno zolfo (30%) fosse in realtà più forte di quella con più zolfo (40%) quando faceva un freddo gelido.
Il "punto ideale" (75°C): Questa è la parte più sorprendente. Di solito, le cose diventano più deboli man mano che si scaldano. Ma per la miscela con più zolfo (40%) e senza bitume, il materiale è diventato effettivamente più forte mentre si riscaldava fino a 75°C. Era come un elastico che improvvisamente si tendeva con più forza. Gli scienziati chiamano questo fenomeno "aumento anomalo della resistenza".
Il punto di fusione (100°C): Una volta raggiunti i 100°C, la festa è finita. Lo zolfo ha iniziato ad ammorbidirsi significativamente (ricorda, lo zolfo fonde intorno ai 115°C). A questo punto, il materiale ha perso la sua rigidità e la sua forza è crollata. Era come cercare di costruire un muro con del burro tiepido.

2. L'esperimento del bitume (Il test del "burro")

Gli scienziati hanno aggiunto l'1,5% di bitume (una sostanza nera e appiccicosa usata sulle strade) per vedere se avrebbe reso lo zolfo meno fragile e più flessibile.

Il risultato: Ha reso il materiale molto più debole, ma un po' più elastico.
Il compromesso: Immagina una tavoletta di cioccolato. La tavoletta di puro zolfo è dura e si spezza nettamente. Quella con il bitume è più morbida e si piega un po' prima di rompersi, ma si rompe sotto un peso molto minore.
I numeri: L'aggiunta di bitume ha causato un calo massiccio della resistenza.
- Resistenza alla flessione: È scesa del 67% - 82%.
- Resistenza alla compressione (schiacciamento): È scesa del 28% - 67%.
  In sostanza, il bitume ha agito come un "anello debole" nella catena, interrompendo la forte struttura cristallina dello zolfo.

3. Carico vs. Piegatura (Duttilità)

I ricercatori hanno anche osservato quanto il materiale si piegava prima di rompersi (deflessione).

Senza bitume: Il materiale era molto forte ma fragile. Quando finalmente si rompeva, si spezzava improvvisamente, come un ramoscello secco.
Con il bitume: Il materiale era più debole, ma si piegava di più prima di rompersi. Era più "duttile", come un pezzo di caramella molle.
Il problema: Sebbene la capacità di piegarsi sia di solito un bene, il bitume ha reso il materiale così debole che non riusciva a sostenere molto peso sin dall'inizio. Inoltre, il suo comportamento è diventato imprevedibile al variare della temperatura.

Il grande insegnamento

Se vuoi usare questo materiale di zolo e sabbia per costruire qualcosa che debba sostenere pesi elevati:

Non aggiungere il bitume. Lo rende troppo debole, anche se lo rende leggermente più flessibile.
Usa più zolfo (40%). Questo crea un materiale più forte, specialmente in condizioni di calore.
Attenzione alla temperatura. Il materiale è più felice e forte tra i 50°C e i 75°C. Se diventa troppo caldo (100°C), perde la sua forza. Se fa gelo, va bene, ma la miscela con il 30% di zolfo è migliore.

In breve: Questo studio ci dice che, sebbene la malta di zolfo sia un materiale edilizio promettente ed ecosostenibile, è molto sensibile al calore. Aggiungere il bitume per renderlo più "tenace" lo rende in realtà troppo debole per lavori pesanti. La ricetta migliore è una miscela ad alto contenuto di zolfo senza bitume, utilizzata in ambienti dove la temperatura rimane al di sotto dei 75°C.

Sintesi Tecnica: Indagine Sperimentale delle Proprietà Meccaniche in Funzione della Temperatura di Malte di Zolfo con Diverse Composizioni del Legante

Problematica
L'industria delle costruzioni affronta sfide ambientali significative a causa dell'elevato consumo di energia e delle emissioni di carbonio associate al Cemento Portland Ordinario (OPC). Parallelamente, il settore energetico genera vaste quantità di zolfo elementare come sottoprodotto della desolforazione, creando un problema di gestione dei rifiuti. Le malte a base di zolfo (SBM) offrono un'alternativa sostenibile, utilizzando lo zolfo fuso come legante per creare un "calcestruzzo privo d'acqua" con rapido sviluppo della resistenza e alta resistenza chimica. Tuttavia, un limite critico dei compositi a base di zolfo è la loro natura termoplastica; il legante si ammorbidisce all'aumentare delle temperature, portando a una riduzione della rigidità e della resistenza meccanica. Sebbene il punto di rammollimento dello zolfo (circa 88–93 °C) sia noto, il comportamento meccanico specifico delle SBM sotto diverse condizioni di temperatura, in particolare quando modificate con additivi come il bitume e variabili contenuti di zolfo, rimane insufficientemente chiarito. Questo studio affronta la necessità di comprendere le prestazioni termo-meccaniche delle SBM per garantirne l'affidabilità nelle applicazioni ingegneristiche.

