专利名称：一种耐高温防火材料及应用以及其防火构件的制造方法 目前在高层或超高层建筑领域中采用的框架筒体结构全部由钢质的骨架结构制成，这是因为钢质材料本身具备机械性能好，强度高的特性，可以承受较大的荷载，世界各国的高层建筑，尤其是超过200米、300米高度的超高层建筑，都采用这种钢质框架筒体结构。但是这种钢质框架筒体结构的火灾防御能力差，如火灾温度超过900℃-1100℃时，钢质框架筒体结构会因高温而产生扭曲、形变，甚至自融，最终导致高层建筑物毁坏、塌落。在20世纪末，震惊世界的纽约世界贸易中心大厦遭受袭击，大楼中部燃起大火，由于火灾的高温，导致“摩天大楼”的楼层钢质框架产生扭曲，形变、直至自融，最终使数百米的高层建筑物彻底塌落、毁坏，给人类生命及财产安全造成极大威胁与损失。如何使高层或超高层建筑的钢质框架结构具有不燃性、阻燃性，提高其防火度，使其钢质框架结构能够抵御意外火灾的高温破坏，形成建筑防火保护体，目前已受到国内外各界人士、建筑专家们的高度重视。从现有技术讲，具有高度防火性能的材料主要应用于航天航空材料，该材料的防火等级已达到2000℃，但材料造价昂贵，资源稀少，用它来解决高层、超高层建筑物的建造，其成本太高，难于实现；若选用普通的防火材料，这些防火材料通常又都属于“超重型材质”，不宜在高层或超高层建筑物上使用。故此，高层或超高层建筑物上能够满足较高防火等级要求，又同时具有质轻，强度高，对金属框架结构具有保护作用的劲性钢筋耐火混凝土材料，目前国内外建筑业中仍属空白。
为了解决目前高层或超高层建筑金属框架结构的耐高温防火的保护问题，本发明的目的是提供一种适宜在高层或超高层建筑构件使用的质轻且耐高温的防火材料、防火材料的应用以及该防火材料浇注的耐高温防火构件的制造方法。为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案一种耐高温防火材料，其特征在于它基本由高铝水泥与粉煤灰陶粒和陶砂的组合物混合而成的混合物再加入纤维材料与添加剂组成，每立方米的所述混合物中，所述高铝水泥含300～400kg，所述粉煤灰陶粒与陶砂含1400～1700kg；所述纤维材料加入量为所述混合物总量的1～3％，所述添加剂加入量为所述混合物总量的1～2％。所述粉煤灰陶粒的粒度为φ6～20mm，所述陶砂的粒度为φ1～5mm，所述粉煤灰陶粒与陶砂配合的重量份数比为60～80∶20～40。所述纤维材料为钢纤维或碳纤维中一种；所述添加剂为早强剂、减水剂或防冻剂中一种。
所述添加剂为水溶状态，其质量浓度为3～5％。
本发明的另一个目的是提供一种上述耐高温防火材料在防火构件中的应用，其特征为所述耐高温防火材料浇注且包覆于所述金属结构框架与其外围围成的模板之间，四周浇注的截面宽度分别为120～230mm，且与所述金属结构框架覆着为一体，成型为耐高温防火构件。
本发明再一个目的是提供一种利用上述耐高温防火材料制造耐高温防火构件的方法，包括采用常规的建筑框架结构的搭建步骤，其特征在于它还包括有如下步骤1)制造粒度为φ6～20mm的粉煤灰陶粒、粒度为φ1～5mm的陶砂；2)将步骤1)成品粉煤灰陶粒与陶砂以重量百分数60～80∶20～40的比例混合成组合物，将其以每立方米含1400～1700kg的比例与每立方米含300～400kg的高铝水泥混合后投入搅拌机内，再加入占混合物总量1～3％的纤维材料，1～2％的添加剂；加水搅拌，其搅拌时间为2～3分钟，搅拌成混凝土料浆；所述混凝土料浆的稠度为30～50mm；3)将步骤2)所述的混凝土料浆由其搅拌机中卸出，卸出45分钟之内，在常温下将所述混凝土料浆浇注至所述的常规方法搭建的金属框架结构与外围模板之间；所述料浆分层次浇注，每层次浇注的厚度最多30mm，经震捣器震捣至少两次，每次震捣时间为15～20秒钟；4)经步骤3)逐层浇注的柱体金属框架结构与梁体金属框架结构成型的外围混凝土厚度分别为120～230mm；5)将步骤4)成型的所述柱体与所述梁体置于常温下自然养护至少72小时后，拆除其模板。
