stringtranslate.com

Hormigón de azufre

El hormigón de azufre , a veces llamado tiohormigón o sulfurcreto , es un material de construcción compuesto , principalmente de azufre y agregados (generalmente un agregado grueso hecho de grava o rocas trituradas y un agregado fino como arena ). El cemento y el agua, compuestos importantes en el hormigón normal , no forman parte del hormigón de azufre. El hormigón se calienta por encima del punto de fusión del azufre elemental (115,21 °C (239,38 °F)) a unos 140 °C (284 °F) en una proporción de entre el 12% y el 25% de azufre, siendo el resto agregado . [1]

También se añaden al azufre fundido aditivos orgánicos de baja volatilidad (es decir, con un alto punto de ebullición ) (modificadores de azufre), como diciclopentadieno (DCPD), estireno , trementina o furfural , para inhibir su cristalización y estabilizar su estructura polimérica después de la solidificación. [2]

En ausencia de agentes modificadores, el azufre elemental cristaliza en su fase cristalina alotrópica ( polimórfica ) más estable a temperatura ambiente. Con la adición de algunos agentes modificadores, el azufre elemental forma un copolímero (cadenas lineales con estireno, estructura de reticulación con DCPD [3] ) y permanece plástico. [2] [a]

El hormigón de azufre alcanza entonces una alta resistencia mecánica en unas 24 horas desde su enfriamiento. No requiere un período de curado prolongado como el hormigón de cemento convencional , que después de fraguar (unas horas) aún debe endurecerse para alcanzar su resistencia nominal esperada a los 28 días. La velocidad de endurecimiento del hormigón de azufre depende de su velocidad de enfriamiento y también de la naturaleza y concentración de los agentes modificadores (proceso de reticulación). [2] Su endurecimiento está gobernado por el cambio bastante rápido de estado líquido/sólido y los procesos de transición de fase asociados (los modificadores añadidos mantienen el estado plástico evitando su recristalización). Es un material termoplástico cuyo estado físico depende de la temperatura. Puede reciclarse y remodelarse de forma reversible, simplemente volviéndolo a fundir a alta temperatura.

McKay ya había registrado una patente de hormigón de azufre en 1900. [4] [5] El hormigón de azufre se estudió en las décadas de 1920 y 1930 y recibió un renovado interés en la década de 1970 debido a la acumulación de grandes cantidades de azufre como subproducto del proceso de hidrodesulfuración de la producción de petróleo y gas y su bajo costo. [5] [6] [7]

Características

El hormigón sulfurado es un material poco permeable y presenta una baja porosidad . Su baja conductividad hidráulica ralentiza la entrada de agua en su matriz de baja porosidad y, por lo tanto, disminuye el transporte de especies químicas nocivas, como el cloruro ( corrosión por picaduras ), hacia las armaduras de acero (protección física del acero siempre que no se desarrollen microfisuras en la matriz del hormigón sulfurado). Es resistente a algunos compuestos, como los ácidos, que atacan al hormigón normal.

Además de su impermeabilidad , Loov et al. (1974) también consideran entre las características beneficiosas del hormigón de azufre sus bajas conductividades térmicas y eléctricas . El hormigón de azufre no causa reacción adversa con el vidrio (no hay reacción álcali-sílice ), no produce eflorescencias y también presenta un acabado superficial liso. También mencionan entre sus principales limitaciones, su alto coeficiente de expansión térmica , la posible formación de ácido bajo la acción del agua y la luz solar . También reacciona con el cobre y produce olor cuando se funde.

Usos

El hormigón de azufre se desarrolló y promovió como material de construcción para eliminar grandes cantidades de azufre almacenado producido por la hidrodesulfuración de gas y petróleo ( proceso Claus ). A partir de 2011, el hormigón de azufre solo se ha utilizado en pequeñas cantidades cuando es necesario un curado rápido o resistencia a los ácidos. [8] [5] Los investigadores han sugerido el material como un posible material de construcción en Marte , donde el agua y la piedra caliza no están fácilmente disponibles, pero el azufre sí. [9] [10] [11]

Ventajas y beneficios

Más recientemente, [ ¿cuándo? ] se ha propuesto como un material de construcción casi neutro en carbono . Su producción sin agua y con un menor consumo de energía (en comparación con el cemento y el hormigón comunes) lo convierte en una alternativa potencial para los materiales con alto contenido de CO.
2-Materiales a base de cemento portland con emisión de gases . Gracias a las mejoras en las técnicas de fabricación, se puede producir en grandes cantidades y con alta calidad. [ cita requerida ] En Bélgica se utilizan traviesas de hormigón de azufre reciclables para la infraestructura ferroviaria y se producen en masa localmente. [12] THIO TUBE es la marca comercial de las tuberías de descarga DWF (flujo en clima seco) resistentes a los ácidos certificadas que se utilizan en Bélgica.

