本发明属于预拌砂浆技术领域，尤其是一种利用大掺量炉底渣制备的预拌砂浆及其制备方法。
背景技术：
炉底渣和粉煤灰是主要的固体燃煤废弃物，其中，炉底渣是煤炭燃烧后从锅炉底部排出的粒径较粗的灰渣，一般占燃煤废弃物总量的20%左右，在各大发电厂、热电厂的日产量都相当大。“十二五”期间，炉底渣的产生量超过400万吨。由于排放方式和形态形貌等的区别，炉底渣的资源化利用一直要落后于粉煤灰的综合利用。
目前，炉底渣资源化主要有三种利用途径：一是作为水泥混合材，与熟料、石膏以及其它混合材共同粉磨制备水泥；二是作为集料用于灰渣砖、混凝土砌块等的生产；三是作为填充材料用于道路建设等工程应用。对于第一种利用途径，由于水泥中可以作为混合材的废弃物种类众多以及炉底渣对水泥的用水量等性能影响较大，炉底渣在其中只能掺用很小比例；炉底渣作为集料用于墙体材料的生产，可以减小产品成本。但是，由于燃烧过程炉底渣颗粒特性难以保持稳定而企业在生产过程中没有也难有相应应对措施，导致产品质量不稳定。另外，相对于石英砂，吸水率很高，其大量掺加也必然会影响材料整体强度等性能；第三种利用方式在很长时间内一直是炉底渣的主要利用途径，这也是炉底渣最低端的利用方式，未能充分发挥炉底渣的物化特性。可以看出，以上利用方式，很难保障炉底渣能够得到完全高效利用，还需要拓展更加有效的利用途径，这也是实现国内粉煤灰综合利用工作能够持续高水平发展的重要保证。
预拌砂浆在建筑施工中的应用起源于19世纪末的欧洲，并于二战后的30年间在欧洲得到迅速发展。目前，德国、法国、意大利、奥地利、美国以及新加坡、韩国、香港等工业发达国家和地区，建筑施工中预拌砂浆的应用已非常普及，并形成了从生产、运输、施工到检验等环节的一系列相关标准和规范，各种不同用途的预拌砂浆品种已有200多种，满足现代建筑对保温、隔热、防水、色彩等不同建筑功能的需要。
进入21世纪以来，随着我国建筑业的快速发展，社会文明进步，人们对建筑质量、建筑功能、外观色彩以及对环保、劳动保护等方面要求的不断提高，有力地促进了我国预拌砂浆生产及相关产业的发展。与此同时，随着我国新型墙体材料的推广和应用，也对建筑砂浆产品的质量和性能提出了更高的要求。
与传统的建筑砂浆相比，预拌砂浆作为一种新型建材，具有质量稳定、品种众多、色彩丰富、使用方便、节材省工、绿色环保等诸多优点。用预拌砂浆来替代现场搅拌砂浆，不是简单意义的同质产品替代，而是增加了技术含量、产品性能得到提高的更高层次的产品替代，是用一种新型、先进的建筑材料来替代传统、落后的建筑材料。推广使用预拌砂浆对提高建筑质量、发展绿色建材、加强建筑节能、缩短建筑周期具有重要意义。
技术实现要素：
本发明的目的是：提供一种绿色环保、施工性能佳的利用大掺量炉底渣制备的预拌砂浆及其制备方法。
本发明采用的技术方案如下：
一种利用大掺量炉底渣制备的预拌砂浆，所述预拌砂浆的质量份组成包括：水泥100-110份、稠化粉10-20份、粉煤灰60-80份、砂324-648份、炉底渣111-330份、减水剂0.111-0.33份。
优选的，所述减水剂选用聚羧酸、十二烷基磺酸钠、奈系减水剂中的至少一种。
优选的，所述减水剂选用聚羧酸。
优选的，所述炉底渣的粒径小于0.63mm。
优选的，所述炉底渣采用预处理的炉底渣，所述预处理的炉底渣通过表面活性剂和偶联剂浸泡得到。
优选的，所述表面活性剂选用脂肪醇硫酸盐类阴离子。
