Svavelbetong

Svavelbetong , ibland kallad thioconcrete eller sulfurcrete , är ett sammansatt konstruktionsmaterial som huvudsakligen består av svavel och ballast (vanligtvis ett grovt ballast gjort av grus eller krossade stenar och en fin ballast som sand ). Cement och vatten, viktiga föreningar i normal betong , är inte en del av svavelbetong. Betongen värms över smältpunkten för elementärt svavel (115,21 °C (239,38 °F)) vid ca. 140 °C (284 °F) i ett förhållande på mellan 12 % och 25 % svavel, resten är ballast .

Lågflyktiga (dvs med hög kokpunkt ) organiska tillsatser (svavelmodifierare), såsom dicyklopentadien (DCPD), styren , terpentin eller furfural , tillsätts också till det smälta svavlet för att hämma dess kristallisation och för att stabilisera dess polymera struktur efter stelning.

I frånvaro av modifieringsmedel kristalliserar elementärt svavel i sin mest stabila allotropa ( polymorfa ) kristallfas vid rumstemperatur. Med tillsats av modifieringsmedel bildar elementärt svavel en sampolymer (linjära kedjor med styren, tvärbindande struktur med DCPD) och förblir plastisk.

Svavelbetong uppnår sedan hög mekanisk hållfasthet inom ~24 timmar efter kylning. Den kräver inte en längre härdningsperiod som konventionell cementbetong , som efter härdning (några timmar) fortfarande måste härda för att nå sin förväntade nominella hållfasthet efter 28 dagar . Härdningshastigheten för svavelbetong beror på dess kylningshastighet och även på arten och koncentrationen av modifieringsmedel (tvärbindningsprocessen). Dess härdning styrs av den ganska snabba förändringen av flytande/fast tillstånd och tillhörande fasövergångsprocesser (de tillsatta modifieringsmedlen bibehåller det plastiska tillståndet samtidigt som de undviker dess omkristallisering). Det är ett termoplastiskt material vars fysiska tillstånd beror på temperaturen. Den kan återvinnas och omformas på ett reversibelt sätt, helt enkelt genom att smälta om den vid hög temperatur.

Ett patent på svavelbetong registrerades redan 1900 av McKay. Svavelbetong studerades under 1920 och 1930 åren och fick förnyat intresse under 1970 på grund av ackumuleringen av stora mängder svavel som biprodukt av hydroavsvavlingsprocessen i olje- och gasindustrin och dess låga kostnad.

Egenskaper

Svavelbetong har låg porositet och är ett dåligt genomsläppligt material. Dess låga hydrauliska konduktivitet saktar in vatteninträngning i dess lågporositetsmatris och minskar på så sätt transporten av skadliga kemiska ämnen, såsom klorid ( gropkorrosion ), mot stålförstärkningarna (fysiskt skydd av stål så länge det inte uppstår mikrosprickor i svavelbetongen). matris). Det är resistent mot vissa föreningar som syror som angriper normal betong. Men till skillnad från vanlig betong tål den inte långvarig hög värme utan justerad blandning. [ förtydligande behövs ]

Förutom dess ogenomtränglighet , Loov et al. (1974) anser också bland de fördelaktiga egenskaperna hos svavelbetong dess låga termiska och elektriska ledningsförmåga . Svavelbetong orsakar inte negativa reaktioner med glas (ingen alkali-kiseldioxidreaktion ), producerar inte utblomningar och uppvisar också en slät ytfinish. De nämner också bland dess huvudsakliga begränsningar, dess höga värmeutvidgningskoefficient , den möjliga bildningen av syra under inverkan av vatten och solljus . Den reagerar också med koppar och producerar en lukt när den smälts.

Används

Svavelbetong utvecklades och marknadsfördes som ett byggmaterial för att bli av med stora mängder lagrat svavel som producerats genom hydroavsvavling av gas och olja ( Clausprocessen ) . Från och med 2011 har svavelbetong endast använts i små mängder när snabb härdning eller syrabeständighet är nödvändig. Materialet har föreslagits av forskare som ett potentiellt byggmaterial på Mars , där vatten och kalksten inte är lättillgängliga, men svavel är det.