Desafíos científicos y técnicos a largo plazo

Las bacterias reductoras de sulfato (SRB) y las bacterias oxidantes de azufre (SOB) producen sulfuro de hidrógeno ( H2S ) y ácido sulfúrico ( H2SO4 ) respectivamente. Cuando el ciclo del azufre está activo en las alcantarillas y las emanaciones de H2S de las aguas efluentes se oxidan en H2SO4 por el oxígeno atmosférico en la superficie húmeda de las paredes del túnel, el ácido sulfúrico puede atacar la pasta de cemento Portland hidratada de los materiales cementantes, especialmente en las secciones no totalmente sumergidas de las alcantarillas ( zona vadosa no completamente llena de agua ). [13] Provoca daños extensos al mortero de mampostería y al hormigón en infraestructuras de alcantarillado más antiguas. [14] [15] El hormigón de azufre, si se demuestra que es resistente a los ataques químicos y bacterianos a largo plazo, podría proporcionar una solución eficaz y duradera a este problema. Sin embargo, dado que el azufre elemental en sí mismo participa en las reacciones redox utilizadas por algunas bacterias autótrofas para producir la energía que necesitan del ciclo del azufre , el azufre elemental podría contribuir directamente a alimentar la actividad bacteriana. [16] Las biopelículas adheridas a la superficie de las paredes de las alcantarillas podrían albergar colonias microbianas autótrofas que pueden degradar el hormigón de azufre si son capaces de utilizar el azufre elemental directamente como donante de electrones para reducir el nitrato (proceso de desnitrificación autótrofa ), [17] [18] [19] [20] o el sulfato , presente en las aguas residuales . Estudios y pruebas de la vida real han demostrado que solo el bioazufre es accesible a estas bacterias.

La durabilidad a muy largo plazo del hormigón de azufre depende también de factores fisicoquímicos como los que controlan, entre otras cosas, la difusión de los agentes modificadores (si no están completamente fijados químicamente) fuera de la matriz de azufre elemental y su lixiviación por el agua. Los cambios resultantes en las propiedades físicas del material determinarán su resistencia mecánica y comportamiento químico a largo plazo. La biodegradabilidad de los aditivos orgánicos (modificadores de azufre), o su resistencia a la actividad microbiana , y sus posibles propiedades biocidas (que pueden proteger al hormigón de azufre del ataque microbiano) son aspectos importantes para evaluar la durabilidad del material. Esto también podría depender de la recristalización progresiva del azufre elemental a lo largo del tiempo, o de la velocidad de deformación plástica de su estructura modificada por los diferentes tipos de aditivos orgánicos.

Desventajas y limitaciones

Swamy y Jurjees (1986) han señalado las limitaciones del hormigón de azufre. [21] Cuestionaron la estabilidad y la durabilidad a largo plazo de las vigas de hormigón de azufre con refuerzo de acero, especialmente para el hormigón de azufre modificado con diciclopentadieno y dipenteno. Incluso cuando están secas, las vigas de hormigón modificado muestran una pérdida de resistencia con el envejecimiento. El envejecimiento en un entorno húmedo conduce al ablandamiento del hormigón de azufre y la pérdida de resistencia. Provoca daños estructurales en las vigas de hormigón de azufre que conducen a fallas por corte y agrietamiento. Swamy y Jurjees (1986) también observaron una corrosión severa de los refuerzos de acero. [21] Concluyeron que la estabilidad de las vigas de hormigón de azufre reforzado solo puede garantizarse cuando no se modifican y se mantienen secas. [21]

Al basarse en el uso de azufre elemental (S0 o S8 ) como aglutinante, se espera que las aplicaciones de hormigón con azufre sufran las mismas limitaciones que las del azufre elemental, que no es un material realmente inerte, puede arder y también se sabe que es un potente agente corrosivo . [22] [23] [24]

En caso de incendio, este hormigón es inflamable y generará humos tóxicos y corrosivos de dióxido de azufre ( SO2) y trióxido de azufre ( SO3), que en última instancia conduce a la formación de ácido sulfúrico ( H
2ENTONCES
4).

