CN109020449B - 一种秸秆纤维增强的喷涂式磷石膏基防火砂浆及其制备方法和应用 - Google Patents

一种秸秆纤维增强的喷涂式磷石膏基防火砂浆及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种秸秆纤维增强的喷涂式磷石膏基防火砂浆及其制备方法和应用，属于建筑材料技术领域。本发明的一种秸秆纤维增强的喷涂式磷石膏基防火砂浆，由以下原材料按照重量百分比配制而成：复合胶凝材料65～85％，轻质细集料10～30％，碳纤维0.6～2.8％，秸秆纤维0.2～1.5％，高分子聚合物0.4～2.5％，有机硅烷偶联剂0.8～2.4％，高性能复配减水剂0.1～0.5％。采用本发明的技术方案可以有效提高砂浆的防火能力，从而降低钢结构建筑发生火灾的风险，同时该砂浆材料施工使用简便，与钢结构建筑的结合牢固。

Description

一种秸秆纤维增强的喷涂式磷石膏基防火砂浆及其制备方法 和应用
技术领域
本发明属于建筑材料技术领域，更具体地说，涉及一种秸秆纤维增强的喷涂式磷石膏基轻质防火砂浆及其制备方法和应用。
背景技术
钢结构建筑在国外(尤其是欧美、日本等国)已有上百年的历史，且占其国内总建筑量的50％以上，而在中国国内，钢结构建筑至今尚未形成规模。然而随着中国国内钢产量的过剩，以及钢材具有的强度高、延性好等优点决定了钢结构建筑具备自重轻、抗震性能好、承载能力大的特性，同时钢结构具有可场内加工，施工周期短，材料又是可回收利用等诸多优势。
在国家政策的引导作用下，国内建筑业未来发展方向将会偏重于绿色、可持续发展方向。由于装配式钢结构建筑能够有效减少室外作业造成的大气、环境污染，具有节材、节地、绿色可持续等优势，因此受到了国内建筑行业的关注。虽然钢结构存在诸多优点，但钢结构建筑同时也存在耐火极限较低，保温隔热性能差，容易腐蚀等不足。钢结构建筑物一旦发生火灾，其火势并不能在短时间内扑灭，由于钢结构的耐火极限低，如果不采取防火保护措施，将使建筑物迅速达到耐火极限，从而失去承载力，易造成较大的经济损失和严重的人员伤亡。
目前，现有技术中主要是通过使用防火涂料、在钢结构构件四周浇筑混凝土或砌筑耐火砖、采用耐火轻质板材进行包覆等技术来提高钢结构建筑的防火性能。虽然防火涂料施工简便、重量轻、耐火时间长，且不受钢构件几何形状限制，具有较好的经济性和实用性，但遇火时会有有毒有害气体产生，涂料使用寿命低于钢结构设计年限，大部分不符合环保要求。在钢结构构件四周浇筑混凝土或砌筑耐火砖的方法比较可靠，但较适合于钢柱的保护，对于梁等其他构件，施工较麻烦且自重大，对于初期升温很快的火灾也不太适用，在高温作用下容易发生崩裂现象。采用硅酸钙板、珍珠岩板、石棉水泥板、石膏板等耐火轻质板材进行包覆，具有施工方便、成本低、干法施工和耐久、施工质量易控制等优点。但珍珠岩板容重小，使用最高温度只有650℃～850℃，很难达到钢结构耐火保护的目的；同时防火板材同样存在寿命短的缺陷，这种方法对节点处理的要求较高。
在以上现状的基础上，目前已有研究者研究通过采用防火保温砂浆来提高钢结构建筑的防火性能。如，中国专利申请号为201510591678.6的申请案公开了一种防火保温干粉砂浆及其制备方法，该申请案的防火保温干粉砂浆由复合胶凝材料、轻骨料、掺合料、化学添加剂以及有机聚合物添加剂组成，其中，复合胶凝材料包括水泥和副产石膏，轻骨料为硅酸铝玻化微珠，掺合料包括高铝粉煤灰、膨胀蛭石以及高炉矿渣，化学添加剂包括硅酸镁铝、改性海藻胶粉、醋酸乙烯-叔碳酸乙烯-丙烯酸聚合物胶粉以及2-萘磺酸钠甲醛聚合物，有机聚合物添加剂为羟丙基甲基纤维素。
又如，中国专利申请号为200910112079.6的申请案公开了一种无机保温干粉砂浆，其重量百分比为：无机胶凝材料30-95％，轻质骨料5-70％，添加剂0-10％；而无机胶凝材料包括脱硫石膏与水泥，二者之间的重量比：脱硫石膏75％-90％，水泥10％-25％；轻质骨料为憎水型膨胀珍珠岩或玻化微珠或二者的混合体，而添加剂包括复合缓凝剂、保水剂、增稠剂、胶粘剂、增强剂。
上述两该申请案在一定程度上均能够提高砂浆材料的防火保温性能，但其防火能力及机械强度仍有待进一步提高。
发明内容
1.发明要解决的技术问题
本发明的目的在于克服现有钢结构建筑的防火性能相对较差的不足，提供了一种秸秆纤维增强的喷涂式磷石膏基轻质防火砂浆及其制备方法和应用。采用本发明的技术方案可以有效提高砂浆的防火能力，从而降低钢结构建筑发生火灾的风险，同时该砂浆材料施工使用简便，与钢结构建筑的结合牢固。
