DE69423451T2

DE69423451T2 - Hydratationswasser enthaltendes Aggregat in einer im Spritzverfahren aufgebrachte Zusammensetzung

Info

Publication number: DE69423451T2
Application number: DE69423451T
Authority: DE
Inventors: Philip L. Berneburg; Antone J. Freitas; Ralph Pisaturo
Original assignee: WR Grace and Co Conn; WR Grace and Co
Current assignee: WR Grace and Co Conn; WR Grace and Co
Priority date: 1993-12-23
Filing date: 1994-12-23
Publication date: 2000-08-03
Anticipated expiration: 2014-12-24
Also published as: SG46520A1; CA2137032C; US5556578A; ATE190599T1; CA2137032A1; CN1108291A; MY117565A; TW264512B; EP0661241A1; HK1002585A1; KR950017833A; NZ270023A; KR100332533B1; AU680313B2; ES2143533T3; ZA949485B; EP0661241B1; JPH07206533A; DE69423451D1; AU8022594A

Description

Es ist wohlbekannt, hydraulische zementartige Aufschlämmungen durch Sprühen auf Metallbauteile aufzubringen, um auf diesen eine wärmebeständige Beschichtung zu schaffen. US-A-3 719 513 und US-A-3 839 059 offenbaren Formulierungen auf Gipsbasis, die zusätzlich zu dem Gipsbindemittel leichtgewichtigen anorganischen Zuschlag wie Vermikulit, faserige Substanz wie Cellulose und Luftporenbildner enthalten. Solche Aufschlämmungen werden allgemein auf Bodenhöhe hergestellt und zu dem Aufbringungspunkt gepumpt, wo sie durch Sprühen auf das Substrat aufgebracht werden. Oft liegt der Aufbringungspunkt in 20 oder 30 Stockwerken Höhe, wenn es sich um Hochhausbauten handelt. Demzufolge ist die Pumpbarkeit der Aufschlämmungen ein wichtiges Kriterium in ihrer Formulierung und Herstellung. So müssen sie in der Lage sein, die großen Wassermengen zu halten, die sie in die Lage versetzen, leicht und auf große Höhen gepumpt zu werden, dennoch müssen sie eine ausreichende Konsistenz beibehalten, um Entmischen oder Absetzen von Bestandteilen zu verhindern und angemessene Ausbeute oder Bedeckung des Substrats bei einer gegebenen Dicke zu ermöglichen. Die Beschichtungsgemische müssen sowohl in aufgeschlämmtem Zustand als auch in trockenem Zustand an dem Substrat haften. Das Gemisch muß auch ohne unangemessene Expansion oder Schrumpfung abbinden, die zur Bildung von Rissen führen könnten, die den Isolierwert der trockenen Beschichtung ernsthaft verschlechtern könnte.
US-A-4 751 024 lehrt sprühbare zementartige Zusammensetzungen, die zerkleinertes Polystyrol als leichtgewichtigen Zuschlag in feuerfest machenden Zusammensetzungen enthalten. Das zementartige Bindemittel ist vorzugsweise Gips, kann stattdessen jedoch Portlandzement sein. In der Tat wird Portlandzement typischerweise als Bindemittel in Anwendungen verwendet, die Gebiete mit hohem Verkehrsaufkommen beinhalten, da der Zement dazu neigt, belastbarer als Gips zu sein.
Sehr dauerhafte, feuerfest machende Zusammensetzungen auf Zementbasis mit hoher Dichte (640 bis 675 kg/m³ (40 bis 42 pcf [pound/foot³])) für Baustahl werden hauptsächlich für industrielle und/oder Außenanwendungen verwendet, d. h. Anwendungen, in denen das Verhindern des physikalischen Versagens der Zusammensetzung von höchster Bedeutung ist. Demnach schließt das Produkt mit hoher Dichte typischerweise Sand als harten Zuschlag ein, der hervorragende Leistung an Ort und Stelle und bei der Auftragung zuläßt. Der Sand trägt jedoch nicht zu den thermischen Charakteristika des Produkts bei und als Ergebnis davon ist eine dickere Beschichtung erforderlich, um den gleichen stündlichen Feuerschutz zu erhalten wie bei einem Produkt, das keinen Sand als Zuschlag einschließt. Das heißt, daß der Sand als Zuschlag dem Produkt physikalische Festigkeit liefert, aber thermisch nichts beiträgt.
