高性能硫磺砂漿臨時支座的配制與性能試驗研究

唐銀青，覃 峰，梁高榮，劉志秀

（1．廣西交通職業(yè)技術(shù)學院，廣西 南寧 530023；2．廣西路建工程集團有限公司賀州至巴馬高速公路鐘山至昭平段設(shè)計施工總承包項目經(jīng)理部，廣西 南寧 530001）

0 引言

臨時支座是順利實現(xiàn)橋梁受力體系轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵，要求臨時支座必須具有穩(wěn)固、承載力大、拆除方便等特征［1－3］。硫磺砂漿是目前大型橋梁結(jié)構(gòu)常用的一種臨時支座結(jié)構(gòu)材料［4－5］，伴隨著社會各界對橋梁施工的安全性、經(jīng)濟性、環(huán)保性等方面要求的提高，經(jīng)過施工項目對硫磺砂漿的改性，形成符合大型橋梁受力體系轉(zhuǎn)化需求的高性能硫磺砂漿臨時支座結(jié)構(gòu)材料。高性能硫磺砂漿是指將高純度硫磺加熱到一定溫度，投入由水泥、石英砂和外加劑等按一定比例配合形成的摻和料，均勻攪拌，形成一種性能優(yōu)越的新型彈塑性材料。高性能硫磺砂漿與普通硫磺砂漿相比具有強度高、易制作、安裝拆除方便、可回收、經(jīng)濟安全等優(yōu)點，是橋梁臨時支座的優(yōu)選材料之一。

1 工程簡介

高性能硫磺砂漿應(yīng)用于廣西賀巴高速公路鐘山至昭平段昭平桂江特大橋的臨時支座中。賀州至巴馬高速公路是廣西高速公路網(wǎng)規(guī)劃“六橫”中的“一橫”，鐘山至昭平段是賀州至巴馬高速公路建設(shè)項目中的一段，其起點是賀州市鐘山縣同古互通，接鐘山（同古）至賀州高速公路、終點為昭平縣城北面的龍沖附近，接鐘山至昭平段，全線長54km，設(shè)計速度為100km／h，路基寬度為26m。賀巴高速公路鐘山至昭平段昭平桂江特大橋，起訖樁號為：K52＋642．000～K53＋644．25，全橋長1 002．5m，采用雙幅分離式，孔數(shù)及孔徑為：7×40m＋（70m＋2×125m＋70m）＋8×40m，共19跨，橋面凈寬22．5m。其中主橋采用70m＋125m＋125m＋70m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，下構(gòu)主墩為鋼筋混疑土方形實體墩；鐘山側(cè)引橋為7×40m先簡支后連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土T梁，昭平側(cè)引橋為8×40m先簡支后連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土T梁，下構(gòu)橋墩為柱式墩?；A(chǔ)均采用鉆孔灌注樁，橋臺采用肋板式橋臺接樁基礎(chǔ)。桂江大橋共有6個0＃塊，分別位于8＃、9＃、10＃左右幅三個主墩，0＃塊尺寸為：頂寬12．75m，翼板長3．125m，底寬6．5m，高7．8m，順橋向長12m，懸出墩身部分每側(cè)長4．25m。10＃墩0＃塊方案因墩身高度為5．31m計劃采用滿堂支架施工工藝。臨時支座用C50混凝土灌注，分上、下兩層，中間夾5cm厚硫磺砂漿（臨時支座大樣圖見圖1）。硫磺砂漿強度≥50 MPa，其中預(yù)埋電阻絲，以便合攏后燒熔拆除臨時支座。根據(jù)工程需要，承建單位采用高性能硫磺砂漿作為桂江特大橋的臨時支座。

圖1 桂江特大橋臨時支座大樣圖

2 試驗材料

2．1 硫磺

試驗采用某公司生產(chǎn)的工業(yè)硫磺，其形狀為粉末狀，熔點為114．6℃、各項性能指標均滿足國家標準GB／T2449．1－2014要求，詳見表1。

表1 硫磺性能指標表（%）

2．2 石英砂

采用廣西貴港某地產(chǎn)的河砂，其二氧化硅（SiO2）含量為96．8%，燒失量為0．28%，含泥量（包括可溶性鹽類）為0．11%，細度要求通過1．25mm篩孔，篩余量≤5%。

