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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

阅读：1029发布：2020-05-28

专利汇可以提供耐火涂料和高强度、密度可控的冷融合混凝土的水泥基喷涂防火专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且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。，下面是耐火涂料和高强度、密度可控的冷融合混凝土的水泥基喷涂防火专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种耐火的地质聚合物涂料，其不含波特兰水泥，变现出的预定的平衡密度在约15-
60磅/立方英尺的范围内，抗压强度在200-3000psi(1.4-20.7MPa)的范围内，所述组合物包括：
15-50wt％的至少一种轻质骨料，所述轻质骨料的体积比重小于1.0，直径在约0.025mm至约12.5mm的范围内；
5-60wt％的至少一种碱活化的水泥基材料；
2-15wt％的至少一种活化剂，用于所述碱活化的水泥基材料，除液态碱金属氢氧化物之外；
0-15wt％的至少一种凝固缓凝剂；
0-5wt％的至少一种蛋白质材料或合成蛋白质材料；
0.01-5wt％的至少一种耐碱纤维；
0-2wt％的氧化镁，其含量足以控制固化时所述混合物的收缩；
0-4wt％的减水剂；
0-4wt％的流变增强剂；和
水。
2.根据权利要求1所述的耐火的地质聚合物涂料，其选自由以下项组成的组：

3.根据权利要求1所述的耐火的地质聚合物涂料，其选自由以下项组成的组：

4.一种密度可控、冷融合混凝土、水泥基、喷涂的防火制剂，包括：
约5％(wt/wt)至约30％(wt/wt)的膨胀玻璃1mm-2mm；
约5％(wt/wt)至约20％(wt/wt)的空心微珠；
约5％(wt/wt)至约45％(wt/wt)的至少一种物质，所述物质包括粒化高炉矿渣粉和F类粉煤灰；
约3％(wt/wt)至约15％(wt/wt)的至少一种物质，所述物质选自偏硅酸钠、偏硅酸钾、钠五水合物和钾五水合物；
约0.3％(wt/wt)至约10.0％(wt/wt)的6mm玻璃微纤维；
约0.05％(wt/wt)至约5.0％(wt/wt)的蛋白质；和
约5.0％(wt/wt)至约30％(wt/wt)的水。
5.7.一种密度可控、冷融合混凝土、水泥基、喷涂的防火制剂，包括：
约5％(wt/wt)至约30％(wt/wt)的1mm-2mm珍珠岩；
约5％(wt/wt)至约20％(wt/wt)的空心微珠；
约5％(wt/wt)至约60％(wt/wt)的粒化高炉矿渣粉；
约3％(wt/wt)至约15％(wt/wt)的至少一种物质，所述物质选自偏硅酸钠、偏硅酸钾、钠五水合物和钾五水合物；
约0.4％(wt/wt)至约10.0％(wt/wt)的6mm玻璃微纤维；
约0.05％(wt/wt)至约5.0％(wt/wt)的蛋白质；和
约5.0％(wt/wt)至约30％(wt/wt)的水。
6.一种密度可控、冷融合混凝土、水泥基、喷涂的防火制剂，包括：
约5％(wt/wt)至约30％(wt/wt)的1mm-2mm珍珠岩；
约5％(wt/wt)至约20％(wt/wt)的氢氧化钙；
约5％(wt/wt)至约60％(wt/wt)的F类粉煤灰；
约3％(wt/wt)至约15％(wt/wt)的至少一种物质，所述物质选自偏硅酸钠、偏硅酸钾、钠五水合物和钾五水合物；
约0.01％(wt/wt)至约10.0％(wt/wt)的6mm玻璃微纤维；
约0.05％(wt/wt)至约5.0％(wt/wt)的蛋白质；和
约5.0％(wt/wt)至约30％(wt/wt)的水。
7.通过一方法保护建筑物免受火灾的一种方法，所述方法包括向所述建筑物的至少一部分涂抹根据权利要求1所述的组合物。
8.通过一方法保护建筑物免受火灾的一种方法，所述方法包括向所述建筑物的至少一部分涂抹根据权利要求2所述的组合物。
9.通过一方法保护建筑物免受火灾的一种方法，所述方法包括向所述建筑物的至少一部分涂抹根据权利要求3所述的组合物。
10.通过一方法保护建筑物免受火灾的一种方法，所述方法包括向所述建筑物的至少一部分涂抹根据权利要求4所述的组合物。
11.通过一方法保护建筑物免受火灾的一种方法，所述方法包括向所述建筑物的至少一部分涂抹根据权利要求5所述的组合物。
12.通过一方法保护建筑物免受火灾的一种方法，所述方法包括向所述建筑物的至少一部分涂抹根据权利要求6所述的组合物。

说明书全文

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

[0001] 相关申请的引用

[0002] 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

[0003] 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

[0004] 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。

[0005] 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。)

[0006] 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。

[0007] 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。

[0008] 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。

[0009] 矿渣基的地质聚合物水泥通常使用粒化高炉矿渣粉(GGBFS)以生产玻璃状、颗粒状的产品，然后将其干燥并研磨成细粉，所述高炉渣通过在水或蒸汽中，将高炉中的铁水渣(铁和炼钢的副产品)淬火而获得。

[0010] 近年来，由于垃圾填埋成本、对可持续发展兴趣的增加以及建筑物碳排放量的减少，粉煤灰和GGBFS材料的回收越来越受欢迎。

[0011] 地质聚合物型水泥和混凝土制剂在喷涂防火中的应用是相对较新的。当与波特兰水泥相比时，地质聚合物型水泥具有通常相对高的耐热性，但是使用该材料作为防火涂料存在挑战。