Fig. 1 illustriert, wie thermische Leistung geopfert wird, wenn eine zementhaltige, feuerfest machende Zusammensetzung verwendet wird, die Sand als harten Zuschlag einschließt. Zusammensetzungen A, B, C und D sind Zusammensetzungen mit hoher Dichte (702, 676, 777 beziehungsweise 876 kg/m³ (43,8 pcf, 42,2 pcf, 54,7 pcf beziehungsweise 48,5 pcf), die Sand einschließen. Zusammensetzung E ist Carboline 241, das im Handel von Carboline Fireproofing Products Division von RPM Company erhältlich ist. Carboline 241 ist ein Produkt auf Portlandzementbasis (35 Gew.-%), das weißen Glimmer (35 Gew.-%) und Aluminiumhydroxid (15 Gew.-%) als vorwiegende Bestandteile einschließt. Es schließt keinen Sand ein und hat eine Dichte von 791 kg/m³ (49,4 pcf). Die graphische Darstellung in Fig. 1 illustriert die hervorragende thermische Leistung von Zusammensetzung E verglichen mit den Zusammensetzungen, die Sand als harten Zuschlag verwenden.
Es wäre daher wünschenswert, die thermische Leistung von diesen und anderen sprühbaren zementartigen Zusammensetzungen zu verbessern, ohne die Aufbringung und die physikalischen Eigenschaften derselben wesentlich nachteilig zu beeinflussen. Die vorliegende Erfindung ist auf eine solche Verbesserung gerichtet.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Probleme des Standes der Technik sind durch die vorliegende Erfindung überwunden worden, die ein sprühbares, feuerfest machendes Material liefert, das verbesserte thermische Leistung zeigt. Im allgemeinen wird ein Zuschlag, der Hydratationswasser enthält, zu zementartigen Zusammensetzungen gegeben, wodurch nicht nur die Funktion eines typischen Zuschlags ausgeübt wird, sondern auch die thermische Leistung der Zusammensetzung erhöht wird. In zementhaltigen, feuerfest machenden Zusammensetzungen mit hoher Dichte ersetzt der Hydratationswasser enthaltende Zuschlag den Sandzuschlag teilweise oder ganz.
Eine erfindungsgemäße sprühbare, feuerfest machende Zusammensetzung umfaßt zementartiges Bindemittel und Hydratationswasser enthaltenden harten Zuschlag, der Bauxit umfaßt, wobei das zementhaltige Bindemittel in einer Menge von mindestens 10 % vorhanden ist, bezogen auf die trockenen Komponenten.
Eine erfindungsgemäße Trockenzusammensetzung umfaßt hydraulisches zementartiges Bindemittel in einer Menge von mindestens 10 Gew.-% der trockenen Zusammensetzung und Hydratationswasser enthaltenden harten Zuschlag, der Bauxit ist, wobei die Zusammensetzung bei Zugabe von Wasser eine abbindende Aufschlämmung ergibt, die durch Sprühen auf ein Stahlsubstrat aufbringbar ist und die nach Sprühaufbringung im aufgeschlämmten Zustand und nach dem Abbinden an dem Substrat haftet.
Gemäß ihren Verfahrensaspekten betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung der Zusammensetzungen unter Bildung einer sprühbaren Aufschlämmung und nachfolgendes Aufbringen der offenbarten zementhaltigen Zusammensetzungen durch Sprühen auf ein Substrat wie ein Baustahlteil.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine graphische Darstellung, die die thermische Leistung verschiedener zementartiger Zusammensetzungen zeigt,
Fig. 2 ist eine graphische Darstellung, die die thermische Leistung verschiedener zementhaltiger Zusammensetzungen zeigt,
Fig. 3 ist eine graphische Darstellung, die die thermische Leistung verschiedener zementhaltiger Zusammensetzungen zeigt, und