上述步骤1)的粉煤灰陶粒与陶砂采用多筒体转窑烧结工艺制造。
上述步骤2)的粉煤灰陶粒与陶砂的组合物与高铝水泥在常温下混合送至搅拌机；所述纤维材料选用钢纤维或者碳纤维中一种，所述添加剂为早强剂、减水剂或防冻剂中一种。
上述的添加剂为水溶状态，其质量浓度为3～5％。
采用常规的建筑钢质结构框架的搭建方法中，钢质框架由钢质柱体与钢质梁体逐层焊接或铆接而成，在钢质柱体与钢质梁体外部加设有柱体钢筋与梁体钢筋，柱体钢质结构采用槽钢，梁体钢质结构采用工字钢，在槽钢与工字钢周围分别绑立有若干根柱体钢筋与梁体钢筋，在柱体钢筋与梁体钢筋的四周还围有箍筋，箍筋为带肋的钢筋，其箍筋外围至槽钢或工字钢的垂直厚度为80～160mm；在成型的钢筋框架结构外再加设一圈框架模板；然后利用本发明的耐高温防火材料浇注至预制成型的钢筋骨架结构与模板之间，其浇注为常温下分层浇注，逐层浇注成型为劲性钢筋耐火混凝土柱体与梁体；再将置于常温下自然养护至少72小时后，拆去外覆膜板，最终成型为本发明的耐高温防火构件。
高层或超高层建筑随其测试合格的框架进行养护再升层作业。
本发明所用的粉煤灰陶粒、陶砂是由多筒体转窑烧结工艺制造的超强型粉煤灰陶粒，筒体分节转窑包括至少两个筒体，所有的筒体共用一个投料装置，每个筒体由至少两个筒体节组成，不同筒体节的直径不同，直径较小的筒体节插在直径较大的筒体节内，在接口处密封，由于不同筒体节之间可以差速、顺逆向旋转，工业废料粉煤灰与特制的粉煤灰陶粒膨胀固化剂混合后形成料球，料球在不同转速以及不同旋转方向筒体节的作用下成型，利用该设备烧制粉煤灰陶粒，单颗粒料球不易粘连结块。上述的加工烧结工艺即“多筒体转窑”是由本发明人于2001年9月24日申请，于2002年3月13日公开的发明专利申请，其申请号为01141409X、公开号为CN1339688A；上述烧结工艺的设备采用筒体分节转窑，该筒体分节转窑为本发明人于2001年4月29日申请，2002年2月13日授权的实用新型专利；其烧结工艺中所用的粉煤灰陶粒膨胀固化剂，为本发明人2000年11月7日申请，2004年4月公开的发明专利申请，其申请号为00133467.0，公开号为CN1288875A，由于上述专利申请及专利均已公开，在此不再赘述。
本发明由于采用了上述技术方案，其优点在于1.利用本发明的防火层覆着的高层建筑框架结构，轻质高强，其表现密度一般为800～1950kg/m3，作承重结构用的表现密度为1400～1950kg/m3，比普通砂石混凝土轻30％；其包覆于钢质框架结构后板材的厚度比普通砂石砼薄约20％以上；但其强度高于普通砼15～40MPa，达到或超过50MPa。
2.抗震性能好，因其自重轻，弹性模量低，在地震荷载作用下，承受的地震力及自振周期长，对冲击波能量的吸收快，减震效果好。
3.阻燃耐火性能好，由于其导热系数低、耐火度高至1600-1750℃，在高温作用下可保护钢质结构骨架及钢筋不易遭受破坏，对同一防火等级的材料而言，不但砼板材薄，而且防火效果好。
