硫黄コンクリート

硫黄コンクリートは、チオコンクリートやサルファークリートとも呼ばれ、主に硫黄と骨材（一般的には砂利や砕いた岩石でできた粗骨材と砂などの細骨材）でできた複合建築材料です。通常のコンクリートで重要な化合物であるセメントと水は、硫黄コンクリートには含まれていません。コンクリートは、硫黄元素の融点（115.21 °C（239.38 °F））を超える約140 °C（284 °F）で加熱され、12%から25%の硫黄と残りが骨材です。^[1]

ジシクロペンタジエン（DCPD）、スチレン、テレピン、フルフラールなどの低揮発性（つまり、高沸点）有機混和剤（硫黄改質剤）も溶融硫黄に添加され、結晶化を抑制し、固化後のポリマー構造を安定化させます。^[2]

改質剤がない場合、元素硫黄は室温で最も安定した同素体（多形）結晶相で結晶化する。いくつかの改質剤を添加すると、元素硫黄は共重合体（スチレンとの直鎖、 DCPDとの架橋構造^[3]）を形成し、可塑性を維持する。^{[2] [a]}

硫黄コンクリートは、冷却後約 24 時間以内に高い機械的強度を実現します。従来のセメントコンクリートのように長時間の養生期間は必要ありません。従来のセメントコンクリートは、硬化後 (数時間)、さらに硬化して 28 日で予想される公称強度に到達する必要があります。硫黄コンクリートの硬化速度は、冷却速度と、改質剤 (架橋プロセス) の性質と濃度によって異なります。^[2]硬化は、かなり急速な液体/固体の状態変化と、それに伴う相転移プロセス (追加された改質剤が可塑性状態を維持しながら再結晶化を防ぐ) によって決まります。これは、物理的状態が温度に依存する熱可塑性材料です。高温で再溶解するだけで、可逆的にリサイクルおよび再形成できます。

硫黄コンクリートの特許は、1900年にマッケイによってすでに登録されていました。^{[4] [5]硫黄コンクリートは1920年代から1930年代にかけて研究され、石油とガスの生産における}水素化脱硫 プロセスの副産物として大量の硫黄が蓄積され、コストが低いことから、1970年代に再び注目を集めました。^{[5] [6] [7]}

硫黄コンクリートは、多孔性が低く、浸透性の低い材料です。その低い透水性伝導率により、その低多孔性マトリックスへの水の浸入が遅くなり、そのため、塩化物(孔食) などの有害な化学物質が鉄筋に向かって移動するのが減少します (硫黄コンクリート マトリックスに微小亀裂が発生しない限り、鉄筋を物理的に保護します)。通常のコンクリートを侵食する酸などの一部の化合物に対して耐性があります。

Loov ら (1974) は、不浸透性のほかに、熱伝導率と電気伝導率が低いことも硫黄コンクリートの有益な特性の 1 つであると考えています。硫黄コンクリートはガラスと悪影響を及ぼさず(アルカリシリカ反応なし)、白華現象も発生せず、表面仕上げも滑らかです。また、主な欠点として、熱膨張係数が高く、水や日光の作用で酸が形成される可能性があることも指摘しています。また、銅と反応し、溶けると臭いを発します。

硫黄コンクリートは、ガスや石油の水素化脱硫（クラウス法）によって生成された大量の貯蔵硫黄を除去するための建築材料として開発され、推進されました。2011年現在、硫黄コンクリートは、速硬化または耐酸性が必要な場合にのみ少量使用されています。^{[8] [5]}この材料は、水と石灰岩は容易に入手できないが硫黄は容易に入手できる火星での潜在的な建築材料として研究者によって示唆されています。 ^{[9] [10] [11]}

最近では、^{[いつ? ]ほぼ}カーボンニュートラルな建設資材として提案されています。通常のセメントやコンクリートと比較して、水やエネルギーをあまり必要としない生産のため、高CO排出量の建設資材の代替品として期待されています。
₂排出ポートランドセメントベースの材料。製造技術の向上により、高品質かつ大量生産が可能になりました。^[要出典]リサイクル可能な硫黄コンクリート枕木は、ベルギーの鉄道インフラに使用されており、現地で大量生産されています。^[12] THIO TUBEは、ベルギーで使用されている認定耐酸性DWF（乾燥天候流量）排出管のブランド名です。