优选的，所述预拌砂浆的质量份组成包括：水泥105份、稠化粉15份、粉煤灰70份、砂486份、炉底渣222份、减水剂0.222份。
一种制备利用大掺量炉底渣制备的预拌砂浆的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
（1）将炉底渣烘干，至含水率低于0.2%，过筛除去0.63mm以上大颗粒，然后用表面活性剂和偶联剂浸泡炉底渣得到活化后的炉底渣，进砂仓待用；
（2）将选定的原材料按质量配比计量，在混合装置中充分混合8-10min待用。
采用本发明的技术方案的有益效果是：
本发明中用燃煤电厂产生的炉底渣作为集料部分替代预拌砂浆中的砂子，一方面可以为炉底渣的资源化利用提供新的途径，减少自然资源的使用，有利于资源综合利用工作的开展，另一方面，炉底渣的使用有利于砂浆成本的降低，同时，炉底渣作为一种轻集料，它在砂浆中的大量掺加也必将提高砂浆的保温等性能，为无机轻质保温砂浆的开发提供国家原材料。
本发明中在预拌砂浆中利用炉底渣替代部分砂子,当脂肪醇硫酸盐类阴离子表面活性剂与减水剂复合使用,可保证砂浆的稠度、保水率、线性收缩率等指标满足使用要求,且砂浆的和易性和抗开裂性能较好。
本发明中通过炉底渣替代部分河砂配置预拌砂浆,通过配方适当调整,其力学性能可满足使用要求。
附图说明
图1为不同粒度的炉底渣吸水率情况示意图。
具体实施方式
下面根据具体实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
一种利用大掺量炉底渣制备的预拌砂浆，预拌砂浆的质量份组成包括：水泥100份、稠化粉10份、粉煤灰60份、砂648份、炉底渣111份、减水剂0.111份。
其中，减水剂选用聚羧酸。
其中，炉底渣的粒径小于0.63mm。
其中，炉底渣采用预处理的炉底渣，预处理的炉底渣通过表面活性剂和偶联剂浸泡得到。
其中，表面活性剂选用脂肪醇硫酸盐类阴离子。
实施例2
一种利用大掺量炉底渣制备的预拌砂浆，预拌砂浆的质量份组成包括：水泥105份、稠化粉15份、粉煤灰70份、砂486份、炉底渣222份、减水剂0.222份。
其中，减水剂选用聚羧酸。
其中，炉底渣的粒径小于0.63mm。
其中，炉底渣采用预处理的炉底渣，所预处理的炉底渣通过表面活性剂和偶联剂浸泡得到。
其中，表面活性剂选用脂肪醇硫酸盐类阴离子。
实施例3
一种利用大掺量炉底渣制备的预拌砂浆，预拌砂浆的质量份组成包括：水泥110份、稠化粉20份、粉煤灰80份、砂324份、炉底渣330份、减水剂0.111份。
其中，减水剂选用聚羧酸。
其中，炉底渣的粒径小于0.63mm。
其中，炉底渣采用预处理的炉底渣，所述预处理的炉底渣通过表面活性剂和偶联剂浸泡得到。
其中，表面活性剂选用脂肪醇硫酸盐类阴离子。
对照试验
砂浆配合比研究
从经济性考虑，在满足砂浆的施工性能、工作性能和耐久性的前提下，炉底渣掺量能够尽可能地高。由于炉底渣为轻集料，因此，实验采用了体积取代法。根据测算，ρ砂∶ρ渣=1.46。砂浆实验配比如表1。
表1砂浆配合比设计
对以上配比砂浆的稠度、2h稠度损失、保水率以及抗压强度等进行了测定，如表2。
表2砂浆性能
