硫磺混凝土的發(fā)展動態(tài)

1、硫磺混凝土的發(fā)展動態(tài) HYPERLINK 中國混凝土 與水泥制品網(wǎng)2005-9-24摘要：硫磺混凝土作為一種具有特殊性能的建筑材料，其使用前景是十分廣闊的。國內(nèi)的 工程界正在大力開發(fā)之中。關(guān)鍵詞：硫磺混凝土，聚合物添加劑，非晶體狀態(tài)，線性膨脹系數(shù)，抗疲勞強度0 前言硫磺混凝土作為實驗室研究的課題已經(jīng)有一百多年的歷史了。研究人員把加熱的骨 料與熔化的硫磺相拌合，冷卻后所得的產(chǎn)物，其強度之高、耐蝕性之強，以及快凝、抗?jié)B性 等特征，深深地吸引了研究人員。然而遺憾的是當這種產(chǎn)物暴露在熱循環(huán)的環(huán)境中時，其耐久性是很差的。19世紀30年代的進一步研究表明，為了避免硫磺混凝土的損壞，必須改 善它的結(jié)晶作用。

2、迄今為止，硫磺混凝土盡管有所發(fā)展，但是并未得到大量應用。 這是因其造價較高，以及某些硫磺增塑劑或改性劑所造成的不愉快的臭味。自從1984年以來，美國混凝土學會（ACI）通過其第548委員會頒布了混凝土中的聚合物，又通過其第548D分委員會頒布 了硫磺混凝土等技術(shù)規(guī)程，已經(jīng)制訂了使用硫磺混凝土（ SC）的指導原則。美國材料試驗學會（ASTM）的第C03委員會頒布了抗化學的非金屬材料，并正在制訂硫磺混凝土的 施工規(guī)范。對于這個課題，目前國外已經(jīng)有了五個標準的試驗方法和規(guī)程。發(fā)展概況1972年加拿大國家研究委員會和麥克吉兒（McGill） 大學合作，開始了一項研究程序。目的在于開發(fā)一種硫磺改性的方法

3、，用以克服其他研究人員所遇到的問題。一年后成立了一家私人公司，繼續(xù)開發(fā)和最終達到了大批量生產(chǎn)。第一家硫磺混凝土制造廠于1975年12月開始生產(chǎn)預制構(gòu)件。該廠利用聚合硫磺的一種高度穩(wěn)定的濃縮物，來改性和穩(wěn)定附加的單質(zhì)硫磺。附加的硫磺并未聚合，也未被聚合物保持在非晶體狀態(tài)。它只允許在物理狀態(tài)下結(jié)晶，在90 C以下是穩(wěn)定的，即斜方晶體的硫磺。然而聚合物確實阻止了宏觀硫磺晶體 的生長。當一份聚合物在液態(tài)硫磺中分解成10份（以重量計）時，溶液即可冷卻，硫磺晶體一般都小于1微米。這是很重要的。因為硫磺的線性熱膨脹系數(shù)（7. 4 X 10 - 5/ C）是比較高的，而其熱傳導系數(shù)25gJ / . s（ T

4、= 1 C）則是較低的（兩者均為在40 C時的數(shù)值）。當 溫度變化時，在這些宏觀晶體之間將會產(chǎn)生一種恒定的位移，這對于相鄰的基質(zhì)來說即為膨脹或收縮。這種位移會逐漸地同其他交叉晶體相斷開，造成微觀裂縫，結(jié)構(gòu)上即為嚴重弱化，并最終形成了劈離平面。在某種實際生產(chǎn)的硫磺單晶體中，一種類似的機理可能會發(fā)生 “老 化”現(xiàn)象。美國材料試驗學會利用掃描電子顯微技術(shù)， 生動地揭示了聚合物是如何控制硫磺 的結(jié)晶作用并防止宏觀晶體生長的， 從而增加了其耐久性。 這項研究還說明了聚合物能滿意 地對重其10倍的硫磺進行改性。如果硫磺處在一種非晶體狀態(tài)，那么這種硫磺混凝土就已經(jīng)有破壞之處了。有證據(jù) 表明，這種破壞的原因是

5、由于隨著非晶體的硫磺逐漸地恢復到更加穩(wěn)定的斜方晶體時，產(chǎn)生了宏觀晶體的緣故。硫磺混凝土的性能表1和表2中所列是一種用石灰石骨料制備的典型的硫磺混凝土，和用同樣骨料制備的水硬性水泥混凝土的比較。由此可見硫磺混凝土具有很高的力學強度，略高的彈性模量（盡管這可用外加劑來調(diào)節(jié)），和較高的耐磨強度。硫磺混凝土的最佳特性之一，就是其極 大的抗蝕強度。1也隨米超屈就!確碑幢的 卯&充.fttttNiridl? ti lit訊梅的 戔修望,拉展也反i t i7一小凱尊強廈 孫鞫吟拉題唆ViKHAI j24立第11球1-3 .4R大*禮性KM根丈J J出律餞較小*聞光廿事小*，昨眄MfAOUKKt殖（明獨叱畏大