2．3 水泥

試驗采用廣西某公司生產(chǎn)的P·O42．5普通硅酸鹽水泥，各項指標均滿足規(guī)范要求，其化學成分如表2［6］所示。

表2 水泥化學成分表（%）

2．4 鋁粉

為了保障硫磺砂漿通電后均勻軟化和有效減緩硫磺從液態(tài)轉(zhuǎn)變成固體過程中產(chǎn)生的收縮，需在砂漿中添加適量的鋁粉，試驗采用廣西某公司生產(chǎn)的鋁粉，其細度為80μm［7］。

2．5 外加劑

為了減緩硫磺從液態(tài)轉(zhuǎn)變成固體過程中產(chǎn)生的收縮，在砂漿中添加適量的石墨，試驗采用的山東某公司生產(chǎn)的中碳石墨粉（碳含量為92．6%），其細度為150～325目，其摻量為硫磺用量的2‰。

3 高性能硫磺砂漿的配制

3．1 配合比設(shè)計

根據(jù)桂江特大橋的硫磺砂漿臨時支座設(shè)計要求，試驗根據(jù)其它項目硫磺砂漿臨時支座試驗結(jié)果設(shè)計了6組硫磺砂漿配合比，見表3。

表3 硫磺砂漿質(zhì)量配合比設(shè)計表

3．2 配制工藝

硫磺砂漿室內(nèi)配制工藝是：（1）將石英砂、水泥、外加劑和試模各自放入135℃烘箱烘烤4～5h；（2）按配合比稱取硫磺粉，倒入加熱用的鐵鍋中，要求倒入硫磺粉量為鐵鍋容積的1／3～1／2，然后開火熬制，熬制時為避免熱源直接加熱硫磺導致硫磺升華，采用間接加熱法熬制硫磺，確保熬制溫度控制在130℃～155℃范圍內(nèi)，在此溫度范圍內(nèi)硫磺融化、脫水，在熬制硫磺過程中要求邊熬制邊攪拌，確保硫磺加熱均勻，避免硫磺局部溫度過高導致其升華；（3）當硫磺完全液化后，溫度保持在＞140℃時，稱取預(yù)熱的石英砂，邊攪拌邊加入稱取好的預(yù)熱石英砂，攪拌均勻后確保硫磺石英砂混合料溫度在140℃左右后，再邊攪拌邊加入稱取好的預(yù)熱水泥攪拌均勻，之后加入稱取好的預(yù)熱鋁粉并不停攪拌；（4）將添加完石英砂、水泥、外加劑的硫磺混合料加溫到155℃，加強攪拌排除氣泡，待到攪拌脫水并無氣泡后，將石英砂、水泥、外加劑、硫磺混合料升溫至160℃～170℃熬制；（5）在160℃～170℃繼續(xù)熬制石英砂、水泥、外加劑、硫磺混合料3～4h，待混合料變得均勻、顏色一致、泡沫完全消失后，澆筑入模；（6）澆筑入模時，保證試模溫度在130℃～135℃范圍，將熬制好的混合料澆筑入模，入模過程中保證無凹陷、不密實、不分層等現(xiàn)象，并在試件中埋入一定功率的電阻絲，待試件冷卻至室溫24h后拆模，進行相關(guān)性能檢測；（7）在配制過程中，注意防止灼燒和SO2中毒。

4 高性能硫磺砂漿性能試驗

配制的高性能硫磺砂漿用于橋梁受力體系轉(zhuǎn)化的臨時支座，根據(jù)橋梁臨時支座的作用與功能，要求高性能硫磺砂漿在受力和拆除方面滿足一定的性能要求［5，8］，同時高性能硫磺砂漿與普通硫磺砂漿相比要體現(xiàn)高性能硫磺砂漿的高性能性。試驗通過強度性能和軟化性能來衡量所配制的硫磺砂漿在受力、拆除方面的性能及高性能性。

