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

Resumo Técnico: Investigação Experimental das Propriedades Mecânicas de Argamassas de Enxofre Dependentes da Temperatura com Diferentes Composições de Ligante

Problema
A indústria da construção enfrenta desafios ambientais significativos devido ao alto consumo de energia e às emissões de carbono associadas ao Cimento Portland Comum (CPC). Simultaneamente, o setor de energia gera vastas quantidades de enxofre elementar como subproduto da dessulfurização, criando um problema de gestão de resíduos. As argamassas à base de enxofre (SBM) oferecem uma alternativa sustentável, utilizando enxofre fundido como ligante para criar um "concreto sem água" com desenvolvimento rápido de resistência e alta resistência química. No entanto, uma limitação crítica dos compósitos à base de enxofre é a sua natureza termoplástica; o ligante amolece conforme as temperaturas aumentam, levando à redução da rigidez e da resistência mecânica. Embora o ponto de amolecimento do enxofre (aproximadamente 88–93 °C) seja conhecido, o comportamento mecânico específico das SBM sob variadas condições de temperatura, particularmente quando modificadas com aditivos como betume e variações no teor de enxofre, permanece insuficientemente esclarecido. Este estudo aborda a necessidade de compreender o desempenho termomecânico das SBM para garantir a sua fiabilidade em aplicações de engenharia.

Metodologia
O estudo investigou experimentalmente as propriedades mecânicas das SBM numa gama de temperaturas de -10 °C a 100 °C. O desenho experimental envolveu:

• Materiais: $\alpha$-enxofre (ligante), areia de rio (0–4 mm), cinzas volantes de Classe F (aditivo mineral) e betume B50/70 (modificador).
• Dosagens: As argamassas foram preparadas com dois teores de enxofre (30% e 40% da massa de areia) e um teor constante de cinzas volantes (15% da massa de areia). O betume foi adicionado a 1,5% da massa de areia para as misturas modificadas.
• Espécimes: Foram produzidos 60 espécimes prismáticos (40 × 40 × 160 mm) para ensaios de flexão, com os correspondentes meios-espécimes utilizados para ensaios de compressão.
• Condições de Ensaio: As amostras foram testadas em cinco temperaturas específicas: -10 °C, 25 °C, 50 °C, 75 °C e 100 °C.
• Procedimentos: A resistência à flexão foi determinada via flexão em três pontos (TS EN 196-1), e a resistência à compressão foi testada nos meios-espécimes resultantes. O comportamento carga-deflexão também foi analisado para avaliar a ductilidade e a fragilidade.

Principais Resultados
Os resultados experimentais revelaram interações complexas entre temperatura, teor de enxofre e modificação por betume:

1. Efeito do Betume: A adição de 1,5% de betume resultou consistentemente em perdas de desempenho significativas em todas as temperaturas. A resistência à flexão diminuiu 67–82%, e a resistência à compressão diminuiu 28–67% em comparação com as amostras não modificadas. Embora o betume tenha aumentado a ductilidade pós-pico (permitindo deformação após o pico de carga), atuou como uma "fase fraca" que interrompeu a estrutura cristalina da matriz de enxofre, comprometendo severamente a capacidade de carga.
2. Efeito do Teor de Enxofre: O aumento do teor de enxofre de 30% para 40% geralmente melhorou o desempenho mecânico em temperaturas médias e altas (25–75 °C). As misturas com 40% de enxofre (SM40) atingiram as maiores resistências à flexão e à compressão, particularmente a 75 °C. Por outro lado, a temperaturas baixas (-10 °C), as misturas com 30% de enxofre (SM30) exibiram um desempenho superior.
3. Sensibilidade Térmica e Aumento Anómalo de Resistência:
   • Baixas Temperaturas (-10 °C): Os materiais exibiram maior resistência, mas comportamento frágil.
   • Temperaturas Médias a Altas (50–75 °C): Observou-se um "aumento anómalo de resistência", particularmente nas amostras SM40. A 75 °C, a amostra SM40 não modificada atingiu um pico de resistência à flexão de 8,44 MPa e uma resistência à compressão de 38,91 MPa. Isto alinha-se com a literatura que sugere que os compósitos à base de enxofre podem exibir aumento de resistência até aos 74–80 °C.
   • Temperatura Crítica (100 °C): A 100 °C, todas as amostras sofreram um declínio acentuado na resistência. Isto é atribuído ao excesso do limite de temperatura de serviço seguro (88–93 °C), onde o polímero de enxorfre amolece e se aproxima do seu ponto de fusão, levando a uma transição para o fluxo viscoso e perda de rigidez.
4. Relação entre Resistência à Flexão e à Compressão: O estudo descobriu que não existe uma correlação linear direta entre a resistência à flexão e a resistência à compressão. Em muitos casos, as tendências foram opostas; por exemplo, enquanto a resistência à compressão frequentemente atingiu o pico entre 50–75 °C, a resistência à flexão mostrou padrões de sensibilidade diferentes. Isto indica que a avaliação das SBM baseada num único parâmetro mecânico é insuficiente.
5. Comportamento Carga-Deflexão: O aumento das temperaturas e a modificação por betume aumentaram a ductilidade do material (maiores valores de deflexão), mas reduziram significativamente a capacidade de carga. As amostras não modificadas falharam de forma frágil após o pico de carga, ao passo que as amostras modificadas com betume continuaram a deformar-se sob cargas mais baixas.

Significado e Alegações
Os autores concluem que o limite de temperatura de serviço seguro para compósitos à base de enxofre em aplicações de engenharia deve ser otimizado para aproximadamente 75 °C. Além deste ponto, especificamente a 100 °C, a integridade estrutural do material é comprometida devido ao amolecimento do ligante de enxofre.

O estudo enfatiza que, embora o aumento do teor de enxofre para 40% ofereça uma vantagem mecânica na janela de 50–75 °C, o uso de aditivos plastificantes como o betume deve ser cuidadosamente equilibrado. Embora o betume melhore a ductilidade, a redução substancial na resistência à flexão e à compressão (até 82% e 67%, respetivamente) apresenta uma desvantagem distinta para aplicações estruturais que exigem alta capacidade de carga.

Em última análise, esta investigação fornece uma base científica para o design de ligantes à base de enxofre, destacando que o desempenho mecânico das SBM é altamente sensível às flutuações de temperatura e à composição do ligante. Os resultados sugerem que, para um desempenho estrutural ideal, as misturas não modificadas com 40% de enxofre são preferíveis dentro da janela operacional de 50–75 °C, desde que o modo de falha frágil seja considerado no projeto.