DE69508998T2

DE69508998T2 - Verbesserter spritzfähiger portland Zement enthaltende feuerfestmachende Zusammensetzungen

Info

Publication number: DE69508998T2
Application number: DE69508998T
Authority: DE
Inventors: Richard P. Perito
Original assignee: WR Grace and Co Conn; WR Grace and Co
Current assignee: WR Grace and Co Conn; WR Grace and Co
Priority date: 1994-05-09
Filing date: 1995-05-05
Publication date: 1999-09-16
Anticipated expiration: 2015-05-06
Also published as: US5401538A; JPH082959A; DE69508998D1; EP0681999A2; CA2144908A1; KR100373078B1; AU1615795A; CN1119662A; ATE178874T1; TW321682B; AU683535B2; ES2131766T3; ZA953312B; HK1002896A1; EP0681999A3; EP0681999B1; CN1153746C; CA2144908C; KR950031979A; MY114093A

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft sprühbare, feuerfest machende Zusammensetzungen.

Hintergrund der Erfindung

Es ist wohlbekannt, hydraulische zementhaltige 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 einen leichtgewichtigen anorganischen Zuschlag wie Vermiculit, eine faserige Substanz wie Cellulose und einen Luftporenbildner enthalten. Solche Aufschlämmungen werden im allgemeinen auf Höhe des Bodens hergestellt und zum Aufbringungspunkt gepumpt, wo sie durch Sprühen auf das Substrat aufgebracht werden. Oft übersteigt der Aufbringungspunkt 20 oder 30 Stockwerke, wenn Hochhausbau betroffen ist. Demnach ist die Pumpbarkeit der Aufschlämmungen bei ihrer Formulierung und Herstellung ein wichtiges Kriterium. So müssen sie in der Lage sein, die große Menge an Wasser zu halten, die sie leicht und auf große Höhen pumpbar macht, 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 gestatten. Die Beschichtungsgemische müssen sowohl in aufgeschlämmtem Zustand als auch im trockenem Zustand an dem Substrat haften. Das Gemisch muß auch ohne unangemessene Ausdehnung oder Schrumpfung abbinden, was zur Bildung von Rissen führen könnte, die den Isolierungswert der trockenen Beschichtung ernsthaft verschlechtern würden.
US-A-4 751 024, auf deren Offenbarung hier Bezug genommen wird, lehrt sprühbare zementartige Zusammensetzungen, die zerkleinertes Polystyrol als leichtgewichtigen Zuschlag in feuerfest machenden Zusammensetzungen enthalten. Das zementartige Bindemittel ist vorzugsweise Gips, kann stattdessen aber auch Portlandzement sein. In der Tat wird Portlandzement typischer weise als Bindemittel in Anwendungen verwendet, die Gebiete mit hohem Verkehrsaufkommen betreffen, da der Zement dazu neigt, belastbarer als Gips zu sein.
Allerdings besteht ein mit feuerfest machenden Zusammensetzungen auf Portlandzementbasis verbundenes Problem in der relativ schlechten Hängfähigkeit (der Dicke des Materials, die in einer einzigen Aufbringung aufgebracht werden kann) derselben in Bezug auf Zusammensetzungen auf Gipsbasis, da in Anbetracht des relativ langsamen Hydratisierungsvorgangs in Portlandzementmischungen eine Neigung zur Wasserabscheidung besteht. Zusätzlich kann in Anbetracht der relativ langen Zeitdauer, die Portlandzement zum Abbinden benötigt, auf ein gegebenes Substrat nur eine Spritzaufbringung pro Tag erfolgen. Wenn die Dicke dieser Spritzaufbringung unzureichend ist, kann eine zweite Aufbringung nicht erfolgen, ehe nicht die erste Aufbringung abgebunden hat. Verfrühte Versuche zur Auftragung einer zweiten Aufbringung führen zum Abfallen. Wenn mehrere Aufbringungen nicht an einem typischen Arbeitstag von acht Stunden Dauer erfolgen können, nehmen die Arbeitskosten unnötig zu, ebenso die Zeit, in der eine Arbeit beendet werden kann.
