硫膠凝型無水混凝土的研究

張俊才

（黑龍江科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150027）

硫磺混凝土在國外已經(jīng)被應(yīng)用于高速公路、橋梁、抗化學(xué)侵蝕的堤壩、機場、臨時支座結(jié)構(gòu)等。我國于1965 年首次研制成功，1976 年列入國家標(biāo)準(zhǔn)并開始使用[1]。另外，硫磺混凝土具有快速凝固成型、幾乎不用養(yǎng)護、防水防滲等突出優(yōu)點，特別適合破損道路的快速修復(fù)，地鐵、隧道、地下室的防水層、化工廠房耐腐蝕排水溝等的修建。相比于水泥混凝土，硫磺混凝土可利用冶金、石油、天然氣廠回收的廢硫磺作為膠凝材料，可降低能耗，減少環(huán)境污染。[2]雖然硫磺混凝土優(yōu)勢頗多，但在實際發(fā)展中也存在著強度較低的問題，限制了它的應(yīng)用。針對這個問題，出現(xiàn)了以AlCl3[3]、TiCl4[4]，以及其他改性劑和填料的硫膠凝混凝土材料。玄武巖纖維。玄武巖纖維作為一種新型無機環(huán)保綠色高性能纖維材料，不僅強度高，而且還具有電絕緣、耐腐蝕、耐高溫等多種優(yōu)異性能。在混凝土中應(yīng)用增強效果顯著。[5]

本文在硫膠凝混凝土中引入玄武巖纖維作為增強相，以研究玄武巖纖維摻量對硫膠凝混凝土抗壓和抗折強度的影響。

1 實驗

1.1 原料及制備

原料：硫磺（平均直徑15～20 μm，熔點114～118℃，相對密度1.96～2.07）、碎石（分為最大粒徑2.5mm 和最大粒徑5mm兩組）、普通中砂、玄武巖纖維（長度6mm，相對密度2.65 ，抗拉強度4256MPa、直徑15μm、斷裂伸長率3.1%）。

制備：（1）普通硫磺混凝土：通過實踐探索，采用預(yù)混法對現(xiàn)有的硫磺混凝土制備方法（澆注法）進行改良，控制兩組變量：骨料最大粒徑（分為最大粒徑2.5mm 和最大粒徑5mm 兩組）和膠骨體積比（6∶4，5∶5，4∶6 三組），將硫磺和骨料按照預(yù)定配比在不銹鋼容器中混合均勻，置于150℃恒溫箱中加熱10min 左右（在加熱到5min 時應(yīng)適當(dāng)攪拌，以使混合物受熱均勻），將得到的流態(tài)混合物注入40cm×40cm×160cm 的三聯(lián)模具中，持續(xù)抖動2min 至混凝土完全凝結(jié)，以排除氣泡，降低孔隙率；（2）玄武巖纖維增強復(fù)合硫膠凝型無水混凝土：以玄武巖纖維摻量（玄武巖纖維所占體積比0.5%，1.0%，1.5%）為控制變量，將硫磺、骨料和玄武巖纖維按照預(yù)定配比在不銹鋼容器中混合均勻，置于150℃恒溫箱中加熱10min 左右，將得到的流態(tài)混合物注入40cm×40cm×160cm 的三聯(lián)模具中，持續(xù)抖動2min 至混凝土完全凝結(jié)。

1.2 實驗分析

采用抗壓實驗機測試混凝土抗壓強度，抗折實驗機測試其抗折強度，制作出數(shù)據(jù)表格，進行數(shù)據(jù)分析；采用Stemi 508 體式顯微鏡（德國卡爾蔡司公司生產(chǎn)）對所制備的復(fù)合材料進行了微觀形貌分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 傳統(tǒng)硫膠凝型無水混凝土的性能研究