Fördelar och fördelar

På senare tid, [ när? ] det har föreslagits som ett nästan kolneutralt konstruktionsmaterial. Dess vattenfria, mindre energiintensiva produktion i jämförelse med vanlig cement och vanlig betong gör den till ett potentiellt alternativ för portlandcementbaserade material med höga utsläpp av CO
2 . På grund av förbättringar i tillverkningstekniker kan den produceras i hög kvalitet och stora kvantiteter. . Återvinningsbara svavelbetongslipers används i Belgien för järnvägsinfrastrukturen och massproduceras lokalt

Långsiktiga vetenskapliga och tekniska utmaningar

Sulfatreducerande bakterier (SRB) och svaveloxiderande bakterier (SOB) producerar svavelväte ( H 2 S ) respektive svavelsyra ( H 2 SO 4 ). När svavelcykeln är aktiv i avlopp och H 2 S emanationer från avloppsvattnet oxideras i H 2 SO 4 av atmosfäriskt syre vid den fuktiga ytan av tunnelväggar, kan svavelsyra angripa den hydratiserade Portlandcementpastan av cementbaserade material, särskilt i de icke-helt nedsänkta sektionerna av avlopp (icke-helt vattenfylld vadoszon ). Det orsakar omfattande skador på murbruk och betong i äldre avloppsanläggningar. Svavelbetong kan, om det visar sig vara resistent mot långvariga kemiska och bakteriella attacker, ge en effektiv och långvarig lösning på detta problem. Men eftersom elementärt svavel själv deltar i redoxreaktioner som används av vissa autotrofa bakterier för att producera den energi som de behöver från svavelcykeln , kan elementärt svavel bidra direkt till att driva på bakterieaktiviteten.

Biofilmer som fäster vid ytan av avloppsväggar kan hysa autotrofa mikrobiella kolonier som kan bryta ned svavelbetong om de kan använda elementärt svavel direkt som en elektrondonator för att reducera nitrat (autotrofisk denitrifikationsprocess ) eller sulfat som finns i avloppsvatten . Den erforderliga livslängden för avloppsinfrastruktur i stora städer är långt över 100 år (i London går många avloppsledningar tillbaka till den viktorianska eran , 1832 – 1901). En av de stora utmaningarna för svavelbetong är att visa att den är tillräckligt icke-reaktiv och okänslig för mikrobiell aktivitet på lång sikt. Mikrobiella biologiska nedbrytningstester i laboratoriet och under fältförhållanden på plats behövs fortfarande på grund av bristen på erfarenhet av detta materials hållbarhet och de övervägda tidsskalorna.

Den mycket långvariga hållbarheten hos svavelbetong beror också på fysikalisk-kemiska faktorer som de som bland annat styr diffusionen av modifieringsmedel (om de inte är helt kemiskt fixerade) ut ur den elementära svavelmatrisen och deras urlakning med vatten. De resulterande förändringarna i materialets fysikaliska egenskaper kommer att bestämma dess långsiktiga mekaniska styrka och kemiska beteende. Den biologiska nedbrytbarheten av de organiska tillsatserna (svavelmodifierare), eller deras motståndskraft mot mikrobiell aktivitet , och deras möjliga biocidegenskaper (som kan skydda svavelbetongen från mikrobiell attack) är viktiga aspekter vid bedömningen av materialets hållbarhet. Detta kan också bero på den progressiva omkristalliseringen av elementärt svavel över tiden, eller på graden av plastisk deformation av dess struktur som modifieras av de olika typerna av organiska tillsatser.

Nackdelar och begränsningar

0 Baserat på användningen av elementärt svavel (S , eller S 8 ) som bindemedel, förväntas svavelbetongapplikationer lida av samma begränsningar som elementärt svavel som inte är ett riktigt inert material, kan brinna och är också känt för att vara ett starkt frätande medel .