6、計行爐:帖睛我哎梨大11偃小1。中性鼻看All2制耍柞X1）加拿大阿爾伯達省加爾蓋里市EBA工程監(jiān)理公司；2）加拿大阿爾伯達省加爾蓋里市R. M. Hardy 聯(lián)合公司;3）加拿大安大略省研究基金會;4）加爾蓋里市硫磺新技術(shù)公司;5）美國依阿華州立大學；6）加爾蓋里市J . A.斯密斯聯(lián)合公司；7）加拿大埃德蒙頓市 伯納德（Bernard） 和霍格恩（Hoggan）工程和試驗公司；8）加拿大不列顛哥倫比亞省溫哥華 市WarnockHersey公司；9）美國賓夕法尼亞州匹茲堡市Mellon 研究所；10）加爾蓋里市化學與地質(zhì)實驗室有限公司;11）美國德克薩斯州自由港（Freeport） 道氏（D

7、ow）化學公司。硫磺混凝土不受鹽、酸和弱堿的影響。如果使用耐酸的骨料（例如花崗巖和其他的硅質(zhì)材料）制備時，連續(xù)暴露在 98 %濃度的硫酸和鹽酸中也不會受到損害。在許多用途中的另 一個重要特性就是其抗?jié)B性。因為硫磺和聚合物都是憎水性的，所以硫磺混凝土是不滲水的。骨料顆粒涂上這些物質(zhì)，填滿了顆粒之間的孔隙。把硫磺混凝土切成片，兩邊露出骨料來， 浸泡在20 C的水中，24小時的吸水率一般小于 0. 2 %。把50mm厚的硫磺混凝土試件放在哈斯拉（Hassler） 貯罐中，在1034kPa的水壓力下進行滲水性試驗，72小時后的滲水率為零。硫磺混凝土的抗疲勞性能大大優(yōu)于普通的水硬性水泥混凝土。用硫磺混凝

8、土制備的梁，在100200萬次反復荷載下，達到（9095） %斷裂模量時也不會發(fā)生破壞。看來（8590）那斷裂模量（即抗彎強度），是硫磺混凝土的耐久性極限，而普通混凝土則只有（5055） %。這就是說在低于 8590 %的應力級別時，硫磺混凝土是不會疲勞的。盡管硫磺混 凝土是不會燃燒的，但是如果暴露在明火之中，則表面的硫磺就會慢慢燃燒。然而當明火移去時又會自行熄滅。 據(jù)國外資料報道，硫磺混凝土的火災蔓延率為零。燃燒成份為零，煙的密度很低。這種耐久性主要是由于添加劑的存在，當暴露在明火中時， 表面生成了一種保護的碳化層。這種碳化層加上硫磺的導熱率較低，使得熱量的滲入很慢。 然而在明火中暴露的時間

9、長了，當內(nèi)部的溫度上升到高于硫磺的熔點（119 C）時，硫磺混凝土就會產(chǎn)生某些結(jié)構(gòu)性損壞。U1修薰V水硬性*胞就土利也搭僦*蛾鼻比較金馥1被單佗被喊殷 力%瞌依理堂 am.牌也也艮乂汽登上唧器錄盤 CJI93切e*it?3 wr*au tea 父式rimir1 j-a g均為Hb格律的幫 I遇料甄鞫為曲I- 5和 口特審簿件科司改變羯帆涉住R的飛黎在硫磺混凝土中粘結(jié)骨料的硫磺膠結(jié)料是熱塑性的。因此硫磺混凝土可以軋碎，重新熔化后再行澆筑，而不損失強度和其它性能。由于同樣的原因，拌合設備不必沖洗或清潔。因為粘結(jié)在攪拌機壁上的殘余材料，在下一次攪拌作業(yè)中就會重新熔化。冷卻到110 C左右時，硫磺混凝