[0012] WO 2015/144796A1公开了一种防火水泥基涂料组合物，其包含有机聚合物和高炉矿渣。该发明提供一种体积密度为0.8g/cm3或更低的组合物，其包含(a)25-65wt％的无机粘合剂，该无机粘合剂包含(i)83-100wt％的铝酸钙水泥、(ii)0-14wt％的硫酸钙、(iii)0至9wt％的波特兰水泥，其中(i)、(ii)、(iii)的wt％基于(i)+(ii)+(iii)的总和，(b)0.5-15wt％的一种或多种有机聚合物，(c)30-75wt％的一种或多种无机填料，其中填料的体积密度小于0.5g/cm3，其中wt％基于组合物中所有非挥发性组分的总重量计算。

[0013] 美国专利号5,718,759公开了一种阻燃水泥基材料，其由火山灰骨料和波特兰水泥与磨碎的矿渣的混合物制成(第1栏，第15-20行；第1栏，第58-67行；第2栏，第57-65行；第6栏，第5-24行)。公开一种水泥基组合物，其可用于防水建筑材料，包括地板垫层、底板、自流平地面材料、道路修补材料、纤维板、防火喷雾和防火材料，包括约20wt.％至约75wt.％的硫酸钙β-半水合物、约10wt.％至约50wt.％的波特兰水泥、约4wt.％至约20wt.％的硅粉和约1wt.％至约50wt.％的火山灰骨料。波特兰水泥组分也可以是波特兰水泥与粉煤灰和/或磨碎的矿渣的混合物。

[0014] 美国专利号8,519,016公开了一种轻质水泥基粘合剂组合物，其包括粉煤灰、柠檬酸的碱金属盐、碱金属硅酸盐，用于吸入空气的发泡剂和水(第3栏，第46-62行；第4栏，第20-25行；第4栏，第60-67行；第8栏，第1-5行)。该发明涉及一种制备轻质水泥基粘合剂组合物的方法，该组合物具有改进的抗压强度，用于诸如水泥基面板之类的产品。该方法混合粉煤灰、柠檬酸的碱金属盐、碱金属硅酸盐、用于吸入空气的发泡剂、水、以及优选实施方案中的泡沫稳定剂。组合物包括粉煤灰(该粉煤灰选自由C类粉煤灰、F类粉煤灰及其混合物组成的组)、柠檬酸的碱金属盐、碱金属硅酸盐、发泡剂、以及优选的泡沫稳定剂如聚乙烯醇、且不要求使用阻滞剂。包含F类粉煤灰的组合物可任选地包含III型波特兰水泥。

[0015] 美国专利号8,167,998公开了一种轻质预拌混凝土组合物，其包含粗骨料组合，例如粒化高炉矿渣粉、粉煤灰、玻璃、二氧化硅、膨胀页岩、珍珠岩和/或蛭石、以及阻滞剂如硼酸盐。在其最广泛的背景下，该专利公开了一种轻质预拌混凝土组合物，其包含8-20体积百分比的水泥、11-50体积百分比的沙子、10-31体积百分比的预制颗粒、9-40体积百分比的粗骨料，和10-22体积百分比的水，其中所使用的组分的总和不超过100体积百分比。预制颗粒的平均粒径为0.2mm至8mm、体积密度为0.02g/cc至0.64g/cc、纵横比为1至3。根据ASTM C 143测量的组合物的坍落度值为2至8英寸。在将轻质预拌混凝土组合物放置28天后，根据ASTM C39测试，其抗压强度为至少1400psi。

[0016] WO2016/016385A1公开了一种作为粘合剂用于耐火绝缘材料的地质聚合物(第1页，第3-7行；第6页，第2-9行；第7页，第30-33行；第8页，第5-15行)。该参考文件说明了涂料组合物中的地质聚合物的用途，用于建立建筑物组件，涂抹的组件用于建筑结构，其中涂料包含地质聚合物，涂抹组件的方法包括将可固化的地质聚合物混合物涂抹到组件的表面并使该混合物固化，以形成固化的地聚合物涂层，并将地质聚合物作为灰浆(mortar)使用。

[0017] 美国专利公布号2014/0047999公开了一种耐酸和耐高温的水泥复合材料，其包含粉煤灰和磨碎的炉渣。该专利主要涉及用于生产耐酸和耐高温的水泥复合材料的方法，其中基质是单一的碱活化的F粉煤灰、与磨碎的矿渣组合的F类粉煤灰或者单一的磨碎的矿渣。F-粉煤灰产生质量较低的碱活化的水泥体系。另一方面，缺少氧化钙导致对于中等浓度和高浓度的无机酸或有机酸的耐受性非常高。纯F-粉煤灰水泥体系的高强度和低渗透性是通过在组合物中使用未致密化的硅粉来实现的，该无定型二氧化硅是在硅铁的生产中通过产物获得的。沉淀的纳米颗粒二氧化硅由可溶性硅酸盐和纳米颗粒硅粉制成，该纳米颗粒硅粉通过在氢气流中燃烧四氯化硅而产生。

[0018] 美国专利公布号2015/0321954公开了一种地质聚合物水泥，其包含粉煤灰和颗粒状的高炉矿渣。该专利公开了一种固体组分活化剂，用于包含硅铝酸盐材料的地质聚合物水泥，该硅铝酸盐材料包括硅酸钠和碳酸钠的混合物，用于在形成地质聚合物混凝土时，通过提高地质聚合物水泥中硅铝酸盐材料的反应性来活化地质聚合物水泥。