Fig. 4 ist ein Diagramm, das den experimentellen Aufbau zeigt, der zur Durchführung der nachfolgend beschriebenen Beispiele verwendet worden ist.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Jedes geeignete hydraulische Zementbindemittel kann erfindungsgemäß verwendet werden, wie Gips (sowohl nicht-hydratisiertes als auch hydratisiertes Gipshalbhydrat), Portlandzement, aluminiumhaltiger Zement und Puzzolanzement. Die bevorzugten Bindemittel sind Gips und Portlandzement. Vorzugsweise wird das Bindemittel in einer Menge von etwa 10 bis etwa 60 Gew.-% verwendet, insbesondere etwa 40 bis etwa 50 Gew.-%.
Die vorliegenden feuerfest machenden Zusammensetzungen enthalten vorzugsweise zerkleinertes expandiertes Polystyrol als weichen oder leichtgewichtigen Zuschlag. Der Zerkleinerungsgrad des expandierten Polystyrols entspricht vorzugsweise einer speziellen Teilchengrößenverteilung, ausgedrückt als Menge an Teilchen, die von einem Standardsieb Nr. 12 zurückgehalten werden (mit Löchern von 0,0661 Zoll Größe), und der Menge an Teilchen, die ein Standardsieb Nr. 30 passieren und mit einem Sieb Nr. 325 zurückgehalten werden, wie gemäß dem in US-A-4 989 464 beschriebenen Verfahren bestimmt wird. Geeignete Mengen an Teilchen, die auf dem Sieb Nr. 12 zurückgehalten werden, ausgedrückt in Gew.-%, betragen etwa 0 bis etwa 20%, wobei etwa 0 bis etwa 10% bevorzugt sind und weniger als etwa 8% besonders bevorzugt ist. Geeignete Mengen an Teilchen, die ein Sieb Nr. 30 (mit 0,0594 cm [0,0234 Zoll] Löchern) passieren und auf einem Sieb Nr. 325 (mit 0,0043 cm [0,0017 Zoll] Löchern) zurückgehalten werden, betragen weniger als etwa 40 Gew.-%, vorzugsweise weniger als etwa 30%, wobei etwa 14 bis 20% besonders bevorzugt sind. Die gewünschte Menge an Teilchen, die von dem Sieb Nr. 12 zurückgehalten wird, hängt teilweise von der Menge an Teilchen ab, die das Sieb Nr. 30 passieren und von dem Sieb Nr. 325 zurückgehalten werden.
Wenn die Menge an Teilchen, die von dem Sieb Nr. 12 zurückgehalten werden, weniger als etwa 8 Gew.-% beträgt, ist bevorzugt, daß die Menge an Teilchen, die das Sieb Nr. 30 passieren und von dem Sieb Nr. 325 zurückgehalten werden, weniger als etwa 30 Gew.-% beträgt. Die Menge an Polystyrol, die in den erfindungsgemäßen zementhaltigen Formulierungen vorhanden ist, beträgt etwa 0,5 bis etwa 3,5%, vorzugsweise etwa 1,0%. In der vorliegenden Beschreibung werden Teilchengrößen als US-mesh-Zahlen angegeben, d. h. der (Gewichts)prozentsatz Teilchen, die auf einem Sieb mit einer angegebenen Mesh-Zahl (Maschengröße) zurückgehalten werden. Die Größe der Löcher kann gemäß der folgenden Tabelle umgerechnet werden:
Da die vorliegenden feuerfest machenden Zusammensetzungen typischerweise als trockene Mischungen an die Baustelle transportiert werden und durch Zugabe einer geeigneten Menge an Wasser zu Aufschlämmungen gemacht werden, können sich die Herstellungs- und Aufbringungsverfahren über viele Stunden erstrecken und somit wird die Abbindezeit des Gemisches im allgemeinen stark verzögert, um eine akzeptable Feldtopfzeit zu liefern. Diese Verzögerung im Mischer steht der gewünschten raschen Abbindezeit bei Sprühaufbringung entgegen, und somit ist ein komplizierter Ausgleich aus Verzögerung und Beschleunigung schwierig zu erreichen. Wenn die Mischung im wesentlichen im Trichter steif würde, wäre sie offensichtlich nicht-pumpfähig gemacht und daher für die vorgesehene Anwendung nutzlos. Jedes Abbindebeschleunigungsmittel, das die Verzögerung der Aufschlämmung in befriedigender Weise ausgleichen würde, ohne dieselbe oder das Substrat, das Gegenstand der Anwendung ist, ernsthaft zu beeinträchtigen, kann verwendet werden. Beispiele für brauchbare Beschleuniger schließen Aluminiumsulfat, Aluminiumnitrat, Eisen(III)nitrat, Eisen(III)sulfat, Kaliumsulfat, Schwefelsäure, Natriumcarbonat, Natriumbicarbonat und Essigsäure ein, wobei Alaun besonders bevorzugt ist. Vorzugsweise wird Aluminiumsulfat-Abbindebeschleuniger als 37% Lösung verwendet und an der Sprühdüse in einer Menge von bis zu 3% in die Aufschlämmung injiziert.
