技术领域
本发明涉及一种建筑材料领域，且特别涉及一种磷酸钾镁水泥基钢结构防火涂料及其制备方法、使用方法。
背景技术
钢结构因强度高、自重轻、抗震性好等一系列优点，被广泛应用于高层建筑、大跨度结构和轻型结构等，但防火性差是其致命的缺陷，一旦遇到火灾，未采取防火保护措施的建筑钢结构就会迅速坍塌。在针对建筑钢结构的各种防火保护措施中，在其表面涂覆各类防火涂料是较为简单易行、可靠和经济实用的方法，可明显提高钢结构的耐火极限。钢结构防火涂料按所用基料的性质可分为有机膨胀型、无机非膨胀型和有机无机复合型三类。
一、有机膨胀型防火涂料的膨胀阻燃体系大多为P-N体系，虽然该类防火涂料遇火产生膨胀可对基材起保护作用，但其中的阻燃成份可能会燃烧释放出诸如NH3、HCN、卤化氢、NOx、CO、Cl2、Br2等有毒气体，会对未逃离火场的人员以及消防人员产生危害，且该类防火涂料中的有机组份长期暴露于空气中，会产生分解、降解、老化等问题。
二、无机非膨胀型防火涂料以厚型为主，其厚度在8～50mm范围内变化，遇火时依靠该类防火涂料中的绝热材料阻止热的传递来保护基材。该类防火涂料多为无机水溶性防火涂料，其耐火极限温度较高，燃烧时不产生有毒气体和烟雾，且无机组分能抵抗外界环境的长期侵蚀，环境友好性和耐久性均优于有机膨胀型防火涂料。
无机水溶性防火涂料由主胶粘剂(主料)、辅助胶粘剂(辅料)、阻燃剂、膨胀剂和其他一些助剂组成，其中主胶粘剂、辅胶粘剂是影响无机水溶性防火涂料综合性能的主要因素，目前常用的胶粘剂有硅酸盐系列胶粘剂、铝酸盐系列胶粘剂和磷酸盐系列胶粘剂。硅酸盐系列胶粘剂的粘结强度高，耐热、耐水性能较好，但耐碱性能较差，且固化温度较高；用铝酸盐系列胶粘剂得到的防火涂料则存在铝酸盐水化产物易产生晶型转变的问题，导致使用状态下强度失效等问题；相比而言，磷酸盐系列胶粘剂具有耐水性好、固化收缩率小和高温强度高等优点，但仍存在凝结快、低温固化、不便于保存和成本高等缺陷。
随着钢结构应用范围的逐渐扩大和日益突出的环境问题，对钢结构防火涂料的要求也越来越严格，开发研究阻燃性能突出、多功能化、环保及使用寿命长的防火涂料是发展趋势。在上述防火涂料中，利用磷酸盐系列胶粘剂得到的防火涂料的性能相对较好，但依然存在凝结快、低温固化、不便于保存和成本高等问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种磷酸钾镁水泥基钢结构防火涂料，以磷酸钾镁水泥为主胶粘剂，具有凝结时间可控、硬化快、常温固化、便于保存和成本较低的特点，其对钢结构基体的附着力强、机械强度高、防火性能优异且稳定、耐久性好。
本发明的另一目的在于提供一种磷酸钾镁水泥基钢结构防火涂料的制备方法，工艺简单、原料来源丰富、价格较低、节能环保。
本发明的另一目的在于提供一种磷酸钾镁水泥基钢结构防火涂料的使用方法，涂层厚度小、施工快捷方便、固化快。
本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。
本发明提出一种磷酸钾镁水泥基钢结构防火涂料，其由第一原料和水制备得到，按质量百分数计，第一原料包括：
