硫胶凝型无水混凝土的研究

张俊才

（黑龙江科技大学 材料科学与工程学院，黑龙江 哈尔滨150027）

硫磺混凝土在国外已经被应用于高速公路、桥梁、抗化学侵蚀的堤坝、机场、临时支座结构等。我国于1965 年首次研制成功，1976 年列入国家标准并开始使用[1]。另外，硫磺混凝土具有快速凝固成型、几乎不用养护、防水防渗等突出优点，特别适合破损道路的快速修复，地铁、隧道、地下室的防水层、化工厂房耐腐蚀排水沟等的修建。相比于水泥混凝土，硫磺混凝土可利用冶金、石油、天然气厂回收的废硫磺作为胶凝材料，可降低能耗，减少环境污染。[2]虽然硫磺混凝土优势颇多，但在实际发展中也存在着强度较低的问题，限制了它的应用。针对这个问题，出现了以AlCl3[3]、TiCl4[4]，以及其他改性剂和填料的硫胶凝混凝土材料。玄武岩纤维。玄武岩纤维作为一种新型无机环保绿色高性能纤维材料，不仅强度高，而且还具有电绝缘、耐腐蚀、耐高温等多种优异性能。在混凝土中应用增强效果显著。[5]

本文在硫胶凝混凝土中引入玄武岩纤维作为增强相，以研究玄武岩纤维掺量对硫胶凝混凝土抗压和抗折强度的影响。

1 实验

1.1 原料及制备

原料：硫磺（平均直径15～20 μm，熔点114～118℃，相对密度1.96～2.07）、碎石（分为最大粒径2.5mm 和最大粒径5mm两组）、普通中砂、玄武岩纤维（长度6mm，相对密度2.65 ，抗拉强度4256MPa、直径15μm、断裂伸长率3.1%）。

制备：（1）普通硫磺混凝土：通过实践探索，采用预混法对现有的硫磺混凝土制备方法（浇注法）进行改良，控制两组变量：骨料最大粒径（分为最大粒径2.5mm 和最大粒径5mm 两组）和胶骨体积比（6∶4，5∶5，4∶6 三组），将硫磺和骨料按照预定配比在不锈钢容器中混合均匀，置于150℃恒温箱中加热10min 左右（在加热到5min 时应适当搅拌，以使混合物受热均匀），将得到的流态混合物注入40cm×40cm×160cm 的三联模具中，持续抖动2min 至混凝土完全凝结，以排除气泡，降低孔隙率；（2）玄武岩纤维增强复合硫胶凝型无水混凝土：以玄武岩纤维掺量（玄武岩纤维所占体积比0.5%，1.0%，1.5%）为控制变量，将硫磺、骨料和玄武岩纤维按照预定配比在不锈钢容器中混合均匀，置于150℃恒温箱中加热10min 左右，将得到的流态混合物注入40cm×40cm×160cm 的三联模具中，持续抖动2min 至混凝土完全凝结。

1.2 实验分析

采用抗压实验机测试混凝土抗压强度，抗折实验机测试其抗折强度，制作出数据表格，进行数据分析；采用Stemi 508 体式显微镜（德国卡尔蔡司公司生产）对所制备的复合材料进行了微观形貌分析。

2 结果与讨论

2.1 传统硫胶凝型无水混凝土的性能研究

表1、表2 分别为硫胶凝型无水混凝土抗折强度、抗压强度与骨料最大粒径以及胶骨体积比的关系。

经对比研究发现在实验范围内，骨料最大粒径2.5mm 的硫胶凝型无水混凝土抗折强度、抗压强度均更高，这可以由混凝土的弥散效应解释，分析得出这是由于骨料最大粒径过大造成堆积不够密实，影响了混凝土的强度；硫胶凝型无水混凝土的抗折强度与胶骨体积比呈正相关关系，抗压强度与胶骨体积比呈负相关关系，这是由硫胶凝本身韧性较强决定的。

表1 抗折强度与胶骨体积比及骨料最大粒径的关系表

表2 抗压强度与胶骨体积比及骨料最大粒径的关系表

2.2 玄武岩纤维增强复合硫胶凝型无水混凝土性能的研究

图1、图2 分别为玄武岩纤维增强复合硫胶凝型无水混凝土抗折强度、抗压强度与玄武岩纤维掺量(体积比）的关系。

图2 抗压强度与玄武岩纤维掺量(体积比）的关系

图3 纤维掺量0.5%混凝土界面细观形貌

图4 纤维掺量1.0%混凝土界面细观形貌

图5 纤维掺量1.5%混凝土界面细观形貌

图6 抗压断面体视显微形貌

图7 抗折断面体视显微形貌

经对比研究发现在实验范围内，玄武岩纤维的掺入可以显著地提高硫胶凝型无水混凝土的强度，且玄武岩纤维掺量（体积比）与硫胶凝型无水混凝土强度表现出正相关关系。图3～图5 为不同玄武岩纤维掺量（体积比）混凝土细观形貌。

图3～图5 为随玄武岩纤维掺量的递增玄武岩纤维增强硫胶凝型无水混凝土硫磺断面和胶骨界面的变化，随玄武岩纤维掺量的递增，硫磺断面和胶骨界面上的玄武岩纤维增多，拔出效果更加明显。图6、图7 为玄武岩纤维增强硫胶凝型无水混凝土抗压抗折断面体视显微形貌。

由图6 可以看出，玄武岩纤维增强硫胶凝型无水混凝土在压力载荷下，在发生破坏前，试件产生侧向位移，此时玄武岩纤维对侧向位移起到一定的约束作用，进而明显提高了抗压强度。由图7 可以看出，玄武岩纤维增强硫胶凝型无水混凝土在抗折试验状态下，在发生断裂后玄武岩纤维被拔出，消耗了部分能量，进而提高了其抗折强度。

3 结论

3.1 在实验范围内，硫胶凝型无水混凝土抗折强度与胶骨体积比呈正相关关系；与骨料最大粒径呈负相关关系；抗压强度与胶骨体积比及骨料最大粒径均呈负相关关系。

3.2 在实验范围内，玄武岩纤维的掺入可以显著地提高硫胶凝型无水混凝土的强度。

3.3 在实验范围内，玄武岩纤维掺量与硫胶凝型无水混凝土的强度表现出一定的正相关关系。

3.4 在体视显微镜中可以清晰地看到，所制备硫磺混凝土内部的硫磺和玄武岩纤维分别存在凝结和团聚，这大大地降低了其抗折强度和抗压强度，也有力地说明了硫磺混凝土的潜力远远不止于此，而硫磺混凝土的魅力以及对人类未来发展的贡献亟待发掘。