硫磺砂浆的制作应用

硫磺砂浆是指将硫磺加热到一定温度形成液态并充分脱水后加入适当比例的预热干燥耐酸粉料和粒径1.25mm以下的细骨料，形成的一种新型热塑性材料。它具有硬化快、高早强、处理方便、可回收、经济安全等优异性，在土木工程领域尤其在大型桥梁中，有着广泛的应用前景。

1、硫磺砂浆的组份

1.1 硫磺

硫磺是硫磺砂浆的胶粘剂,通常选用的硫磺为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%。

硫磺为热施工材料，对温度要求严格。在常温下，硫磺为淡黄色固体，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。C形成固态单斜硫,加温至119.25。C,形成液态黄色硫,加温至160, 。C形成褐色液态硫,加温至444.6。C,形成气态硫,加温至1000。C,形成气态硫蒸气。硫磺的熔化脱水温度为130～150℃；与粉料、细砂的混合温度为140～160℃；温度低时因粘度大不能混匀，温度高达170℃以上时，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。C时,粘度为0.0125Pa.s;160度时为0.0066Pa.s;165。C时其粘度增加1000倍以上;198.8。C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。C之间，易于操作施工。硫的工程特性见表2



表1 硫磺温度与粘度变化情况



温度/c 115 160 165 198.8

粘度/Pa.s 0.0125 0.0066 6.7 90



表2 硫的工程特性



性质 数值

弹性模量 13.9x103MPa

显微硬度 716MPa

抗弯强度 6~8MPa

抗压强度 25~30MPa

热膨胀系数 55x10-6/。C

导热系数 0.27W/(m。C)

容重 1.995g/ cm3

1.2 水泥（充当耐酸粉料）

在硫磺砂浆中，掺入一定量的耐酸粉料，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8%~20%;含水率不大于0.5%，使用前必须烘干。考虑到工地取材便利,我们选用性能接近的湖北宜都市高坝洲牌普通硅酸盐32.5级水泥，水泥试验指标如下表3:

表3 选用水泥物理力学性能指标

细度（%） 烧失量（%） 含水量（%） 3天抗折(Mpa) 3天抗压(Mpa) 安定性 (沸煮法) 初凝 终凝

8.7 3.8 0.2 3.8 13.5 合格 1h48m 2h39m













1.3 细骨料

要求耐酸率不低于94%,含水率小于0.5%,含泥量不大于1%,1.25mm筛孔筛余量不大于5%,使用前需烘干脱水。实际操作采用指标优良的洞庭湖黄砂过1.25mm筛.其具体试验指标见表4，级配分布见图1：



表4 选用细骨料物理性能指标



表观密度（g/cm3） 堆积密度（g/cm3） 含泥量

（%） 泥块含量（%） 含水率

（%） 空隙率

（%）

2.091 1.199 0.2 0.1 0 42.7



图1 细骨料级配分布情况



2、硫磺砂浆的配制

2.1 配合比设计

硫磺的硬化是冷却时的固化过程，其强度随温度的不同而变化，在20~40。C时其强度最大，和普通砂浆的水化硬化有本质的区别。考虑到桥梁结构体系转换中使用临时支座的强度要求与可熔性的有机结合，我们设计了四种不同的硫磺砂浆配合比，见表5



表5 4种不同的硫磺砂浆配合比





配合比编号 硫磺（kg） 细砂（kg） 水泥（kg）

1# 60 27 13

2# 48 38 14

3# 40 40 20

4# 35 41 24



2.2 硫磺砂浆的熬制方法

①先将硫磺打成2~5cm的小块，按比例称好分批放入锅中，加热130～150℃熔化，边熔边放边搅，注意防止局部过热，以达到充分脱水的目的。



　　②硫磺脱水后，分批将已搅拌均匀的130℃烘干细骨料、水泥放入锅中不断搅拌、脱水，混合均匀；注意要严格控制熬制温度，一般为140～170℃，最高不超过180℃，约熬制3~4小时。