Según Maldonado-Zagal y Boden (1982), [23] la hidrólisis del azufre elemental (azufre octaatómico, S 8 ) en agua es impulsada por su desproporción en formas oxidadas y reducidas en la relación H
2Envío y manejo
2ENTONCES
4= 3/1. Sulfuro de hidrógeno ( H
2S ) provoca agrietamiento por tensión de sulfuro (SSC) y en contacto con el aire también se oxida fácilmente a tiosulfato ( S
2Oh2−
3), responsable de la corrosión por picaduras .

Como la pirita ( FeS2, disulfuro de hierro (II) ), en presencia de humedad, el azufre también es sensible a la oxidación por el oxígeno atmosférico y podría finalmente producir ácido sulfúrico ( H
2ENTONCES
4), sulfato ( SO2−
4) y especies químicas intermedias como los tiosulfatos ( S
2Oh2−
3), o tetrationatos ( S
4Oh2−
6), que también son sustancias fuertemente corrosivas ( corrosión por picaduras ), como todas las especies reducidas de azufre. [22] [25] [26] Por lo tanto, los problemas de corrosión a largo plazo de los aceros y otros metales ( aluminio , cobre ...) deben anticiparse y abordarse correctamente antes de seleccionar hormigón con azufre para aplicaciones específicas.

La formación de ácido sulfúrico también podría atacar y disolver la piedra caliza ( CaCO
3) y estructuras de hormigón , produciendo también yeso expansivo ( CaSO
4·2 horas
2O ), agravando la formación de grietas y fisuras en estos materiales.

Si las condiciones físico-químicas locales son propicias (suficiente espacio y agua disponibles para su crecimiento), las bacterias oxidantes de azufre ( oxidación microbiana del azufre ) también podrían prosperar a expensas del azufre del hormigón y contribuir a agravar posibles problemas de corrosión. [27]

La velocidad de degradación del azufre elemental depende de su área superficial específica . Las reacciones de degradación son más rápidas con polvo de azufre o polvo triturado de azufre, mientras que se espera que los bloques compactos intactos de hormigón de azufre reaccionen más lentamente. La vida útil de los componentes hechos de hormigón de azufre depende, por tanto, de la cinética de degradación del azufre elemental expuesto al oxígeno atmosférico, la humedad y los microorganismos , de la densidad/concentración de microfisuras en el material y de la accesibilidad de la superficie de acero al carbono a los productos de degradación corrosivos presentes en solución acuosa en caso de macrofisuras o huecos técnicos expuestos a la entrada de agua. Todos estos factores deben tenerse en cuenta al diseñar estructuras, sistemas y componentes (SSC) basados ​​en hormigón de azufre, especialmente si están reforzados o pretensados ​​con elementos de acero ( barras de refuerzo o cables tensores respectivamente).

Si bien el proceso de oxidación del azufre elemental también reducirá el valor del pH , agravando la corrosión del acero al carbono , a diferencia del cemento Portland común y el hormigón clásico , el hormigón de azufre fresco no contiene hidróxidos alcalinos (KOH, NaOH) ni hidróxido de calcio ( Ca(OH)2), y por lo tanto no proporciona ninguna capacidad amortiguadora para mantener un pH alto pasivando la superficie del acero. En otras palabras, el hormigón de azufre intacto no protege químicamente las barras de refuerzo de acero (barras de refuerzo) contra la corrosión. La corrosión de los elementos de acero incrustados en el hormigón de azufre dependerá, por lo tanto, de la entrada de agua a través de grietas y de su exposición a especies químicas agresivas de azufre disueltas en el agua que se filtra. La presencia de microorganismos alimentados por azufre elemental también podría desempeñar un papel y acelerar la tasa de corrosión.

Véase también

Wikimedia Commons tiene medios relacionados con Hormigón.
Busque azufre en Wikcionario, el diccionario libre.

Notas

  1. ^ En el proceso de vulcanización del caucho natural desarrollado por Charles Goodyear , se añade azufre elemental al material (extraído del látex del árbol del caucho ) calentado a altas temperaturas para reticularlo (reticulación con formación de enlaces disulfuro ). En el hormigón de azufre, ocurre lo contrario: se añade un líquido orgánico de baja volatilidad ( diciclopentadieno (DCPD), estireno , trementina o furfural ...) al azufre fundido para inhibir su cristalización y mantener cierta plasticidad durante su enfriamiento/endurecimiento. En ambos casos, tienen lugar reacciones de reticulación entre el azufre y las moléculas orgánicas.