2.技术方案
为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
其一，本发明的一种秸秆纤维增强的喷涂式磷石膏基防火砂浆，由以下原材料按照重量百分比配制而成：
更进一步的，所述复合胶凝材料由改性磷石膏、改性耐火水泥和蓝晶石矿物微粉组成，且三者的质量比为6:4:5～10:4:7。
更进一步的，所述改性磷石膏是采用质量分数3～5％的30～45℃的草酸水溶液溶解磷石膏，经搅拌后置于超声设备中超声25～35min，然后经过滤、水洗后置于30～40℃下烘干而成的；所述改性耐火水泥，是将纳米碳化硅和耐火水泥进行搅拌和超声波分散处理得到的，其中耐火水泥为低钙铝酸盐耐火水泥或钙镁铝酸盐水泥，且纳米碳化硅和耐火水泥的质量比为1:17～20；所述蓝晶石矿物微粉中蓝晶石的质量占比为40～55％。
更进一步的，所述轻质细集料由矿渣微粉陶砂、中空玻化微珠和蛭石粉组成，三者的质量比为1:1:1～2:4:1。
更进一步的，所述矿渣微粉陶砂的制备工艺为：先将矿渣进行破碎，其粒度控制在≤7mm，然后加入低品位镁渣粉(镁含量小于45％)进行配料计量，通过带烘干的球磨机粉磨，再制成3mm以下粒径的料球，然后通过变径回转窑于980℃～1100℃下烧胀处理2～3小时后冷却4～6小时，最后通过多级振动筛筛选出粒径在5㎜以下的矿渣微粉陶砂，优选粒径为2～4.5mm；所述中空玻化微珠的粒径为0.5～2mm，密度为100～300kg/m3，所述蛭石粉的粒径为0.2～0.5mm。
更进一步的，所述有机硅烷偶联剂采用乙烯基三甲氧基硅烷或乙烯基三乙氧基硅烷粉体，所述高性能复配减水剂是由聚羧酸酯类高性能减水剂和脂肪醇磺酸盐高效减水剂复配而成的，其复配质量比例为1:3～1:5，所述高分子聚合物为可再分散胶粉、甲基纤维素(CMC)、羧丙基甲基纤维素(HPMC)和聚乙二醇(PEG)中的一种或一种以上的复合。
更进一步的，所述碳纤维的强度为1.5～2.5GPa，模量为220～250GPa，长度为2～5mm；所述秸秆纤维是通过将稻草秸秆、小麦秸秆或玉米秸秆粉碎后采用20～25℃的碳酸钠溶液碱化预处理2～3小时，然后于30～40℃下超声清洗过滤0.5～1小时后采用20～25℃柠檬酸中和处理0.5～1小时，最后于90～120℃下烘干加工后制成的，该秸秆纤维的长度为0.5～3mm，密度为300～550kg/m3。
其二，本发明的一种秸秆纤维增强的喷涂式磷石膏基防火砂浆的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、复合胶凝材料和轻质细集料的制备：先将复合胶凝材料按质量配比复合搅拌4～7分钟装袋待用，再将轻质细集料按质量配比混合搅拌7～9分钟装袋待用；
步骤二、将制备好的复合胶凝材料置于搅拌设备内搅拌2～3分钟，然后按质量配比向其中加入轻质细集料继续搅拌4～6分钟，之后再投入高分子聚合物搅拌3～5分钟；
步骤三、继续向搅拌设备中投入有机硅烷偶联剂和高性能复配减水剂，搅拌8～10分钟；最后投入碳纤维和秸秆纤维，继续搅拌4～6分钟，即得到秸秆纤维增强的喷涂式磷石膏基轻质防火砂浆干粉料。
其三，本发明的一种秸秆纤维增强的喷涂式磷石膏基防火砂浆的应用，将所述防火砂浆直接应用于钢结构建筑。
更进一步的，具体的，将防火砂浆干粉料投入自动搅拌喷涂一体化设备中，搅拌4-5分钟，再加适量水搅拌后进行喷涂施工即可，其中加水量与干粉料的重量比为1:1～3，优选为1:1.6；加水搅拌至稠度为85～102，优选稠度为96。
3.有益效果
采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下显著效果：
(1)本发明的一种秸秆纤维增强的喷涂式磷石膏基防火砂浆，通过对砂浆的组分与配比进行优化设计，在各组分的共同作用及相互配合下，可以有效提高砂浆材料的防火能力，同时还能够保证该砂浆具有较高的结构强度及粘结强度，同时该防火砂浆还具有良好的保温隔声性能，能够调节空气干湿度，提高舒适度。
(2)本发明的一种秸秆纤维增强的喷涂式磷石膏基防火砂浆，尤其通过对复合胶凝材料及轻质细集料的组分、配比进行优化设计，以矿渣微粉陶砂、中空玻化微珠和蛭石粉为骨架材料，以改性磷石膏、改性耐火水泥和蓝晶石矿物微粉为胶凝材料，从而可以保证该砂浆同时具有优良的防火能力、机械性能和粘接强度。具体的，通过改性耐火水泥、中空玻化微珠、蛭石粉和蓝晶石矿物微粉的配合可以有效提高砂浆的防火温度及保温效果，而矿渣微粉陶砂、蛭石粉和改性磷石膏的复合则可以保证所得砂浆的抗压、抗折强度等机械性能，改性磷石膏、改性耐火水泥和蓝晶石矿物微粉三者的复合则可以有效保证该砂浆与钢结构之间的粘接强度。
