氯氧鎂膠凝材料微機配料系統研究

2014-05-12 07:17:52張興福1王維昌2楊元華2王翔1

居業 2014年5期

張興福1 王維昌2、楊元華2、王翔1

1、山東省建筑科學研究院、2、海陽市建筑工程質量監督站

1.前言

我國菱鎂制品的發展至今已有60多年的歷史，以氯氧鎂膠凝材料為膠結料制作的制品具有強度高、韌性好、防火、密度可調、低能耗、無污染等優點，已被廣泛應用來制作防火板、通風管道、防火門芯板、發泡墻板等產品。近十年，隨著氯氧鎂改性技術應用的深入，制品品種、產量逐漸擴大，呈現出一片欣欣向榮的景象，同時諸多問題也暴露出來，這當中有行業管理的問題，有無德企業惡意為之的問題，也有科學技術不能正確普及的問題。在制品生產層面主要表現在，有的企業不懂得如何計算氯化鎂和氧化鎂的合理比例，有的技術人員不懂得要根據主要原料成分變化來及時調整配比，氯氧鎂鎂改性劑的選擇不能隨環境溫度變化而變化，導致產品出現這樣那樣的質量問題，產生不必要的浪費。

在中國菱鎂行業協會的協調下，國家木材節約發展中心于2013年7月15日批準了“菱鎂膠凝材料微機配料系統的研究”項目，該項目由山東省建筑科學研究院（下稱山東院）牽頭，山東質量認證中心協作，項目編號為2013-1011。該項目預期運用信息技術研制一款具有多種菱鎂制品生產配方調整功能的計算軟件，使得使用者能夠科學及時地應對個各類生產要素的變化，以期對整個菱鎂行業的技術水平帶來提高，為各制品企業的產品質量帶來提高。

山東省建筑科學研究院自1958年建院伊始就開始進行氯氧鎂膠凝材料的研究工作，先后承擔了獲得山東省科技進步三等獎和山東省建筑業技術創造一等獎的“菱鎂膠凝材料的改性劑試驗研究”項目和山東省科技廳攻關計劃項目“菱鎂膠凝材料低溫早強促凝劑的研究”等，這些成果均填補了國內空白，居國際同類技術領先水平。在氯氧鎂膠凝材料領域的研究工作始終處于國內領先地位。推出的緩凝劑、抗返鹵劑、偶聯劑、消泡劑和低溫早強劑等“科韻”系列改性劑，可以控制氯氧鎂水泥制品的物理力學性能，并且可以根據不同制品的生產需要來控制膠凝材料的和易性和凝結時間。作為先進技術的擁有者和中國菱鎂科研基地，山東院來承擔該項目，具有得天獨厚的條件。

常見的菱鎂膠凝材料包括氯氧鎂水泥、硫氧鎂水泥和磷酸鎂水泥，由于近期硫氧鎂改性技術的突破，在市場上會出現大量的改性硫氧鎂制品，以往業內所稱的“菱鎂制品”的概念就需要細化，項目組在征求項目下達單位及行業協會秘書處的同意后，將本項目所稱的“菱鎂”替換為“氯氧鎂”，以引導行業正確進行制品分類。

項目組選取了防火門芯板、防火板、內隔墻板、通風管道、工藝品、建筑模殼等各類制品的生產配方為研究對象，根據其應用范圍、市場規模、技術基礎、以及服務對象的多少，優先確定了防火門芯板、防火板、內隔墻板、通風管道四類量大面廣的制品為研究目標，首先根據各類原材料的標準和山東院研究經驗，確立其使用邊界，對邊界內的原料配比生成生產參考配方。以活性氧化鎂含量、環境溫度為變量，根據多年來山東院積累的經驗數據，使用成熟的計算機技術及數據庫技術，建立相應的數學模型，編制相關的程序，計算給出各種原料用量、濃度及其他填料的參考用量。建立方便的人機界面，讓用戶簡單快捷的使用。