[0019] EP 0807614B1公开了一种喷涂混凝土，其包含铝酸钙玻璃、硅酸铝和火山灰质材料。

[0020] 先前的防火处理存在一些附加的问题。例如，建筑师对于建筑结构和组成其隐藏和暴露的基础设施的组件有许多规格。这些规格还可以包括任何涂抹的防火涂料的平衡密度。典型规格为15、20、25、40和50磅每立方英尺。

[0021] 虽然涂层修复可以用更高粘度的材料和镘刀进行，但涂抹的防火涂料优选通过采用常规喷涂设备来喷涂完成。涂抹的涂层还应表现出良好的流变强度、完全固化并且没有显著的收缩、并且对涂抹的基材表现出良好的粘合强度。

[0022] 将两种类型的标准测试用于测量金属基材上涂抹的涂层的耐火性。两者均测量受保护的基底达到1000℉所需的时间。该时间通常被理解为允许受保护的结构的居住者逃离的时间。因此，更长的时间意味着用于撤离该结构的时间更长。

[0023] 第一次测试见于ANSI/UL263“建筑材料防火测试”。(ANSI/UL263测试相当于ASTME119。)该测试在指定时间段内将热量的等级提高到2000℉。第二项测试是ANSI/UL1709“用于结构钢保护材料的快速上升火灾测试”，其在5分钟内施加2000℉的热量。ANSI/UL1709测试通常被认为是更严格的测试。

[0024] 希望具有一种可以通过喷涂、镘平或类似技术涂抹的有效的地质聚合物涂料，其可以将有效的防火涂料涂抹到建筑物基础设施上。

[0025] 还希望具有一种耐火的地质聚合物涂料，其表现出良好的流变强度、粘合强度和良好的耐久性。

[0026] 还希望具有一种地质聚合物涂料，其可以在固化时调节至特定的平衡密度，以满足各种建筑规格，并且在适用的测试标准下表现出良好的耐火时间。

发明内容

[0027] 本发明涉及用于生产密度可控的冷融合混凝土的水泥基喷涂防火材料和方法，用于建筑和维修行业，保护需要防止意外火灾事件的钢、木材、混凝土和其它建筑和工业材料。

[0028] 开发本发明产品的一个目的是提供一种制剂，与波特兰水泥和典型的地质聚合物水泥或混凝土不同，该制剂在生产过程中显著减少二氧化碳和其它温室气体的产生。

[0029] 开发本发明的另一个目的是提供一种有效的地质聚合物涂料，其可以为建筑物基础设施提供有效的防火涂层。

[0030] 另一个目的是提供耐火的地质聚合物涂料，其表现出良好的流变强度、粘合强度和良好的耐久性。

[0031] 开发本发明的另一个目的是提供一种地质聚合物涂料，其可以在固化时调节到特定的平衡密度(equilibrium density)，以满足各种建筑规格，并且在适用的测试标准下表现出良好的耐火时间。

[0032] 另一个目的是通过减少来自例如，暴露于气候条件(如极端或多变天气)、酷热、有害化学物质(如氯化物、硫酸盐、酸等)、或者对来自运输或建筑工作中对喷涂防火的冲击损坏对构造特征的破坏来提高产品质量。

[0033] 本文公开的材料和方法的另一个目的是为工业(如建筑业)提供产品，该产品在生产过程中显著减少二氧化碳和其他温室气体产生，这与波特兰水泥和典型的地质聚合物不同。此外，本发明的另一个优点是其利用可以结合到现有生产设施和方法中的基本工艺和材料。

[0034] 根据上述目的和目标，并且通过本文的描述将变得显而易见的是，本发明的地质聚合物涂料和采用所述组合物保护建筑物的至少一部分的方法基于将耐火材料涂抹至建筑物上，该耐火材料包括以下混合物：

[0035] (a)15-50wt％的至少一种轻质骨料，所述轻质骨料体积比重小于1.0，直径在约.025mm至12.5mm的范围内；

[0036] (b)5-60wt％的至少一种碱活化的水泥基材料；

[0037] (c)2-15wt％的至少一种活化剂，用于所述碱活化的水泥基材料；

[0038] (d)0-15wt％的至少一种凝固缓凝剂(set-time retardant)；

[0039] (e)0-5wt％的至少一种蛋白质材料或合成蛋白质材料；

[0040] (f)0.01-5wt％的至少一种耐碱纤维；

[0041] (g)0-2wt％的氧化镁；

[0042] (h)0-4wt％的减水剂；

[0043] (i)0-4wt％的流变增强剂；和

[0044] (j)水。

[0045] 对于GGBFS和粉煤灰，可以使用任何一种而不使用另一种，或者，材料可以组合为水泥基材料的一部分。

[0046] 在某些情况下，单位重量和体积变化的努力是特别的问题，为了在固化过程中保持水分、维持一致的体积，并降低硅酸盐的粘合/粘性特性，可以使用能够与氢氧化物和硅酸盐形成弱的共价键、在其中改变氢氧化物和硅酸盐的离子浓度的蛋白质或达到与蛋白质相同特性的合成蛋白质材料。蛋白质的浓度可以在水泥质量的约0.05％(wt/wt)至约2.5％(wt/wt)之间变化。