其中，磷酸钾镁水泥基胶粘剂粉料由第二原料制备得到，按质量百分数计，第二原料包括：
进一步地，在本发明较佳实施例中，钢渣粉是由转炉渣磨细得到，其细度为48～75μm。
进一步地，在本发明较佳实施例中，刚玉砂的细度为850～710μm，密度为3.95～3.97g/cm3，其中Al2O3的质量分数≥95％。
进一步地，在本发明较佳实施例中，膨胀珍珠岩散料的细度为1.2～3mm，密度为200～300kg/m3，导热系数为0.066～0.074W/(m·K)。
进一步地，在本发明较佳实施例中，聚丙烯纤维为乱向短切聚丙烯纤维，聚丙烯纤维长3～6mm，直径为20～30μm。
进一步地，在本发明较佳实施例中，按质量百分数计，磷酸钾镁水泥包括：
死烧氧化镁粉 46％～49％；
磷酸二氢钾 44％～46％；以及
复合缓凝剂 7％～8％。
一种磷酸钾镁水泥基钢结构防火涂料的制备方法，其包括以下步骤：
按重量百分数计，称取87％～92％磷酸钾镁水泥，7.5％～12.5％钢渣粉，0.45％～0.67％二氧化钛，以及0.05％～0.10％引气剂，混合均匀得到磷酸钾镁水泥基胶粘剂粉料；
按重量百分数计，称取47％～53％磷酸钾镁水泥基胶粘剂粉料，5％～11％刚玉砂，37％～45％膨胀珍珠岩散料，以及0.45％～0.55％聚丙烯纤维；
将膨胀珍珠岩散料放入搅拌机中持续搅拌，搅拌至有部分水渗出，放入磷酸钾镁水泥基胶粘剂粉料，搅拌至均匀，加入刚玉砂和聚丙烯纤维，边搅拌边加入水调节搅拌机内混合料浆体的稠度，直至混合料浆体均匀。
进一步地，在本发明较佳实施例中，将膨胀珍珠岩散料放入搅拌机前，先将膨胀珍珠岩浸泡于水中至吸水饱和，取出晾至饱和面干状态。
进一步地，在本发明较佳实施例中，混合料浆体均匀后，继续搅拌0.5～2min。
一种磷酸钾镁水泥基钢结构防火涂料的使用方法，其具体包括如下步骤：
清理并喷水润湿钢基体表面，待晾干到钢基体表面无水，分3～4次将磷酸钾镁水泥基钢结构防火涂料涂抹到钢基体表面，所得涂层厚度为15～25mm。
本发明实施例的磷酸钾镁水泥基钢结构防火涂料及其制备方法、使用方法的有益效果是：该磷酸钾镁水泥基钢结构防火涂料由第一原料和水制备得到，第一原料按质量百分数计包括：47％～53％磷酸钾镁水泥基胶粘剂粉料；5％～11％刚玉砂；37％～45％膨胀珍珠岩散料；以及0.45％～0.55％聚丙烯纤维。其中，磷酸钾镁水泥基胶粘剂粉料按质量百分数计包括：87％～92％磷酸钾镁水泥；7.5％～12.5％钢渣粉；0.45％～0.67％二氧化钛；以及0.05％～0.10％引气剂。该磷酸钾镁水泥基钢结构防火涂料以磷酸钾镁水泥为主胶粘剂，具有凝结时间可控、硬化快、常温固化、便于保存和成本较低的特点，其对钢结构基体的附着力强、机械强度高、防火性能优异且稳定(耐火极限温度高、高温稳定性好)、耐久性好。该磷酸钾镁水泥基钢结构防火涂料的制备方法的工艺简单、原料来源丰富、价格较低、节能环保。使用该磷酸钾镁水泥基钢结构防火涂料时，涂层厚度小、施工快捷方便、固化快。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例提供的磷酸钾镁水泥基钢结构防火涂料的制备方法和使用方法的工艺流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