硫酸還元細菌（SRB）と硫黄酸化細菌（SOB）は、それぞれ硫化水素（H ₂ S）と硫酸（H ₂ SO ₄ ）を生成します。下水道で硫黄サイクルが活発になり、排水からのH ₂ S放出がトンネル壁の湿った表面で大気中の酸素によってH ₂ SO ₄に酸化されると、硫酸はセメント質材料の水和ポルトランドセメントペーストを、特に下水道の完全に浸されていない部分（完全に水で満たされていない不飽和帯）で攻撃する可能性があります。^{[13]これは、古い下水道インフラの}石積みモルタルとコンクリートに多大な損傷を引き起こします。 ^{[14] [15]}硫黄コンクリートは、長期にわたる化学的および細菌的攻撃に耐性があることが証明されれば、この問題に対する効果的で永続的な解決策を提供できる可能性があります。しかし、元素硫黄自体は、一部の独立栄養細菌が硫黄サイクルから必要なエネルギーを生成するために使用する酸化還元反応に関与しているため、元素硫黄は細菌活動の直接的な燃料として寄与する可能性があります。^[16]下水管壁の表面に付着したバイオフィルムには、独立栄養微生物コロニーが潜んでいる可能性があります。これらの微生物コロニーは、廃水中の硝酸塩（独立栄養脱窒プロセス）^{[17] [18] [19] [20]}または硫酸塩を還元するための電子供与体として元素硫黄を直接使用することができれば、硫黄コンクリートを分解できます。研究と実際のテストにより、これらの細菌がアクセスできるのはバイオ硫黄だけであることがわかっています。

硫黄コンクリートの非常に長期的な耐久性は、とりわけ、元素硫黄マトリックスからの改質剤（化学的に完全に固定されていない場合）の拡散と水による浸出を制御する物理化学的要因にも依存します。結果として生じる材料の物理的特性の変化により、長期的な機械的強度と化学的挙動が決まります。有機混和剤（硫黄改質剤）の生分解性、または微生物活動に対する耐性、および（硫黄コンクリートを微生物の攻撃から保護する可能性のある）殺菌特性は、材料の耐久性を評価する上で重要な側面です。これは、時間の経過に伴う元素硫黄の進行性の再結晶化、またはさまざまな種類の有機混和剤によって変更された構造の塑性変形の速度にも依存する可能性があります。

スワミーとジュルジーズ（1986）は、硫黄コンクリートの限界を指摘している。^[21]彼らは、鉄筋を入れた硫黄コンクリート梁の安定性と長期耐久性、特にジシクロペンタジエンとジペンテンで改質した硫黄コンクリートに疑問を呈した。改質コンクリート梁は乾燥していても、経年劣化により強度が低下する。湿潤環境での経年劣化は、硫黄コンクリートの軟化と強度低下につながる。硫黄コンクリート梁に構造的損傷を引き起こし、せん断破壊やひび割れを引き起こす。スワミーとジュルジーズ（1986）は、鉄筋の深刻な腐食も観察した。^[21]彼らは、補強された硫黄コンクリート梁の安定性は、改質せず乾燥した状態に保たれている場合にのみ保証されると結論付けた。^[21]

硫黄コンクリートは結合剤として元素硫黄（S0^またはS8 _）を使用することをベースとしているため、実際には不活性な物質ではなく、燃える可能性があり、強力な腐食剤としても知られている元素硫黄と同じ制限を受けると予想されます。^{[22] [23] [24]}

火災が発生した場合、このコンクリートは可燃性であり、有毒で腐食性の二酸化硫黄（SO
₂）、および 三酸化硫黄（SO
₃）、最終的には硫酸（H
₂それで
₄）。

マルドナド・ザガルとボーデン（1982）によると、^[23]水中の元素硫黄（八原子硫黄、S8）の加水_分解は、H
₂送料​​
₂それで
₄= 3/1。硫化水素（H
₂S ) は硫化物応力割れ(SSC) を引き起こし、空気に触れると容易にチオ硫酸塩( S
₂お²⁻³
_...）、孔食の原因となります。