(3)本发明的一种秸秆纤维增强的喷涂式磷石膏基防火砂浆，其中的蛭石粉和蓝晶石矿物微粉在高温下可发生体积膨胀，增加体积约8～15％，形成均匀而致密的蜂窝状或海绵状的无机质泡沫层，使得钢结构等建筑物与火焰有效隔绝开来，从而有利于提高防火强度，对可燃基材具有良好的保护作用。
(4)本发明的一种秸秆纤维增强的喷涂式磷石膏基防火砂浆，通过向其中添加一定量的有机硅烷偶联剂，防火砂浆粉料经加水搅拌后，有机硅烷偶联剂中的亲无机物基团与无机类成分的化学基团迅速反应，形成强固的化学键合，有机硅烷偶联剂中的亲有机物基团可与有机类成分反应或物理缠绕，从而使防火砂浆中有机类(高性能复配减水剂、高分子聚合物、秸秆纤维)与无机类成分(复合胶凝材料、轻质细骨料、碳纤维)的界面实现化学键连接，大幅度提高粘接强度，同时亲无机物基团还能与钢材有效连接，进一步保证砂浆与钢结构的牢固粘接。另外，本发明通过对磷石膏和耐火水泥进行改性处理，从而还可以进一步提高对砂浆中各组分之间的胶凝效果。
(5)本发明的一种秸秆纤维增强的喷涂式磷石膏基防火砂浆，通过向其中添加适量的碳纤维和秸秆纤维，从而可以保证该砂浆具有良好的抵抗拉伸变形能力，特别是通过有硅烷偶联剂的亲无机官能团和亲有机官能团将两者有效紧密连接起来形成3D状态纤维球，使防火砂浆更有韧性，抗裂增韧效果显著，能节约大量资源，且其比重较轻。
(6)本发明的一种秸秆纤维增强的喷涂式磷石膏基防火砂浆，通过选用特定的高性能复配减水剂，减水率达到16～28％，减水效果非常好，不引气，且对凝结时间基本没影响，与石膏的适应性很好，能与其他各种外加剂复合使用，具有保水效果优良，砂浆内粘聚力高的优点。
(7)本发明的一种秸秆纤维增强的喷涂式磷石膏基防火砂浆，其中农作废弃物和工业废弃物的大量应用，大大降低了生产成本，并实现了固体废弃物和农作物废弃物的回收利用，有利于环保。另外，本发明的砂浆材料可直接与水混合后进行喷涂使用，使用简便，且砂浆与钢结构的粘结强度较高。
(8)本发明的一种秸秆纤维增强的喷涂式磷石膏基防火砂浆的制备方法，通过对防火砂浆的组分、配比以及各组分的混合添加顺序、搅拌时间等工艺参数进行优化设计，从而可以有效提高所得砂浆的防火能力及机械性能，同时，该砂浆还具有使用寿命长，具有良好的保温隔声性能，能够调节空气干湿度，提高舒适度，与钢结构的粘结强度高，防腐蚀，施工简便，自重轻等优点，便于推广应用。
(9)本发明的一种秸秆纤维增强的喷涂式磷石膏基防火砂浆的应用，直接将砂浆粉料与水混合后进行喷涂即可，操作简便，且使用性能优良。
具体实施方式
本发明的一种秸秆纤维增强的喷涂式磷石膏基防火砂浆，由以下原材料按照重量百分比配制而成：复合胶凝材料65～85％，轻质细集料10～30％，碳纤维0.6～2.8％，秸秆纤维0.2～1.5％，高分子聚合物0.4～2.5％，有机硅烷偶联剂0.8～2.4％，高性能复配减水剂0.1～0.5％。
针对钢结构建筑的防火能力较差，存在较大火灾风险，以及现有防火砂浆的防火能力有待进一步提高的问题，本申请的发明人通过大量实验研究，对防火砂浆的组成及配比进行优化设计，通过各组分的配合与共同作用，尤其是通过改性耐火水泥、中空玻化微珠、蛭石粉和蓝晶石矿物微粉的配合，从而可以有效提高所得砂浆的防火能力，其防火温度较高，高达1200℃以上。其中，蛭石粉和蓝晶石矿物微粉在高温下可发生体积膨胀，增加体积约8～15％，形成均匀而致密的蜂窝状或海绵状的无机质泡沫层，使得钢结构等建筑物与火焰有效隔绝开来，从而有利于提高防火强度，对可燃基材具有良好的保护作用。但需要说明的是，由于中空玻化微珠、蛭石粉等为多孔结构，且蛭石粉和蓝晶石矿物微粉在高温下会发生体积膨胀，从而会影响所得砂浆材料的机械强度及其与钢结构之间的粘结强度，因此，如何在有效保证防火能力的基础上保证所得砂浆同时具有优良的机械强度和粘结强度是本发明的难点。
