19硫磺胶结材料

19硫磺胶结材料

硫磺胶结材料根据用途可分为硫磺胶泥、硫磺砂浆、硫磺混凝土三种；根据性质可分为耐腐蚀硫磺胶结材料和一般硫磺胶结材料两种；铁路混凝土轨枕所用的硫磺锚固是属于一般硫磺胶结材料中的硫磺砂浆。

19.1硫磺胶结材料概述

1）硫磺

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112.8ºC, 沸点为444.6ºC ，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95.5ºC 形成固态单斜硫, 加温至119.25ºC, 形成液态黄色硫, 加温至160ºC 形成褐色液态硫, 加温至444.6ºC, 形成气态硫, 加温至1000ºC, 形成气态硫蒸气。熔融的硫磺, 其粘度变化较为复杂。当温度为115ºC 时, 粘度为0.0125Pa.s;160ºC 时为0.0066Pa.s;165ºC 时其粘度增加1000 倍以上;198.8ºC 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115～160ºC 之间，易于操作施工。硫磺的强度随温度的不同而变化，在20～40ºC 时其强度最大。

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19-1），硫的工程特性见表19-2 。

表19-1 聚硫橡胶对硫磺胶泥性能的影响

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表19-2 硫的工程特性

硫是可燃材料, 在有氧的条件下燃烧成SO 2，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。

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。

3）石英砂

要求耐酸率不低于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。

4）碎石

要求耐酸率不应小于95％ ，浸酸安定性合格，粒径为20－40mm 碎石的含量不应小于85％，10－20mm 的含量不应大于15％。

5）水泥

采用普通硅酸盐水泥，强度等级不限，最好不低于42.5MPa ，要求符合水泥的质量标准。

6）石蜡

一般用工业石蜡。

19.2硫磺胶泥、硫磺砂浆与硫磺混凝土

19.2.1硫磺胶泥

1） 硫磺胶泥具有结构密实、硬化快、强度高、施工方便等特点，可用于某些工程静力压桩的接桩。硫磺胶泥接桩的基本原理是在上接桩的下端预埋并伸出φ22—25mm 锚筋，而在下接桩的上端预留φ56—60 mm 内螺纹的锚筋孔，接桩时使上接桩的4根锚筋插

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入下接桩的锚筋孔内，其间用硫磺胶泥填充胶结，操作时要求控制上下接桩的中心线偏差不大于10mm ，节点弯曲矢高不大于0.1%桩长，然后将上节桩稍提拔0.2m 后用夹箍夹紧，将熔化的硫磺胶泥迅速注满锚筋孔内并溢出桩面，然后迅速将上接桩落下，当硫磺胶泥冷硬后拆除夹箍并继续压桩。在工程中，要求硫磺胶泥半成品应每100kg 做一组试件（3块）。

2）硫磺胶泥的配合比参考表19－3

表19－3 硫磺胶泥质量配合比参考表

3）硫磺胶泥的质量指标，

表19－4硫磺胶泥的质量指标

19.2.2硫磺砂浆

19.2.2.1普通硫磺砂浆

普通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）强度

硫磺砂浆在不到一天的时间内, 就可达到100%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。

（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, 曾有试验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。

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（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，最好取相同的尺寸试件进行比较。

（4）温度对硫磺砂浆的影响

大量的试验资料表明，当温度在20～80ºC 范围时，膨胀值上升平缓，但超过80ºC 特别是90 ºC 时，其膨胀值将直线上升，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SO 2 。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，则不能完全燃烧。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。

（5）硫磺砂浆配合比设计 a. 硫磺砂浆配合比表19－5

表19－5硫磺砂浆质量配合比参考表

b. 硫磺砂浆试配过程

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 ºC 熔化、脱水；便熔便加料、搅拌防止局部过热。然后加入130 ºC 预热干燥的石英粉和石英砂，边加边搅拌，温度保持在140～150 ºC 左右。搅拌脱水并无气泡时，可继续升温160～170 ºC ，约熬制3～4 小时，待物体变得均匀、颜色一致、泡沫完全消失，即可使用。熬制好的硫磺砂浆，在140 ºC 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。

（6）硫磺砂浆的质量指标表19－6

表19－6硫磺砂浆的质量指标

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（7）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19－7）。