Im Unterschied zu Zusammensetzungen auf Gipsbasis, die leicht durch Alaun beschleunigt werden können, wie nahe an den Spritzdüsen, wie in US-A-4 904 503 und US-A-4 934 596 beschrieben (auf deren Offenbarungen hier Bezug genommen wird), beschleunigt Alaun Portlandzement nicht in ausreichender Zeit, um mehrere Durchgänge an einem Tag zu ermöglichen. Außerdem sollte Natriumaluminat wegen der korrosiven Beschaffenheit des Natriumaluminats, das schwerwiegende Korrosion an den heißgewalzten Stahlsubstraten verursacht, nicht als Beschleuniger verwendet werden.
Demnach hat die Feuerfestausrüstungsindustrie lange nach einem sprühbaren, feuerfest machenden Material auf Portlandzementbasis gesucht, das in mehreren Aufbringungen pro Tag auf Substrate wie Stahl aufgebracht werden kann und eine verbesserte Hängfähigkeit trotz mehrerer Aufbringungen zeigt.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Probleme des Standes der Technik sind durch die vorliegende Erfindung überwunden worden, die ein sprühbares, feuerfest machendes Material liefert, das die genannten langen Abbindezeiten beseitigt und die Hängfähigkeit von Zusammensetzungen auf Portlandzementbasis verbessert. Im allgemeinen umfassen die erfindungsgemäßen sprühbaren, feuerfest machenden Zusammensetzungen ein Material auf Portlandzementbasis, das in einem konventionellen Paddelrührer mit Wasser gemischt und durch verschiedene Typen von Vorrichtungen hindurchgepuffpt wird. Das Material wird durch Sprühen (Spritzen) auf Stahlträger und -säulen aufgebracht. Das Produkt wird durch trockenes Mischen einer Mischung aus Portlandzement, Putzgips (hier als Calciumsulfat-hemihydrat definiert) und anderen Additiven hergestellt, wie zerkleinertem expandierten Polystyrol, Stärke, Haftstoffen und die Festigkeit von Zement erhöhenden Mitteln. Bei Zugabe von Wasser bilden die Trockenzusammensetzungen pumpbare, sprühbare Aufschlämmungen. Vorzugsweise wird ein Beschleuniger zugesetzt, am meisten bevorzugt nahe dem Einspritzpunkt.
Die erfindungsgemäße Zusammensetzung ist in Anspruch 1 definiert. Das erfindungsgemäße Verfahren ist in Anspruch 5 definiert.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Der Erfinder der vorliegenden Erfindung hat gefunden, daß das Herbeiführen einer Beschleunigung des Abbindens des Feuerschutzes auf Portlandzementbasis mehrere Aufbringungsdurchgänge und verbesserte Hängfähigkeit zuläßt. Die Beschleunigung des Abbindens kann durch Zugabe von Putzgips bewirkt werden und kann ausreichend verzögert werden, um Pumpen und Spritzen (Sprühen) zu ermöglichen, wie mit einem Verzögerungsmittel, vorzugsweise einem proteinartigen hochwirksamen Verzögerungsmittel (im Handel erhältlich von U. S. Gypsum), in einer Menge von etwa 0 bis etwa 1,0 Gew.-% der Zusammensetzung, vorzugsweise etwa 0 bis 0,6%. Die Menge an Verzögerer kann in Abhängigkeit von dem speziellen verwendeten Zement und Putzgips variieren. Die Beschleunigung des Abbindens wird durch anfänglich rascheres Steifwerden der Portlandzement/Putzgips-Matrix deutlich. Die Zugabe von Aluminiumsulfat, vorzugsweise nahe an dem Einspritzpunkt wie gemäß dem Verfahren und mit der Vorrichtung, die in US-A-4 904 503 oder US-A-4 934 596 offenbart sind, erhöht die Geschwindigkeit des Abbindeprozesses. Dieses raschere Abbinden ist ausreichend, um das Aufspritzen einer zweiten Materialaufbringung in wenigen Stunden zuzulassen. Insbesondere bindet der Putzgips ab, wenn die Portlandzement/Putzgips-Formulierung mit Alaun injiziert wird, was ein Steifwerden der Portlandzementmatrix verursacht und die Erhöhung der Kohäsionsfestigkeit der Zusammensetzung rascher erfolgen läßt. Das Abbinden des Putzgipses führt auch zu einem rascheren mechanischen Anhaften an dem Substrat. Dieses Anhaften ist stark genug, um eine zweite Aufbringung ohne Abfallen innerhalb eines Zeitraums von acht Stunden oder einem Arbeitstag zuzulassen. Die Injektion von Alaun nahe an dem Injektionspunkt ermöglicht rasches Abbinden des Materials an einem speziellen Punkt (d. h. auf dem Substrat anstatt in dem Trichter, in dem die Zusammensetzung gemischt wird).