[0047] 通过以下结合任何附图的描述，本发明的其他目的和优点将变得显而易见，其中通过说明和示例的方式阐述了本发明的某些实施方案。本文包含的任何附图构成本说明书的一部分，并且包括本发明的示例性实施方案，并且说明了其各种目的及其特征。

具体实施方式

[0048] 本发明的地质聚合物涂料表现出适于喷涂的粘度，并且包括耐火混合物，该耐火混合物包含形成耐火涂层的成分的混合物，其表现出涂抹的涂层具有预定平衡密度(很少或没有收缩)、良好的抗压强度和优异的粘合强度的能力。这种涂料对环境敏感，并且在住宅、商业和多住宅建筑物中具有广泛的应用。

[0049] 除非另有说明，否则所有材料均要求表示为wt/wt％，理解为特定组分的质量占整个混合物的质量，如所示，包括水×100％。

[0050] 本发明涉及一种密度可控、混凝土、水泥基的防火材料，该材料可以用常规的用于耐火涂料的喷涂设备涂抹，以获得所需的预定的平衡密度。本发明的产品可用于保护需要防止意外火灾事件的钢、木材、混凝土和其他建筑和工业材料。

[0051] 开发该制剂的一个独特挑战是克服地质聚合物在约1,000至1,200华氏度的暴露温度下的降解和熔解(fluxing)。这是通过设计牺牲性(sacrificial)和轻量级颗粒系统来实现的，该系统在暴露于2000华氏度的温度下，在1、2、3和4小时内消散(dissipated)温度，在暴露期间，底层钢材不会经历超过999华氏度的温度，对于较不耐用的基材(如木材和混凝土)，较大的厚度会经历更低的温度。

[0052] 另一个独特的挑战是平衡混合物组分，以达到一致的、预定的、构造的设计平衡密度，在从约15磅/立方英尺(pcf)(240kg/立方升(cubic liter))至约60pcf(961kg/立方升)范围内，特定目标密度为15pcf(240kg/立方升)、25pcf(400kg/立方升)、40pcf(641kg/立方升)和50pcf(801kg/立方升)，同时保持相对的抗压强度在200-3000psi(1.4-20.7MPa)的范围内，优选抗压强度为约200psi(1.4MPa)、750psi(5.2MPa)、1800psi(12.4MPa)和3000psi(20.7MPa)，用于耐久性目的。

[0053] 通过利用可变的尺寸和轻质骨料的类型，降低混合物的内聚(湿)剪切强度流变性，从而降低泵压力，并结合截留和携入的空气结构，克服了这些挑战。

[0054] 根据本发明的制剂利用玻璃质活化剂，该玻璃质活化剂调动(mobilize)其他玻璃质材料，并在高热的作用下将这些材料牺牲地聚合成各种形式的玻璃和金属氧化物、氢氧化物和水合物。该聚合减少了材料平衡单位重量测定期间的质量损失。当轻质颗粒在混合和应用过程中吸收液体，加热过程中的质量损失通常会加剧。商业喷雾器中，在典型的压力下涂抹该制剂也可以人为地压实该制剂以表现出更高的表观密度。

[0055] 在2000℉(1093℃)下，对本发明的测试结果和温度消散系统的分析清楚地表明，在适用于其它温度的可变的相对系统厚度下，大于和小于2000°F(1093℃)的温度发生温度消散。2000℉(1093℃)的测试温度是根据美国材料试验协会(ASTM)和保险商试验所(UL)规定的当前标准行业惯例选择的，如UL 263(ASTM El 19)和UL 1709协议所示。

[0056] 虽然用于克服挑战的所有措施都是适用的，但是在没有使用泵的情况下，基于现场应用情况、所使用的泵和涂抹方法来选择一个或多个措施。

[0057] 应注意，喷涂或镘刀涂抹的防火材料，当在火灾期间燃烧并且所消耗的材料可能暴露于人时，不可以产生有害的烟雾。因此，当所消耗的材料可能暴露于人时，当经受超过1999°F(1092.8℃)的温度时会产生有毒烟雾的加工过程的混合物中使用的组成材料及其平衡材料(都不应使用。

[0058] 本发明中使用的具体材料主要基于成本、可泵送性、控制单位重量的有效性和吸水性选择。关于吸水性，本发明中使用的材料与其它喷涂的防火产品具有很大的不同，因为本发明在混合物中不使用任何波特兰水泥。在包含波特兰的混合物中，水被吸收至混合物中，当物质干燥到其平衡密度时，水几乎完全失去。这种重量损失使得难以提供能够始终如一地获得所需目标平衡密度的涂抹涂层的制剂。

[0059] 当将水加入到本发明的组合物中时，水与偏硅酸钠、四硼酸钠和其他可溶性物质混合并活化。然后这些材料聚合并将水结合成在蒸发阶段不会完全蒸发的形式。因此，进入任何吸收性材料的孔隙的任何水都会保留在轻质吸收材料中，并且仅增加轻质颗粒的密度。通过使用低吸水性材料，所得混合物的密度更稳定，并且允许更好地控制最终涂层。

[0060] 水应该是可饮用的，以在所得制剂的性质和性能中提供更大程度的一致性。例如，与不同类型的给水平衡的组分必须考虑到不同的pH、矿物质含量、氟化物和其他化学品和成分。