表1、表2 分別為硫膠凝型無水混凝土抗折強度、抗壓強度與骨料最大粒徑以及膠骨體積比的關(guān)系。

經(jīng)對比研究發(fā)現(xiàn)在實驗范圍內(nèi)，骨料最大粒徑2.5mm 的硫膠凝型無水混凝土抗折強度、抗壓強度均更高，這可以由混凝土的彌散效應(yīng)解釋，分析得出這是由于骨料最大粒徑過大造成堆積不夠密實，影響了混凝土的強度；硫膠凝型無水混凝土的抗折強度與膠骨體積比呈正相關(guān)關(guān)系，抗壓強度與膠骨體積比呈負相關(guān)關(guān)系，這是由硫膠凝本身韌性較強決定的。

表1 抗折強度與膠骨體積比及骨料最大粒徑的關(guān)系表

表2 抗壓強度與膠骨體積比及骨料最大粒徑的關(guān)系表

2.2 玄武巖纖維增強復(fù)合硫膠凝型無水混凝土性能的研究

圖1、圖2 分別為玄武巖纖維增強復(fù)合硫膠凝型無水混凝土抗折強度、抗壓強度與玄武巖纖維摻量(體積比）的關(guān)系。

圖2 抗壓強度與玄武巖纖維摻量(體積比）的關(guān)系

圖3 纖維摻量0.5%混凝土界面細觀形貌

圖4 纖維摻量1.0%混凝土界面細觀形貌

圖5 纖維摻量1.5%混凝土界面細觀形貌

圖6 抗壓斷面體視顯微形貌

圖7 抗折斷面體視顯微形貌

經(jīng)對比研究發(fā)現(xiàn)在實驗范圍內(nèi)，玄武巖纖維的摻入可以顯著地提高硫膠凝型無水混凝土的強度，且玄武巖纖維摻量（體積比）與硫膠凝型無水混凝土強度表現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系。圖3～圖5 為不同玄武巖纖維摻量（體積比）混凝土細觀形貌。

圖3～圖5 為隨玄武巖纖維摻量的遞增玄武巖纖維增強硫膠凝型無水混凝土硫磺斷面和膠骨界面的變化，隨玄武巖纖維摻量的遞增，硫磺斷面和膠骨界面上的玄武巖纖維增多，拔出效果更加明顯。圖6、圖7 為玄武巖纖維增強硫膠凝型無水混凝土抗壓抗折斷面體視顯微形貌。

由圖6 可以看出，玄武巖纖維增強硫膠凝型無水混凝土在壓力載荷下，在發(fā)生破壞前，試件產(chǎn)生側(cè)向位移，此時玄武巖纖維對側(cè)向位移起到一定的約束作用，進而明顯提高了抗壓強度。由圖7 可以看出，玄武巖纖維增強硫膠凝型無水混凝土在抗折試驗狀態(tài)下，在發(fā)生斷裂后玄武巖纖維被拔出，消耗了部分能量，進而提高了其抗折強度。

3 結(jié)論

3.1 在實驗范圍內(nèi)，硫膠凝型無水混凝土抗折強度與膠骨體積比呈正相關(guān)關(guān)系；與骨料最大粒徑呈負相關(guān)關(guān)系；抗壓強度與膠骨體積比及骨料最大粒徑均呈負相關(guān)關(guān)系。

3.2 在實驗范圍內(nèi)，玄武巖纖維的摻入可以顯著地提高硫膠凝型無水混凝土的強度。

3.3 在實驗范圍內(nèi)，玄武巖纖維摻量與硫膠凝型無水混凝土的強度表現(xiàn)出一定的正相關(guān)關(guān)系。

3.4 在體視顯微鏡中可以清晰地看到，所制備硫磺混凝土內(nèi)部的硫磺和玄武巖纖維分別存在凝結(jié)和團聚，這大大地降低了其抗折強度和抗壓強度，也有力地說明了硫磺混凝土的潛力遠遠不止于此，而硫磺混凝土的魅力以及對人類未來發(fā)展的貢獻亟待發(fā)掘。