Die vorliegenden, feuerfest machenden Zusammensetzungen enthalten vorzugsweise zerkleinertes expandiertes Polystyrol als Zuschlag. Die Hängfähigkeit der vorliegenden Zusammensetzung kann zum Teil von der Minimierung der Menge an nicht zerkleinertem expandierten Polystyrol in der Zusammensetzung abhängen. Der Zerkleinerungsgrad des expandierten Polystyrols entspricht vorzugsweise einer speziellen Größenverteilung, die als Menge von Teilchen ausgedrückt wird, die mit einem Standardsieb Nr. 12 (mit 1,68 mm (0,0661 Zoll) Lochdurchmesser) zurückgehalten werden, und der Menge an Teilchen, die ein Standardsieb Nr. 30 passieren und mit einem Sieb Nr. 325 zurückgehalten werden, bestimmt gemäß dem in US-A-4 989 464 (auf deren Offenbarung hier Bezug genommen wird) beschriebenen Verfahren. Geeignete Mengen an Teilchen, die mit dem Sieb Nr. 12 zurückgehalten werden, ausgedrückt als Gewichtsprozent, betragen etwa 0 bis etwa 20%, wobei etwa 0 bis etwa 10% bevorzugt sind. Geeignete Mengen an Teilchen, die ein Sieb Nr. 30 (mit 0,6 mm (0,0234 Zoll) Loch durchmesser) passieren und mit einem Sieb Nr. 325 (mit 0,043 mm (0,0017 Zoll) Lochdurchmesser) zurückgehalten werden, betragen weniger als etwa 40 Gew.-%, vorzugsweise weniger als etwa 30%.
Da die vorliegenden, feuerfest machenden Zusammensetzungen typischerweise als Trockenmischungen zu der Baustelle transportiert werden und durch Zugabe einer passenden Menge Wasser zu Aufschlämmungen gemacht werden, können die Herstellungs- und Aufbringungsverfahren viele Stunden überspannen und somit wird die Abbindezeit der Mischung im allgemeinen erheblich verzögert, um für eine akzeptable Feldtopfzeit zu sorgen. Dieses Verzögern im Mischer steht der gewünschten raschen Abbindezeit bei Sprühaufbringung entgegen, und somit ist ein heikler Ausgleich aus Verzögerung und Beschleunigung schwierig zu erreichen. Wenn die Mischung im wesentlichen in dem Trichter steif würde, würde sie offensichtlich nicht pumpfähig werden und wäre für die vorgesehenen Aufbringung nutzlos. Durch Zugabe von Verzögerer zu dem Putzgips wird das verzögerte Material nicht so rasch in dem Mischer steif und der Verzögerer hat keine erhebliche Wirkung auf das rasche Steifwerden an der Düse. Aus diesen Gründen ist die Zugabe von Verzögerer bevorzugt.
Jedes Abbindebeschleunigungsmittel kann verwendet werden, das die Verzögerung der Aufschlämmung in befriedigender Weise ausgleichen kann, ohne die Aufschlämmung oder das Substrat, welches der Gegenstand der Aufbringung ist, nachteilig zu beeinflussen. Vorzugsweise wird der Beschleuniger in einer ausreichenden Menge verwendet, um die Aufschlämmung innerhalb von 1,5 Stunden nach der Spritzaufbringung ausreichend abzubinden, um eine zweite Sprühaufbringung ohne Abfallen zuzulassen. Die speziell erforderliche Menge hängt von dem Typ des Beschleunigers sowie von der Beschaffenheit der verschiedenen anderen Komponenten der feuerfest machenden Zusammensetzung ab. 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.