　　③待硫磺砂浆熬制均匀、颜色一致、汽泡完全消失时，先取样检查，以确定其熬制质量，如不符合要求时，应继续熬制，直到合格；



　　④硫磺砂浆质量鉴定,在140℃时，浇入“8”字型抗拉试模中，观察其冷却时应无涌泡、凹陷、不密实、分层现象，将其打断观察，其颈部断面内，肉眼看可见小孔多于5个，说明熬制时间不够，通常延长熬制时间，直到眼见小孔小于或等于5个为止。



图2 硫磺砂浆熬制工艺流程图







2.3 硫磺砂浆的抗压强度

按照4种硫磺砂浆的不同配合比，分别制作成试件，测其抗压强度见表6



表6 硫磺砂浆的抗压强度



配合比编号 配合比

（硫磺：细砂：水泥） 实测抗压强度（Mpa）

1# 60：27：13 26.5

2# 48：38：14 31.6

3# 40：40：20 43.1

4# 35：41：24 51.7



3、硫磺砂浆的固有特性

3.1 硫磺砂浆的优异性

① 硬化快，高早强

通过我们大量的现场模拟试验表明，在温度冷却到110℃以后硫磺砂浆迅速硬化，当降至85℃后硬化基本完成。其硬化还与成型模板的散热性及外部气温环境有关，一般硬化时间在半小时到两小时不等。由于硫磺砂浆的冷却固化与普通砂浆的水化硬化有本质的区别。因此，在不到一天的时间内,就可达到的设计抗压强度。四种不同的配合比所形成的硫磺砂浆的力学性能见表7。



表7 4种不同配比硫磺砂浆的物理力学性能



配合比编号 硫磺用量（%） 表观密度

（kg/m3） 抗压强度

（MPa） 抗弯强度（MPa）

1# 60 1495 26.5 7.2

2# 48 1276 31.6 7.8

3# 40 1020 43.1 8.1

4# 35 975 51.7 8.3





② 可熔性好，处理方便

通过在现场砼构件上进行软化试验表明，当温度在20~80。C范围时，硫磺砂浆无软化现象。但超过80。C特别是90。C时，硫磺砂浆出现明显的软化，达到120。C时完全液化。我们在结构物表层涂抹脱模剂，液状硫磺砂浆在表层硬化后即可自然分离，对砼构件无任何污染。

③ 操作简单，经济效益好

硫磺砂浆液化后由于其较高的流动性，可采用直接灌注法。因此可以适应几乎任何形状、尺寸的模板，不会存在操作死角。硫磺砂浆能迅速硬化且强度高，能大大节省施工间歇时间及人力物力，因此也能产生较好的经济效益。

3.2 硫磺砂浆灌注成型施工中的常见通病及预防措施

硫磺砂浆在浇注中易出现脱层、涌泡。硬化后敲击表层有空响，不密实。

原因分析

① 浇注过程中混入杂质。以及需预埋电阻丝导致分层灌注，上下层浇注间隔时间太长或基层质量差，造成脱层。

② 原材含水，模板散热差、熬制时间短，气泡没完全排近，造成涌泡、空鼓。

预防措施

① 实保证基层质量。基层上设有隔离层时，隔离层与基层必须粘结良好。基层表面应晾干、烘干或用热风器吹干。

② 用的粉料和细砂必须炒干后使用，并保证出锅温度为130℃~150℃,出锅前应进行温度检查。

③ 熬制时间应充分，浇注前应对熔化物进行外观检查，以不出现明显气泡即可。浇注温度应保持在135～145℃。不合格可重新熬制，在二次熔化时可外加5%～10%的硫磺。

4、硫磺砂浆在沪蓉西宜长高速公路清草湾大桥结构体系转换中的应用

4.1 工程简介

沪蓉西宜长高速公路清草湾大桥分两座，共28跨，全长585.4米。上部构造为20米跨径预应力砼空心板梁，先简支后结构连续，下部构造桥墩为双柱式墩、桩基础；桥台为U台、扩大基础。连续梁施工采用预制吊装，先简支再现浇墩顶连续段，然后拆除临时支座，使体系转换成结构连续。

4.2 临时支座的选材

考虑到施工过程中，临时支座需承受大量的各类荷载及其顶面与梁体吊装过程中顶推摩擦力及冲击力，要求临时支座支撑体应具有强度高、耐抗滑、易清除等特点，因此我们选用硫磺砂浆作为临时支座的制做原材。