表19－7 硫磺砂浆的抗压强度

19.2.2.2硫磺水泥砂浆

混凝土轨枕螺旋道钉是用硫磺水泥砂浆锚固的。

硫磺水泥砂浆是由硫磺、水泥、砂子、石蜡四种材料，按一定的比例混合，经加热熬制而成的，由于浇注冷却后产生胶结作用，能将螺旋道钉牢固地锚在螺栓孔中，从而固定轨距。

（1）原材料技术要求 a 硫磺

硫磺用一般工业用粉状或块状硫磺，含硫量不低于95%，其中不得含有木屑、草末、石块等杂物，并要求保持干燥。如是块状硫磺，使用前要经机械破碎，并需通过5mm 孔径的筛子过筛，以免颗粒过大，熔化时不仅速度慢，并且熔化不均匀，影响质量。

硫磺在锚固体中主要是起胶结作用。 B 水泥

水泥用普通硅酸盐水泥，强度等级不限，最好不低于42.5MPa ，水泥是锚固体中的填料，如受潮结块，必须先用孔径2mm 的筛子过后筛方可使用。

C 砂子

砂子在锚固体中起骨料作用。粒径不得大于2mm ，泥污含量不得大于5%，并保持清洁。使用前，应在钢板上加热烘烤，除去水分。

D 石腊

石腊为一般工业用石腊，在锚固体中起防水绝缘作用。使用前应加工成粒径5mm 的碎块。

以上各种材料内不得混有杂物。 (2)硫磺锚固砂浆配合比要求

硫磺锚固砂浆配合比应根据气候和材料条件，在以下规定有质量配合比范围内，试验选定其用量。

硫磺：水泥：砂子：石腊=1：0.4～0.6：1.2～1.5：0.01～0.03 如少量使用时可采用：

硫磺：水泥：砂子：石腊=1：0.5：1.3：0.02

重量比应满足硫磺：水泥：砂子：石蜡：＝1：(0.3～0.6) ：(1.0～1.5) ：(0.01～

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0.03) 。在选定配合比时，应当用实际采用的做成试件在锚固前进行试验，以求得最佳配合比，试件的抗压强度不低于40MPa ，抗拉强度不低于4MPa ，道钉锚固后的抗拔力不低于60kN 。重量必须用磅秤来量取。

如砂子级配好或颗粒细, 粉砂比重大则可酌情少放些水泥, 多用些砂子.

石蜡可增加不透水性和电气绝缘性能, 也有利于退钉. 但影响锚固强度, 且在灌注过程中熔液易离析, 用量可按使用对象或试验确定.

(3) 锚固制作：

首先将合乎要求的砂子、水泥加热烘干（温度控制在100～30℃），然后按配合比加入硫磺、石蜡，文火加热，迅速搅拌均匀，直到拌合物中残余水分完全挥发，不再出现气泡时方准使用。温度控制在160～180℃，温度通过温度计进行监测，在加热时经充分搅拌，以防硫磺燃烧失效。熬浆地点离灌浆地点尽量靠近，以防温度降低过多。硫磺水泥砂浆注入孔内时的温度不得低于130。浇注锚固浆深度以15cm 为宜，即超过道钉2~4cm，反锚时螺旋道钉钉底离枕底高度≧5cm ，清扫锚固架及承轨槽内的锚固残渣。 (4)锚固好的混凝土枕必须符合下列规定

a. 螺旋道钉与承轨槽面垂直，歪斜不得大于2°；

b. 道钉中线与承轨槽面交点偏离予留孔中心不得大于2mm ；

c. 不允许出现漏锚，错锚，抗拔力≦60kN ，用抗拔仪检测，每1000根抽检不少于2根，螺旋道钉锚固超高，超低每公里不得超过8个；

19.2.3硫磺混凝土

硫磺混凝土是一种热塑性材料，由改性硫磺和矿质骨料、填料等按比例在138℃左右混合浇铸而成。和普通混凝土相比，改性硫磺代替水泥和水作为混凝土的胶结剂，构成高强度的混凝土，其平均压碎强度为48 MPa。硫磺混凝土不但可以达到普通混凝土的全部要求，而且在pH 值不小于3的情况下具有良好的耐腐蚀性能，特别是在酸性环境中，由于硫磺填充于混凝土间隙并包裹于混凝土周围，大大增加了材料的密实度，使腐蚀性介质难以渗入到材料内部。