从表2可以看到，由于相应增加了加水量并且掺加了聚羧酸减水剂，砂浆能够达到较大的稠度，并且其2h稠度损失有一定降低。随着炉底渣掺量增加，砂浆的稠度损失不断减小。当炉底渣超过40%时，稠度损失与空白样基本相同。这应该是由于，在低掺量炉底渣时，减水剂的绝对掺量也较低，还不能有效达到减水保稠的作用。但是，随着炉底渣掺量的增加，减水剂的绝对添加量也相应增大，液相中离子浓度增加，在炉底渣表面形成同离子憎水膜的同时，也能够充分在砂子和胶凝材料表面形成类似的离子膜，从而使得整个砂浆体系颗粒之间具有较好的排斥作用，进而获得较大的流动性，相应地，稠度损失也能有一定的降低。
对于砂浆的保水率，经过测试，都达到95%以上，完全满足标准要求。不过，随着炉底渣掺量的增加，保水率有下降趋势。这还是由于虽然炉底渣是等体积取得砂子，但其比表面积要要很多，对稠化粉等外加剂的吸附相应就多。所有配比中稠化粉都保持固定，所以其保水作用要相应减弱。
砂浆的抗压强度随着炉底渣掺量的增加有逐渐降低的趋势。当炉底渣掺入量在40%以下时，砂浆的抗压强度变化不大，都在6mpa左右，基本能够满足砂浆的要求。但是，随着炉底渣掺量的继续增加，砂浆的抗压强度急剧降低，当掺量达到60%时，抗压强度只有3.2mpa。这主要是由于，当炉底渣掺量相对较低时，砂浆中的主骨料仍然是天然石英砂，虽然炉底渣的强度要低于石英砂，但是其对砂浆的抗压强度影响不大。另外，由于掺加了减水剂以及炉底渣在水化前期能够快速吸收水分，使得砂浆的相对比较密实，孔隙率较低，从而也就能够减小炉底渣自身强度对砂浆强度的不利影响。但是，当炉底渣的掺量达到一定程度后，由于炉底渣的多孔形貌，部分胶凝浆体会填充到孔隙之中，从而使得砂浆中胶凝材料相对减少，胶凝材料对集料的包覆与结合减弱，从而强度会不断降低，当集料之间的粘结降低到一定程度后，砂浆的强度会急剧降低。如果从最大程度提高炉底渣掺量角度出发，解决办法就是相应提高胶凝材料的量，使得有足够的胶凝材料对集料进行粘结。因此，在以上配比基础上，随着炉底渣掺量增加，相应提高水泥用量，如表3。
表3砂浆配合比设计
表4砂浆性能
可以看出，随着水泥用量的增加，砂浆的强度得到一定提高。但是，以上水泥的掺加量增加还没有使得砂浆强度完全达到设计要求。不过，如果仅仅通过提高水泥掺量将会使得砂浆用水量的大幅增加，砂浆收缩和开裂可能性增大。因此，对需要对砂浆的收缩和抗裂性能进行研究和考察。
砂浆的开裂问题主要由两方面造成等。一方面是砂浆水化早期，由于保水性差和环境等原因，砂浆快速失水，砂浆中的胶凝材料未能及时水化，砂浆强度较低，从而容易发生开裂；另一方面，砂浆中的胶凝材料水化体积收缩产生内应力，当砂浆的收缩应力大于砂浆的抗拉应力时，砂浆就容易产生开裂。目前，围绕以上开裂机理对于砂浆抗拉性能的表征和检测有多种方法，包括检测砂浆的干燥收缩性能和模拟极端条件下的开裂性能等，见表5。
表5砂浆干燥收缩性能
可以看出，炉底渣掺量较低时，砂浆的收缩相对不大，甚至还比空白样有所降低。这主要还是因为由于炉底渣掺量增加而多加入的水量大部分还是被炉底渣吸收，浆体中的含水量相对不大，因此干缩也就不大。不过，随着水泥掺量的增加，砂浆的收缩较大。但是，其收缩量仍然满足砂浆标准不大于0.2%的要求。对于收缩率的测试还只是对自然养护条件下砂浆的自身干缩性能的表征，砂浆特别是抹面砂浆在施工之后可能还会面临一下相对极端的天气条件，如高温和强风等条件。在这样的天气条件下，砂浆可能产生快速脱水干缩现象，发生开裂。