Referencias

  1. ^ Abdel-Mohsen Onsy Mohamed; Maisa El-Gamal (15 de julio de 2010). Hormigón de azufre para la industria de la construcción: un enfoque de desarrollo sostenible. J. Ross Publishing. pág. 109. ISBN 978-1-60427-005-1.
  2. ^ abc Lewandowski, Michał; Kotynia, Renata (2018). "Evaluación de las propiedades del hormigón azufrado para su uso en ingeniería civil". MATEC Web of Conferences . 219 : 03006. doi : 10.1051/matecconf/201821903006 .
  3. ^ Bordoloi, Binoy K.; Pearce, Eli M. (1 de marzo de 1978). "Estabilización del azufre plástico mediante copolimerización de azufre con diciclopentadieno".En: Nuevos usos del azufre — II . Avances en química. Vol. 165. American Chemical Society. págs. 31–53. doi :10.1021/ba-1978-0165.ch003. ISBN 9780841203914. ISSN  0065-2393.
  4. ^ McKay, G., Patente de EE. UU. N.º 643, 13 de febrero de 1900, pág. 251.
  5. ^ abc Loov, Robert E.; Vroom, Alan H.; Ward, Michael A. (1974). "Hormigón de azufre: un nuevo material de construcción" (PDF) . PCI Journal . 19 (1). Instituto de Hormigón Pretensado: 86–95. doi : 10.15554/pcij.01011974.86.95 . ISSN  0887-9672. Archivado desde el original el 2012-03-22 . Consultado el 2022-09-20 .{{cite journal}}: CS1 maint: bot: estado de URL original desconocido ( enlace )
  6. ^ Bourne, Douglas J., ed. (1978). "Un nuevo enfoque para el hormigón de azufre". Nuevos usos del azufre — II. Avances en química. Vol. 165. Washington, DC: American Chemical Society. págs. 54–78. doi :10.1021/ba-1978-0165.ch004. ISBN 978-0-8412-0391-4.
  7. ^ Gregor, R.; Hackl, A. (1 de marzo de 1978). "Capítulo 4: Un nuevo enfoque para el hormigón de azufre". En Bourne, Douglas J. (ed.). Nuevos usos del azufre — II. Avances en química. Vol. 165. Washington, DC: American Chemical Society. págs. 54–78. doi :10.1021/ba-1978-0165.ch004. ISBN 978-0-8412-0391-4.{{cite book}}: Mantenimiento CS1: fecha y año ( enlace )
  8. ^ Brandt, Andrzej Marek (1995). Compuestos a base de cemento: materiales, propiedades mecánicas y rendimiento. CRC Press. p. 52. ISBN 978-0-419-19110-0.
  9. ^ Wan, Lin, Roman Wendner y Gianluca Cusatis (2016). "Un nuevo material para la construcción in situ en Marte: experimentos y simulaciones numéricas". Construcción y materiales de construcción, 120: 222–231.
  10. ^ "Para construir asentamientos en Marte, necesitaremos química de materiales". cen.acs.org . 2017-12-27 . Consultado el 2022-04-14 .
  11. ^ Nick Jones (2019). "Mixing it on Mars" (PDF) . sustainableconcrete.org.uk . The Concrete Centre. pp. 18–19 . Consultado el 19 de septiembre de 2022 . El hormigón marciano será fundamental para cualquier aterrizaje futuro en el Planeta Rojo, escribe Nick Jones
  12. ^ Infrabel (8 de marzo de 2021). «Primeras traviesas de hormigón de azufre reciclables colocadas en Bélgica». RailTech.com . Consultado el 14 de abril de 2022 .
  13. ^ Satoh, Hisashi; Odagiri, Mitsunori; Ito, Tsukasa; Okabe, Satoshi (2009). "Estructuras de la comunidad microbiana y actividades in situ de reducción de sulfato y oxidación de azufre en biopelículas desarrolladas en muestras de mortero en un sistema de alcantarillado corroído". Water Research . 43 (18): 4729–4739. Bibcode :2009WatRe..43.4729S. doi :10.1016/j.watres.2009.07.035. hdl : 2115/45290 . PMID  19709714. S2CID  10227999.
  14. ^ Scrivener, Karen; De Belie, Nele (2013), Alexander, Mark; Bertron, Alexandra; De Belie, Nele (eds.), "Ataque de ácido sulfúrico bacteriogénico de materiales cementicios en sistemas de alcantarillado", Rendimiento de materiales a base de cemento en entornos acuosos agresivos , RILEM State-of-the-Art Reports, vol. 10, Dordrecht: Springer Netherlands, págs. 305–318, doi :10.1007/978-94-007-5413-3_12, ISBN 978-94-007-5412-6, consultado el 2 de octubre de 2022