經過項目組的努力，我們按期完成了該項目的全部研究工作，其標志性成果《氯氧鎂制品配料計算軟件》也在2013年11月6日完成。

在項目的實施過程中，格爾木華鵬鹽化有限公司和海城市華豐鎂業礦產品有限公司參與并承擔了提供氯化鎂、輕燒氧化鎂兩種主要原材料的質量數據的任務。

該項目于2013年12月8日在北京通過國家木材節約發展中心組織的驗收，驗收結論為達到國內先進水平。

2.研究工作主要內容

2.1 氯氧鎂膠凝材料微機配料系統研究的理論依據

氯氧鎂鎂膠凝材料即鎂質膠凝材料是無機膠凝材料的重要分支之一，原料資源豐富，我國菱鎂礦儲量居世界之首，總儲量為35.64億噸，占世界儲量的28.7%，且雜質少、品位高，一般MgO含量為40%～60%。它主要應用于建筑工程、市政工程、公路交通、環保行業及農業生產中，其制品在代木、代鋼等方面，顯示出優越性。我國菱鎂制品生產企業在3000家以上，生產的制品有防火門芯板、防火板、隔墻板、蔬菜大棚支架、通風管道、波形瓦、工藝品、菱鎂檢查井蓋等。菱鎂膠凝材料生產過程無需蒸養，具有節水、節電、節能特點，生產工藝簡單、投資少、見效快，而且制品本身不燃燒、防火性能突出、輕質高強、隔熱、隔音、韌性好，抗凍，因而得到了廣泛的應用。

2.1.1 影響氯氧鎂制品性能的主要因素

（1）氯氧鎂水泥反應產物類型

氯氧鎂水泥體系中主要有四個反應相生成：2 Mg(OH)2·MgCl2·4H2O(2 相 )，

表1 不同反應產物菱鎂水泥石的抗壓強度

3Mg(OH)2·MgCl2·8H2O (3 相 )，5 Mg(OH)2·MgCl2·8H2O (5 相 )，9 Mg(OH)2·MgCl2·5H2O (9 相 )。在這四相中，3相和5相在任何溫度下都能存在，而2相和9相只有在100℃以上才是穩定的。

氯氧鎂水泥中表現出最優異的機械性能，3相是不穩定相，5相鎂水泥石抗壓強度比3相要高，3相和5相抗壓強度比較見表1，因此在反應中最希望生成5相晶體。

（2）MgO活性的影響

MgO活性不僅是影響反應產物組成及其形成速度的主要因素，而且也是影響反應產物穩定性的主要因素，MgO活性過大，易生成Mg(OH)2,有阻止或抑制5相生成的趨勢；MgO活性過小，5相易轉變成3相；MgO活性適中，生成5相，且穩定性好。

（3）MgO/MgCl2摩爾比

通過對MgO/ MgCl2摩爾比的研究，發現其對制品強度和變形有很大影響，當MgO/ MgCl2摩爾比提高，氯氧鎂水泥抗壓強度提高，當MgO/MgCl2摩爾比=7～9時，基本沒有返鹵現象，強度高，外觀較好。采用較高MgO/ MgCl2摩爾比，對提高5相穩定性有利。見表2

（4）H2O/MgCl2摩爾比

氯氧鎂水泥反應速度和水化產物與 MgO/ MgCl2、H2O/ MgCl2摩爾比相關性很強，MgO/ MgCl2摩爾比較大則硬化體中殘留的MgCl2較少，吸潮返鹵可能性較小，H2O/MgCl2越大反應速度相應加快，殘留MgCl2較少，吸潮可能性小。

H2O/ MgCl2摩爾比在 15：1～20：1范圍內，隨著摩爾比增大，氯氧鎂水泥石抗壓強度明顯降低，采用較低H2O/ MgCl2摩爾比，即較大的氯化鎂溶液濃度能提高5相穩定性，但是要滿足料漿和易性要求。

（5）摻加外加劑對穩定5相結構的作用

摻加外加劑是穩定5相結構的有效方法，某些外加劑可以穩定水化產物的結構及形態，增加泡水穩定性。

表2 不同MgO/ MgCl2摩爾比菱鎂水泥石抗壓強度

表3 氯化鎂溶液配比與含量

2.1.2 氯氧鎂制品配合比設計方法

（1）確定MgO/MgCl2的摩爾比

MgO/MgC12的摩爾比確定原則，根據生產的產品類別、用途，產品生產和使用地區的溫度和濕度，確定摩爾比。

根據MgO/MgCl2摩爾比= 活性MgO百分含量×輕燒粉用量×95.1÷（鹵水用量×鹵水中MgCl2含量×40.3），推導出

輕燒粉與鹵水質量比=MgO/MgCl2摩爾比×鹵水中MgCl2含量×40.3÷（活性氧化鎂含量×95.1）

（2）用水量確定

MgO/MgCl2摩爾比確定后，MgCl2的量基本確定，生產不同的制品，選用不同的填料及加量，為了滿足成型的需要，料漿的液固比在一定范圍內，只能調節氯化鎂溶液的濃度。