4.保温性能好，导热系数为0.23～0.52W/mk，节能效果好；另外用本发明的材料做的建筑框架结构，无放射物及有害物的挥发，并具有抗腐蚀性、防冻、耐老化及隔音效果。
5.由于采用的原料来源于工业废弃物-粉煤灰，其成本比用普通砂石砼低，利于工业废渣的处理且利于环境保护，是一种再生资源，具有良好的商业价值及市场前景。
6.本发明的框架结构不含可燃性物质，具有永久不可燃性能，外壳包覆的防火层，可增强自身承受的恒荷载与因自然环境造成，诸如地震、强风等使其建筑物所承受的活荷载性能，并可保护其高层建筑物的钢质框架结构受到意外火灾时，自然熄灭，使其包覆在其内的钢质框架结构不扭曲、不变形、不融化、不塌落。覆着层的寿命与高层建筑物的钢质框架的使用期限等同。


图1为本发明制造工艺流程2为本发明的高层或超高层成型结构示意3为本发明的普通建筑柱体成型结构示意图
如图1所示，本发明的工艺流程如下1)用筒体转窑烧结工艺生产粉煤灰陶粒与陶砂；其粉煤灰陶粒的粒度为φ6～20mm；陶砂粒度为φ1～5mm；2)取步骤1)成品的粉煤灰陶粒、陶砂以重量份数比为60～80％∶20～40％的比例组合，其组合物按每立方米中含1400～1700kg与每立方米中含300～400kg的高铝水泥混合后，投入搅拌机内；再加入占混合物总量1～3％的纤维材料，1～2％的水溶性添加剂搅拌均匀，再加水，其混合物与水的比例为1∶0.4，强制搅拌2～3分钟后制成混凝土料浆；3)将梁体工字钢与柱体槽钢垂直焊接或铆接为钢质框架结构体，其上预埋有钢质连接件，用带肋的钢筋在构架外围形成箍筋，且与钢质连接件固接；4)将步骤3)成型的箍筋外加设框架模板，用常规的浇注法将步骤2)的混凝土料浆浇注至所述的框架模板内，其浇注时间从搅拌机卸出后不超过45分钟，逐层次浇注，每层次浇注厚度不超过30mm，经高频振捣器振捣两次，每次15～20秒钟，使其混凝土料浆密实均匀再浇注下一层次，其操作程序如上所述，逐层次浇注成型为楼层的劲性钢筋耐火混凝土柱体与梁体；5)将步骤4)成型的混凝土构件置于常温下养护72小时后，再拆除框架模板；6)对步骤5)成型的混凝土构件进行强度检验测试，其构件强度检验符合GBJ10-65国家标准；
7)将步骤6)测试合格的混凝土构件进行养护再升层作业。
上述步骤2)中的粉煤灰陶粒、陶砂与高铝水泥在常温预热，其温度为5～10℃；纤维材料可以选用钢纤维或者碳纤维中的一种；所述添加剂为水溶状态，添加剂可以选用早强剂、减水剂或防冻剂中的一种，其与水的配合比为3～5％∶95～97％，即质量浓度为3～5％；所述搅拌机为强制式搅拌机，其搅拌时间为2～3分钟。
步骤4)浇注混凝土料浆通常在常温下浇注，所述混合料的稠度为30～50mm；上述制造方法中，除了采用高频振捣器振捣，根据构件的厚度要求，还可以采用其它振捣方式。
钢质框架由钢质柱体与钢质梁体逐层铆接或焊接而成，钢质柱体采用槽钢作为芯材，钢质梁体采用工字钢作为芯材，在钢质柱体与钢质梁体外部分别加设有若干根柱体钢筋与若干根梁体钢筋，在捆绑钢筋的四周还围有箍筋，成型为钢筋骨架结构外再加设一圈框架模板；然后利用本发明的耐高温防火材料浇注至预制成型的钢筋骨架结构中分层次浇注成型为劲性钢筋耐火混凝土柱体或梁体。