下面对本发明实施例的磷酸钾镁水泥基钢结构防火涂料及其制备方法、使用方法进行具体说明。
本发明实施例提供一种磷酸钾镁水泥基钢结构防火涂料，其由第一原料和水制备得到，按质量百分数计，第一原料包括：47％～53％磷酸钾镁水泥基胶粘剂粉料；5％～11％刚玉砂；37％～45％膨胀珍珠岩散料；以及0.45％～0.55％聚丙烯纤维。第一原料优选包括：50％磷酸钾镁水泥基胶粘剂粉料；10.5％刚玉砂；39％膨胀珍珠岩散料；以及0.5％聚丙烯纤维。
其中，磷酸钾镁水泥基胶粘剂粉料由第二原料制备得到，按质量百分数计，第二原料包括：87％～92％磷酸钾镁水泥；7.5％～12.5％钢渣粉；0.45％～0.67％二氧化钛；以及0.05％～0.10％引气剂。第二原料优选包括：89％磷酸钾镁水泥；10.4％钢渣粉；0.5％二氧化钛；以及0.1％引气剂。在第二原料中，磷酸钾镁水泥按质量百分数计包括：46～49％死烧氧化镁粉；44～46％磷酸二氢钾；以及7～8％复合缓凝剂，优选包括：48％死烧氧化镁粉；44.5％磷酸二氢钾；以及7.5％复合缓凝剂。钢渣粉是由转炉渣磨细得到，其细度为48～75μm，即200～300目。通过调节复合缓凝剂的组成和掺量，可调控新拌磷酸钾镁水泥浆体的凝结时间在20～60min，水化热分二阶段释放，解决了新拌磷酸钾镁水泥浆体的快凝问题。
其中，刚玉砂多用白刚玉砂，刚玉砂的细度为850～710μm，密度为3.95～3.97g/cm3，其中Al2O3的质量分数≥95％。
其中，膨胀珍珠岩散料的细度为1.2～3mm，密度为200～300kg/m3，导热系数为0.066～0.074W/(m·K)。
其中，聚丙烯纤维为乱向短切聚丙烯纤维，聚丙烯纤维长3～6mm，直径为20～30μm。
磷酸钾镁水泥为磷酸盐系列胶粘剂之一，由死烧氧化镁、钾磷酸盐和外加剂等按照一定比例制成，磷酸钾镁水泥对应的浆体在酸性条件下通过酸碱化学反应及物理作用生成以磷酸盐为黏结相的胶粘剂。而且，磷酸钾镁水泥在常温下通过化学键结合，具备硅酸盐水泥和陶瓷材料的主要特点，即常温固化、快硬(硬化快)、高早强(早期强度高)、体积稳定性高、粘结性强等特点。磷酸钾镁水泥的快硬、高早强特性可弥补硅酸盐类胶粘剂固化时间长和需养护的缺陷，另外，磷酸钾镁水泥中的可溶性磷酸盐可与钢结构表面的铁元素结合，形成一层致密的磷酸铁类化合物保护层，既可保护钢结构表面，避免锈蚀，又增强了磷酸钾镁水泥基涂料在钢结构表面的附着力，可克服无机厚型涂料与基层附着力差和易剥落的缺陷；更进一步的，磷酸钾镁水泥的主要原料——死烧氧化镁粉本身就是耐火材料，其硬化体具有较好的防火耐高温性能。