I händelse av brand är denna betong brandfarlig och kommer att generera giftiga och frätande ångor av svaveldioxid ( SO
2 ) och svaveltrioxid ( SO
3 ), vilket i slutändan leder till bildning av svavelsyra ( H
2 SO
4 ).

Enligt Maldonado-Zagal och Boden (1982) drivs hydrolysen av elementärt svavel (oktaatomärt svavel, S 8 ) i vatten av dess disproportionering till oxiderade och reducerade former i förhållandet H
2 S / H
2 SO
4 = 3 /1. Svavelväte ( H
2 S ) orsakar sulfidspänningssprickning (SSC) och i kontakt med luft oxideras lätt till tiosulfat ( S
2 O
2− 3 ), vilket är ansvarigt för gropkorrosion .

Liksom pyrit ( FeS
2 , järn(II) disulfid ), är svavel i närvaro av fukt också känsligt för oxidation av atmosfäriskt syre och kan i slutändan producera svavelsyra ( H
2 SO
4 ), sulfat ( SO
2− 4 ), och mellanliggande kemiska arter som tiosulfater ( S
2 O
2− 3 ), eller tetrationater ( S
4 O
2− 6 ), som också är starkt frätande ämnen ( gropkorrosion ), som alla reducerade svavelarter. Därför måste långvariga korrosionsproblem av stål och andra metaller ( aluminium , koppar ...) förutses och åtgärdas korrekt innan man väljer svavelbetong för specifika tillämpningar.

Bildandet av svavelsyra kan också angripa och lösa upp kalksten ( CaCO
3 ) och betongkonstruktioner samtidigt som det producerar expansiv gips ( CaSO
4 · 2H
2 O ), vilket förvärrar bildningen av sprickor och sprickor i dessa material.

Om de lokala fysikalisk-kemiska förhållandena är gynnsamma (tillräckligt med utrymme och vatten tillgängligt för deras tillväxt), kan svaveloxiderande bakterier ( mikrobiell oxidation av svavel ) också frodas på bekostnad av betongsvavel och bidra till att förvärra potentiella korrosionsproblem.

Nedbrytningshastigheten för elementärt svavel beror på dess specifika yta . Nedbrytningsreaktionerna är snabbast med svaveldamm , eller krossat pulver av svavel, medan intakta kompakta block av svavelbetong förväntas reagera långsammare. Livslängden för komponenter tillverkade av svavelbetong beror alltså på nedbrytningskinetiken hos elementärt svavel som exponeras för atmosfäriskt syre, fukt och mikroorganismer , på tätheten/koncentrationen av mikrosprickor i materialet och på kolstålsytans tillgänglighet till korrosiva nedbrytningsprodukter som finns i vattenlösning i händelse av makrosprickor eller tekniska tomrum som utsätts för vatteninträngning. Alla dessa faktorer måste beaktas vid utformning av konstruktioner, system och komponenter (SSC) baserade på svavelbetong, särskilt om de är förstärkta eller förspända med stålelement (armeringsjärn respektive spännkablar ) .

Medan processen med elementär svaveloxidation också kommer att sänka pH - värdet, vilket förvärrar korrosion av kolstål, i motsats till vanlig Portlandcement och klassisk betong , innehåller färsk svavelbetong inte alkalihydroxider (KOH, NaOH) och inte heller kalciumhydroxid ( Ca(OH) )
2 ), och ger därför inte någon buffertkapacitet för att upprätthålla ett högt pH-värde som passiverar stålytan. Intakt svavelbetong skyddar med andra ord inte kemiskt armeringsjärn ( armeringsjärn) mot korrosion. Korrosionen av stålelement inbäddade i svavelbetong kommer således att bero på vatteninträngning genom sprickor och deras exponering för aggressiva kemiska svavelarter löst i det sipprande vattnet. Närvaron av mikroorganismer som drivs av elementärt svavel kan också spela en roll och påskynda korrosionshastigheten.

Se även

Anteckningar

Vidare läsning

externa länkar

Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Sulfur_concrete&oldid=1138704007 "