针对以上问题，本发明一方面对复合胶凝材料及轻质细集料的组分、配比进行优化设计，以矿渣微粉陶砂、中空玻化微珠和蛭石粉的混合物作为轻质细集料，以改性磷石膏、改性耐火水泥和蓝晶石矿物微粉的混合物作为胶凝材料，从而提高砂浆的机械强度以及各组分之间的胶凝效果。具体的，通过矿渣微粉陶砂、蛭石粉和改性磷石膏的共同作用可以保证所得砂浆的抗压、抗折强度等机械性能，通过改性磷石膏、改性耐火水泥和蓝晶石矿物微粉三者的复合则可以有效保证砂浆中各组分之间的胶凝效果以及该砂浆与钢结构之间的粘接强度。另一方面，本发明通过向砂浆中添加适量的乙烯基三甲氧基硅烷或乙烯基三乙氧基硅烷有机硅烷偶联剂，防火砂浆粉料经加水搅拌后，有机硅烷偶联剂中的亲无机物基团与无机类成分的化学基团迅速反应，形成强固的化学键合，有机硅烷偶联剂中的亲有机物基团可与有机类成分反应或物理缠绕，从而使防火砂浆中有机类(高性能复配减水剂、高分子聚合物、秸秆纤维)与无机类成分(复合胶凝材料、轻质细骨料、碳纤维)的界面实现化学键连接，大幅度提高粘接强度，同时亲无机物基团还能与钢材有效连接，从而进一步保证了砂浆与钢结构的牢固粘接。另外，本发明通过对磷石膏和耐火水泥进行改性处理，从而还可以进一步提高对砂浆中各组分之间的胶凝效果。
综上所述，本发明通过对防火砂浆的组分、配比进行优化设计，从而可以有效提高所得砂浆的防火能力及机械性能，同时，该砂浆还具有使用寿命长，与钢结构的粘结强度高，施工简便，自重轻等优点。其中，轻质细集料的级配合理，有利于提高砂浆的抗压强度，且其均为多孔材料，使得砂浆具有良好的保温隔声性能，能够调节空气干湿度，提高舒适度。同时，通过改性耐火水泥、蓝晶石矿物微粉、轻质细集料、有机硅烷偶联剂的配合还会极大地提高产品的强度、防腐蚀、耐高低温等性能。另外，本发明的砂浆粉料与水混合后可直接进行喷涂使用，使用简便，且喷涂时不会出现堵管和喷涂后流挂、滑落等现象，便于推广应用。
为进一步了解本发明的内容，下面结合实施例对本发明作进一步的描述。
实施例1
本实施例的秸秆纤维增强的喷涂式磷石膏基防火砂浆，由以下原材料按照重量百分比配制而成：
其中，复合胶凝材料中改性磷石膏、改性耐火水泥和蓝晶石矿物微粉的质量比为6:4:5，改性磷石膏是采用质量分数3％的30℃的草酸水溶液溶解磷石膏，经搅拌后置于超声设备中超声25min，然后经过滤、水洗后置于30℃下烘干而成的；所述改性耐火水泥，是将纳米碳化硅和耐火水泥进行搅拌和超声波分散处理得到的，其中耐火水泥为低钙铝酸盐耐火水泥或钙镁铝酸盐水泥，且纳米碳化硅和耐火水泥的质量比为1:17；所述蓝晶石矿物微粉中蓝晶石的质量占比为40％。
本实施例中轻质细集料由矿渣微粉陶砂、中空玻化微珠和蛭石粉组成，三者的质量比为1:1:1，所述矿渣微粉陶砂的制备工艺为：先将矿渣进行破碎，其粒度控制在≤7mm，然后加入低品位镁渣粉(镁含量小于45％)进行配料计量，通过带烘干的球磨机粉磨，再制成3mm以下粒径的料球，然后通过变径回转窑于995℃下烧胀处理2.5小时后冷却5.5小时，最后通过多级振动筛筛选出粒径在5㎜以下的矿渣微粉陶砂，优选粒径为3mm；所述中空玻化微珠的粒径为1.8mm，密度为260kg/m3，所述蛭石粉的粒径为0.3mm。
所述有机硅烷偶联剂采用乙烯基三甲氧基硅烷，所述高性能复配减水剂是由聚羧酸酯类高性能减水剂和脂肪醇磺酸盐高效减水剂复配而成的，其复配质量比例为1:3，所述高分子聚合物为可再分散胶粉。所述碳纤维的强度为1.5GPa，模量为220GPa，长度为2mm；所述秸秆纤维是通过将稻草秸秆粉碎后采用20℃的碳酸钠溶液碱化预处理2小时，然后于30℃下超声清洗过滤0.5小时后采用20℃柠檬酸中和处理0.5小时，最后于90℃下烘干加工后制成的，该秸秆纤维的长度为0.5mm，密度为300kg/m3。
本实施例的秸秆纤维增强的喷涂式磷石膏基防火砂浆的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、复合胶凝材料和轻质细集料的制备：先将复合胶凝材料按质量配比复合搅拌5分钟装袋待用，再将轻质细集料按质量配比混合搅拌7分钟装袋待用；
步骤二、将制备好的复合胶凝材料置于搅拌设备内搅拌3分钟，然后按质量配比向其中加入轻质细集料继续搅拌5分钟，之后再投入高分子聚合物搅拌3分钟；
步骤三、继续向搅拌设备中投入有机硅烷偶联剂和高性能复配减水剂，搅拌10分钟；最后投入碳纤维和秸秆纤维，继续搅拌4分钟，即得到秸秆纤维增强的喷涂式磷石膏基轻质防火砂浆干粉料。
本实施例的秸秆纤维增强的喷涂式磷石膏基防火砂浆的应用，具体的，将防火砂浆干粉料投入自动搅拌喷涂一体化设备中，搅拌5分钟，再加适量水搅拌后进行喷涂施工即可，其中加水量与干粉料的重量比为1:1.6；加水搅拌至稠度为96。
实施例2
本实施例的秸秆纤维增强的喷涂式磷石膏基防火砂浆，由以下原材料按照重量百分比配制而成：
