硫磺砂浆在轨枕锚固螺旋道钉中的应用

摘  要：通过在南疆吐库二线铁路便线施工时的工程实例，简单叙述了硫磺砂浆的性能、配制及应用。
关键词：硫磺砂浆；配制；应用
中国分类号：TH17 文献标识码：A
 
硫磺砂浆是将细集料加热到一定温度并脱水后，再将水泥按比例配比加入，最后加入硫磺和石蜡，形成一种新型热塑性材料，它具有硬化快、高早强、处理方便、可回收等优异的性能，在铁路工程施工中，已经有了广泛的应用。
1、硫磺砂浆的组分
1.1、硫磺
硫磺是硫磺砂浆的胶粘剂,通常选用的硫磺为纯硫磺，要求纯度高、杂质少、水份少、含量应不少于98%、水分小于1%,避免熬制时间太长，影响硫磺砂浆的性质。
硫磺为热施工材料，对温度要求严格。在常温下，硫磺为淡黄色固体，在不同的温度下，将形成不同的同素异形体和三态。固态的斜方硫加温至95.5℃形成固态单斜硫,加温至119.25℃，形成液态黄色硫,加温至160℃形成褐色液态硫,加温至444.6℃，形成气态硫，加温至1000℃,形成气态硫蒸气。硫磺的熔化脱水温度为130～150℃；与粉料、细砂的混合温度为140～160℃；温度低时因粘度大不能混匀，温度高达170℃以上时，熔融的硫磺,其粘度变化较为复杂。粘度与其温度的变化情况见表1: 当温度为115℃时,粘度为0.0125Pa.s；160℃时为0.0066Pa.s；165℃时其粘度增加1000倍以上；198.8℃时，其粘度高达90Pa.s，增加10000倍以上。因此硫磺在施工过程中温度应介于115～160℃之间，易于操作施工。硫的工程特性见表2
表1  硫磺温度与粘度变化情况
 

温度/c	115	160	165	198.8
粘度/Pa.s	0.0125	0.0066	6.7	90

表2  硫的工程特性
 

性质	数值
弹性模量	13.9x103MPa
显微硬度	716MPa
抗弯强度	6～8MPa
抗压强度	25～30MPa
热膨胀系数	55x10-6/℃
导热系数	0.27W/(m℃)
容重	1.995g/ cm3

 
1.2、水泥
在硫磺砂浆中，掺入一定量的普通硅酸盐水泥42.5，增加强度，降低可燃性，减少体积收缩。
表3   选用水泥物理力学性能指标
 

细度（%）	3天抗折(Mpa)	3天抗压(Mpa)	安定性 (沸煮法)	初凝	终凝
3.0	5.1	23.3	合格	2h52min	3h47min

 
 
 
 
1.3、细骨料
试验中细骨料采用的是河砂，使用前烘干脱水过1.18mm筛，要求耐酸率不低于94%，含泥量不大于5%。
1.4、石蜡
硫磺胶结材料是热塑冷固性材料，当硫磺由液态变为固态时，物料脆化，为了防止脆化需加入增韧剂；试验和施工中我们采用工业用石蜡作为增韧剂,在硫磺砂浆溶制过程中石蜡还能抑制一定量SO₂气体的释放，但配制前应破成小碎块。
2、硫磺砂浆的配制
2.1、配合比设计
2.1.1硫磺砂浆在不到一天的时间内,就可达到100%的强度,其主要原因是因为硫磺的硬化是冷却时的固化过程，和普通砂浆相比本质区别如下：
1）、硫磺砂浆拌制过程靠升温才能完成、无需养护、硬化速度快、靠冷却硬化和高早强；
2）、普通水泥砂浆拌制过程简单、需养护、硬化速度慢、靠水化硬化和强度高时成本增加。
2.1.2、考虑到锚固螺旋道钉的强度要求与可溶性相结合和经济性，我们选择采用硫磺砂浆进行螺旋道钉锚固，并设计了四个不同的硫磺砂浆配合比（见表4），
 
表4：四个不同的配合比

配合比编号	硫磺(%)	细集料(%)	水泥(%)	石蜡(%)
1#	43	43	13	1
2#	38	50	11	1
3#	34	55	10	1
4#	31	59	9	1