鉴于磷酸钾镁水泥优良性能，本实施例以磷酸钾镁水泥作为主胶粘剂，可使钢结构防火涂料浆体快速硬化，并提高钢结构防火涂料与钢基体的粘结强度；用钢渣粉作为改性矿物掺合料，可提高钢结构防火涂料的早期强度并改善其体积稳定性、热稳定性和水稳定性；用二氧化钛、引气剂作为助剂，可用二氧化钛作为红外反射材料和通过引气剂引入微小封闭气泡，分散和润滑钢结构防火涂料的粉料颗粒，改善钢结构防火涂料的保水性、触变性，降低其干密度和导热性；用刚玉砂作填料，可提高钢结构防火涂料的体积稳定性和热稳定性；用膨胀珍珠岩散料作填料，可降低钢结构防火涂料的干密度、提高其隔热能力；通过掺适量聚丙烯纤维，可改善磷酸钾镁水泥基钢结构防火涂料的抗裂性能。研制出的磷酸钾镁水泥基钢结构防火涂料具有凝结时间可控、硬化快、常温固化、便于保存和成本较低的特点，其对钢结构基体的附着力强、机械强度高、防火性能优异且稳定(耐火极限温度高、高温稳定性好)、耐久性好。
参见图1所示，本发明实施例还提供一种磷酸钾镁水泥基钢结构防火涂料的制备方法，其包括以下步骤：
S1、按重量百分数计，称取87％～92％磷酸钾镁水泥，7.5％～12.5％钢渣粉，0.45％～0.67％二氧化钛，以及0.05％～0.10％引气剂，混合均匀得到磷酸钾镁水泥基胶粘剂粉料；本实施例中，磷酸钾镁水泥是由按质量百分数计的46～49％死烧氧化镁粉；44～46％磷酸二氢钾；以及7～8％复合缓凝剂干搅拌混合均匀得到。
S2、按重量百分数计，称取47％～53％磷酸钾镁水泥基胶粘剂粉料，5％～11％刚玉砂，37％～45％膨胀珍珠岩散料，以及0.45％～0.55％聚丙烯纤维(PVC纤维)。
S3、提前将膨胀珍珠岩散料浸泡于水中至吸水饱和，取出晾至饱和面干状态备用，将处理后的膨胀珍珠岩散料放入可调速的水泥砂浆搅拌机中持续搅拌，慢速搅拌至有部分水(总渗水量的20％～30％)渗出，慢速搅拌的转速为140±5转/min，放入磷酸钾镁水泥基胶粘剂粉料，慢速搅拌0.5～2min至均匀，继续慢速搅拌，在20～40S内徐徐加入刚玉砂和聚丙烯纤维，边搅拌边加入适量水调节搅拌机内混合料浆体的稠度至130±5mm，混合料浆体均匀，再快速搅拌0.5～2min，快速搅拌的转速为285±10转/min，得到磷酸钾镁水泥基钢结构防火涂料，即磷酸钾镁水泥基钢结构防火涂料浆体。
因此，本发明实施例可将该钢结构防火涂料的制备分为三个阶段：第一阶段为磷酸钾镁水泥的制备，第二阶段为磷酸钾镁水泥基胶粘剂粉料的制备，第三阶段为磷酸钾镁水泥基钢结构防火涂料的制备。
参见图1所示，本发明实施例还提供一种磷酸钾镁水泥基钢结构防火涂料的使用方法，具体包括如下步骤：
清理并喷水润湿钢基体表面，待晾干到钢基体表面无水，分3～4次将上述磷酸钾镁水泥基钢结构防火涂料涂抹到钢基体表面，所得涂层厚度为15～25mm。
由于该磷酸钾镁水泥基钢结构防火涂料是以磷酸钾镁水泥作为主胶粘剂磷酸钾镁水泥基钢结构防火涂料，工作性能良好，表干时间短，可大幅度提高施工效率；该磷酸钾镁水泥基钢结构防火涂料在生产、施工和燃烧过程均不会产生有毒、有害气体污染环境；该磷酸钾镁水泥基钢结构防火涂料与钢基体附着力强，耐火性能高，有防火和防腐双重功效。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
实施例1提供一种磷酸钾镁水泥基钢结构防火涂料，其由磷酸钾镁水泥基胶粘剂粉料、填料(刚玉砂和膨胀珍珠岩散料)、抗裂纤维(乱向短切PVC纤维)和水混合而成，具体按照以下过程制得：