其中，复合胶凝材料中改性磷石膏、改性耐火水泥和蓝晶石矿物微粉的质量比为10:4:7，改性磷石膏是采用质量分数4％的35℃的草酸水溶液溶解磷石膏，经搅拌后置于超声设备中超声28min，然后经过滤、水洗后置于32℃下烘干而成的；所述改性耐火水泥，是将纳米碳化硅和耐火水泥进行搅拌和超声波分散处理得到的，其中耐火水泥为低钙铝酸盐耐火水泥或钙镁铝酸盐水泥，且纳米碳化硅和耐火水泥的质量比为1:20；所述蓝晶石矿物微粉中蓝晶石的质量占比为55％。
本实施例中轻质细集料由矿渣微粉陶砂、中空玻化微珠和蛭石粉组成，三者的质量比为2:4:1，所述矿渣微粉陶砂的制备工艺为：先将矿渣进行破碎，其粒度控制在≤7mm，然后加入低品位镁渣粉(镁含量小于45％)进行配料计量，通过带烘干的球磨机粉磨，再制成3mm以下粒径的料球，然后通过变径回转窑于1080℃下烧胀处理2.8小时后冷却4.5小时，最后通过多级振动筛筛选出粒径在5㎜以下的矿渣微粉陶砂，优选粒径为3.5mm；所述中空玻化微珠的粒径为2mm，密度为180kg/m3，所述蛭石粉的粒径为0.5mm。
所述有机硅烷偶联剂采用乙烯基三乙氧基硅烷粉体，所述高性能复配减水剂是由聚羧酸酯类高性能减水剂和脂肪醇磺酸盐高效减水剂复配而成的，其复配质量比例为1:4，所述高分子聚合物为甲基纤维素(CMC)。所述碳纤维的强度为1.7GPa，模量为230GPa，长度为3mm；所述秸秆纤维是通过将小麦秸秆粉碎后采用22℃的碳酸钠溶液碱化预处理3小时，然后于320℃下超声清洗过滤0.8小时后采用22℃柠檬酸中和处理0.8小时，最后于110℃下烘干加工后制成的，该秸秆纤维的长度为3mm，密度为320kg/m3。
本实施例的秸秆纤维增强的喷涂式磷石膏基防火砂浆的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、复合胶凝材料和轻质细集料的制备：先将复合胶凝材料按质量配比复合搅拌7分钟装袋待用，再将轻质细集料按质量配比混合搅拌8分钟装袋待用；
步骤二、将制备好的复合胶凝材料置于搅拌设备内搅拌2分钟，然后按质量配比向其中加入轻质细集料继续搅拌5分钟，之后再投入高分子聚合物搅拌3分钟；
步骤三、继续向搅拌设备中投入有机硅烷偶联剂和高性能复配减水剂，搅拌8分钟；最后投入碳纤维和秸秆纤维，继续搅拌4分钟，即得到秸秆纤维增强的喷涂式磷石膏基轻质防火砂浆干粉料。
本实施例的秸秆纤维增强的喷涂式磷石膏基防火砂浆的应用，具体的，将防火砂浆干粉料投入自动搅拌喷涂一体化设备中，搅拌4分钟，再加适量水搅拌后进行喷涂施工即可，其中加水量与干粉料的重量比为1:1.6；加水搅拌至稠度为96。
实施例3
本实施例的秸秆纤维增强的喷涂式磷石膏基防火砂浆，由以下原材料按照重量百分比配制而成：
其中，复合胶凝材料中改性磷石膏、改性耐火水泥和蓝晶石矿物微粉的质量比为4:2:3，改性磷石膏是采用质量分数5％的40℃的草酸水溶液溶解磷石膏，经搅拌后置于超声设备中超声32min，然后经过滤、水洗后置于38℃下烘干而成的；所述改性耐火水泥，是将纳米碳化硅和耐火水泥进行搅拌和超声波分散处理得到的，其中耐火水泥为低钙铝酸盐耐火水泥或钙镁铝酸盐水泥，且纳米碳化硅和耐火水泥的质量比为1:18；所述蓝晶石矿物微粉中蓝晶石的质量占比为52％。
本实施例中轻质细集料由矿渣微粉陶砂、中空玻化微珠和蛭石粉组成，三者的质量比为2:3:1，所述矿渣微粉陶砂的制备工艺为：先将矿渣进行破碎，其粒度控制在≤7mm，然后加入低品位镁渣粉(镁含量小于45％)进行配料计量，通过带烘干的球磨机粉磨，再制成3mm以下粒径的料球，然后通过变径回转窑于1100℃下烧胀处理3小时后冷却6小时，最后通过多级振动筛筛选出粒径在5㎜以下的矿渣微粉陶砂，优选粒径为4mm；所述中空玻化微珠的粒径为1.5mm，密度为150kg/m3，所述蛭石粉的粒径为0.4mm。
所述有机硅烷偶联剂采用乙烯基三甲氧基硅烷，所述高性能复配减水剂是由聚羧酸酯类高性能减水剂和脂肪醇磺酸盐高效减水剂复配而成的，其复配质量比例为1:5，所述高分子聚合物为羧丙基甲基纤维素(HPMC)。所述碳纤维的强度为1.9GPa，模量为233GPa，长度为4mm；所述秸秆纤维是通过将玉米秸秆粉碎后采用23℃的碳酸钠溶液碱化预处理2.5小时，然后于34℃下超声清洗过滤0.7小时后采用23℃柠檬酸中和处理1小时，最后于102℃下烘干加工后制成的，该秸秆纤维的长度为2.5mm，密度为370kg/m3。