本发明所用的粉煤灰陶粒、陶砂是由多筒体转窑烧结工艺制造的超强型粉煤灰陶粒，筒体分节转窑包括至少两个筒体，所有的筒体共用一个投料装置，每个筒体由至少两个筒体节组成，不同筒体节的直径不同，直径较小的筒体节插在直径较大的筒体节内，在接口处密封，由于不同筒体节之间可以差速、顺逆向旋转，工业废料粉煤灰与特制的粉煤灰陶粒膨胀固化剂混合后形成料球，料球在不同转速以及不同旋转方向筒体节的作用下成型，利用该设备烧制粉煤灰陶粒，单颗粒料球不易粘连结块。上述的加工烧结工艺即“多筒体转窑”是由本发明人于2001年9月24日申请，于2002年3月13日公开的发明专利申请，其申请号为01141409X、公开号为CN1339688A；上述烧结工艺的设备采用筒体分节转窑，该筒体分节转窑为本发明人于2001年4月29日申请，2002年2月13日授权的实用新型专利；其烧结工艺中所用的粉煤灰陶粒膨胀固化剂，为本发明人2000年11月7日申请，2004年4月公开的发明专利申请，其申请号为00133467.0，公开号为CN1288875A，由于上述专利申请及专利均已公开，在此不再赘述。
高层或超高层建筑随其测试合格的混凝土成型构件进行保护再升层作业。
对成型的混凝土构件的原材料试配抗压强度的测试方法，由设计强度与粉煤灰陶粒(轻骨料)砼强度的总体标准差与一常数值1.645的和组成，上述设计强度为定值，粉煤灰陶粒(轻骨料)砼强度的总体标准差根据所要求的砼强度等级选取，代入下列公式确定其试配抗压强度f′cu＝fcuk+1.645δf′cu-试配抗压强度(MPa)fcuk-设计强度(MPa)
δ-粉煤灰陶粒(轻骨料)砼强度的总体标准差(MPa)其中δ的取值如表1所示表1

混凝土结构工程质量按照GB50204-2002进行强度检验测试。
如图2所示本实施例为超高层或高层的钢质框架结构的耐高温防火层，由钢质框架结构柱体槽钢结构1、梁体钢质工字钢结构2、高层框架柱体钢质结构防火保护体钢筋骨架3；柱体槽钢结构防火层的砼钢筋骨架箍筋4；梁体工字钢结构防火层的钢筋骨架5；柱体槽钢结构防火层砼结构6；梁体工字钢结构防火保护层砼结构7；捣制楼板层8组成。
上述的箍筋为带肋的钢筋，在箍筋外围至钢质框架结构体的垂直砼厚度为120-230毫米。
如图3所示，本发明的耐高温防火材料及应用与其制造方法同样适合于普通钢质框架结构的防火构件，由普通钢质框架防火层砼钢筋骨架箍筋9，普通钢质框架结构防火层砼钢筋骨架结构10，基本由粉煤灰陶粒、陶砂与高铝水泥组成的砼11成型为普通钢质框架结构防火构件。
其加工制造过程与上述相同，其与图2方案不同点，在于普通钢质框架结构的防火构件适宜于标准层次的楼房。
本发明采用的材料的技术指标及工艺要求为粉煤灰陶粒与陶砂的超强型标准，施行国标GB/T17431.1-1998，GB/T17431.2-1998标准。
高铝水泥施行国标GB201-1981；搭建金属框架结构的钢筋，符合国标GB1499-1998与GB13788-2000；所用的添加剂，包括早强剂或减水剂或防冻剂中一种，施行国标GB8076-1997；所用的钢纤维或碳纤维的长度、直径可根据工程需要而定；在混合物搅拌时所用水应采用饮用水或者是自来水。
所用的高铝水泥作粘合剂制造防火层的指标如表2所示
表2

高铝水泥指标来源于鞍钢耐火材料厂，鞍钢耐火材料公司本发明的具体材料的配比由下述实施例实现实施例一粉煤灰陶粒与陶砂的组合物与高铝水泥混合而成，其中粉煤灰陶粒与陶砂由多筒体转窑烧结工艺制造，其粉煤灰陶粒的粒度为φ6mm；陶砂粒度为φ5mm；将粉煤灰陶粒与陶砂的配合比为重量份数比60∶40；粉煤灰陶粒与陶砂常温下与高铝水泥混合投入搅拌机；该混合物每立方米所占重量份数比为高铝水泥含300kg，粉煤灰陶粒与陶砂的组合物含1700kg；再加入占混合物总量3％的钢纤维，加入占混合物总量1％的添加剂，投入搅拌机中搅拌；添加剂的选用根据施工时节气温湿度而定，本实施例选用早强剂，在使用早强剂之前，先将其溶于水中，早强剂与水的配合重量份数比为3∶97，将所使用的早强剂与水混合均匀后，再加入到搅拌机内的混合料中，加入水，其混合物与水的比例为1∶0.4，然后强制搅拌2分钟将该混合料混合均匀浇注混凝土料浆，其混合料的稠度为30mm；卸出后常温下浇注。