Die vorliegende Erfindung ist auf die Portlandzementtypen 1 bis 5 anwendbar, obwohl Typ 1 besonders bevorzugt ist. Die Trockenmischung hat eine Schüttdichte im Bereich von 480 bis 880 kg/m³ (30 bis 55 je Kubikfuß (pcf)) für Mischungen mit hoher Dichte. Die Dichte des Produkts im fertigen trockenen Zustand liegt im Bereich von 15 bis 65 pcf, vorzugsweise 40 bis 50 pcf für Produkte mit hoher Dichte. Bei den Produkten mit höherer Dichte wird weniger Portlandzement verwendet als in dem Produkt mit niedrigerer Dichte (und daher wird weniger Wasser verwendet), und ein Zuschlag mit hoher Dichte wie Sand oder Bauxit oder eine Mischung derselben wird zugesetzt. Jede geeignete Sandsorte kann verwendet werden, solange sie die Hängfähigkeit des Produkts oder die Pumpfähigkeit des Gemisches nicht nachteilig beeinflußt. Vorzugsweise ist dieser ofengetrocknet. Das bevorzugte Bauxit wird hydratisiert und ist eine Mischung aus groben und feinen Sorten. Außerdem wird die Menge an leichtgewichtigem Zuschlag wie zerkleinertem Polystyrol in dem Produkt mit hoher Dichte verringert. Das Trockenmaterial wird mit Wasser in einem Verhältnis von 0,5 : 1 bis 1,6 : 1 (Wasser : Feststoff) gemischt. Ein geeignetes Produkt kann erfindungsgemäß durch Trockenmischen der folgenden Bestandteile hergestellt werden:
Portlandzement 30 bis 90%
Putzgips 4 bis 30%
Verzögerer 0 bis 1%
zerkleinertes Polystyrol 0 bis 5%, vorzugsweise 2 bis 3%
Ton 2 bis 8%
Cellulose (Zuschlag) 0 bis 8%
Luftporenbildung 0,2 bis 2%
Glasfasern 0 bis 4%
Methylcellulose 0 bis 1%
Sand oder Bauxit 0 bis 60%
Vinylacetat 0 bis 5%
Ein bevorzugtes Produkt mit niedriger Dichte schließt den folgenden Bereich von Bestandteilen ein:
Portlandzement 67 bis 74%
Putzgips 12 bis 18%
Verzögerer 0 bis 0,6%
zerkleinertes Polystyrol 2,5 bis 3%
Ton (Verdickungsmittel) 2 bis 6%
Cellulose 2 bis 6%
Luftporenbildung 0,2 bis 0,5%
Glasfasern 1,5 bis 3%
Methylcellulose 0,2 bis 0,5%
Biozid (Amical/wp, erhältlich von Angus Chemical) 0,02% oder eine ausreichende Menge, um schädliches Bakterienwachstum zu verhindern
Ein bevorzugtes Produkt mit hoher Dichte schließt den folgenden Bereich von Bestandteilen ein:
Portlandzement 40 bis 50%
Putzgips 12 bis 18%
Verzögerer 0 bis 0,6%
zerkleinertes Polystyrol 0 bis 1,5%
Ton (Verdickungsmittel) 2 bis 6%
Cellulose 2 bis 6%
Luftporenbildung 0,2 bis 0,5%
Glasfasern 1,5 bis 3%
Methylcellulose 0,2 bis 0,5%
Biozid (Amical/wp, erhältlich von Angus Chemical) 0,02% oder eine ausreichende Menge, um schädliches Bakterienwachstum zu verhindern
Sand oder Baut 40 bis 55%
Vinylacetat 1 bis 3%
Vorzugsweise wird der Aluminiumsulfat-Abbindebeschleuiger als 37% Lösung verwendet und wird an der Spritzdüse in einer Menge von bis zu 3% in die Aufschlämmung injiziert.
Zusätzliche optionale Bestandteile können zugesetzt werden, wie Glasfasern zur Kontrolle des Schrumpfes, Methylcellulose oder andere geeignete Verdickungsmittel, die Fachleuten bekannt sind, Luftporenbildner wie Natriumlaurylsulfat und ein Biozid zur Hemmung des Bakterienwachstums.
Bei der Anwendung der erfindungsgemäßen, feuerfest machenden Zusammensetzungen kann innerhalb von etwa 1 bis 2 Stunden, vorzugsweise innerhalb von etwa 1,5 Stunden nach der ersten Aufbringung eine zweite Aufbringung aufgespritzt werden, ohne abzufallen. Es resultiert auch eine verbesserte Hängfähigkeit; eine einzige Aufbringung kann typischerweise bis auf eine Dicke von etwa 19 bis 25 mm (3/4 bis 1 Zoll) aufgespritzt werden und wurde tatsächlich bis auf eine Dicke von so viel wie 38 mm (1,5 Zoll) aufgespritzt, wobei konventionelle Zusammensetzungen auf Portlandzementbasis typischerweise auf Dicken von nur 13 bis 16 min (1/2 bis 5/8 Zoll) gehängt werden können.

