改良的可喷涂波特兰水泥基防火复合材料

摘要

本发明提供用于结构件如钢柱的可喷涂防火材料，及其多次喷涂方法。此材料包括波特兰水泥基料，灰泥，高密度集料和加速剂。本材料消除了经典波特兰水泥基料凝固时间长的缺点，并改进了其可附着性。产品由干混合波特兰水泥，高密度集料，灰泥(硫酸钙半水合物)和任选的灰泥凝固延缓剂及碎聚苯乙烯集料的混合物制成。加水后形成可泵送到施工地的可喷涂浆料。加速剂可在喷射地点附近加入。浆料以泥浆状附着到结构件上，在凝固后可很好地防火防热。由于浆料在喷射施工时凝固时间短，可在同一工作日内进行多层涂布。

说明书

本发明涉及可喷涂的防火复合材料。

众所周知，为了在金属构件上提供一种耐热涂层，要把所用的水硬水泥浆喷涂到金属构件上去。U.S专利Nos.3719513和3839059公开了一个以石膏为基础的配方，除石膏粘结剂外，它还包括一轻质的无机集料如蛭石，一纤维状物如纤维素及一种载气剂。这种浆料一般在地面上制备，再用泵压送到施工地点，在那里再把它们喷到基底上。施工地点常超过20或30层，这涉及到高层建筑。因而，浆料的可泵性是浆料的配方和制备中一个重要标准。因此，它们必须合大量水，这可使它们容易泵送到很高处，它们还必须保持足够的稠度以防止配料的分离和沉降，并允许在给定的厚度时有适当的“产率”或适当的基底覆盖度。涂层混合物必须在浆料状态或干燥状态都能粘着到基底上。混合物凝固时必须无过分的膨胀或收缩，否则会形成断裂，这将严重妨碍干涂层的绝缘值。

U.S专利No.4751024的公开说明书在此引作参考。它讲述了含切碎了的聚苯乙烯作轻质集料的可喷涂的防火的水泥复合材料。水泥粘结剂最佳的是石膏，但可用波特兰水泥替代。其实，波特兰水泥在涉及交通繁忙区的应用中常用作粘结剂，因为水泥比石膏坚固。

但是，以波特兰水泥基的防火复合材料的一个问题是，与石膏基的复合材料相比可附着性相当差(在一次施用中可被使用的材料厚度叫可附着性)，因为在波特兰水泥混合物中，由于比较慢的水化过程，水将会分离出来。此外，由于波特兰水泥凝固需要时间比较长，在给定的基底上每天只能进行一次喷涂施工。喷涂施工的厚度不够，而第二次施工必需要到第一次施工凝固后才能进行。试图过早涂第二层会导致脱落发生。若在一个8小时工作日内不能进行多次施工，人工成本必然增加，完成任务的时间也必然增加。

例如像U.S专利No.4904503和4934596(其说明书在此引作参考)中所述，在喷咀附近，石膏作基础的复合材料可很容易用明矾加速，但明矾不能加速波特兰水泥到足够快，以允许一天多次施工。此外，由铝酸钠的腐蚀性来看，铝酸钠不应该用作加速剂，因为它严重腐蚀热的滚动着的钢基底材料。

因此，防火工业一直在寻找一种以波特兰水泥为基础的可喷涂的防火材料，它可以每天多次施工应用到如钢这样的基底材料上，又表现出改良了的可附着性，尽管多次施工。

本发明已解决了现有技术中的问题，本发明提供了一种可喷涂的防火材料，它消除了前面提到的长时间凝固问题，又改进了波特兰水泥基础的复合材料的可附着性。一般来说，本发明的喷涂防火复合材料包括一波特兰水泥基础材料，用水把它在常规的浆式混合器中混合，再通过各类设备泵送。再把此料喷涂到钢梁和钢柱上。产品是由干混合波特兰水泥，灰泥(这里限定是硫酸铝半水化合物)，和其它添加剂，例如碎泡沫聚苯乙烯，淀粉，胶粘剂和水泥强度增强剂等的混合物而制得。加水后，干料变成可泵，可喷涂的浆料。最好加入加速剂且在喷射处附近加入。