10、土就會發(fā)生凝固（即硬化）。因此熱的硫磺混凝土拌合物可在很高或很低的 環(huán)境中進行澆筑，在這種極端的溫度下，水硬性水泥混凝土是肯定不能澆筑的。另外， 熱的硫磺混凝土拌合物可在許多小時內(nèi)保持為液態(tài)而不損壞。在炎熱地區(qū)的氣候條件下，這種熱性質(zhì)具有特別重要的意義。硫磺混凝土的原材料（1）硫磺。只要雜質(zhì)不多于 4 %勺黏土，或其它遇水膨脹的材料，硫磺的形式和純度就不太 重要。硫磺可以是固體的，也可以是液體 （熔化狀態(tài)）的。這就是說由于顏色、含碳量 （即灰 份）等原因，不能在市場上出售的用于其它目的之不合格硫磺，完全可用于生產(chǎn)硫磺混凝土。（2）骨料。骨料種類很多，包括礫石、碎石、天然的或人工的砂子、礦渣、火

11、山灰和熔巖， 碎的黏土磚以及大多數(shù)的礦物廢料。雖然少量的鹽、有機物或其他雜質(zhì)是允許的，但是骨料中不應含有未經(jīng)煨燒的黏土 （少于1 %是允許的），或其他膨脹性材料，例如油頁巖、褐煤 和纖維素纖維。未經(jīng)沖洗的海砂和普通的丘砂一般是不適用的。另據(jù)國外資料報道，業(yè)已發(fā)現(xiàn)某種白云質(zhì)骨料也是不適用的，但是細粒砂的廣泛適用性是一個很大的優(yōu)點。（3）礦物填料。就象地瀝青混凝土那樣， 在硫磺混凝土拌合物中， 一般都需要細的礦物填料。為此目的可采用粉煤灰、硅質(zhì)粉、采石場碎石的粉塵，或其他細粒的不溶性無機材料（不含黏土或其他遇水膨脹的物質(zhì) ）。礦物填料的粒徑最好小于 1000!如果采用人工砂（破碎清 潔的毛石或碎石

12、所得的副產(chǎn)品 ），因為在這種砂中的粉塵含量很高，所以不需要礦物填料。（4）專利的聚合物添加劑。目前只有加拿大生產(chǎn)廠家才能供應。設備與方法硫磺混凝土是在一座改良的地瀝青攪拌廠，或在一臺連續(xù)的攪拌設備中制備的。 近年來已經(jīng)成功地使用了許多不同規(guī)格和型號的攪拌設備。生產(chǎn)工藝包括干燥和加熱骨料，把溫度升高到硫磺的熔點以上：然后把加熱的骨料、 硫磺（液態(tài)的或是固體狀態(tài)的）、聚合物添加劑和礦 物填充劑，投入到有臥式滾筒的葉片拌和機或其他能加熱的攪拌機中。因為暴露在150 C以上的溫度中之添加劑是會退化的，從而造成最終產(chǎn)品質(zhì)量的下降，所 以要正確控制攪拌機及其以后的運輸過程中的溫度。拌合物的攪拌、運輸和澆筑

13、時的溫度， 應控制在130146 C的正常工作范圍內(nèi)。硫磺混凝土的配合比具有非常重要的意義，而且取決于骨料及其使用要求。采用20mm粗骨料級配的典型配合比（以重量t）見表3 。卷3碎減混疑土的典型JE合比材料質(zhì)量（%） TOC o 1-5 h z 和骨科42-0砂子4L0干物填料卑gn.o添加劑1略為增加或減少硫磺和添加劑，即可調(diào)整拌合物的和易性（即坍落度），但是硫磺與聚合物添加劑的重量比要保持在不小于10： 1。熱的硫磺混凝土拌合物要在裝備有加熱器的預拌混凝土運送車，或有燃油夾套的攪 拌運送車中運輸。硫磺混凝土拌合物可在這種設備中保存數(shù)小時而不降低其品質(zhì)。澆筑與抹面硫磺混凝土拌合物可澆筑在有

14、鋼筋或無鋼筋（或有其他配筋）的模型中?？捎谜駝釉O備和標準的施工方法進行澆筑。模板可用木質(zhì)（略微上油）、鋼材、鋁合金或其他復合材料制成。在模型中搗實拌合物可用普通的振搗方法。抹面可用手工抹子和大鎂刀，以及振動刮板，也可用加熱設備擠壓法或滑模法進行施工。硫磺混凝土非常適用于生產(chǎn)預制構(gòu)件。由于熱拌合物快速凝固的特性，模型很快就能周轉(zhuǎn)使用。也可用強制冷卻法，用循環(huán)的空氣或水來進一步加速其凝固，對強度無害。聚合物添加劑可減少結(jié)晶粒徑對冷卻速率的常態(tài)依賴性。當采用正確的施工工藝時，硫磺混凝土的拌合、運輸或澆筑過程不會散發(fā)毒氣。然 而當用熱的拌合物進行施工時，工人必須采取必要的安全預防措施。配筋在需要配筋的