本实施例的秸秆纤维增强的喷涂式磷石膏基防火砂浆的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、复合胶凝材料和轻质细集料的制备：先将复合胶凝材料按质量配比复合搅拌6分钟装袋待用，再将轻质细集料按质量配比混合搅拌9分钟装袋待用；
步骤二、将制备好的复合胶凝材料置于搅拌设备内搅拌2分钟，然后按质量配比向其中加入轻质细集料继续搅拌6分钟，之后再投入高分子聚合物搅拌5分钟；
步骤三、继续向搅拌设备中投入有机硅烷偶联剂和高性能复配减水剂，搅拌8分钟；最后投入碳纤维和秸秆纤维，继续搅拌6分钟，即得到秸秆纤维增强的喷涂式磷石膏基轻质防火砂浆干粉料。
本实施例的秸秆纤维增强的喷涂式磷石膏基防火砂浆的应用，具体的，将防火砂浆干粉料投入自动搅拌喷涂一体化设备中，搅拌5分钟，再加适量水搅拌后进行喷涂施工即可，其中加水量与干粉料的重量比为1:3，加水搅拌至稠度为94。
对比例1
本对比例的防火砂浆，由以下原材料按照重量百分比配制而成：石膏77％，轻质细集料19％，碳纤维1.2％，秸秆纤维0.5％，高分子聚合物0.9％，有机硅烷偶联剂1.2％，高性能复配减水剂0.2％。本对比例中轻质细集料、高分子聚合物、有机硅烷偶联剂及高性能复配减水剂的种类均与实施例1相同。
对比例2
本对比例的防火砂浆，由以下原材料按照重量百分比配制而成：复合胶凝材料77％，膨胀珍珠岩19％，碳纤维1.2％，秸秆纤维0.5％，高分子聚合物0.9％，有机硅烷偶联剂1.2％，高性能复配减水剂0.2％。本对比例中复合胶凝材料、高分子聚合物、有机硅烷偶联剂及高性能复配减水剂的种类均与实施例2相同。
对比例3
本对比例的防火砂浆，由以下原材料按照重量百分比配制而成：复合胶凝材料84％，轻质细集料13％，碳纤维1.4％，秸秆纤维0.3％，高分子聚合物1.0％，高性能复配减水剂0.3％。本对比例中复合胶凝材料、轻质细集料、高分子聚合物和高性能复配减水剂的种类均与实施例1相同。
对比例4
本对比例的防火砂浆，其原料组成及配比基本同实施例1，其区别主要在于：本对比例中的复合胶凝材料由磷石膏和蓝晶石矿物微粉组成，轻质细集料由矿渣微粉陶砂和蛭石粉组成。
分别对三个实施例产品的理化性能进行检测，检测结果见表1，由表1可以看出，采用本发明的秸秆纤维增强的喷涂式磷石膏基防火砂浆的组分及配比，不仅能有效提高砂浆的防火能力，同时还能够有效保证砂浆的抗压、抗折强度等机械性能以及与钢结构之间的粘结强度。
表1实施例1-3及对比例1和对比例2中砂浆的理化性能
实施例4
本实施例的秸秆纤维增强的喷涂式磷石膏基防火砂浆，由以下原材料按照重量百分比配制而成：
其中，复合胶凝材料中改性磷石膏、改性耐火水泥和蓝晶石矿物微粉的质量比为7:4:5，改性磷石膏是采用质量分数4％的45℃的草酸水溶液溶解磷石膏，经搅拌后置于超声设备中超声35min，然后经过滤、水洗后置于40℃下烘干而成的；所述改性耐火水泥，是将纳米碳化硅和耐火水泥进行搅拌和超声波分散处理得到的，其中耐火水泥为低钙铝酸盐耐火水泥或钙镁铝酸盐水泥，且纳米碳化硅和耐火水泥的质量比为1:19；所述蓝晶石矿物微粉中蓝晶石的质量占比为50％。
本实施例中轻质细集料由矿渣微粉陶砂、中空玻化微珠和蛭石粉组成，三者的质量比为2:4:1，所述矿渣微粉陶砂的制备工艺为：先将矿渣进行破碎，其粒度控制在≤7mm，然后加入低品位镁渣粉(镁含量小于45％)进行配料计量，通过带烘干的球磨机粉磨，再制成3mm以下粒径的料球，然后通过变径回转窑于1100℃下烧胀处理2.5小时后冷却5小时，最后通过多级振动筛筛选出粒径在5㎜以下的矿渣微粉陶砂，优选粒径为4.5mm；所述中空玻化微珠的粒径为1mm，密度为300kg/m3，所述蛭石粉的粒径为0.3mm。
所述有机硅烷偶联剂采用乙烯基三乙氧基硅烷粉体，所述高性能复配减水剂是由聚羧酸酯类高性能减水剂和脂肪醇磺酸盐高效减水剂复配而成的，其复配质量比例为2:7，所述高分子聚合物为可再分散胶粉和聚乙二醇(PEG)的复合。所述碳纤维的强度为2.2GPa，模量为242GPa，长度为5mm；所述秸秆纤维是通过将稻草秸秆粉碎后采用25℃的碳酸钠溶液碱化预处理2.8小时，然后于38℃下超声清洗过滤0.6小时后采用25℃柠檬酸中和处理0.9小时，最后于108℃下烘干加工后制成的，该秸秆纤维的长度为1.8mm，密度为450kg/m3。
本实施例的秸秆纤维增强的喷涂式磷石膏基防火砂浆的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、复合胶凝材料和轻质细集料的制备：先将复合胶凝材料按质量配比复合搅拌5分钟装袋待用，再将轻质细集料按质量配比混合搅拌8分钟装袋待用；