本发明人发现，能使波特兰水泥为基础的防火料凝固加速的物料能多次施工并改进其可附着性。凝固加速是由于加入了灰泥，这种加速中用一缓凝剂，最好是一种蛋白质的高强度缓凝剂(商业上可得的，来自U.S Gypsum)来充分延缓使其能泵送和喷涂，加入的量为复合材料重量的0～1.0％，最好为0～0.6％。缓凝剂的量可以变化，这取决于所用的特定的水泥和灰泥。加速凝固可由波特兰水泥/灰泥基质最初的较快变硬来证实。加硫酸铝，最好是按U.S.专利No.4904503或U.S.专利No.4934596中所述的方法和装置，在喷涂地点附近加入可加快凝固过程的速度。这较快凝固足以允许在几小时内对被喷涂材料进行第二次施工。特别是当波特兰水泥/灰泥配料注入明矾时，灰泥凝固，这使波特兰水泥基质变硬并加快了复合材料粘着强度的增加。灰泥的凝固也导致它较快地机械附着到基底上。这种附着强到可在8小时内，或一个工作日内能第二次施工而不脱落下来。在喷射点附近注射明矾可使材料在一特定区域很快凝固(亦即在一基底上而不是在复合材料混合的加料斗里)。

该防火复合材料最好含碎泡沫聚苯乙烯作一种集料。本材料的可附着性部分取决于最大限度减少材料中未粉碎泡沫聚苯乙烯的量。泡沫聚苯乙烯的“粉碎”最好符合特定的粒子大小分布，这种分布可用保留在一标准#12筛(有0.0661英寸孔)上粒子的量和通过标准#30筛，保留在#325筛上粒子的量来表示，具体可按U.S.专利No.4989464(其说明书在此引作参考)中描述的方法来确定。保留在#12筛上的粒子合适用量以重量百分数表示为0～20％，在0～10％为更好。通过#30筛(有0.0234英寸孔)和保留在#325筛(有0.0017英寸孔)上的粒子合适用量低于40％(按重量计)，最好低于30％。

因为配好的防火材料常以干混合物状态运到建筑工地，加适量水形成浆料，制备和施工过程可持续好几个小时，因此，混合物的凝固时间必须大大延续，以提供一个可接受的场地可用时间。在混合器中的这个延续与喷射施工要求的快速凝固是相互矛盾的，很难使延缓和加速达到一个微妙的平衡。显然，混合物若在加料斗里真正变硬，就不能泵送，也不能用于原计划的施工。加缓凝剂到灰泥中去，使缓凝了的材料不在混合器中那么快变硬，而缓凝剂对喷咀处的快速变硬也没有更大影响。所以，建议加缓凝剂。

任何能补偿浆料的缓凝，而对浆料或要施工的物料无有害影响的凝固加速剂都可使用。所用加速剂的量最好能使浆料在喷涂施工1.5小时内充分凝固，以便能进行第二次喷涂施工而不脱落下来，需要的特定量依赖于加速剂的类型以及防火材料其它各成分的性质。常用的加速剂包括硫酸铝，硝酸铝，硝酸铁，硫酸铁，硫酸钾，硫酸，碳酸钠，碳酸氢钠和醋酸，用明矾为最佳。

本发明适用于波特兰水泥1至5型，但1型为最佳。干混合物的体积密度在10～65pcf范围内；对低密度混合物最好在12～15pcf范围，对高密度混合物最好在30～55pcf范围内。产品的最终干密度是在15～65pcf范围内；对低密度产品最好在22～26pcf范围，对高密度产品最好在40～50pcf范围内。在高密度产品中波特兰水泥用量比在低密度产品中少(因此所用水量亦少)，并且加入像砂或铝矾土或其混合物这样的高密度集料。任何合适等级的砂都可用，只要它对产品的可附着性或混合物的可泵性不产生有害影响。最好上述物料在炉中干燥。最好的铝矾土是水合物并且是各种粗细级别的混合物。此外，在高密度产品中像粉碎的聚苯乙烯这样的轻质集料量被减少了。干材料与水按0.5∶1—1.6∶1(水∶固体)比例混合。根据本发明，按下列配方干混合就能得到合适的产品：