Die vorliegende Erfindung ist anwendbar auf die Portlandzementtypen 1 bis 5, obwohl Typ 1 besonders bevorzugt ist. Für ein Produkt mit mittlerer Dichte hat die trockene Mischung dieser Zusammensetzungen eine Schüttdichte im Bereich von 160 bis 290 kg/m³ (10 bis 18 pcf), vorzugsweise im Bereich von 190 bis 240 kg/m³ (12 bis 15 pcf), und die am Ende vorhandene Trockendichte des Produkts liegt im Bereich von 240 bis 480 kg/m³ (15 bis 30 pcf), vorzugsweise im Bereich von 350 bis 415 kg/m³ (22 bis 26 pcf). Das trockene Material wird mit Wasser in einem Verhältnis von 1,3 : 1 bis 1,6 : 1 (Wasser: Feststoffe) gemischt. Bei dem Produkt mit hoher Dichte beträgt die am Ende vorhandene Dichte vorzugsweise etwa 640 bis 675 kg/m³ (40 bis 42 pcf). Zusätzlich können optionale Additive und Bestandteile zugesetzt werden, wie Glasfasern (zerhacktes Fiberglas) in einer Menge von etwa 0,5 bis 2,5%, vorzugsweise etwa 1,0%, um die Schrumpfung zu steuern, Methylcellulose oder andere geeignete Verdickungsmittel, die Fachleuten bekannt sind, in einer Menge von etwa 2 bis etwa 5%, vorzugsweise etwa 2,1%, Luftstabilisatoren wie Hydroxypropylmethylcellulose (THEM) in einer Menge von etwa 0,1 bis etwa 3%, Luftporenbildner wie Alkoholsulfat-Natriumsalz in einer Menge von etwa 0,1 bis etwa 3%, Polyvinylacetat in einer Menge von 0 bis etwa 5%, Ton in einer Menge von etwa 3 bis etwa 6% und Biozid zur Hemmung des Bakteriumwachstums.
Die vorliegende Erfindung ist auch anwendbar auf leichtere feuerfest machende Zusammensetzungen mit 256 bis 288 kg/m³ (16 bis 18 pcf), in denen Gips das zementartige Bindemittel ist. Für solche Anwendungen sind Zuschläge mit niedriger Dichte mit Hydratationswasser bevorzugt.
Gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird der Zuschlag mit Hydratationswasser in zementartigen feuerfest machenden Zusammensetzungen mit einer Dichte im Bereich von 640 bis 672 kg/m³ (40 bis 42 pcf) verwendet.
Geeignete Zuschläge mit Hydratationswasser schließen grob gemahlenen Gips, Bauxit, Zementklinker, Brucit und gekörntes Aluminiumhydroxid ein. Bauxit wird als Zuschlag mit Hydratationswasser verwendet, da er hervorragende thermische Effektivität besitzt. Bauxit kann allein oder in Kombination mit anderen Zuschlägen mit Hydratationswasser verwendet werden. Die Zuschläge tragen zur Effektivität des feuerfest machenden Materials auf Baustahl bei, indem seine Fähigkeit erhöht wird, als isolierende Sperre zwischen dem Feuer und dem Stahl zu wirken, und indem Energie über eine endotherme Reaktion absorbiert wird. Die endotherme Reaktion findet statt, wenn das in dem Zuschlag chemisch gebundene Wasser während des Erwärmens ausgetrieben wird. Der Zuschlag sollte vorzugsweise in einer Menge von 10 bis etwa 60 Gew.-%, insbesondere etwa 40 Gew.-% verwendet werden und sollte vorzugsweise die folgende Siebanalyse aufweisen:
Sieb Nr. zurückgehalten (kummulativ)
46 1% maximal
60 0 bis 35%
100 65% Mindestwert
200 95% Mindestwert
Der Zuschlag kann einen Teil oder den gesamten Sandzuschlag und/oder einen Teil des zementartigen Bindemittels ersetzen.