步骤二、将制备好的复合胶凝材料置于搅拌设备内搅拌3分钟，然后按质量配比向其中加入轻质细集料继续搅拌5分钟，之后再投入高分子聚合物搅拌4分钟；
步骤三、继续向搅拌设备中投入有机硅烷偶联剂和高性能复配减水剂，搅拌10分钟；最后投入碳纤维和秸秆纤维，继续搅拌5分钟，即得到秸秆纤维增强的喷涂式磷石膏基轻质防火砂浆干粉料，本实施例所得防火砂浆的性能参数与实施例2较为接近。
本实施例的秸秆纤维增强的喷涂式磷石膏基防火砂浆的应用，具体的，将防火砂浆干粉料投入自动搅拌喷涂一体化设备中，搅拌4分钟，再加适量水搅拌后进行喷涂施工即可，其中加水量与干粉料的重量比为1:2，加水搅拌至稠度为90。
实施例5
本实施例的秸秆纤维增强的喷涂式磷石膏基防火砂浆，由以下原材料按照重量百分比配制而成：
其中，复合胶凝材料中改性磷石膏、改性耐火水泥和蓝晶石矿物微粉的质量比为9:4:7，改性磷石膏是采用质量分数3％的38℃的草酸水溶液溶解磷石膏，经搅拌后置于超声设备中超声30min，然后经过滤、水洗后置于35℃下烘干而成的；所述改性耐火水泥，是将纳米碳化硅和耐火水泥进行搅拌和超声波分散处理得到的，其中耐火水泥为低钙铝酸盐耐火水泥或钙镁铝酸盐水泥，且纳米碳化硅和耐火水泥的质量比为1:18；所述蓝晶石矿物微粉中蓝晶石的质量占比为44％。
本实施例中轻质细集料由矿渣微粉陶砂、中空玻化微珠和蛭石粉组成，三者的质量比为1:1:1，所述矿渣微粉陶砂的制备工艺为：先将矿渣进行破碎，其粒度控制在≤7mm，然后加入低品位镁渣粉(镁含量小于45％)进行配料计量，通过带烘干的球磨机粉磨，再制成3mm以下粒径的料球，然后通过变径回转窑于980℃℃下烧胀处理2小时后冷却4小时，最后通过多级振动筛筛选出粒径在5㎜以下的矿渣微粉陶砂，优选粒径为2mm；所述中空玻化微珠的粒径为0.5mm，密度为100kg/m3，所述蛭石粉的粒径为0.2mm。
所述有机硅烷偶联剂采用乙烯基三乙氧基硅烷粉体，所述高性能复配减水剂是由聚羧酸酯类高性能减水剂和脂肪醇磺酸盐高效减水剂复配而成的，其复配质量比例为2:9，所述高分子聚合物为甲基纤维素(CMC)、羧丙基甲基纤维素(HPMC)和聚乙二醇(PEG)的复合。所述碳纤维的强度为2.5GPa，模量为250GPa，长度为4.5mm；所述秸秆纤维是通过将玉米秸秆粉碎后采用4℃的碳酸钠溶液碱化预处理3小时，然后于40℃下超声清洗过滤1小时后采用21℃柠檬酸中和处理0.7小时，最后于120℃下烘干加工后制成的，该秸秆纤维的长度为2mm，密度为550kg/m3。
本实施例的秸秆纤维增强的喷涂式磷石膏基防火砂浆的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、复合胶凝材料和轻质细集料的制备：先将复合胶凝材料按质量配比复合搅拌4分钟装袋待用，再将轻质细集料按质量配比混合搅拌7分钟装袋待用；
步骤二、将制备好的复合胶凝材料置于搅拌设备内搅拌2分钟，然后按质量配比向其中加入轻质细集料继续搅拌4分钟，之后再投入高分子聚合物搅拌3分钟；
步骤三、继续向搅拌设备中投入有机硅烷偶联剂和高性能复配减水剂，搅拌9分钟；最后投入碳纤维和秸秆纤维，继续搅拌4分钟，即得到秸秆纤维增强的喷涂式磷石膏基轻质防火砂浆干粉料，本实施例所得防火砂浆的性能参数与实施例2较为接近。
本实施例的秸秆纤维增强的喷涂式磷石膏基防火砂浆的应用，具体的，将防火砂浆干粉料投入自动搅拌喷涂一体化设备中，搅拌4分钟，再加适量水搅拌后进行喷涂施工即可，其中加水量与干粉料的重量比为1:1；加水搅拌至稠度为85。

Claims (10)

1.一种秸秆纤维增强的喷涂式磷石膏基防火砂浆，其特征在于，由以下原材料按照重量百分比配制而成：
所述复合胶凝材料由改性磷石膏、改性耐火水泥和蓝晶石矿物微粉组成，且三者的质量比为6:4:5～10:4:7；所述改性磷石膏是采用质量分数3～5％的30～45℃的草酸水溶液溶解磷石膏，经搅拌后置于超声设备中超声25～35min，然后经过滤、水洗后置于30～40℃下烘干而成的；所述改性耐火水泥，是将纳米碳化硅和耐火水泥进行搅拌和超声波分散处理得到的，其中耐火水泥为低钙铝酸盐耐火水泥或钙镁铝酸盐水泥，且纳米碳化硅和耐火水泥的质量比为1:17～20；所述蓝晶石矿物微粉中蓝晶石的质量占比为40～55％。
