高强度硫磺砂浆的配制及应用

自己对于引桥施工中的T梁临时支座采用的硫磺砂浆支座不甚明了，今儿偶看到曹剑波工程师的文章，觉得分析透彻，全面细致，不啻为认识硫磺砂浆的好文，故转贴本博客与大家共享，并向曹剑波工程师致谢。

作者：曹剑波 河北省石家庄市公路工程管理处   石家庄市050081

摘要：通过工程实例，叙述了高强度硫磺砂浆的性能、配制及应用。

关键词：硫磺砂浆    配制    应用 

高强度硫磺砂浆是指硫磺加热到一定温度时，将石英砂及石英粉按一定比例配合，形成的一种新型热塑性材料。它具有及其优异的性能，在土木工程领域，有着广泛的应用前景。

1.0硫磺砂浆的组份

1.1硫磺

硫磺是硫磺砂浆的胶粘剂，通常的硫磺分为纯硫磺和改性硫磺。

纯硫磺在常温下为淡黄色固体，比重2.07，熔点112.8℃，沸点为444.6℃，在不同的温度下，将形成不同的同素异形体和三态。固态的斜方硫加温至95.5℃形成固态单斜硫，加温至119.25℃，形成液态黄色硫，加温至160℃形成褐色液态硫，加温至444.6℃，形成气态硫，加温至1000℃，形成气态硫蒸气。

熔融的硫磺，其粘度变化较为复杂。粘度与其温度的变化情况见表1: 当温度为115℃时，粘度为0.0125Pa.s；160度时为0.0066Pa.s；165℃时其粘度增加1000倍以上；198.8℃时，其粘度高达90Pa.s，增加10000倍以上。因此硫磺在施工过程中温度应介于115~160℃之间，易于操作施工。硫磺的强度随温度的不同而变化，在20~40℃时其强度{zd0}。

表1  硫磺温度与粘度变化情况

纯硫磺在熔融、冷却、凝固过程中，由于晶格变化，当从单斜硫转变为斜方硫时，体积缩小，形成收缩应力。是硫磺的耐热稳定性及其他特性（如粘度、强度、抗冲击强度等）大为降低。在冷热交替及干燥环境中结构极易破坏。为了防止和减少单斜硫转变为斜方硫，在硫磺中加入少量的聚硫橡胶（为硫磺用量的1.7%~3.3%左右）形成硫磺胶泥，它的耐热稳定性、粘结强度及其冲击性能均有大幅度提高（见表2），硫的工程特性见表3。

表2  聚硫橡胶对硫磺胶泥性能的影响

表3   硫的工程特性

硫是可燃材料，在有氧的条件下燃烧成SO₂，易发生火灾，又放出刺激气味，不利于大量用于民用或工业建筑上。为了弥补这些不足，已研究的缓凝剂有苯乙烯、顺丁烯二酸、三甲苯磷酸盐、有机磷酸盐及溴酸盐、不饱和碳水化合物等。

硫磺砂浆所用的硫磺选用工业粉状硫磺或块状硫，要求纯度高、杂质少、水份少、含量应不少于98%、水分小于1%，否则熬制时间长，影响硫磺砂浆的性质。

1.2 石英粉

在硫磺砂浆中，掺入一定量的耐酸粉料石英粉，可以提高硫磺的耐酸性，增加强度，改善其他性质，如可燃性等，减少体积收缩。

质量要求：耐酸率不小于95%，细度要求通过0.16mm筛孔筛余率不大于5%；通过0.08mm筛孔筛余率为10%~30%；含水率不大于0.5%，使用前必须烘干。

1.3 石英砂

要求耐酸率不抵于94%，含水率小于0.5%，含泥量不大于1%，1mm筛孔筛余量不大于5%，使用前需烘干脱水。

2.0 硫磺砂浆的性能

2.1 强度

硫磺砂浆在不到{yt}的时间内，就可达到{bfb}的抗拉强度，其主要原因是因为硫磺的硬化是冷却时的固化过程和普通混凝土的水化硬化有本质的区别。三种不同的配合比所所形成的硫磺砂浆的力学性能见表4。

表4  硫磺砂浆的物理力学性能

2.2 硫磺砂浆对钢筋的影响

为了解硫磺砂浆对钢筋是否有锈蚀问题，曾将铁丝埋入硫磺砂浆中进行观察，经两年后，其外露铁丝已经锈蚀，但内部铁丝却无锈蚀现象，证明硫磺砂浆中进行配筋是可行的。

2.3  硫磺砂浆内应力及对其使用性的影响

当温度变化时，硫磺砂浆试件产生相应的内应力，内应力的大小取决于试件的尺寸，其产生的原因是由于硫磺具有导热性低和温度膨胀系数高的特点。试件成型后外表比内部冷却的快，因此在外表产生拉应力而内部核心受压应力。因此，当需要对试验结果进行比较时，应考虑试件的几何尺寸，{zh0}取相同的尺寸试件进行比较。

2.4  温度对硫磺砂浆的影响

大量的试验资料表明，当温度在20~80℃范围时，膨胀值上升平缓，但超过80℃特别是90℃时，其膨胀值将直线上升（见下图），开始由斜方体（固态）向单斜体或液态的斜方体变化，硫磺砂浆出现明显的软化。当试件表面裸露较多时，由于有充足的氧气而发生燃烧，生成由刺激气味SO₂。如果硫磺砂浆垫层被普通混凝土或其他物体包围，表面裸露很少，则不能xx燃烧。因此要获得相同的软化效果和相同下沉量，必须严格限定相同的施工条件及外部环境。