[0061] 本发明制剂中使用的水量应通过常规批次测试来确定，以获得利用压力泵喷涂所需的密度、强度和粘度特性。通常将水以约10％(wt/wt)至约65％(wt/wt)的质量加入混合物中，优选的量为10-50wt％，使得水的浓度能够有效地产生符合预期目的项目要求的坍落度一致性(slump consistencies)和其他特性，预期目的项目要求包括镘刀涂抹垂直面或顶部修补或涂抹和喷涂涂料材料，用于各种结构物品(包括金属、混凝土和木材)。

[0062] 骨料

[0063] 骨料应该包括轻质骨料或由轻质骨料组成，所述轻质骨料具有尽可能低的比重，但通常不大于1.0，优选小于或等于约0.60，甚至更优选小于或等于约0.40。重要的是，当暴露于超过1999°F(1092℃)的温度时，所选择的骨料不应产生有毒的烟雾。合适的轻质填充材料可以包括蛭石、火山灰、铝矾土、其它泡状火山矿物、膨胀玻璃、玻璃泡(glass bubbles)、铝泡(aluminum bubbles)、膨胀页岩、可以人工制造的空心微珠和/或煤燃烧副产物、合成或蛋白质空气空隙、发泡聚苯乙烯(expanded polystyrene)、棉花和其它人造或天然存在的产生空隙的材料。低吸收性骨料(如涂覆的膨胀玻璃(coated expanded glass))具有较低的液体吸收性能并且是优选的。

[0064] 蛭石对水具有高吸收性，但是相对高浓度的蛭石可用于控制密度。蛭石也很容易泵送。

[0065] 发泡聚苯乙烯具有低吸收特性并且有效提高泵送性。它也有些易燃，因此使用较低的浓度的发泡聚苯乙烯来保持良好的耐火性。当发泡聚苯乙烯燃烧时，它会产生二氧化碳和水蒸气，在一定程度上将层隔绝，但它也会在180°F至240°F(82°-116℃)之间开始降解，因此优选使用颗粒尺寸更小、浓度更低的发泡聚苯乙烯是，使得在温度暴露期间，降解留下的空隙是小的，且体积较小。

[0066] 珍珠岩的吸水率低于蛭石，是一种很好的绝缘体。较高密度的珍珠岩是较硬的颗粒，但更较难泵送，因此该材料的浓度应与蛭石和发泡聚苯乙烯的量平衡，以减少泵送设备的磨损和损耗。优选地，使用最低密度珍珠岩以降低泵压并更好地控制混合物的单位重量。

[0067] 本发明混合物中的膨胀玻璃具有低的绝缘性能，并且优选被涂覆以降低吸收率。然而，膨胀玻璃在一定程度上是粗糙的且会增加泵送压力，因此其在任何混合物中的浓度应该与混合物中的其他材料所贡献的这些效果相平衡。

[0068] 出于泵送目的，使用至少2种不同尺寸的骨料有利于在泵送期间降低间隙分级材料的填充性质。圆形颗粒是有利的，并且在大多数情况下，由煤燃烧或陶瓷产生的稳定空心微珠、铝或玻璃人造空心微珠是优选的。

[0069] 就质量而言，组合的骨料优选地以最终混合物(包括水)质量的约15％(wt/wt)至约50％(wt/wt)的量存在。在气动应用、强度和单位重量密度的情况下，应调整和平衡组合的骨料自身和总体的浓度，以实现合适的泵送特性。骨料和水泥基材料的体积是平衡的，以达到项目规定的单位重量密度，单位重量密度可以从约15pcf变化至约50pcf。

[0070] 本发明的制剂中使用的骨料的具体量应通过旨在获得所需的密度、强度和泵送粘度的常规试验批次测试来确定。对于使用气动发射喷涂的项目，应根据预期的设备选择骨料的最大尺寸。约为5mm的最大标称骨料尺寸通常是有效的。当用转子-定子泵泵送时，高蛭石浓度是所希望的。当使用挤压式或活塞式泵进行泵送时，特别是泵送至高海拔时，发泡聚苯乙烯的浓度范围为约2.5％至15％是有益的。

[0071] 水泥基材料

[0072] 在装袋或其他包装之前，应将水泥基材料与干骨料混合。水泥基材料优选包括粉煤灰(C类或F类)和粒化高炉矿渣粉(GGBFS)中的至少一种。C类粉煤灰通常具有高浓度的石灰，即大于15wt％至高达30wt％，F类粉煤灰通常具有小于7wt％的石灰。GGBFS和粉煤灰材料都是在高温下燃烧工业材料得到的产物和废料，因此，两种材料都具有相对高的耐热性，这使得它们成为耐热涂料的优良组分。

[0073] 优选以足够产生所需混合物强度、体积变化、碳酸化和流变行为的浓度添加粉煤灰和粒化高炉矿渣粉(GGBFS)。合适浓度的浓度范围为至多约70％(wt/wt)，优选至多约60wt％，甚至更优选在约5-50wt％的范围内，特别是在15-50wt％的范围内。应通过平衡混合物设计中的粉煤灰和/或GGBFS质量和体积量来选择混合物中的粉煤灰和GGBFS的浓度，直到特性符合项目要求。

[0074] 如果加入所需量的GGBFS或粉煤灰不能达到预期的抗压强度，可以以约1％(wt/wt)至约10％(wt/wt)的范围加入氢氧化钙，以增加强度。通常且优选地，总范围落在约5％(wt/wt)至约70％(wt/wt)的范围内。一种或两种材料的量取决于固有特性，包括钙含量、铝含量、碳含量(灼烧损失)和硅含量。

