[发明专利]耐火涂料和高强度、密度可控的冷融合混凝土的水泥基喷涂防火

说明书

本发明公开了一种密度可控、地质聚合物混凝土、喷涂的防火材料，其设计用于满足所需的目标密度，固化后具有低收缩率以及良好的粘合强度。该制剂可用于处理建筑结构，以给予工业副产品耐火性，并且没有与其他水泥相关的二氧化碳和温室气体的相关环境影响。重要的是，该组合物包括牺牲性的和轻质颗粒系统，该系统在暴露于2,000F(1093C)的温度下，在1、2、3和4小时内消散温度，在暴露期间，底层结构不会经历超过999F(537C)的温度，在较不耐用的基材(如木材和混凝土)上，较大的厚度甚至会经历更低的温度。

相关申请的引用

本申请是2016年8月4日提交的、序列号为15/228,829，2017年6月6日授权的、现在美国专利号为9,670,096的的美国部分延续申请，以及是2017年3月30日提交的、序列号为15/474,074的共同未决的申请，每一项申请的内容通过引用以其全部并入本文。

技术领域

本发明涉及喷涂(spray applied)防火材料及其制造方法，用于保护需要防止意外火灾事件的钢、木材、混凝土以及其它建筑和工业材料。更具体地，本发明涉及喷涂防火材料及其制造方法，与波特兰水泥和典型的地质聚合物水泥不同，其在生产过程中显著减少二氧化碳和其它温室气体的产生。最具体地，本发明涉及一种全新的方法，该方法使用地质聚合物型水泥喷涂的防火材料分别来提高强度、粘合性和耐热性，这表明该材料为其所涂抹的钢的特征提供了提高的耐热性、提高的抗压强度、提高的粘合强度以及提高的防腐性的动态特征。

背景技术

水泥基喷涂防火不是一个新概念。例如，众所周知的是，将防火浆料喷涂到金属结构的构件和其它建筑表面上，以在其上提供耐热涂层。美国专利号为3,719,513和3,839,059(其通过引用并入本文)公开了石膏基的配方，该石膏基的配方除了石膏粘合剂之外，还包括轻质无机骨料(如蛭石)、纤维状物质(如纤维素)以及加气剂。

地质聚合物型的混凝土包括“碱活化的粉煤灰地质聚合物”和“矿渣基的地质聚合物水泥”。(术语‘地质聚合物水泥’和‘地质聚合物混凝土’的含义之间经常存在混淆。水泥是一种粘合剂，而混凝土是由水泥与水(或地质聚合物水泥的碱性溶液)以及分散在粘合剂中的骨料混合并硬化形成的复合材料。)

粉煤灰，在英国也被称为“飞灰”，是一种与烟气一起从锅炉排出的微粒的煤燃烧产物。落在锅炉底部的灰被称为底灰。在现代火力发电厂中，烟气到达烟囱之前，通常通过静电除尘器或其他颗粒过滤设备捕获粉煤灰。根据燃烧的煤的来源和组成，粉煤灰的成分变化相当大，但所有粉煤灰都含有大量的二氧化硅(SiO₂)(无定型和结晶型都有)、氧化铝(Al₂O₃)和氧化钙(CaO)，它们是含煤岩层中的主要矿物化合物。过去，粉煤灰通常会释放到大气中，但现在空气污染控制标准要求释放粉煤灰前，通过安装污染控制设备对其进行捕获。在美国，粉煤灰通常储存在火力发电厂或放在垃圾填埋场中。大约43％的粉煤灰被回收利用，其通常用作火山灰来生产水硬性水泥或水硬性石膏，以及替代或部分替代混凝土生产中的波特兰水泥。火山灰确保了混凝土和石膏的放置，并为混凝土提供更好的保护使其免受潮湿环境的影响和化学侵蚀。

燃烧较硬、较陈旧的无烟煤和烟煤通常会产生F类粉煤灰。这种粉煤灰本质上是火山灰，含有少于7％的石灰(CaO)。具有火山灰性质，玻璃硅(glassy silica)和氧化铝的F类粉煤灰的需要粘合剂(例如波特兰水泥、生石灰或熟石灰)与水混合反应并生成水泥基化合物。或者，将化学活化剂如硅酸钠(水玻璃)加入F类灰分中，可形成地质聚合物。值得注意的是，地质聚合物水泥依靠这种最低限度加工的天然材料或工业副产品来显著减少其碳排放量，同时还能抵抗许多常见的混凝土耐久性问题。

除了具有火山灰性质外，由燃烧较新的褐煤或次烟煤产生的粉煤灰也具有一些自粘合性(self-cementing)。在有水的情况下，C类粉煤灰会随着时间的推移变硬并变坚固。C类粉煤灰通常包含超过20％的石灰(CaO)，与F类不同，自粘合的C类粉煤灰不需要活化剂。C类粉煤灰中的碱和硫酸盐(SO₄)含量通常较高。