Beispiele

In den folgenden Beispielen wurde die Effektivität von Zuschlägen, die Hydratationswasser enthalten, bei Verwendung in feuerfest machenden Materialien auf Baustahl nach dem folgenden Verfahren bestimmt. Die feuerfest machenden Formulierungen wurden mit Wasser gemischt, mit feldtypischen Geräten gepumpt und direkt in eine Würfelform gesprüht. Nach dem Härten wurde der Würfel 10 aus der Form entfernt und im Ofen bei 50ºC (120ºF) getrocknet, bis konstantes Gewicht erhalten wurde.
Der Würfel 10 wurde dann unter Verwendung eines Aufhängestabs 15 und von Aufhängedrähten 16 in einem 30 · 60 cm (1' · 2') Ofen mit einem Duraboard-Rahmen 17, der von Isolierung 18 umgeben war, aufgehängt, wie in Fig. 4 gezeigt ist. Ein Temperaturfühler 12 wurde in der Mitte des Würfels angeordnet, um den Wärmedurchgang durch das Material hindurch zu messen. Zwei zusätzliche Temperaturfühler 13, 14 wurden auf jeder Seite des Würfels 10 in dem Ofen positioniert, um die Ofentemperatur zu überwachen.
Der Ofen wurde dann unter Verwendung der Standard-ASTM E- 119-Zeit/Temperatur-Kurve geheizt. Das Testen wurde aufrechterhalten, bis der Temperaturfühler 12 im Inneren des Würfels 600ºC (1000ºF) maß. Die Ausgabe der drei Temperaturfühler wurde unter Verwendung einer Standardvorrichtung zur Sammlung von elektronischen Daten aufgezeichnet.
Die erfindungsgemäßen feuerfest machenden Zusammensetzungen, die in den Beispielen getestet wurden, hatten die folgende Formulierung:
Komponente getestete Formulierung (%)
Zuschlag 35 bis 45
Portlandzement 40 bis 50
zerkleinertes Polystyrol 0,5 bis 1,5
zerhackte Fiberglasstränge 1 bis 3
pulverisierte Cellulose 1,5 bis 3
Hydroxypropylmethylcellulose 0,1 bis 0,5
Alkoholsulfat-Natriumsalz 0,1 bis 0,5
Polyvinylacetat 1,5 bis 3
Attapulgit/Sepiolit-Ton 3 bis 6
Der Zuschlag war ein Hydratationswasser enthaltender harter Zuschlag mit der folgenden Siebanalyse:
Sieb Nr. % zurückgehalten (kummulativ)
20 14,1
40 40,2 Mindestwert
60 54,2 Mindestwert
100 67,7 Mindestwert
200 100
Zusammensetzungen A bis D sind repräsentativ für den Stand der Technik, ebenso wie Zusammensetzung K, die auf Carboline 241 basiert und keinen Sand oder Hydratationswasser enthaltenden Zuschlag enthält. Die Zusammensetzung 0 des Standes der Technik enthält Sand als Zuschlag. Die Zusammensetzungen F bis J, M, N, P und Q sind weitere Zusammensetzungen und enthalten die folgenden als Zuschlag, wobei die Gesamtdichte der Zusammensetzung in Klammern angegeben ist:
F Zeolith (677 kg/m³ (42,3 pcf)) (Vergleich)
G grobes Aluminiumhydroxid (701 kg/m³ (43,8 pcf)) (Vergleich)
H Bauxit (737 kg/m³ (46,0 pcf)) (Erfindung)
I Klinker (750 kg/m³ (47,2 pcf)) (Vergleich)
J Un-X Perlit (779 kg/m³ (48,6 pcf)) (Vergleich)
M Gipssand (705 kg/m³ (44 pcf)) (Vergleich)
N Zementklinker (770 kg/m³ (48 pcf)) (Vergleich)
P Bauxit (640 kg/m³ (40 pcf)) (Erfindung)
Q Dolomit (640 kg/m³ (40 pcf)) (Vergleich)
Fig. 1 illustriert die thermische Leistung der feuerfest machenden Zusammensetzungen mit hoher Dichte A bis D (Dichten von 702, 676, 777 beziehungsweise 876 kg/m³) (43,8, 42,2, 48,5 beziehungsweise 54,7 pcf) mit Sandzuschlag im Vergleich zu einer feuerfest machenden Zusammensetzung auf Basis von Carboline 241 mit einer Dichte von 791 kg/m³ (49,4 pcf), jedoch ohne Sandzuschlag (E). Der Graph demonstriert die verbesserte thermische Leistung, die erreicht wird, wenn kein Sand als harter Zuschlag verwendet wird.
Fig. 2 ist ein graphischer Vergleich der thermischen Leistung von erfindungsgemäßen feuerfest machenden Zusammensetzungen (F bis J) im Vergleich mit einer feuerfest machenden Zusammensetzung auf Basis von Carboline 241, die keinen Sandzuschlag und keinen Zuschlag mit Hydratationswasser (K) enthält. Die thermische Leistung der Zusammensetzungen G und H (Erfindung) waren Zusammensetzung K überlegen, während Zusammensetzungen F und I mit Zusammensetzung K vergleichbar waren.
Fig. 3 ist eine graphische Darstellung verschiedener feuerfest machender Zusammensetzungen einschließlich Zuschlägen mit Hydratationswasser im Vergleich mit Zusammensetzung des Standes der Technik (O) mit Sand als einzigem hartem Zuschlag. Die Zusammensetzungen M, N und P (Erfindung) zeigten gute bis hervorragende thermische Leistung.