[0075] 使用两种或三种水泥基材料的混合物对于生产目的是有利的，以减少一种材料的可变性影响(如果所选的这种材料的来源存在可变性质问题)。

[0076] 可以使用天然产生的火山灰材料，例如高岭土、凹凸棒粘土和其他天然或人造矿物。这些粘土材料优选具有高于约40％的硅/过氧化钠含量，并且当暴露于高于1999°F(1092.8℃)的温度时不产生有毒的烟雾。将使用常规测试确定每种材料的最佳浓度，但总水泥基的量在100(对于低密度)和800(对于高密度)磅/立方码(59-474kg/立方米)之间，优选100-700lb/yd3(59-415kg/立方米)是有效的。

[0077] 粉煤灰和GGBFS是火山灰和水泥基材料，其允许该制剂避免使用波特兰水泥。采用碱盐将粉煤灰和GGBFS材料活化。在根据本发明的制剂中使用一种或另一种，或两种。由于氢氧化钙含量升高，GGBFS作为强度增强剂是理想的，因为氢氧化钙非常活泼。粉煤灰中还包含一些氢氧化钙，但粉煤灰中氢氧化钙的含量为在GGBFS中发现的氢氧化钙的含量的约30％至50％，并且其在制剂中增加强度并不是那么有效。通过常规批次试验确定最终制剂中使用的这些材料的具体量，以获得目标平衡密度的最佳强度和单位重量。

[0078] 水泥基材料的活化剂

[0079] 水泥基材料活化剂优选包括偏硅酸钠或偏硅酸钾、或偏硅酸钠或偏硅酸钾五水合物。添加的每种活化剂的精确量取决于所需的混合物强度、体积变化、碳酸化和流变行为。基于最终混合物，合适的量通常为约2％(wt/wt)至约25％(wt/wt)，优选为4-20wt％。应通过平衡混合物设计中的质量和体积量来选择混合物中偏硅酸钠或偏硅酸钾或五水合物的浓度，直到特性符合项目要求。在混合时间非常短的情况下，例如连续混合和泵送用于喷涂应用，提高五水合物含量通常有利于确保完全掺入硅酸盐材料，或者，减少五水合物或偏硅酸盐的粒径允许更快地与水反应。当使用波特兰水泥或其他水泥时，偏硅酸钠或偏硅酸钾或五水合物的量减少。

[0080] 在应用处于受空气传播的酸性颗粒影响的工业区域的情况下，需要更高浓度的偏硅酸盐以增加层中硅、过氧化钠或过氧化钾含量以及对酸侵蚀的相对抗性。在受酸影响的工业应用中，除了氢氟酸之外，该混合物对所有低浓度酸有抵抗作用。增加偏硅酸盐含量将固有地增加平衡单位重量，因此必须实现轻质或空隙材料的平衡。在应用受到中等或极端气候(温度)和降水事件影响的情况下，偏硅酸盐含量通常保持在7％以上，以获得足够的强度以抵抗这些影响。

[0081] 偏硅酸钠是碱金属盐。偏硅酸钠将粉煤灰和GGBFS中的火山灰组分活化，降低渗透性并增加强度。偏硅酸钠对吸收性骨料重量的增加负有最大的责任，因此其浓度必须与混合物中使用的骨料的固有吸收性有效地平衡。

[0082] 根据本发明的组合物在本文中称为“冷融合”混凝土，以表示二氧化硅和含铝火山灰作为固化或可固化的组合物，其被碱活化并结合形成硬化材料，并且其不使用液态碱金属氢氧化物，例如LiOH，作为主要活化剂或pH调节剂。本发明人的测试表明，使用液态碱金属氢氧化物(如LiOH)会导致固化的组合物缺乏制备有效的耐火涂料的必要强度特性。根据本发明的冷融合混凝土组合物提供了可控的固化时间、体积和密度的高质量材料。

[0083] 凝固缓凝剂

[0084] 应根据所用的成分组合中材料的有效性来选择凝固缓凝剂材料。通常，如果使用最经济的材料和相对浓度以达到1小时的固化时间，以允许在需要时完成层的精加工是符合要求的。

[0085] 合适的凝固缓凝剂包括四硼酸钠、柠檬酸钠二水合物、柠檬酸、硼酸和硅酸。添加到根据本发明的制剂中的凝固缓凝剂的加入量通常为混合物(包括水)质量的约0至约15.0％(wt/wt)，以延长固化时间和/或工作时间。

[0086] 四硼酸钠是优选的凝固缓凝剂和钢结构的腐蚀抑制剂。凝固缓凝剂(如四硼酸钠)允许本发明的地质聚合物混合物以足以保持内聚的速率获得强度，同时允许涂抹器完成涂层。通过常规试验测定四硼酸钠的具体量，但通常加入量为偏硅酸盐重量的约40-60％。

[0087] 抗裂剂

[0088] 由于蒸发和材料聚合引起的自发体积变化，微纤维是减少成品层开裂的重要成分。可以选择任何微纤维，但当经受高于1,999°F(1092.8℃)的温度时，该超细纤维不应产生有毒的烟雾。在本发明的制剂中用于裂缝控制的合适纤维包括耐碱玻璃纤维、陶瓷纤维或玄武岩纤维，因为它们需水量较低、耐热性高和降低的内聚混合物剪切强度。常规试验将确定纤维的特定浓度以获得最佳效果，但0.01-5wt％范围内的量通常是有效的。可以使用各种纤维长度。合适的纤维长度为约3mm至约20mm，优选4-10mm，甚至更优选为5-8mm。