Beispiel 1

Die folgenden Formulierungen wurden hergestellt:
Der Zement in jeder der obigen Chargen war Portlandzement Typ 1. Jede Charge wurde auf Stahlbauteile aufgespritzt, wobei gemäß der Lehre von US-A-4 904 503 2,6% Alaun zugesetzt wurde. Die 12% und 16% Chargen banden in ausreichendem Maße innerhalb von 1 bis 1,5 h ab, so daß eine zweite Aufbringung aufgebracht werden konnte. Die erste Auftragung bei 12% und 16% hatte eine Dicke von 19 bis 22 mm (3/4 bis 7/8 Zoll), wobei die mittlere Gesamtdicke nach der zweiten Aufbringung bis zu 38 bis 51 mm (1,5 bis 2 Zoll) betrug. Bei Betrachtung des Kontrollversuches ergab die erste Aufbringung eine Beschichtung bis zu 15,9 mm (5/8 Zoll). Ein zweiter Durchgang (bis auf eine Gesamtdicke der Beschichtung von 38 mm (1,5 Zoll)) wurde nach 1,5 h versucht, aber es wurde Abfallen beobachtet. Insbesondere führte die Aufbringung eines zweiten Durchgangs dazu, daß nicht nur die zweite Aufbringung abfiel, sondern auch etwas von der Beschichtung von der ersten Aufbringung. Dies läßt den Schluß zu, daß die Beschichtung von der ersten Aufbringung innerhalb des Zeitraums von 1,5 Stunden nicht ausreichend an das Substrat gebunden war.
Der Vikat-Wert ist eine Messung des Fließverhaltens und der Steifheit des Materials. Die Steifheit ist im allgemeinen ein Zeichen dafür, wie gut das Produkt hängt. Je niedriger die Vikat-Ablesung ist, um so steifer ist das Produkt. Vorzugsweise beträgt die Vikatzahl weniger als etwa 10 mm, am meisten bevorzugt ist die Ablesung etwa 8 mm oder weniger. Obwohl die Vikatablesung der Formulierung Nr. 4 in Beispiel 1 hervorragend zu sein schien, erwies sich in der Tat die Formulierung, die 24% Putzgips enthielt, als zu steif in dem Trichter, das heißt, die Bearbeitbarkeit war schlecht. Um eine solche Formulierung kommerziell nutzbar zu machen, wäre zusätzliches Wasser notwendig, wodurch die am Ende vorhandene Vikatzahl der verwendbaren Zusammensetzung erhöht würde.