（1）硫磺混凝土的主要性能如表19－8所示。

表19－8 硫磺混凝土的主要性能

（2）硫磺混凝土配合比

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表19－9硫磺混凝土质量配合比参考表

注：如为普通硫磺混凝土，可用水泥代替石英或辉绿岩粉, 以普通砂代替零星石英砂, 以普通卵石或碎石来代替耐酸石子，以石蜡代替聚硫橡胶。若仍用聚硫橡胶则更佳。

（3）硫磺混凝土的抗压强度，不应小于40 MPa；抗折强度，不应小于4 MPa。 19.3检测方法

19.3.1混凝土轨枕螺旋道钉锚固强度检测 19.3.2硫磺类制成品的性能测定方法

1）．硫磺胶泥和硫磺砂浆的抗拉强度测定：

取6个“8”字型的抗拉试模，在颈部压盖一金属片或玻璃片，试模可涂少量的甘油作脱模剂。将硫磺胶泥或硫磺砂浆在140°C 浇注成型，浇注后试块的收缩孔应立即进行补浇。试块冷固后拆模，在20±5°C 空气中养护48h 。抗拉强度的测定应按«水泥胶砂强度检验方法»（GB ）执行。

2）．硫磺胶泥或砂浆与耐酸砖的粘结强度测定：

浇注硫磺胶接材料的模具，应有1mm 厚钢板制作，耐酸砖应预先标明粘接部位，并用“＋”字标记标出加压部位。应将耐酸砖在105～110℃烘干24h ，然后冷却至室温。浇注后待试快冷固后拆模，应在20±5°C 空气中养护48h 后测定粘结强度。

应将粘结力支座（附图）放在压力机上固定住，对正位置，调节好距离，将试块放好。开动压力机均匀加载，压力机运行速度为6mm ／min ，加载至试件拉开。记录压力机表盘读数。

粘结强度应按下式计算：

R ＝P ／A

式中 R——胶泥的粘结强度（MPa ） P——破坏荷载（N ） A——受压面积(mm-2)

3）. 硫磺胶泥的急冷急热残余抗拉强度测定：

将按硫磺胶泥抗拉强度测定方法规定成型并养护的“8”字型试快6个，放入80～85°C 水中浸放5 min后，迅速移入10～15°C 水中浸放5 min，试块应悬挂在水中，勿使局部过热，放置间距不小于10 mm；水面高出试块不小于20mm ，然后将试块在放入上述条件的热水及冷水中，如此循环5次，应立即按《水泥胶砂强度检验方法》（GB ／T17671－1999）进行测定，其抗拉强度即为急冷急热残余抗拉强度。

4）．硫磺砂浆的分层度测定：

取高20cm ，直径2，0～2.5cm 的玻璃试管放在140±2°C 的油浴中，应将熔融的硫

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磺砂浆在140±2°C 注满试管。浇筑30分钟后，应将试管从油浴中取出，放入15～20°C 水中，待硫磺砂浆冷固后，打破试管，按上、中、下等份三段，取上部及下部的试样，分别敲碎，碎粒粒径不大于1mm 。应用1‰天平称取试样各1g ，在500°C 灼烧后，称量残渣。

分层度应按下式计算：

分层度＝（底部残渣值）／（顶部残渣值）

5）．硫磺胶泥和硫磺砂浆的浸酸后抗拉强度降低率和质量变化率测定：

按硫磺胶泥和硫磺砂浆抗拉强度测定法成型并养护“8”字型抗拉试块12个，将其中6个在空气中继续养护，另6个经称重后浸入盛有33％硫酸的带盖容器中，试块底面应架空，侧面应隔开，酸液应高出试块表面。浸泡45昼夜后取出试块，应用水冲洗。并用湿布擦去表面水分后称重。应将浸泡后的试块与在空气中养护的同龄期试块进行抗拉强度测定。

浸酸后的抗拉强度降低率，应按下式计算：

浸酸后的抗拉强度降低率（％）＝（R －R 1）／R ＊100 式中：R ――同龄期未浸酸试块的抗拉强度（MPa ）； R 1 ―― 浸酸后试块的抗拉强度（MPa ）。 质量变化率应按下式计算：

质量变化率（％）＝（G 1－G ）／G ＊100 式中 G ――浸酸前试块的质量（g ）； G 1 ――浸酸后试块的质量（g ）。 6）．硫磺混凝土的抗压强度和抗折强度测定：

应取15cm*15cm*15cm抗压试模及10cm ＊10cm ＊60cm 抗折试模各3个，内薄涂润滑油，装入施工时用的粗骨料，然后浇筑140°C 的硫磺胶泥或硫磺砂浆。浇筑后试块的收缩孔，应立即进行补交，待试块冷固后拆模。在20±5°C 空气中养护48h 后，应按《普通混凝土力学性能试验方法》（GB ／T50081－2002）进行测定。 19.4现行标准

1. 建筑地基基础工程施工质量验收规范 GB50202－2002 2. 铁路轨道工程施工质量验收标准 TB10413－2003 参考书目

建筑防腐蚀工程施工及验收规范 GB50212－1991

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