[0089] 额外的试剂

[0090] 用于控制体积变化和增加强度的额外材料包括减水剂和膨胀剂。各种工业减水剂和收缩补偿剂可用于波特兰混合物，该波特兰混合物在地质聚合物型的防火和耐火混合物中是有效的。例如，磺化甲醛可有效减少需水量。磺化甲醛作为水泥基材料的一部分加入，基于总混合物，浓度范围为约0.001％(wt/wt)至约0.5％(wt/wt)，优选范围为约0.001-0.01wt％，和更多优选地，在0.0015-0.004wt％的范围内。应该只使用足够的磺化甲醛最大限度地降低需水量。超过这一点加入更多的磺化甲醛是不需要的。甲醛是一种有毒的化学品，因此，浓度应限制在最大阈限值以下。

[0091] 使用沙子、硅酸盐、硅铝酸盐、硅铝酸盐粘土和其他惰性和活性材料也产生减水效果。

[0092] 加入氧化镁以控制整体收缩。它实际上是一种膨胀剂，但如果加入的浓度保持足够低(例如，在约0.0001-0.5wt％的范围内，优选为0.0007至约0.03wt％)，它有效地抵消了所涂抹的材料可能表现出的收缩。最优选的浓度为总混合物的约0.0015wt％。只应在体积变化或膨胀调整到最佳值的范围内加入氧化镁。加入过多的氧化镁可能会因最终制剂过度膨胀的增加而有害，这会使与其他收缩来源失去平衡。加入适量的氧化镁或氢氧化镁会产生正的体积变化，这恰好抵消了所涂抹的混合物中其他组分的收缩。

[0093] 在喷涂应用期间，触变性质是有利的。在这些事件中，水含量增加许多倍，以降低泵压并降低平衡密度。加入非常精细的耐高温材料，例如但不限于硅粉、气相二氧化硅，纯化的凹凸棒粘土和其他触变材料，有助于提高涂抹的层的稳定性并减少湿润的、涂抹的层的下垂，同时保持或增加强度。这种非常精细的材料还有助于填充固化混合物中的空隙，从而有助于增加最终涂层的强度。

[0094] 在应用于受保护的结构后，可以调节本发明的制剂以满足各种目标密度。相对于实现所需混合物体积和平衡单位重量，设计方法将有所不同。当泵不用于运输或涂抹目的时，可以执行包括基于报告/测试的比重而确定体积和单位重量的标准设计计算。当泵用于运输或涂抹目的时，由于泵送压力，液体将被强加到吸收性骨料中。包含水和硅酸钠或硅酸钾材料的液体或其一部分不会完全挥发；剩余的非挥发性材料将增加材料的比重/单位重量，并且由于比重增加，必须以减少单位重量的形式进行补偿。增加比重的补偿方法包括平衡吸收性骨料，增加较低的吸收性骨料浓度，或者安装空气排泄机制，例如空气吸入或可控的低强度材料添加剂，例如由Fritz、BASF、W.R.Grace、Euclid或SIKA(CLM)提供，其浓度通过试验批次测试确定。

[0095] 在某些情况下，如果单位重量和体积变化的努力是特别的问题，可以添加蛋白质。这些蛋白质包括能够与混合物中的氢氧化物和硅酸盐形成弱共价键的合成蛋白质材料。这些共价键改变了可能保留水的氢氧化物和硅酸盐的离子浓度。通过这种作用，人们认为添加的蛋白质材料有助于混合物在固化过程中保持一致的体积并降低硅酸盐的粘合/粘性特征。相对于所有成分的质量，蛋白质的浓度可以在约0.05％(wt/wt)和约5.0％(wt/wt)之间变化。

[0096] 用于本发明的作为粘性降低剂(tackiness reducer)的蛋白质组分包括生物大分子或高分子，包括一个或多个氨基酸残基的长链。优选的蛋白质基于酪蛋白及其钠盐和钾盐。通常参见美国专利号619,040和1,537,939，其内容通过引用并入本文。蛋白质作为水泥基材料的一部分加入，浓度范围为约0.05％(wt/wt)至约5％(wt/wt)，条件是蛋白质以最小浓度提供，这将在混合硅酸盐和其中产生的氢氧化物之间产生共价键，暂时除去混合物的粘合/粘性特征并减少混合物的体积变化。

[0097] 当组合所有成分时，应在约10秒至4分钟的范围内的一段时间混合该材料。30-60秒范围内的混合时间通常足以满足常规喷涂设备使用的最常见粘度。用于本发明的混合物成分是变化和平衡的，以达到项目规格要求的混合物湿平衡和干平衡密度，干燥平衡密度范围为从约15pcf到90pcf(240-1442kg/立方米)，优选为15-50pcf(240-801kg/立方米)，和压缩强度在约100-5000psi(1.4-34.4MPa)之间变化，优选为在200-3000psi(1.4-20.7MPa)之间变化。优选地变化混合物成分以确保不发生塑性、干燥或自收缩裂纹，并且进一步改变以适应各种泵类型以及泵送高度的差异。

[0098] 为了生产骨料、空隙和水泥基材料，可以用镘刀涂抹，或气动投射到位(例如，喷涂到要保护的建筑结构的至少一部分上)，以抵抗气候变化、水、酸、硫酸盐、氯化物和热暴露于2000华氏度下(由ANSI/UL263(ASTM El 19)程序定义的UL热曲线)(1093℃)的温度下达4小时以上。干燥材料应该相结合，水加入以及混合应该尽可能长的时间，但优选的时间最少范围为10秒至约5分钟，在连续混合和泵送装置的情况下，优选的范围为30-120秒，当使用非连续配料装置时，时间为30秒至4分钟，优选为最少60秒至约3分钟。