图1  温度对硫磺砂浆膨胀值的影响

3.0  高强度硫磺砂浆的配制

3.1 配合比设计

试验采用了三种不同的硫磺砂浆配合比，见表5。

表5   3种不同的硫磺砂浆配合比

3.2  试配过程

配制的方法时将硫磺破碎成3~4cm的碎块，按配合比称量，装入铁锅内，加入量为铁锅容积的1/3~1/2，加热130~160℃熔化、脱水；便熔便加料、搅拌防止局部过热。然后加入130℃预热干燥的石英粉和石英砂，边加边搅拌，温度保持在140~150℃左右。搅拌脱水并无气泡时，可继续升温160~170℃，约熬制3~4小时，待物体变得均匀、颜色一致、泡沫xx消失，即可使用。熬制好的硫磺砂浆，在140℃温度下浇筑成“8”字型，抗拉试块，观察其冷却时由无起鼓、凹陷、不密实、分层现象。如有起鼓，将试件打断观察，发现颈部断面内由肉眼可观的小孔多于5个，说明熬制时间不够，通常延长熬制时间，直到合格为止。

图2  硫磺砂浆配制工艺流程图

3.3  硫磺砂浆的抗压强度

按照三种硫磺砂浆不同的配合比，分别制成试件，测其抗压强度（见表6）。

表6 硫磺砂浆的抗压强度

4.0 高强度硫磺砂浆在山西武宿立交桥中的应用

4.1硫磺砂浆软化性能试验

模拟大梁滑道支墩做硫磺砂浆软化性能试验，在15x15x15cm³混凝土试块中间填充3cm厚硫磺砂浆垫层，内布2KW电阻丝，电阻丝应均匀分布，并留有一定的间隙，一般以5厘米为宜，不宜过近或过远，以防出现短路。分别用三种不同的配合比配料制成试件，在一定的荷载下，观察通电情况。

表7模拟大梁滑道支墩硫磺砂浆垫层通电软化情况

4.2  硫磺砂浆的技术要求

为了在工程中广泛应用硫磺材料，硫磺砂浆必须具有一定的技术性能，见表8。

表8硫磺砂浆的技术性能

4.3  硫磺砂浆施工中常见的通病及防治措施

在浇筑硫磺砂浆的表面用锤轻击可听见空鼓声，由松动或脱落现象与其相邻的部位轻敲一下也很容易脱落。

原因分析

(1)基层质量不好，造成空鼓。

(2)砂浆熬制质量不好，如熬制时间不够、气体没能xx排除，造成空鼓。

  防治措施

(1)硫磺砂浆熬制温度必须适度（140~160℃），对原材料进行外观检查。

(2)硫磺砂浆的浇筑温度应保持在135~145℃，{zh0}砂浆做成预制块，再拿到现场熔化使用。为提高流动度，二次熔化时可另加硫磺5%~10%。

(3)硫磺砂浆是一种可以重复使用的材料，发现有空鼓或粘结不牢时，可将其xx干净后重新浇筑。

4.4  高强度硫磺砂浆用于武宿立交桥

石太高速公路山西武宿立交桥枢纽工程为多跨连续箱梁，横跨电气化铁路，采用顶推法施工。考虑到施工过程中，滑道承受大量的自重及其顶推摩擦力，因此要求滑道支撑体具有强度高、耐抗滑、易xx等特点，高强度硫磺砂浆是一种理想地工程材料。硫磺砂浆配合比采用配合比编号2#，硫磺：石英粉：石英砂为1：0.34：0.66，抗压强度48.8MPa，采用电压220V，功率2000W的电阻丝。

图3滑道电阻丝布置图

电阻丝按图3布置好，浇3cm厚硫磺砂浆，其上放置滑道板。落梁时将电阻丝接于220伏电源上，通电后硫磺砂浆熔化成液体从四周流下，滑道下降，箱梁落在支座上，完成落梁。

4.5 千斤顶升梁更换支座与硫磺砂浆降梁更换支座效果分析

采用千斤顶升梁，更换支座不仅造价高、工期长、搭设支架工序复杂、浪费材料及人工，且施工不安全，最突出的一点就是不能保证大梁同步下落而造成大梁应力过大。

采用硫磺砂浆预埋电阻丝做滑道支墩，落梁速度快、省工省力、功效高。山西武宿立交桥，采用了此项新工艺，节约了大吨位顶升设备，提前竣工通车，经济效益及社会效益明显。

5.0  结束语

硫磺砂浆以其强度快速生成，其抗冻性能、抗疲劳性能和承受重复荷载的能力都极为优异而被广泛用于土木工程的各个领域。如在公路工程领域，用硫磺砂浆做为大梁的临时支座，预埋电阻丝的硫磺砂浆用于更换大梁支座，以及用硫磺砂浆“桩靴法”处理断桩等方法得到应用。另外硫磺砂浆在其他方面的应用有待于我们继续探究，以发挥硫磺砂浆的{zj0}性能。