称取87.5kg磷酸钾镁水泥(由41kg死烧氧化镁、40kg磷酸二氢钾、6.5kg复合缓凝剂组成)、12kg钢渣粉、0.45kg二氧化钛、0.05kg引气剂，混合均匀得到磷酸钾镁水泥基胶粘剂粉料。
称取52kg上述磷酸钾镁水泥基胶粘剂粉料、10.5kg刚玉砂、37kg膨胀珍珠岩散料和0.5kg乱向短切PVC纤维，将膨胀珍珠岩散料浸泡于水中至吸水饱和，取出晾至饱和面干状态备用。
将经处理的膨胀珍珠岩散料放入可调速的水泥砂浆搅拌机中，慢速搅拌至膨胀珍珠岩散料中的部分水渗出，放入磷酸钾镁水泥基胶粘剂粉料，慢速搅拌2min至均匀，再放入白刚玉砂和乱向短切PVC纤维，边慢速搅拌，边加入适量水调节浆体的稠度，慢速搅拌浆体至均匀后再快速搅拌1min，得到符合施工要求稠度的磷酸钾镁水泥基钢结构防火涂料浆体。
该磷酸钾镁水泥基钢结构防火涂料的使用方法，具体包括如下步骤：
清理并喷水润湿钢基体表面，待晾干到表面无水，用所制备的磷酸钾镁水泥基钢结构防火涂料浆体分4次涂抹钢基体表面，所得涂层厚度为20mm。在20±5℃、50±10％RH环境下自然养护涂层15d。
根据GB14907-2002《钢结构防火涂料》，对本实施例中的磷酸钾镁水泥基钢结构防火涂料的基本性能进行测试，结果见表1。
表1实施例1中的磷酸钾镁水泥基钢结构防火涂料的性能
实施例2
实施例2提供一种磷酸钾镁水泥基钢结构防火涂料，其由磷酸钾镁水泥基胶粘剂粉料、填料(刚玉砂和膨胀珍珠岩散料)、抗裂纤维(乱向短切PVC纤维)和水混合而成，具体按照以下过程制得：
称取87.5kg磷酸钾镁水泥(42kg死烧氧化镁、40kg磷酸二氢钾、5.5kg复合缓凝剂)、12kg钢渣粉、0.45kg二氧化钛、0.05kg引气剂，混合均匀得到磷酸钾镁水泥基胶粘剂粉料。
称取49kg上述磷酸钾镁水泥基胶粘剂粉料、5.5kg刚玉砂、45kg膨胀珍珠岩散料和0.5kg乱向短切PVC纤维，取膨胀珍珠岩散料浸泡于水中至吸水饱和，取出晾至饱和面干状态备用。
将经处理的膨胀珍珠岩散料放入可调速的水泥砂浆搅拌机中慢速搅拌至膨胀珍珠岩散料中的部分水渗出，放入磷酸钾镁水泥基胶粘剂粉料，慢速搅拌2min至均匀，再放入白刚玉砂和乱向短切PVC纤维，边慢速搅拌，边加入适量水调节浆体的稠度，慢速搅拌浆体至均匀后再快速搅拌1min，得到符合施工要求稠度的磷酸钾镁水泥基钢结构防火涂料。
该磷酸钾镁水泥基钢结构防火涂料的使用方法，具体包括如下步骤：
清理并喷水润湿钢基体表面，待晾干到表面无水，用所制备的磷酸钾镁水泥基钢结构防火涂料浆体分3次涂抹到钢基体表面，所得涂层厚度为25mm。在20±5℃、50±10％RH环境下自然养护涂层15d。
根据GB14907-2002《钢结构防火涂料》，对本实施例中的磷酸钾镁水泥基钢结构防火涂料的基本性能进行测试，结果见表2。
表2实施例2中的磷酸钾镁水泥基钢结构防火涂料的性能
实施例3
实施例3提供一种磷酸钾镁水泥基钢结构防火涂料，其具体按照以下过程制得：
称取90.5kg磷酸钾镁水泥(由44kg死烧氧化镁、40kg磷酸二氢钾、6.5kg复合缓凝剂组成)、8kg钢渣粉、0.45kg二氧化钛、0.05kg引气剂，混合均匀得到磷酸钾镁水泥基胶粘剂粉料。