Claims

1. Sprühbare, feuerfest machende Zusammensetzung auf Portlandzementbasis, die ein Trockengemisch, von dem 30 bis 90 Gew.-% Portlandzement sind und 4 bis 30 Gew.-% Putzgips sind, wobei das Trockengemisch eine Schüttdichte im Bereich von etwa 480 bis 880 kg/m³ (30 bis 55 lb/ft³) hat und einen Beschleuniger für die Zusammensetzung in einer Menge von 0 bis 3 Gew.-% der sprühbaren Zusammensetzung, gegebenenfalls Zuschlag mit hoher Dichte und gegebenenfalls Additive wie expandiertes Polystyrol, Stärke, Haftmittel und Festigkeitserhöhungsmittel für Zement umfaßt.

2. Sprühbare, feuerfest machende Zusammensetzung nach Anspruch 1, die ferner ein das Abbinden von Putzgips verzögerndes Mittel umfaßt.

3. Sprühbare, feuerfest machende Zusammensetzung nach Anspruch 1 oder 2, die zerkleinertes Polystyrol als Additiv umfaßt.

4. Sprühbare, feuerfest machende Zusammensetzung nach Anspruch 1, 2 oder 3, die Zuschlag mit hoher Dichte ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Sand, Bauxit und einer Mischung derselben, vorzugsweise in einer Menge von 40 bis 55 Gew.-% der feuerfest machenden Zusammensetzung, umfaßt.

5. Verfahren zum Aufbringen von mehreren Beschichtungen einer sprühbaren, feuerfest machenden Zusammensetzung auf Stahlsubstrat, bei dem eine Mischung, von der 30 bis 90 Gew.-% Portlandzement sind und 4 bis 30 Gew.-% Putzgips sind, trocken gemischt wird, wobei das resultierende Trockengemisch eine Schüttdichte von 480 bis 880 kg/m³ (30 bis 55 lb/ft³) hat, gegebenenfalls Zuschlag mit hoher Dichte zugesetzt wird, um die Schüttdichte der Mischung einzustellen, und gegebenenfalls Additive wie zerkleinertes expandiertes Polystyrol, Stärke, Haftmittel und Festigkeitserhöhungsmittel für Zement eingebracht werden, Wasser zugesetzt wird, um eine sprühbare Aufschlämmung zu bilden, die Aufschlämmung zu einer Sprühdüse befördert wird, in die Aufschlämmung vor, während oder nach dem Fördervorgang und in enger Nähe zu der Düse ein Abbindebeschleunigungsmittel eingebracht wird, eine erste Beschichtung der Aufschlämmung auf das Substrat gesprüht wird, die erste Beschichtung in ausreichendem Maße abbinden gelassen wird, um eine zweite Beschichtung zu halten, und eine zweite Beschichtung innerhalb von acht Stunden nach dem Aufsprühen der ersten Beschichtung aufgesprüht wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die Trockenmischstufe ferner die Zugabe von das Abbinden von Putzgips verzögerndem Mittel zu der Mischung umfaßt.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, bei dem die Trockenmischstufe die Zugabe von Zuschlag mit hoher Dichte ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Sand, Bauxit und einer Mischung derselben umfaßt.

8. Verfahren nach Anspruch 5, 6 oder 7, bei dem Putzgips, das Abbinden von Putzgips verzögerndes Mittel und Beschleuniger in einer ausreichenden Menge bereitgestellt werden, um der Aufschlämmung nach Aufbringung auf das Substrat das Abbinden innerhalb von 1,5 h zu ermöglichen.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, bei dem die erste Beschichtung der Aufschlämmung auf eine Dicke über 15,9 mm (5/8 Zoll) durch Sprühen aufgebracht wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, bei dem die durchschnittliche Gesamtdicke der ersten und zweiten Beschichtungen der Aufschlämmung etwa 3, 8 bis 5,08 cm (1, 5 bis 2 Zoll) beträgt.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 10, bei dem die Trockenmischstufe ferner die Zugabe von zerkleinertem Polystyrol zu der Mischung umfaßt.