[0099] 放置后，可以在任何方便的周围环境中进行固化，直到达到规定的强度，或者可以通过将材料周围的温度升高到约95°F(35℃)至约180°F(82℃)来加速固化。可以进行电固化，通过将电压和电流强度调节到适当值，并使电流脉冲通过混凝土直至达到所需的强度。

[0100] 下表描述了用于根据本发明的各种制剂的各种成分的适用范围(wt％)。

[0101] 表1-15pcf目标密度(空气涂抹(air applied)；蛭石+EPS)

[0102]

[0103] 表2-15PCF目标密度(在任何方法；蛭石+EPS)

[0104]

[0105] 表3-15PCF目标密度(蛭石+珍珠岩)

[0106]

[0107] 表4-15pcf目标密度(喷涂；蛭石+珍珠岩)

[0108]

[0109] 表5-25pcf目标密度(蛭石+珍珠岩+EPS)

[0110]

[0111] 表6-40pcf目标密度(蛭石+EPS)

[0112]

[0113] 表7-40pcf目标密度(蛭石)

[0114]

[0115] 表8-40pcf目标密度(蛭石+Ca(OH)2)

[0116]

[0117] 表9-50pcf目标密度(蛭石+EPS)

[0118]

[0119] 表10-50pcf目标密度(蛭石+珍珠岩+EPS)

[0120]

[0121] 表11-50pcf目标密度(蛭石+GGBFS)

[0122]

[0123] 表12-50pcf目标密度(粉煤灰)

[0124]

[0125] 表13-50pcf目标密度(粉煤灰+GGBFS)

[0126]

[0127] 表14-50个pcf目标密度

[0128]

[0129] 表15-50pcf目标密度

[0130]

[0131] 表16-50pcf目标密度

[0132]

[0133] 表17-50pcf目标密度

[0134]

[0135] 实施例

[0136] 实施例1-12

[0137] 已经制备了根据本发明的混合物，并测试了强度、平衡密度、粘合强度、以及阻断处理过的基材(例如，0.25英寸的钢，除非另有说明)暴露于ANSI/FUL1709或ANSI/UL263(ASTM E119)程序所定义的2000°F的能力。在规定的温度和50％湿度下进行固化。使用未暴露的热电偶进行温度测量。结果如下表所示。

[0138] 实施例1-50pcf目标密度

[0139]

[0140] 实施例2-50pcf目标密度

[0141]

[0142] 实施例3-50pcf目标密度

[0143]

[0144] 实施例4-50pcf目标密度

[0145]

[0146] 实施例5-50pcf目标密度(蛭石+粉煤灰+GGBFS)

[0147]

[0148] 实施例6-50pcf目标密度(蛭石+粉煤灰)

[0149]

[0150] 实施例7-50pcf目标密度(蛭石+GGBFS)

[0151]

[0152] 实施例8-50pcf目标密度(蛭石+珍珠岩+EPS)

[0153]

[0154] 实施例9-40pcf目标密度(蛭石)

[0155]

[0156] 实施例10-40pcf目标密度(蛭石+EPS)

[0157]

[0158] 实施例11-25pcf目标密度(蛭石+珍珠岩+EPS)

[0159]

[0160] 实施例12-15pcf目标密度(蛭石)

[0161]

[0162] 实施例13-15pcf目标密度

[0163]

[0164] 以上报道的制剂均表现出低的或无意义的收缩、为受保护的基材提供出色的耐火性，反映出制剂提供一致的平衡密度，符合建筑师对处理过的建筑物的设计规格。经过测试的涂料为居住者提供了逃离燃烧建筑物的时间；从大约一个小时至三个多小时。所有这些益处来自地质聚合物涂料，其有利地利用来自燃烧煤和金属加工的废颗粒，同时减少产品的碳排放量，通过避免使用波特兰水泥以及与波特兰水泥生产相关的随之产生的温室气体。

[0165] 本说明书中提及的所有专利和出版物表明本发明所属领域的技术人员的水平。所有专利和出版物通过引用并入本发明中，其程度如同每个单独的出版物具体和单独地通过引用并入。

[0166] 应当理解，虽然示出了本发明的某种形式，但是不限于本发明描述和示出的具体形式或设置。对于本领域技术人员显而易见的是，在不脱离本发明的范围的情况下可以进行各种改变，并且本发明不应被视为限制于在说明书和本文包括的任何附图/图中所示出和描述的内容。

[0167] 本领域技术人员容易理解的是，本发明非常适合于实现目标并获得所提到的目的和优点，以及其中固有的目的和优点。这里描述的实施方式、方法、过程和技术目前是优选实施方式的代表，是作为示例性的而不旨在对范围进行限制。本领域技术人员应想到其中的变化和其他用途，这些变化包含在本发明的精神内并且由所附的权利要求书的范围所限定。虽然本发明已经结合具体的优选实施方方式进行了描述，但是应该理解的是，要求保护的发明不应该不适当地限制于这些具体实施方式。实际上，对于本领域技术人员显而易见的，对于实施本发明的所述模式进行的对本领域技术人员来说显而易见的各种改动都是落入所附的权利要求书的范围内。

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