 
2.2、熔制方法
按照配合比称好各种材料的一次熔制量。先倒入砂子加热到100～120℃时，将水泥倒入加热到130℃，最后加入硫磺和石腊，继续搅拌加热到160℃，熔浆由稀变稠成液胶状时，即可使用。火力要控制，不得太猛，熔制过程应要不断搅拌。试模与熔制地点距离不宜过远，以上试验时应尽量在室外进行。
2.3、熔制效果
根据不同配合比的硫磺砂浆目测熔制效果如下：
1）、1^#配合比的流动性大，但浆体有轻微离析现象；
2）、2^#配合比的流动性较好，浆体较均匀；
2）、3^#配合比的流动性好，浆体均匀；
4）、4^#配合比的流动性较小，浆体均匀。
2.4、常见问题的预防
硫磺砂浆试验和施工过程中，有时会出现起层和凹陷等现象，原因分析及预防措施如下：
 1）、起层是因为试模（或者锚孔）内含有杂质和灌入时未一次灌完形成上下分层而造成的，所以在灌入时必须将试模(或锚孔)清理干净后并一次性将其灌满；
2）、在硫磺砂浆试验时，由于硫磺砂浆对温度的敏感性，硫磺含量高时浆体内外部冷却温度的差异，使内外硬化不均匀形成凹陷，为了避免此现象，室内配合比选定试验过程中应注意硫磺砂浆的硬化情况，选用各项性能最佳的配合比用于现场施工中。
3、硫磺砂浆的性能
3.1、强度
通过现场模拟，根据四个不同配合比的硫磺砂浆，分别制作了试件并测得各项力学性能结果（见表5），决定选用3^#配合比用于现场施工；
 
表5：硫磺砂浆的强度
 

配合比编号	硫磺含量（%）	抗压强度(MPa)	抗折强度(MPa)	抗拔强度（kN）
1#	43	26.2	5.2	29.2
2#	38	33.7	6.9	43.8
3#	34	45.3	8.4	66.2
4#	31	41.3	8.0	65.4

 
3.2、可溶性好
通过试验表明，当温度在20～80℃范围时，硫磺砂浆无软化现象。但超过80℃特别是90℃时，硫磺砂浆出现明显的软化，达到120℃时完全液化。
3.3、操作过程简单
硫磺砂浆液化后由于其较高的流动性，可采用直接灌注法。因此可以适应几乎任何形状、尺寸的模型，不会存在操作死角。硫磺砂浆能迅速硬化且强度高。
3.4、耐腐蚀性好
硫磺砂浆具有较好的耐腐蚀性能，其耐蚀试验表明，硫磺胶泥对大部分有机、无机酸，中性、酸性盐均是耐腐蚀的。在常温下能耐各种浓度的硫酸、盐酸、磷酸，40%以下的硝酸，25%以下的铬酸，中等浓度的乳酸、醋酸。
4、硫磺砂浆在施工现场锚固螺旋道钉中的应用
4.1、硫磺砂浆配合比选定
通过试验选定，现场采用的是3^#配合比，因在4个配合比中3^#和4^#配合比各项力学性能相对较高，但4^#配合比的流动性较差；
4.2、硫磺砂浆施工控制
4.2.1、锚固前必须清除锚栓孔内的杂物，螺旋道钉及锚栓孔必须干燥，螺旋道钉的温度必须在0℃以上。先用干燥的砂子灌锚栓孔，用135mm长木棒检查灌砂深度是否合格，以保证螺旋道钉的锚固深度，保持锚孔内干燥以确保锚固质量；
4.2.2、现场施工时，严格按照熔制工艺操作，并且每次熔制量不宜过大（大于10千克），熔制地点与锚固作业距离不宜过远,现场禁止堆放易燃品；硫磺砂浆熔制过程中，由于硫磺的受热不均及熔制温度不够可能会导致产生大量的有毒气体SO₂，熔制时操作人员应在上风处，并应佩带相关防护用品, 火力要可控制，火候不得过猛，温度不得大于160℃，并且不断搅拌；
4.2.3、锚固时将漏斗对准孔眼，必须使用锚固架进行硫磺锚固，确保螺旋道钉锚固位置的正确性。灌注锚栓孔时，应将熔浆一次性灌满，硫磺砂浆注入孔内时温度不得低于130℃，螺旋道钉应徐徐插入并急速转动以保证锚固质量；
4.3、现场拉拔试验
根据规范规定频率对锚固螺旋道钉进行了抗拉拔力试验，所检测的拉拔力均大于60kN。
5、结束语
硫磺砂浆以其强度快速生成，抗冻性能、抗疲劳性能和承受重复荷载的能力都极为优异而被广泛用于土木工程的各个领域；从现场锚固施工的情况看，使用硫磺砂浆进行轨枕的螺旋道钉锚固，无论从技术要求还是施工要求，都是可行的。
 
 

参考文献：    1.《建筑防腐蚀工程施工及验收规范》GB50212－91
         2.《铁路轨道施工及验收规范》TB10302-96
         3.《铁路轨道工程施工验收标准》TB10413-2003
           4.山西科学技术出版社《铁路工程试验与检测》主编：安文汉

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