波特兰水泥      30-90％

灰泥            4-30％

缓凝剂          0-1％

碎的聚苯乙烯    0-5％，最好为2-3％

粘土            2-8％

纤维素(集料)    0-8％

载气剂          0.2-2％

玻璃纤维        0-4％

甲基纤维素      0-1％

砂或铝矾土      0-60％

醋酸乙烯酯      0-5％

优选的低密度产品包括下列成分：

波特兰水泥      67-74％

灰泥            12-18％

缓凝剂          0-0.6％

碎聚苯乙烯      2.5-3％

粘土(增稠剂)    2-6％

纤维素          2-6％

载气剂          0.2-0.5％

玻璃纤维        1.5～3％

甲基纤维素      0.2～0.5％

灭菌剂          0.02％或足以阻止有害细菌形成的量

(Angus化学公司售出的Amical/WP)

优选的高密度产品包括下列成分：

波特兰水泥    40～50％

灰泥          12～18％

缓凝剂        0～0.6％

碎聚苯乙烯    0～1.5％

粘土(增稠剂)  2～6％

纤维素        2～6％

载气剂        0.2～0.5％

玻璃纤维      1.5～3％

甲基纤维素    0.2～0.5％

灭菌剂        0.02％或足于阻止有害细菌形成的量

(Angus化学公司售出的Amical/WP)

砂或铝矾土    40-55％

醋酸乙烯酯    1-3％

优选使用的硫酸铝凝固加速剂是37％的溶液，在喷咀处注射到浆料中去，其量高到3％。

另一些不是非加不可的成分是玻璃纤维，它可以控制皱缩，甲基纤维素或本领域技术人员熟悉的其它合适的增稠剂，载气剂，例如十二烷基硫酸钠，以及阻止细菌形成的灭菌剂。

采用本发明的防火材料，第二次施工可在第一次喷涂后约1～2小时内进行(喷涂)，最好在～1.5小时内进行，不会有脱落发生，可附着性也会得到改善。一次施工常能喷涂到3/4～1英寸厚，事实上可以喷涂到1.5英寸厚，而常规的波特兰水泥为基础的“复合材料”只能附着到1/2～5/8英寸厚。

实例1

制备下列配料

                                  Nozl.Vicat(MM)@1Hr配方    灰泥％    灰泥％    干体积密度    未注射    注射对比    0         85.7      12.4          14.5      11.51       8         77.5      11.8          12        9.52       12        73.4      12.6          11        8.53       16        69.3      13.2          9.5       6.54       24        61.2      12.3          10.5      85       16        42.0      35.2          9.0       7.06       16        36.0      63.5         10.0       6.5

上列每一批中的水泥是1型波特兰水泥。按U.S.专利No.4904503所述，每一批加2.6％明矾，喷涂到钢构件上去。12％和16％批次在1～1.5小时内充分凝固，可以进行第二次施工。12％和16％第一次施工厚度为3/4英寸到7/8英寸，第二次施工后总平均厚度有1.5-2英寸。至于“对比样”，第一次施工其涂层厚度达5/8英寸。1.5小时后试进行第二次喷涂(合计总涂层厚度达1.5英寸)，但出现了脱落现象，特别是第二次施工不仅使第二层而且使第一次施工的涂层也脱落下来。这意味着第一次施工的涂层在1.5小时内并来完全结合到基底上去。

维卡(Vicat)数据是测量材料的流动性和硬度。硬度是产品附着好坏的一个标志。Vicat读数越低，产品越硬。较好的Vicat数是低于10mm，最好的读数是～8mm或更小。虽然实例1中配方4的Vicat读数似乎很好，但事实上配方中含24％灰泥，证明它在加料斗中太硬，可操作性差。为使此配方在工业上可行，需要多加水，这增加了可用材料的最终Vicat数。