15、地方，一般都采用普通鋼筋或鋼絲網(wǎng)。由于硫磺混凝土的吸水率很低，所以埋設鋼筋的銹蝕問題可以忽略不計。除非構(gòu)件有裂縫，使得水能滲入到鋼筋上去。在抗蝕要求較高的地方，可在鋼筋上涂一層耐高溫、抗化學腐蝕的涂料。在接縫處要對鋼筋進行適當?shù)谋Ｗo。纖維配筋(例如玻璃短纖維)也可摻入硫磺混凝土中，以便提高其抗拉、抗彎和抗沖 擊強度。在水硬性水泥混凝土中要用耐堿的玻璃纖維，而在硫磺混凝土中則沒有耐堿的要求。普通的預應力和后張拉技術(shù)也可應用于硫磺混凝土的現(xiàn)澆和預制構(gòu)件中。硫磺混凝土的應用(1)化工廠。主要用于樓地面、墻體、基礎、排水溝、集水坑和暴露在侵蝕性化合物中的儲 液箱(池)等結(jié)構(gòu)中。(2)建筑砌塊。已成功地

16、應用于具有良好保溫性能的聯(lián)鎖式空心建筑砌塊的試生產(chǎn)中。用一臺專門開發(fā)的砌塊成型機，每個模型每小時生產(chǎn)約200塊砌塊。砌塊為墻體的施工提供了一種經(jīng)濟的方法，不用砂漿，也不需要熟練的技術(shù)工人。在拌合物中加入少量的顏料，很容易改變砌塊的色澤。(3)海上結(jié)構(gòu)。由于硫磺混凝土的不滲水性和抗鹽水侵蝕性，在海洋環(huán)境中應用是極好的。硫磺混凝土可在水下澆筑，也可為保護海岸線預制四角錐的防波混凝土砌塊。硫磺混凝土也可用于浮船塢和汽艇的建造。(4)公路、橋梁、機場跑道和停機坪。硫磺混凝土的耐蝕性、快凝性、抗?jié)B性、高強度、耐 磨性、潮濕時的抗滑性以及抗疲勞特性，使其非常適用于上述各項工程。地瀝青道路在高溫時受到較大荷

17、載時就會損壞。而硫磺混凝土道路則無此缺點。美國陸軍工兵部隊有興趣用硫 磺混凝土來修建機場跑道和停機坪。伊朗已經(jīng)進行了成功的試驗。(5)建筑物的基礎。用硫磺混凝土制成的基礎,不需要再用瀝青或其他涂料來保護其免受鹽的侵蝕，或用于增大其抗?jié)B性。快速的強度增長節(jié)省了寶貴的施工時間。(6)食品加工廠。在加拿大和美國的食品加工廠都已使用了硫磺混凝土，來解決普通混凝土所遇到的腐蝕和衛(wèi)生設備問題。第一家食品加工廠在十年前使用硫磺混凝土澆筑的樓地面， 至今尚無損壞的跡象。(7)排水管。由于硫磺混凝土的耐蝕性、抗?jié)B性和高強度，在制造工業(yè)和生活污水管道與客 井方面有很大的優(yōu)勢。 制造760 x 3000mm長的硫磺

18、混凝土排水管， 已經(jīng)非常成功地進行了 全尺度的試制。(8)鐵路軌枕。由于硫磺混凝土的抗蝕性和低導電率、高強度、耐疲勞和同鋼筋有良好的粘結(jié)力，加拿大的兩條主要鐵路的管理局，已對硫磺混凝土表現(xiàn)出很大的興趣。目前已進行了現(xiàn)場試驗。(9)危險性廢物的容器和處理系統(tǒng)。由于硫磺混凝土具有極大的耐蝕性、抗?jié)B性，以及損壞后的易于修補性，目前加拿大和美國的有關(guān)當局，對于在有危險性的廢物處理系統(tǒng)中使用硫磺混凝土表現(xiàn)出極大的興趣。據(jù)國外資料報道，這種廢物密封在硫磺混凝土中，其滲出率是很低的。經(jīng)濟分析全世界硫磺的產(chǎn)量和盈余量正在日益增長。在需要刷抗蝕保護涂料或做覆面層的地 方，硫磺混凝土設施的造價很可能比水硬性水泥混凝土還低。參考文獻：1 Alan H. Vroom. Sulfur Concrete Goes Global J Concrete Interna2 tional :Design and Construction , 1998 , 20 (1).2 ACI Committee 548. Guide for Mixing and Placing Sulfur Concrete in Construction M (ACI548. 2R - 93) . American Concrete Institute, Farmington Hills , 1993.3 Lee D 丫 , Kl