称取51kg上述磷酸钾镁水泥基胶粘剂粉料、7.5kg刚玉砂、41kg膨胀珍珠岩散料和0.5kgPVC纤维，取膨胀珍珠岩散料浸泡于水中至吸水饱和，取出晾至饱和面干状态备用。
将经处理的膨胀珍珠岩散料放入可调速的水泥砂浆搅拌机中慢速搅拌至膨胀珍珠岩散料中的部分水渗出，放入磷酸钾镁水泥基胶粘剂粉料，慢速搅拌2min至均匀，再放入白刚玉砂和乱向短切PVC纤维，边慢速搅拌，边加入适量水调节浆体的稠度，慢速搅拌浆体至均匀后再快速搅拌1min，得到符合施工要求稠度的磷酸钾镁水泥基钢结构防火涂料。
该磷酸钾镁水泥基钢结构防火涂料的使用方法，具体包括如下步骤：
清理并喷水润湿钢基体表面，待晾干到表面无水，用所制备的磷酸钾镁水泥基钢结构防火涂料浆体分3次涂抹到钢基体表面，所得涂层厚度为15mm。在20±5℃、50±10％RH环境下自然养护涂层15d。
根据GB14907-2002《钢结构防火涂料》，对本实施例中的磷酸钾镁水泥基钢结构防火涂料的基本性能进行测试，结果见表3。
表3实施例3中的磷酸钾镁水泥基钢结构防火涂料的性能
实施例4
实施例4提供一种磷酸钾镁水泥基钢结构防火涂料，其具体按照以下过程制得：
称取89kg磷酸钾镁水泥(由43kg死烧氧化镁、39.5kg磷酸二氢钾、6.5kg复合缓凝剂组成)、10.4kg钢渣粉、0.5kg二氧化钛、0.1kg引气剂，混合均匀得到磷酸钾镁水泥基胶粘剂粉料。
称取50kg上述磷酸钾镁水泥基胶粘剂粉料、10.5kg刚玉砂、39kg膨胀珍珠岩散料和0.5kg PVC纤维，取膨胀珍珠岩散料浸泡于水中至吸水饱和，取出晾至饱和面干状态备用。
将经处理的膨胀珍珠岩散料放入可调速的水泥砂浆搅拌机中慢速搅拌至膨胀珍珠岩散料中的部分水渗出，放入磷酸钾镁水泥基胶粘剂粉料，慢速搅拌2min至均匀，再放入白刚玉砂和乱向短切PVC纤维，边慢速搅拌，边加入适量水调节浆体的稠度，慢速搅拌浆体至均匀后再快速搅拌1min，得到符合施工要求稠度的磷酸钾镁水泥基钢结构防火涂料。
该磷酸钾镁水泥基钢结构防火涂料的使用方法，具体包括如下步骤：
清理并喷水润湿钢基体表面，待晾干到表面无水，用所制备的磷酸钾镁水泥基钢结构防火涂料浆体分4次涂抹到钢基体表面，所得涂层厚度为15mm。在20±5℃、50±10％RH环境下自然养护涂层15d。
根据GB14907-2002《钢结构防火涂料》，对本实施例中的磷酸钾镁水泥基钢结构防火涂料的基本性能进行测试，结果见表4。
表4实施例4中的磷酸钾镁水泥基钢结构防火涂料的性能
由表1-表4可以看出，使用本发明实施例的磷酸钾镁水泥基钢结构防火涂料涂覆钢结构时，其干燥时间短、初期抗裂性好，耐火性能优异。
综上所述，本发明实施例的磷酸钾镁水泥基钢结构防火涂料以磷酸钾镁水泥为主胶粘剂，具有凝结时间可控、硬化快、常温固化、便于保存和成本较低的特点，其对钢结构基体的附着力强、机械强度高、防火性能优异且稳定(耐火极限温度高、高温稳定性好)、耐久性好。该磷酸钾镁水泥基钢结构防火涂料的制备方法的工艺简单、原料来源丰富、价格较低、节能环保。使用该磷酸钾镁水泥基钢结构防火涂料时，涂层厚度小、施工快捷方便和固化快。
以上所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。