4．1 強度性能試驗

砂漿的強度大小可通過對砂漿抗壓強度和抗折強度來衡量，試驗按砂漿力學性能試驗標準將硫磺砂漿配制成40mm×40mm×160mm試件進行抗壓和抗折測試，測試結(jié)果如表4所示。

表4 硫磺砂漿力學性能試驗結(jié)果表

力學測試結(jié)果表明：（1）6組硫磺砂漿配合比配制的硫磺砂漿均滿足設(shè)計強度M50要求。（2）當硫磺、水泥、外加劑用量固定，石英砂用量比例從1．367逐步遞減至1．167時形成的硫磺砂漿抗壓強度從60．9 MPa降低至50．4 MPa、抗折強度從7．8 MPa提高至10．3 MPa，其抗壓強度降低了17．24%、抗折強度提升了29．48%，總體變化較大。這說明硫磺砂漿中石英砂用量對硫磺砂漿力學性能影響較大，可確定為硫磺砂漿強度變化的主要影響因素。（3）當硫磺、石英砂、外加劑用量固定，水泥用量比例從0．967逐步遞減至0．500時形成的硫磺砂漿抗壓強度從53．7 MPa降低至50．8 MPa、抗折強度從9．2 MPa提高至10．0 MPa，其抗壓強度降低了5．40%、抗折強度提升了8．69%，總體變化較小。這說明硫磺砂漿中水泥用量變化對其抗壓、抗折強度變化影響較小。（4）硫磺砂漿除主要用于橋梁的臨時支座外，還必須滿足易拆除的工程需要，如硫磺砂漿中砂率過大不利于后期拆除，因此試驗選擇序號為A5組配合比作為桂江特大橋硫磺砂漿臨時支座用配比。

4．2 軟化性試驗

硫磺砂漿橋梁臨時支座作為施工時的臨時結(jié)構(gòu)，待橋梁施工完畢后將其拆除達到橋梁受力體系轉(zhuǎn)化，拆除時必須體現(xiàn)與其它臨時支座相比具有更方便、更安全、更環(huán)保等優(yōu)點。由于硫磺砂漿具有熱塑性，只需加熱硫磺砂漿，便可拆除。為了滿足橋梁受力體系轉(zhuǎn)化過程中梁體下降受力均勻的要求，硫磺砂漿拆除過程中須變形均勻。根據(jù)硫磺砂漿熱塑性的特點，只需在硫磺砂漿內(nèi)部按計算布置電阻絲，通電使硫磺砂漿均勻受熱，即可滿足橋梁受力體系轉(zhuǎn)化過程中梁體下降受力均勻性的要求。根據(jù)桂江特大橋硫磺砂漿臨時支座尺寸要求，試驗采用A5組配合比制作成50mm×50mm×180mm試件，并于試件中間埋置2根不同功率的電阻線，要求2根電阻線間距在15～20mm，每根電阻線通電電壓為110V，試驗結(jié)果見表5。

表5 硫磺砂漿通電軟化情況表

硫磺砂漿軟化測試結(jié)果表明：（1）不同功率電阻絲對硫磺砂漿的軟化作用效果不同，電阻絲功率越大，硫磺砂漿初始軟化時間越短；（2）在10min相同通電時間條件下，埋置不同功率電阻絲的硫磺砂漿都已軟化，試件下沉量均＞15mm，滿足橋梁受力體系轉(zhuǎn)化拆除臨時支座要求；（3）根據(jù)硫磺砂漿初始軟化時間、軟化情況、試件下沉值、試件破壞后電阻絲狀態(tài)等綜合表現(xiàn)，建議選擇電阻絲功率為800W作為埋置電阻絲；（4）硫磺砂漿軟化性能與電阻絲發(fā)熱升溫狀態(tài)有關(guān)，當電阻絲發(fā)熱升溫達到硫磺熔融點時，液體硫磺流動性與硫磺黏度有關(guān)，而黏度又與液體硫磺溫度有關(guān)，硫磺砂漿內(nèi)部熱源來自電阻絲發(fā)熱，電阻絲發(fā)熱升溫速率與電阻絲功率和外加電壓有關(guān)。