  15. ^ Alexander, Mark G.; Bertron, Alexandra; Nele, De Belie (2013). Rendimiento de materiales a base de cemento en entornos acuosos agresivos. Dordrecht: Springer. ISBN 978-94-007-5413-3.OCLC 823643788  . {{cite book}}: |work=ignorado ( ayuda )
  16. ^ Okabe, Satoshi; Ito, Tsukasa; Sugita, Kenichi; Satoh, Hisashi (2005). "Sucesión de ciclos internos de azufre y comunidades bacterianas oxidantes de azufre en biopelículas de aguas residuales microaerófilas". Microbiología Aplicada y Ambiental . 71 (5): 2520–2529. Bibcode :2005ApEnM..71.2520O. doi :10.1128/AEM.71.5.2520-2529.2005. ISSN  0099-2240. PMC 1087539 . PMID  15870342. Okabe_2005. 
  17. ^ Batchelor, B (1978). "Un modelo cinético para la desnitrificación autótrofa utilizando azufre elemental". Water Research . 12 (12): 1075–1084. Bibcode :1978WatRe..12.1075B. doi :10.1016/0043-1354(78)90053-2. Batchelor_1978.
  18. ^ Claus, Günter; Kutzner, Hans Jürgen (1985). "Desnitrificación autótrofa por Thiobacillus denitrificans en un reactor de lecho empacado". Applied Microbiology and Biotechnology . 22 (4). doi :10.1007/BF00252032. ISSN  0175-7598. S2CID  23359931.
  19. ^ Koenig, A.; Liu, LH (1996). "Desnitrificación autótrofa de lixiviados de vertederos utilizando azufre elemental". Ciencia y tecnología del agua . 34 (5–6): 469–476. doi :10.2166/wst.1996.0584. ISSN  0273-1223.
  20. ^ Lee, Chang Soo; Kim, Kwang Kyu; Aslam, Zubair; Lee, Sung-Taik (2007). "Rhodanobacter thiooxydans sp. nov., aislada de una biopelícula sobre partículas de azufre utilizadas en un proceso de desnitrificación autótrofa". Revista internacional de microbiología sistemática y evolutiva . 57 (8): 1775–1779. doi : 10.1099/ijs.0.65086-0 . ISSN  1466-5026. PMID  17684255.
  21. ^ abc Swamy, RN; Jurjees, TAR (1986-09-01). "Estabilidad de vigas de hormigón de azufre con refuerzo de acero". Materiales y estructuras . 19 (5): 351–360. doi :10.1007/BF02472125. ISSN  1871-6873. S2CID  135888809 . Consultado el 25 de marzo de 2023 .
  22. ^ ab MacDonald, Digby D.; Roberts, Bruce; Hyne, James B. (1978). "La corrosión del acero al carbono por azufre elemental húmedo". Corrosion Science . 18 (5): 411–425. Bibcode :1978Corro..18..411M. doi :10.1016/S0010-938X(78)80037-7. ISSN  0010-938X . Consultado el 19 de septiembre de 2022 .
  23. ^ ab Maldonado-Zagal, SB; Boden, PJ (1982). "Hidrolisis del azufre elemental en agua y su efecto sobre la corrosión del acero dulce". British Corrosion Journal . 17 (3): 116–120. doi :10.1179/000705982798274336. ISSN  0007-0599 . Consultado el 19 de septiembre de 2022 .
  24. ^ Smith, Liane; Craig, Bruce D. (3 de abril de 2005). Medidas prácticas de control de la corrosión para entornos que contienen azufre elemental. Corrosión 2005. OnePetro . Consultado el 19 de septiembre de 2022 .
  25. ^ Fang, Haitao; Young, David; Nesic, Srdjan (2008). Corrosión del acero dulce en presencia de azufre elemental. Corrosión 2008. OnePetro.
  26. ^ Fang, Haitao; Brown, Bruce; Young, David; Nešic, Srdjan (13 de marzo de 2011). Investigación de los mecanismos de corrosión del azufre elemental. Corrosión 2011. OnePetro . Consultado el 19 de septiembre de 2022 .
  27. ^ Little, BJ; Ray, RI; Pope, RK (1 de abril de 2000). "Relación entre la corrosión y el ciclo biológico del azufre: una revisión". Corrosión . 56 (4): 433–443. doi :10.5006/1.3280548. ISSN  0010-9312.

Lectura adicional

Enlaces externos