上述的砼混合料从搅拌机卸出后到浇注至钢质框架结构的时间不超过45分钟。
实施例二粉煤灰陶粒与陶砂的组合物与高铝水泥混合而成，其中粉煤灰陶粒与陶砂由多筒体转窑烧结工艺制造，其粉煤灰陶粒的粒度为φ20mm；陶砂粒度为φ1mm；粉煤灰陶粒与陶砂的重量份数比为70∶30；该混合物每立方米所占重量份数比为高铝水泥350kg，粉煤灰陶粒与陶砂的组合物1600kg；粉煤灰陶粒与陶砂常温下与高铝水泥混合投入搅拌机，再加入占混合物总量2％的碳纤维，加入占混合物总量2％的添加剂，在搅拌机中搅拌；添加剂的选用根据施工时节气温湿度而定，本实施例选用减水剂，在使用减水剂之前，先将其溶于水中，减水剂与水的配合重量份数比为5∶95，将所使用的减水剂与水混合均匀后，再加入到搅拌机内的混合料中，加入水，混合物与水的比例为1∶0.4。混合物进入搅拌机内实施强制搅拌，搅拌时间为3分钟，将该混合料混合均匀，，混合料的稠度为50mm；卸出后常温下浇注。
上述的砼混合料从搅拌机卸出后到浇注至钢质框架结构的时间不超过45分钟，搅拌罐装车2小时内，如超过上述时间，混凝土会产生初凝状态，会影响砼浇注质量。
实施例三粉煤灰陶粒与陶砂的组合物与高铝水泥混合而成，其中粉煤灰陶粒与陶砂由多筒体转窑烧结工艺制造，其粉煤灰陶粒的粒度为φ15mm；陶砂粒度为φ3mm；粉煤灰陶粒与陶砂的重量份数比例为80∶20；该混合物每立方米所占重量份数比为高铝水泥400kg，粉煤灰陶粒与陶砂的组合物1400kg；粉煤灰陶粒与陶砂常温下与高铝水泥混合投入搅拌机，再加入占混合物总量1％的钢纤维，加入占混合物总量2％的添加剂，投入搅拌机中搅拌；添加剂的选用根据施工时节气温湿度而定，在本实施例中选用防冻剂，在使用防冻剂之前，先将其溶于水中，防冻剂与水的配合重量份数比为4∶96，将所使用的防冻剂与水混合均匀后，再加入到搅拌机内的混合料中，加入水，其混合物与水的比例为1∶0.4。混合物进入强制搅拌机内进行强制搅拌，搅拌时间为2.5分钟，将该混合料混合均匀，混合料的稠度为40mm；卸出后常温下浇注。
上述的砼混合料从搅拌机卸出后到浇注至钢质框架结构的时间不超过45分钟，若超过上述时间，则会发生砼初凝现象，影响砼浇注质量。
本发明利用耐高温防火材料与高层钢质框架筒体结构一体成型，形成保护体结构，保护着高层或超高层钢质框架筒体结构在突然遭受意外火灾袭击时，该防火构件能够抵抗住高温巨热的袭击，耐高温程度可达1500℃-1750℃，遇火不燃，有效阻止其火势漫延；由于本发明耐高温防火材料所具有的特性，会有效阻止高温渗透至高层钢质框架筒体结构，保证了高层或超高层钢质框架筒体结构的荷载、固定形状及性能不变，提高了高层或超高层建筑物高度防火、抵御火灾性能，延长其使用寿命的功能，其结构安全稳定，满足了日益增长的高层或超高层楼寓的建设需求，造福于人类。


本发明公开一种高层或超高层建筑金属框架结构用的耐高温防火材料、用耐高温防火材料成型的耐火构件及其制造方法，属混凝土建筑材料领域。其技术方案为一种耐高温防火材料基本由高铝水泥和粉煤灰陶粒与陶砂的组合物混合而成，其高铝水泥为300～400kg/m