Claims

1. Sprühbare, feuerfest machende Zusammensetzung, die hydraulisches zementartiges Bindemittel und Hydratationswasser enthaltenden harten Zuschlag umfaßt, der Bauxit umfaßt, wobei das zementartige Bindemittel in einer Menge von mindestens 10% vorhanden ist, bezogen auf die trockenen Komponenten.

2. Sprühbare, feuerfest machende Zusammensetzung nach Anspruch 1, die außerdem zerkleinertes Polystyrol umfaßt.

3. Trockenzusammensetzung, die hydraulisches zementartiges Bindemittel in einer Menge von mindestens 10 Gew.-% der trockenen Zusammensetzung und Hydratationswasser enthaltenden harten Zuschlag umfaßt, der Bauxit ist, wobei die Zusammensetzung bei Zugabe von Wasser eine abbindende Aufschlämmung ergibt, die durch Sprühen auf ein Stahlsubstrat aufbringbar ist und die nach Sprühaufbringung im aufgeschlämmten Zustand und nach dem Abbinden an dem Substrat haftet.

4. Trockenzusammensetzung nach Anspruch 3, die außerdem zerkleinertes Polystyrol als Zuschlag enthält.

5. Verfahren zum Aufbringen einer sprühbaren, feuerfest machenden Zusammensetzung auf ein Stahlsubstrat, bei dem eine Mischung, die hydraulisches zementartiges Bindemittel in einer Menge von mindestens 10 Gew.-% und Hydratationswasser enthaltenden harten Zuschlag umfaßt, der Bauxit umfaßt, trocken gemischt wird, Wasser zugefügt wird, um eine sprühbare Aufschlämmung zu bilden, die Aufschlämmung zu einer Sprühdüse gefördert wird, Abbindebeschleunigungsmittel in enger Nähe zu der Düse in die Aufschlämmung eingebracht wird und die Aufschlämmung auf das Substrat gesprüht wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die Mischung auch zerkleinertes Polystyrol enthält.