2.根据权利要求1所述的一种秸秆纤维增强的喷涂式磷石膏基防火砂浆，其特征在于：所述轻质细集料由矿渣微粉陶砂、中空玻化微珠和蛭石粉组成，三者的质量比为1:1:1～2:4:1。
3.根据权利要求2所述的一种秸秆纤维增强的喷涂式磷石膏基防火砂浆，其特征在于，所述矿渣微粉陶砂的制备工艺为：先将矿渣进行破碎，其粒度控制在≤7mm，然后加入低品位镁渣粉进行配料计量，通过带烘干的球磨机粉磨，再制成3mm以下粒径的料球，然后通过变径回转窑于980℃～1100℃下烧胀处理2～3小时后冷却4～6小时，最后筛选出粒径在5㎜以下的矿渣微粉陶砂；所述中空玻化微珠的粒径为0.5～2mm，密度为100～300kg/m3，所述蛭石粉的粒径为0.2～0.5mm。
4.根据权利要求3所述的一种秸秆纤维增强的喷涂式磷石膏基防火砂浆，其特征在于：制备矿渣微粉陶砂时，最后筛选所得矿渣微粉陶砂的粒径优选为2～4.5mm。
5.根据权利要求1所述的一种秸秆纤维增强的喷涂式磷石膏基防火砂浆，其特征在于：所述有机硅烷偶联剂采用乙烯基三甲氧基硅烷或乙烯基三乙氧基硅烷粉体，所述高性能复配减水剂是由聚羧酸酯类高性能减水剂和脂肪醇磺酸盐高效减水剂复配而成的，其复配质量比例为1:3～1:5，所述高分子聚合物为可再分散胶粉、甲基纤维素(CMC)、羧丙基甲基纤维素(HPMC)和聚乙二醇(PEG)中的一种或一种以上的复合。
6.根据权利要求1所述的一种秸秆纤维增强的喷涂式磷石膏基防火砂浆，其特征在于：所述碳纤维的强度为1.5～2.5GPa，模量为220～250GPa，长度为2～5mm；所述秸秆纤维是通过将稻草秸秆、小麦秸秆或玉米秸秆粉碎后采用20～25℃的碳酸钠溶液碱化预处理2～3小时，然后于30～40℃下超声清洗过滤0.5～1小时后采用20～25℃柠檬酸中和处理0.5～1小时，最后于90～120℃下烘干加工后制成的，该秸秆纤维的长度为0.5～3mm，密度为300～550kg/m3。
7.一种如权利要求1-6中任一项所述的秸秆纤维增强的喷涂式磷石膏基防火砂浆的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、复合胶凝材料和轻质细集料的制备：先将复合胶凝材料按质量配比复合搅拌4～7分钟装袋待用，再将轻质细集料按质量配比混合搅拌7～9分钟装袋待用；
步骤二、将制备好的复合胶凝材料置于搅拌设备内搅拌2～3分钟，然后按质量配比向其中加入轻质细集料继续搅拌4～6分钟，之后再投入高分子聚合物搅拌3～5分钟；
步骤三、继续向搅拌设备中投入有机硅烷偶联剂和高性能复配减水剂，搅拌8～10分钟；最后投入碳纤维和秸秆纤维，继续搅拌4～6分钟，即得到秸秆纤维增强的喷涂式磷石膏基轻质防火砂浆干粉料。
8.一种如权利要求1-6中任一项所述的秸秆纤维增强的喷涂式磷石膏基防火砂浆的应用，其特征在于：将所述防火砂浆直接应用于钢结构建筑。
9.根据权利要求8所述的秸秆纤维增强的喷涂式磷石膏基防火砂浆的应用，其特征在于：具体的，将防火砂浆干粉料投入自动搅拌喷涂一体化设备中，搅拌4-5分钟，再加适量水搅拌后进行喷涂施工即可，其中加水量与干粉料的重量比为1:1～3；加水搅拌至稠度为85～102。
10.根据权利要求9所述的秸秆纤维增强的喷涂式磷石膏基防火砂浆的应用，其特征在于：加水量与干粉料的重量比优选为1:1.6，优选加水搅拌至稠度为96。
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Contract record no.: X2019340000009

Denomination of invention: Straw fiber-reinforcing spraying-type phosphorus gypsum-based fireproof mortar as well as preparation method and application thereof

Granted publication date: 20190712

License type: Common License

Record date: 20191128

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Patentee before: MAANSHAN MCC17 ENGINEERING SCIENCE & TECHNOLOGY Co.,Ltd.

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