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

Technische Samenvatting: Experimenteel onderzoek naar de temperatuurafhankelijke mechanische eigenschappen van zwavelmortels met verschillende bindmiddelcomposities

Probleemstelling
De bouwsector staat voor aanzienlijke milieuproblemen door het hoge energieverbruik en de koolstofemissies die geassocieerd worden met gewone Portlandcement (OPC). Tegelijkertijd genereert de energiesector enorme hoeveelheden elementair zwavel als bijproduct van ontzwaveling, wat een probleem vormt voor het afvalbeheer. Zwavelgebaseerde mortels (SBM) bieden een duurzaam alternatief, waarbij gesmolten zwavel wordt gebruikt als bindmiddel om "waterloos beton" te creëren met een snelle sterkteontwikkeling en een hoge chemische resistentie. Echter, een kritieke beperking van zwavelgebaseerde composieten is hun thermoplastische aard; het bindmiddel verzacht naarmate de temperatuur stijgt, wat leidt tot verminderde stijfheid en mechanische sterkte. Hoewel het verwekingspunt van zwavel (ongeveer 88–93°C) bekend is, blijft het specifieke mechanische gedrag van SBM onder variërende temperatuuromstandigheden, met name wanneer het is gemodificeerd met additieven zoals bitumen en variërende zwavelgehaltes, onvoldoende verhelderd. Deze studie adresseert de noodzaak om de thermomechanische prestaties van SBM te begrijpen om de betrouwbaarheid ervan in technische toepassingen te waarborgen.

Methodologie
De studie onderzocht experimenteel de mechanische eigenschappen van SBM over een temperatuurbereik van -10°C tot 100°C. Het experimentele ontwerp omvatte:

• Materialen: $\alpha$-zwavel (bindmiddel), rivierzand (0–4 mm), Class F vliegas (mineraal additief) en B50/70 bitumen (modifier).
• Mengontwerpen: Mortels werden geprepareerd met twee zwavelgehaltes (30% en 40% van de zandmassa) en een constant vliegasgehalte (15% van de zandmassa). Bitumen werd toegevoegd aan de gemodificeerde mengsels op 1,5% van de zandmassa.
• Proefstukken: 60 prismatische proefstukken (40 × 40 × 160 mm) werden geproduceerd voor buigproeven, met overeenkomstige halve proefstukken voor drukproeven.
• Testcondities: Monsters werden getest bij vijf specifieke temperaturen: -10°C, 25°C, 50°C, 75°C en 100°C.
• Procedures: De buigsterkte werd bepaald via drie-punts buiging (TS EN 196-1), en de druksterkte werd getest op de resulterende halve proefstukken. Het last-deflectiegedrag werd eveneens geanalyseerd om ductiliteit en brosheid te beoordelen.

Belangrijkste Resultaten
De experimentele resultaten onthulden complexe interacties tussen temperatuur, zwavelgehalte en bitumenmodificatie:

1. Effect van Bitumen: De toevoeging van 1,5% bitumen resulteerde consistent in significante prestatieverliezen over alle temperaturen. De buigsterkte nam af met 67–82%, en de druksterkte nam af met 28–67% vergeleken met ongemodificeerde monsters. Hoewel bitumen de post-piek ductiliteit verhoogde (waardoor vervorming na de piekbelasting mogelijk werd), fungeerde het als een "zwakke fase" die de kristallijne structuur van de zwavelmatrix verstoorde, waardoor de belastbaarheid ernstig in gevaar kwam.
2. Effect van Zwavelgehalte: Het verhogen van het zwavelgehalte van 30% naar 40% verbeterde over het algemeen de mechanische prestaties bij gemiddelde en hoge temperaturen (25–75°C). De 40% zwavelmengsels (SM40) bereikten de hoogste buig- en druksterkte, met name bij 75°C. Daarentegen vertoonden de 30% zwavelmengsels (SM30) bij lage temperaturen (-10°C) een superieure prestatie.
3. Temperatuurgevoeligheid en Anomale Sterkteverhoging:
   • Lage Temperaturen (-10°C): Materialen vertoonden een hogere sterkte maar bros gedrag.
   • Gemiddelde tot Hoge Temperaturen (50–75°C): Een "anomale sterkteverhoging" werd waargenomen, met name in de SM40-monsters. Bij 75°C bereikte het ongemodificeerde SM40-monster een piekbuigsterkte van 8,44 MPa en een druksterkte van 38,91 MPa. Dit komt overeen met de literatuur die suggereert dat zwavelgebaseerde composieten een verhoogde sterkte kunnen vertonen tot 74–80°C.
   • Kritieke Temperatuur (100°C): Bij 100°C ondergingen alle monsters een scherpe afname in sterkte. Dit wordt toegeschreven aan het overschrijden van de veilige bedrijfstemperatuurgrens (88–93°C), waarbij het zwavelpolymeer verzacht en de overgang naar viskeuze stroming en verlies van stijfheid nadert.
4. Relatie tussen Buig- en Druksterkte: De studie vond geen directe lineaire correlatie tussen buig- en druksterkte. In veel gevallen waren de trends tegenovergesteld; bijvoorbeeld, terwijl de druksterkte vaak piekte bij 50–75°C, vertoonde de buigsterkte andere gevoeligheidspatronen. Dit geeft aan dat het evalueren van SBM op basis van één enkel mechanisch parameter onvoldoende is.
5. Last-Deflectiegedrag: Stijgende temperaturen en bitumenmodificatie verhoogden de ductiliteit van het materiaal (hogere deflectiewaarden), maar verminderden de belastbaarheid aanzienlijk. Ongemodificeerde monsters faalden bros na de piekbelasting, terwijl bitumen-gemodificeerde monsters bleven vervormen onder lagere belastingen.

Betekenis en Claims
De auteurs concluderen dat de veilige bedrijfstemperatuurgrens voor zwavelgebaseerde composieten in technische toepassingen moet worden geoptimaliseerd tot ongeveer 75°C. Voorbij dit punt, specifiek bij 100°C, wordt de structurele integriteit van het materiaal aangetast door het verzachten van het zwavelbindmiddel.

De studie benadrukt dat hoewel het verhogen van het zwavelgehalte naar 40% een mechanisch voordeel biedt in het 50–75°C bereik, het gebruik van plastificerende additieven zoals bitumen zorgvuldig gebalanceerd moet worden. Hoewel bitumen de ductiliteit verbetert, vormt de substantiële reductie in buig- en druksterkte (tot 82% en 67%, respectievelijk) een duidelijk nadeel voor structurele toepassingen die een hoge belastbaarheid vereisen.

Uiteindelijk biedt dit onderzoek een wetenschappelijke basis voor het ontwerpen van zwavelgebaseerde bindmiddelen, waarbij wordt benadrukt dat de mechanische prestaties van SBM zeer gevoelig zijn voor temperatuurschommelingen en bindmiddelcompositie. De bevindingen suggereren dat voor optimale structurele prestaties ongemodificeerde mengsels met een zwavelgehalte van 40% te verkiezen zijn binnen het 50–75°C werkingsvenster, mits de brosse faalmodus in het ontwerp wordt meegenomen.