4.3 临时支座的选形

我们在现场模拟试验过程中，发现硫磺砂浆在冷却固化过程中，表层会出现局部裂纹。在排除了熬制时间不够等原因外，分析主要原因是硫磺砂浆的导热性差，内外温差反应大。在自然环境中试样表层比内部冷却快，表层产生拉应力而内部核心受压应力。在对比试验中，我们在固定试件受力面积的情况下，最初采用方形预制块，发现其散热性差，不利于硬化过程中的应力分散，加之吊装过程中的不确定性，极易导致临时支座受力不均匀，局部边角产生了断裂和破碎。后采用圆形预制块，其散热性及均匀受力的概率都比方形预制块大大提高。方形和圆形预制块的优越性对比见表8。

表8 方形和圆形预制块的优越性对比



形状 固化反应 吊装冲击

方形预制块 表层开裂、涌泡、凹陷 边角破碎、断裂

圆形预制块 局部裂纹、少量涌泡 少量掉块



4.4 临时支座承载验算

空心梁自重30T，架桥机自重50T，动荷50T，其它施工荷载20T，合计150T。单个支座承重：150÷4=37.5T。临时支座选用2#硫磺砂浆配比，平均抗压强度为31.6Mpa。圆柱型，直径25cm，高10~13cm（因桥面有纵、横坡），其受力荷载为：3.14×1252×31.6≈1550KN（可承重158T）。可见支座承载有较大余量，考虑到经济及易熔性要求，因此选用2#配比较为合理。

4.5 硫磺砂浆临时支座的软化试验

4.5.1 软化方案的选择

硫磺砂浆临时支座的清理方法有氧气烧化、预埋电阻丝电热软化以及人工凿除等。现场模拟试验中，我们采用φ250mm，高度100mm预制块模拟硫磺砂浆临时支座在一定荷载下做软化烧熔试验。考虑到施工过程中梁体下降的均匀性要求，我们采用预埋电阻丝通电软化的方案，电阻丝采用2000W电炉盘通电定型。

4.5.2 软化试验

首先将预制块灌注至20mm高度，待其表层初步结晶后，将已事先定型好的电阻丝均匀布置在表层，接着浇注到顶。电阻丝应均匀分布，并留有一定的间隙，一般以2~4cm为宜，不宜过近或过远，以防出现短路和产热不均匀。我们在2#配比硫磺砂浆预制块中分别预埋500W、800W、1000W三种不同功率的电阻丝，恒定电压220V通电观察软化情况。通过分析比较，预埋500W 电阻丝即能取得较好的软化效果。电阻丝埋设如图3,通电软化情况见表9:



图3 硫磺砂浆临时支座电阻丝平面布置图



表9模拟预应力空心梁临时支座通电软化情况

电阻丝 功率 设计通电 时间(min) 实际通电 时间(min) 通电软化 情况 电阻丝 状况 时间下沉值（cm）

10min 20min

500W 10 10 基本软化 完好 5 8

800W 10 4 局部软化 断裂 2 6

1000W 10 3 局部软化 断裂 2.5 6

4.6 硫磺砂浆临时支座经济效果比较

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梁体同步下落而造成梁体应力集中，导致梁体损害。采用硫磺砂浆预埋电阻丝做临时支座，落梁速度快、省工省力、功效高。宜长高速公路清草湾大桥采用了此项新工艺，节约了大吨位顶升设备，保证了施工进度，经济效益及社会效益明显。

4.7硫磺砂浆临时支座施工中的防毒措施

硫磺砂浆熬制过程中，由于硫磺的受热不均及熬制温度不够可能会导致产生大量的有毒气体SO2。因此在熬制过程中，施工人员因佩带防毒口罩、防毒服等以防中毒，并应将施工场地布置在通风处。

5、结束语

硫磺砂浆以其强度快速生成，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，以及硫磺砂浆在结构物缺陷操作死角的修补工艺中等都得到较好的应用。另外硫磺砂浆在其他方面的应用有待于我们继续探究，以发挥硫磺砂浆的性能。





















新泰市汶河化工厂

2010-7-10