黄鉄鉱（FeS​
₂、二硫化鉄（II））、水分の存在下では硫黄は大気中の酸素による酸化にも敏感であり、最終的には硫酸（H
₂それで
₄）、硫酸塩（SO²⁻⁴
_...）、チオ硫酸塩（S
₂お²⁻³
_...）、またはテトラチオネート（S
₄お²⁻⁶
_...）も、還元された硫黄種と同様に、強い腐食性（孔食）を持つ物質である。 ^{[22] [25] [26]したがって、特定の用途に硫黄コンクリートを選択する前に、}鋼鉄やその他の金属（アルミニウム、銅など）の長期的な腐食の問題を予測し、正しく対処する必要がある。

硫酸の形成は石灰岩（CaCO
₃）やコンクリート構造物の製造に使用され、また膨張性石膏（CaSO
₄·2時間
₂O）、これらの材料の亀裂や割れの形成を悪化させます。

現地の物理化学的条件が適切であれば（生育に十分なスペースと水がある）、硫黄酸化細菌（硫黄の微生物酸化）もコンクリートの硫黄を犠牲にして繁殖し、潜在的な腐食問題を悪化させる可能性があります。^[27]

元素硫黄の分解速度は、その比表面積に依存します。分解反応は、硫黄の粉塵、つまり粉砕された硫黄の場合に最も速く、一方、硫黄コンクリートの無傷の圧縮ブロックはよりゆっくりと反応すると予想されます。したがって、硫黄コンクリート製の部品の耐用年数は、大気中の酸素、湿気、微生物にさらされた元素硫黄の分解速度、材料内の微小亀裂の密度/濃度、およびマクロ亀裂または水の浸入にさらされた技術的空隙の場合に水溶液中に存在する腐食性分解生成物に対する炭素鋼表面のアクセス可能性に依存します。硫黄コンクリートをベースにした構造、システム、部品 (SSC) を設計するときは、特にそれらが鋼要素 (それぞれ鉄筋または張力ケーブル)で補強またはプレストレストされている場合は、これらすべての要素を考慮する必要があります。

元素硫黄の酸化プロセスによってもpH値が下がり、炭素鋼の腐食が悪化しますが、通常のポルトランドセメントや古典的なコンクリートとは対照的に、新鮮な硫黄コンクリートにはアルカリ 水酸化物（KOH、NaOH）も水酸化カルシウム（Ca（OH）
₂) であり、したがって、鋼鉄表面を不動態化する高 pH を維持する緩衝能力を提供しません。言い換えれば、無傷の硫黄コンクリートは、鋼鉄補強バー(鉄筋) を腐食から化学的に保護しません。したがって、硫黄コンクリートに埋め込まれた鋼鉄要素の腐食は、亀裂からの水の浸入と、浸出水に溶解した硫黄の攻撃的な化学種への曝露に依存します。元素硫黄によって活性化された微生物の存在も役割を果たし、腐食速度を加速させる可能性があります。

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• アスファルトコンクリート、ビチューメンを結合剤として使用した同様の骨材
• 月面建設資材として提案されている硫黄系ルナクリート
• セノセルは、セメントの代わりにフライアッシュセノスフェア（中空球）を使用したコンクリート材料です。
• ゴムの加硫と架橋は、元素硫黄と天然ゴムテルペノイド（ポリイソプレン）の反応後に形成されるジスルフィド橋によって行われます（チャールズ・グッドイヤーによって発見されたプロセス）
• 硫黄加硫は、高温で加熱された天然ゴム（ヘベアから抽出されたラテックス）のアリル基（-CH = CH-CH ₂ -）と元素硫黄の反応によって生成される。

• Infrabel (2021年3月8日). 「ベルギーに初のリサイクル可能な硫黄コンクリート枕木が設置」. RailTech.com . 2022年4月14日閲覧。