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．廣西交通職業技術學院，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計施工總承包項目經理部，廣西 南寧 530001）

0 引言

臨時支座是順利實現橋梁受力體系轉化的關鍵，要求臨時支座必須具有穩固、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構常用的一種臨時支座結構材料［4－5］，伴隨著社會各界對橋梁施工的安全性、經濟性、環保性等方面要求的提高，經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化需求的高性能硫磺砂漿臨時支座結構材料。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、經濟安全等優點，是橋梁臨時支座的優選材料之一。

1 工程簡介

高性能硫磺砂漿應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規劃“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預應力混凝土連續箱梁，下構主墩為鋼筋混疑土方形實體墩；鐘山側引橋為7×40m先簡支后連續預應力混凝土T梁，昭平側引橋為8×40m先簡支后連續預應力混凝土T梁，下構橋墩為柱式墩。基礎均采用鉆孔灌注樁，橋臺采用肋板式橋臺接樁基礎。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，其中預埋電阻絲，以便合攏后燒熔拆除臨時支座。根據工程需要，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的工業硫磺，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的P·O42．5普通硅酸鹽水泥，各項指標均滿足規范要求，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轉變成固體過程中產生的收縮，需在砂漿中添加適量的鋁粉，試驗采用廣西某公司生產的鋁粉，其細度為80μm［7］。

2．5 外加劑

為了減緩硫磺從液態轉變成固體過程中產生的收縮，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 配合比設計

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

表3 硫磺砂漿質量配合比設計表

3．2 配制工藝

硫磺砂漿室內配制工藝是：（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，在此溫度范圍內硫磺融化、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，稱取預熱的石英砂，邊攪拌邊加入稱取好的預熱石英砂，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熱水泥攪拌均勻，之后加入稱取好的預熱鋁粉并不停攪拌；（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化的臨時支座，根據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，測試結果如表4所示。

表4 硫磺砂漿力學性能試驗結果表

力學測試結果表明：（1）6組硫磺砂漿配合比配制的硫磺砂漿均滿足設計強度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構，待橋梁施工完畢后將其拆除達到橋梁受力體系轉化，拆除時必須體現與其它臨時支座相比具有更方便、更安全、更環保等優點。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。根據硫磺砂漿熱塑性的特點，只需在硫磺砂漿內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化過程中梁體下降受力均勻性的要求。根據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化拆除臨時支座要求；（3）根據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等綜合表現，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熱升溫狀態有關，當電阻絲發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，而黏度又與液體硫磺溫度有關，硫磺砂漿內部熱源來自電阻絲發熱，電阻絲發熱升溫速率與電阻絲功率和外加電壓有關。

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在與普通硫磺砂漿相比，其強度與軟化方面的性能最優。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。試驗結果見表6。

表6 不同配比硫磺砂漿性能測試結果表

不同配比硫磺砂漿性能測試結果表明：

（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轉變成固體過程中收縮生產的細微收縮裂縫，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，其結合面產生過多薄弱面，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象，會產生電路短路，引發安全問題。產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，如按硫磺砂漿質量百分比加權計算導熱系數［9］，鋁粉摻量越大形成的硫磺砂漿導熱系數越大。導熱系數越大，硫磺砂漿熱融性能越優，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 結語

（1）根據硫磺砂漿強度性能試驗結果表明，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計強度M50要求。

（2）硫磺砂漿軟化性能試驗結果表明，在A5組硫磺砂漿內埋置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化臨時支座用的硫磺砂漿，各項性能均滿足設計要求，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。