根據MgC12臨界濃度確定用水量，臨界濃度是指MgC12溶液濃度在最佳值時，配制的氯氧鎂硬化體獲得最好的機械強度和穩定性能，且性能隨著齡期增長而增強。MgCl2溶液在20%～23%區域時，獲得氯氧鎂硬化體性能最佳，表3展示了氯化鎂溶液的配制，同時也告知不同波美度的鹵液，摻入一定的水可以使其達到在鹵液中的臨界濃度的含量，這樣在配置氯氧鎂膠凝材料時，水的用量就可以量化了。

臨界濃度的取用與環境溫度、制作氯氧鎂制品時加的填料有一定關系，成型溫度在30℃以上、填料加的多時，MgC12臨界濃度可取用20%，30℃以下、填料加的少時，取用較大值。

（3）確定填料的加入量

一般填料摻量在10%以下時，對制品強度影響不明顯，超過10%，加量越大，不利影響越大。填充料質量配比占總氧化鎂的15%～50%，較佳配比為20%～30%。填充料中如珍珠巖、鋸粉等吸水率大的輕質填料，應嚴格控制加量。

（4）選擇合適的改性劑

改性劑是構成氯氧鎂制品的第三組分，也是一種關鍵性的組分，在生產中不可或缺。由于氯氧鎂制品本身存在的耐水性差、易吸潮返鹵、易翹曲變形等缺陷，因此，必須由高效的改性劑來解決。氯氧鎂制品的生產離不開改性劑，沒有改性劑的參與，要完全克服氯氧鎂制品上述的缺陷是很難實現的，所以，沒有改性劑是萬萬不能的；但也不能將改性劑的作用無限的夸大，如果不重視原材料、生產配方和工藝，僅僅依靠改性劑也難以達到應有的目的，所以，改性劑不是萬能的。

改性劑的種類，按其作用可分為：緩凝劑、促凝劑、早強劑(又分低溫型和常溫型)、減水劑、抗返鹵劑、消泡劑、發泡劑、增韌劑、表面處理劑等。

根據生產的產品要求及改性劑說明書選擇改性劑品種及加量，選用的改性劑必須滿足氯氧鎂膠凝材料改性劑(WB/T1023-2005)標準要求。

（5）確定實際生產時的配比

根據以上4點確定一個配方，成型部分產品，進行檢測，根據檢測結果進行適當調整。

2.1.3 原材料標準

根據我們多年研究成果總結出生產防火門芯板、防火板、隔墻板、通風管道的主要原材料要求見表4 。

表4 主要原材料技術要求

2.2 《氯氧鎂制品配料計算軟件》的編制

2.2.1 開發環境與工具介紹

（1）開發環境運行平臺：windowsXP

開發語言：powerbuilder

后臺數據庫：microsoft office accesss數據庫

（2）選擇 powerbuilder作為開發工具，主要以為它是完全按照客戶體系結構研制設計的，采用面向對象技術，圖形化的應用開發環境，是數據庫的前端開發工具。使用PowerBuilder可以很容易地開發和數據庫打交道的商業化應用軟件，應用開發人員通過簡單的鼠標操作即可設計、建立、交互檢驗和測試客戶應用程序。

（3）選擇 microsoft office accesss數據庫，主要是因為Access是一款數據庫應用的開發工具軟件且高度成熟，用MS-access來開發軟件，其最大的優點是：易學！非計算機專業的人員，也能學會。低成本地滿足了那些從事企業生產管理工作的人員的需要，通過軟件來計算配方。

2.2.2 系統需求分析與可行性研究

（1）用戶需求

統一友好的操作界面，保證系統的易用性，方便用戶操作。具備生產配方保存功能，方便使用者對現行配方和歷史配方進行瀏覽與比較；具備各種原材料的使用標準，便于比對；具備各種原材料的摻加順序，便于制造生產。

（2）系統功能需求

用戶通過使用界面，根據需求選擇制品類型，分別為：防火門芯板、防火板、內隔墻板和無機通風管道。

用戶通過錄入環境溫度、輕燒粉活性氧化鎂含量和輕燒粉用量便可獲得相應的生產配方。產生的配方可保存，可打印。

為防止該軟件的濫用和隨意盜版，本軟件使用與銀行U盾類似的加密手段，須插入U盤軟件方可正常運行。

（3）可行性研究

隨著信息技術的發展，開發環境運行平臺windowsXP，開發語言powerbuilder和后臺數據庫microsoft office accesss都是成熟的開發工具，完全可以實現本軟件的各項功能；綜合各項氯氧鎂改性技術，以及山東省建筑科學研究院科研人員多年現場服務的經驗所建立的數學模型，可以解決生產過程中出現的主要變化，從技術上來講是可行的，具有現實的可操作性。

2.2.3. 系統設計與實施