4．3 高性能性試驗

臨時支座用的硫磺砂漿的性能須滿足強度與軟化性能要求。臨時支座用的高性能硫磺砂漿的高性能主要表現(xiàn)在與普通硫磺砂漿相比，其強度與軟化方面的性能最優(yōu)。試驗通過與相同配比的普通硫磺砂漿相比，添加了鋁粉等外加劑的硫磺砂漿在使用性能上體現(xiàn)出其高性能性。強度檢測試驗按40mm×40mm×160mm配制試件進行測試；軟化測試試驗按50mm×50mm×180mm配制試件、內(nèi)埋2根800W功率的電阻絲、外接110V電壓通電10min進行測試。試驗結(jié)果見表6。

表6 不同配比硫磺砂漿性能測試結(jié)果表

不同配比硫磺砂漿性能測試結(jié)果表明：

（1）添加適量鋁粉可有效提升硫磺砂漿抗壓受力性能，當鋁粉添加量過多時，反而會降低硫磺砂漿抗壓受力性能。如以未添加鋁粉的硫磺砂漿的抗壓強度為基準，添加2‰、4‰、6‰、8‰鋁粉后形成的硫磺砂漿的抗壓強度分別提高了3．29%、5．63%、5．96%、5．14%，抗 折 強 度 分 別 降 低 了 1．01%、2．02%、4．04%、5．05%。產(chǎn)生硫磺砂漿強度變化的主要原因是：添加適量的鋁粉能有效地減少硫磺從液態(tài)轉(zhuǎn)變成固體過程中收縮生產(chǎn)的細微收縮裂縫，從而提高其力學性能。當鋁粉添加量過多時，占據(jù)了過多的硫磺膠凝材料，使石英砂、水泥混合料中硫磺膠凝材料厚度不足，其結(jié)合面產(chǎn)生過多薄弱面，從而導致力學性能降低。

（2）添加鋁粉可有效提升硫磺砂漿軟化性能。當添加＞2‰鋁粉形成硫磺砂漿時，在通電10min條件下，其試件下沉量均＞15mm，滿足橋梁受力體系轉(zhuǎn)化拆除臨時支座的要求；但添加6‰、8‰鋁粉形成硫磺砂漿時，在通電10min條件下，試件軟化過大，導致電阻絲斷裂并有相碰相纏現(xiàn)象，會產(chǎn)生電路短路，引發(fā)安全問題。產(chǎn)生硫磺砂漿軟化的主要原因是：添加鋁粉可以提高硫磺砂漿的導熱系數(shù)，如按硫磺砂漿質(zhì)量百分比加權(quán)計算導熱系數(shù)［9］，鋁粉摻量越大形成的硫磺砂漿導熱系數(shù)越大。導熱系數(shù)越大，硫磺砂漿熱融性能越優(yōu)，其軟化性能越好。

（3）綜合力學變化性能和桂江臨時支座硫磺砂漿強度≥50 MPa要求及摻鋁粉硫磺砂漿軟化性能改善情況，當鋁粉摻量在3．5‰～5‰時形成的硫磺砂漿在強度、軟化性等方面高于普通硫磺砂漿，具有高性能性的特征。

5 結(jié)語

（1）根據(jù)硫磺砂漿強度性能試驗結(jié)果表明，采用A5組配合比，即：硫磺∶石英砂∶水泥∶鋁粉＝30∶38∶20∶0．12＝1∶1．267∶0．667∶0．004配制出的硫磺砂漿在力學性能上滿足設(shè)計強度M50要求。

（2）硫磺砂漿軟化性能試驗結(jié)果表明，在A5組硫磺砂漿內(nèi)埋置2根800W功率的電阻絲，外接110V電壓并通電10min，硫磺砂漿試件下沉23mm，滿足＞15mm的要求，同時硫磺砂漿內(nèi)埋電阻絲保持完好。說明選擇的電阻絲功率和外接電壓及電阻絲布設(shè)均滿足拆除及施工安全需求。

（3）在硫磺砂漿中摻入細度為80μm、摻量為3．5‰～5‰的鋁粉，可配制出橋梁施工時受力體系轉(zhuǎn)化臨時支座用的硫磺砂漿，各項性能均滿足設(shè)計要求，其在強度和拆除性能等方面性能高于與同配比的普通硫磺砂漿。