Metodologia
Lo studio ha investigato sperimentalmente le proprietà meccaniche delle SBM in un intervallo di temperatura compreso tra -10 °C e 100 °C. Il disegno sperimentale ha previsto:

Materiali: $\alpha$ -zolfo (legante), sabbia di fiume (0–4 mm), ceneri volanti di Classe F (additivo minerale) e bitume B50/70 (modificatore).
Mix Design: Le malte sono state preparate con due contenuti di zolfo (30% e 40% della massa della sabbia) e un contenuto costante di ceneri volanti (15% della massa della sabbia). Il bitume è stato aggiunto nell'1,5% della massa della sabbia per le miscele modificate.
Provini: Sono stati prodotti 60 provini prismatici (40 × 40 × 160 mm) per test di flessione, con i corrispondenti semiprovi per i test di compressione.
Condizioni di Test: I campioni sono stati testati a cinque temperature specifiche: -10 °C, 25 °C, 50 °C, 75 °C e 100 °C.
Procedure: La resistenza alla flessione è stata determinata tramite prova di flessione su tre punti (TS EN 196-1), mentre la resistenza alla compressione è stata testata sui semiprovi risultanti. È stato inoltre analizzato il comportamento carico-deflessione per valutare duttilità e fragilità.

Risultati Chiave
I risultati sperimentali hanno rivelato complesse interazioni tra temperatura, contenuto di zolfo e modifica con bitume:

Effetto del Bitume: L'aggiunta dell'1,5% di bitume ha costantemente causato significative perdite di prestazione in tutte le temperature. La resistenza alla flessione è diminuita del 67–82% e la resistenza alla compressione del 28–67% rispetto ai campioni non modificati. Sebbene il bitume abbia aumentato la duttilità post-picco (permettendo la deformazione dopo il carico di picco), esso ha agito come una "fase debole" che ha interrotto la struttura cristallina della matrice di zolfo, compromettendo gravemente la capacità di carico.
Effetto del Contenuto di Zolfo: Aumentare il contenuto di zolfo dal 30% al 40% ha generalmente migliorato le prestazioni meccaniche a temperature medie e alte (25–75 °C). Le miscele con il 40% di zolfo (SM40) hanno raggiunto le resistenze massime alla flessione e alla compressione, in particolare a 75 °C. Al contrario, a basse temperature (-10 °C), le miscele con il 30% di zolfo (SM30) hanno mostrato prestazioni superiori.
Sensibilità alla Temperatura e Aumento Anomalo della Resistenza:
- Basse Temperature (-10 °C): I materiali hanno mostrato una resistenza maggiore ma un comportamento fragile.
- Temperature Medie e Alte (50–75 °C): È stato osservato un "aumento anomalo della resistenza", in particolare nei campioni SM40. A 75 °C, il campione SM40 non modificato ha raggiunto una resistenza massima alla flessione di 8,44 MPa e una resistenza alla compressione di 38,91 MPa. Ciò concorda con la letteratura che suggerisce come i compositi a base di zolfo possano mostrare un aumento della resistenza fino a 74–80 °C.
- Temperatura Critica (100 °C): A 100 °C, tutti i campioni hanno subito un brusco calo della resistenza. Ciò è attribuito al superamento del limite di temperatura di esercizio sicuro (88–93 °C), dove lo zolfo polimerico si ammorbidisce e si avvicina al suo punto di fusione, portando a una transizione verso il flusso viscoso e alla perdita di rigidità.
Relazione tra Resistenza alla Flessione e alla Compressione: Lo studio ha rilevato l'assenza di una correlazione lineare diretta tra la resistenza alla flessione e quella alla compressione. In molti casi, le tendenze sono state opposte; ad esempio, mentre la resistenza alla compressione spesso raggiungeva il picco tra 50 e 75 °C, la resistenza alla flessione mostrava schemi di sensibilità differenti. Ciò indica che valutare le SBM basandosi su un singolo parametro meccanico è insufficiente.
Comportamento Carico-Deflessione: L'aumento delle temperature e la modifica con bitume hanno aumentato la duttilità del materiale (valori di deflessione più elevati), ma hanno ridotto significativamente la capacità di carico. I campioni non modificati sono falliti in modo fragile dopo il carico di picco, mentre i campioni modificati con bitume hanno continuato a deformarsi sotto carichi inferiori.

Significato e Conclusioni
Gli autori concludono che il limite di temperatura di esercizio sicuro per i compositi a base di zolfo nelle applicazioni ingegneristiche dovrebbe essere ottimizzato a circa 75 °C. Oltre questo punto, specificamente a 100 °C, l'integrità strutturale del materiale è compromessa a causa dell'ammorbidimento del legante di zolfo.

Lo studio sottolinea che, sebbene l'aumento del contenuto di zolfo al 40% offra un vantaggio meccanico nell'intervallo 50–75 °C, l'uso di additivi plastificanti come il bitume deve essere attentamente bilanciato. Sebbene il bitume migliori la duttilità, la sostanziale riduzione della resistenza alla flessione e alla compressione (fino all'82% e al 67%, rispettivamente) rappresenta un netto svantaggio per le applicazioni strutturali che richiedono un'elevata capacità di carico.

In definitiva, questa ricerca fornisce una base scientifica per la progettazione di leganti a base di zolfo, evidenziando che la prestazione meccanica delle SBM è altamente sensibile alle fluttuazioni di temperatura e alla composizione del legante. I risultati suggeriscono che, per prestazioni strutturali ottimali, le miscele non modificate con il 40% di zolfo sono preferibili nell'intervallo operativo 50–75 °C, a condizione che il modo di rottura fragile venga considerato nella progettazione.

1. La montagna russa delle temperature

2. L'esperimento del bitume (Il test del "burro")

3. Carico vs. Piegatura (Duttilità)

Il grande insegnamento

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