为了进一步研究砂浆的抗裂性能，采用jc/t951-2005试验方法对不同砂浆的抗裂邪能进行表征和比较。实验模板底部衬一层聚氯乙烯塑料薄膜，以减小底模对试件收缩变形的影响。木模四周钉有一圈铁钉，用于限制砂浆自由收缩变形。试件成型后立即用电风扇吹，风速为1-2m/s；同时开启试件正上方约1.5m处的1000w碘钨灯烘烤试件，保持试件表面温度为40℃左右，如图所示。光照4小时后关灯，风吹24小时后关闭电风扇，测量试件表面的裂缝宽度和相应的长度，据此评定砂浆的抗裂性。
可以看出，炉底渣掺量较低时，砂浆的收缩相对不大，甚至还比空白样有所降低。这主要还是因为由于炉底渣掺量增加而多加入的水量大部分还是被炉底渣吸收，浆体中的含水量相对不大，因此干缩也就不大。不过，随着水泥掺量的增加，砂浆的收缩较大。但是，其收缩量仍然满足砂浆标准不大于0.2%的要求。对于收缩率的测试还只是对自然养护条件下砂浆的自身干缩性能的表征，砂浆特别是抹面砂浆在施工之后可能还会面临一下相对极端的天气条件，如高温和强风等条件。在这样的天气条件下，砂浆可能产生快速脱水干缩现象，发生开裂。
为了进一步研究砂浆的抗裂性能，采用jc/t951-2005试验方法对不同砂浆的抗裂邪能进行表征和比较。实验模板底部衬一层聚氯乙烯塑料薄膜，以减小底模对试件收缩变形的影响。木模四周钉有一圈铁钉，用于限制砂浆自由收缩变形。试件成型后立即用电风扇吹，风速为1-2m/s；同时开启试件正上方约1.5m处的1000w碘钨灯烘烤试件，保持试件表面温度为40℃左右。光照4小时后关灯，风吹24小时后关闭电风扇，测量试件表面的裂缝宽度和相应的长度，据此评定砂浆的抗裂性，见表6。
表6砂浆抗裂性能
本发明中为了对炉底渣颗粒吸水性能进行进一步了解，对炉底渣进行筛分，分别获得＞5mm、2.5mm～5mm、1.25mm～2.5mm、0.63mm～1.25mm、0.315mm～0.63mm、0.16mm～0.315mm、＜0.16mm等多个粒度区间的炉底渣颗粒，对其进行2h吸水率的测试，结果如图1。
从图1可以看出，不同粒度的炉底渣吸水率相差很大，粒径越大吸水率越低，大于5mm的炉底渣吸水率不到2%，而小于0.63mm的颗粒吸水率在8%～10%之间。这主要是由于对于华能金陵热电厂的炉底渣，大颗粒的表面相对光滑，开口孔隙较少，并且大多为大孔，在浸入水中能够迅速充水，使得后续吸水量较少。而对于细颗粒，孔洞孔径小，水渗透阻力大，吸水慢，使得最终测得的吸水率较大。不同大小颗粒吸水率及吸水速率的不同可以为炉底渣的预处理工艺如粉碎、筛分及级配等提供一定的指导。
表7减水剂对砂浆稠度性能的影响
可以看出，聚羧酸减水剂对于降低稠度损失率有较好效果，而十二烷基硫酸钠的掺入则能够增大砂浆初始稠度，但是稠度损失率同样增大，无法满足标准要求。当聚羧酸掺量提高到炉底渣质量的5‰时，砂浆能够获得较高的稠度，并且其2h稠度损失率只有19.2%，完全能够满足砂浆标准要求。聚羧酸虽然也属于一种阴离子表面活性剂，但是，其作用应该主要是通过在水泥颗粒、炉底渣颗粒等表面的定向吸附和排列，从而使得各颗粒之间相互排斥，从而具有较好的增加流动性的作用，即使随着时间延长，炉底渣能够吸收一部分水分，但是由于减水剂的作用对砂浆稠度占主导地位，因此，其稠度损失相对较小。而十二烷基硫酸钠的作用机制主要是滚珠效应，使得初始稠度可以很大，但是，由于气泡的稳定性等原因，较短时间内气泡产生破裂，滚珠效应随之降低，加上炉底渣又吸取了一定量的水分，使得砂浆的稠度变化很大。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。