氯氧镁胶凝材料微机配料系统研究

张兴福1 王维昌2、杨元华2、王翔1

1、山东省建筑科学研究院、2、海阳市建筑工程质量监督站

1.前言

我国菱镁制品的发展至今已有60多年的历史，以氯氧镁胶凝材料为胶结料制作的制品具有强度高、韧性好、防火、密度可调、低能耗、无污染等优点，已被广泛应用来制作防火板、通风管道、防火门芯板、发泡墙板等产品。近十年，随着氯氧镁改性技术应用的深入，制品品种、产量逐渐扩大，呈现出一片欣欣向荣的景象，同时诸多问题也暴露出来，这当中有行业管理的问题，有无德企业恶意为之的问题，也有科学技术不能正确普及的问题。在制品生产层面主要表现在，有的企业不懂得如何计算氯化镁和氧化镁的合理比例，有的技术人员不懂得要根据主要原料成分变化来及时调整配比，氯氧镁镁改性剂的选择不能随环境温度变化而变化，导致产品出现这样那样的质量问题，产生不必要的浪费。

在中国菱镁行业协会的协调下，国家木材节约发展中心于2013年7月15日批准了“菱镁胶凝材料微机配料系统的研究”项目，该项目由山东省建筑科学研究院（下称山东院）牵头，山东质量认证中心协作，项目编号为2013-1011。该项目预期运用信息技术研制一款具有多种菱镁制品生产配方调整功能的计算软件，使得使用者能够科学及时地应对个各类生产要素的变化，以期对整个菱镁行业的技术水平带来提高，为各制品企业的产品质量带来提高。

山东省建筑科学研究院自1958年建院伊始就开始进行氯氧镁胶凝材料的研究工作，先后承担了获得山东省科技进步三等奖和山东省建筑业技术创造一等奖的“菱镁胶凝材料的改性剂试验研究”项目和山东省科技厅攻关计划项目“菱镁胶凝材料低温早强促凝剂的研究”等，这些成果均填补了国内空白，居国际同类技术领先水平。在氯氧镁胶凝材料领域的研究工作始终处于国内领先地位。推出的缓凝剂、抗返卤剂、偶联剂、消泡剂和低温早强剂等“科韵”系列改性剂，可以控制氯氧镁水泥制品的物理力学性能，并且可以根据不同制品的生产需要来控制胶凝材料的和易性和凝结时间。作为先进技术的拥有者和中国菱镁科研基地，山东院来承担该项目，具有得天独厚的条件。

常见的菱镁胶凝材料包括氯氧镁水泥、硫氧镁水泥和磷酸镁水泥，由于近期硫氧镁改性技术的突破，在市场上会出现大量的改性硫氧镁制品，以往业内所称的“菱镁制品”的概念就需要细化，项目组在征求项目下达单位及行业协会秘书处的同意后，将本项目所称的“菱镁”替换为“氯氧镁”，以引导行业正确进行制品分类。

项目组选取了防火门芯板、防火板、内隔墙板、通风管道、工艺品、建筑模壳等各类制品的生产配方为研究对象，根据其应用范围、市场规模、技术基础、以及服务对象的多少，优先确定了防火门芯板、防火板、内隔墙板、通风管道四类量大面广的制品为研究目标，首先根据各类原材料的标准和山东院研究经验，确立其使用边界，对边界内的原料配比生成生产参考配方。以活性氧化镁含量、环境温度为变量，根据多年来山东院积累的经验数据，使用成熟的计算机技术及数据库技术，建立相应的数学模型，编制相关的程序，计算给出各种原料用量、浓度及其他填料的参考用量。建立方便的人机界面，让用户简单快捷的使用。

经过项目组的努力，我们按期完成了该项目的全部研究工作，其标志性成果《氯氧镁制品配料计算软件》也在2013年11月6日完成。

在项目的实施过程中，格尔木华鹏盐化有限公司和海城市华丰镁业矿产品有限公司参与并承担了提供氯化镁、轻烧氧化镁两种主要原材料的质量数据的任务。

该项目于2013年12月8日在北京通过国家木材节约发展中心组织的验收，验收结论为达到国内先进水平。

2.研究工作主要内容

2.1 氯氧镁胶凝材料微机配料系统研究的理论依据

氯氧镁镁胶凝材料即镁质胶凝材料是无机胶凝材料的重要分支之一，原料资源丰富，我国菱镁矿储量居世界之首，总储量为35.64亿吨，占世界储量的28.7%，且杂质少、品位高，一般MgO含量为40%～60%。它主要应用于建筑工程、市政工程、公路交通、环保行业及农业生产中，其制品在代木、代钢等方面，显示出优越性。我国菱镁制品生产企业在3000家以上，生产的制品有防火门芯板、防火板、隔墙板、蔬菜大棚支架、通风管道、波形瓦、工艺品、菱镁检查井盖等。菱镁胶凝材料生产过程无需蒸养，具有节水、节电、节能特点，生产工艺简单、投资少、见效快，而且制品本身不燃烧、防火性能突出、轻质高强、隔热、隔音、韧性好，抗冻，因而得到了广泛的应用。

2.1.1 影响氯氧镁制品性能的主要因素

（1）氯氧镁水泥反应产物类型

氯氧镁水泥体系中主要有四个反应相生成：2 Mg(OH)2·MgCl2·4H2O(2 相 )，

表1 不同反应产物菱镁水泥石的抗压强度

3Mg(OH)2·MgCl2·8H2O (3 相 )，5 Mg(OH)2·MgCl2·8H2O (5 相 )，9 Mg(OH)2·MgCl2·5H2O (9 相 )。在这四相中，3相和5相在任何温度下都能存在，而2相和9相只有在100℃以上才是稳定的。

氯氧镁水泥中表现出最优异的机械性能，3相是不稳定相，5相镁水泥石抗压强度比3相要高，3相和5相抗压强度比较见表1，因此在反应中最希望生成5相晶体。

（2）MgO活性的影响

MgO活性不仅是影响反应产物组成及其形成速度的主要因素，而且也是影响反应产物稳定性的主要因素，MgO活性过大，易生成Mg(OH)2,有阻止或抑制5相生成的趋势；MgO活性过小，5相易转变成3相；MgO活性适中，生成5相，且稳定性好。

（3）MgO/MgCl2摩尔比

通过对MgO/ MgCl2摩尔比的研究，发现其对制品强度和变形有很大影响，当MgO/ MgCl2摩尔比提高，氯氧镁水泥抗压强度提高，当MgO/MgCl2摩尔比=7～9时，基本没有返卤现象，强度高，外观较好。采用较高MgO/ MgCl2摩尔比，对提高5相稳定性有利。见表2

（4）H2O/MgCl2摩尔比

氯氧镁水泥反应速度和水化产物 与 MgO/ MgCl2、H2O/ MgCl2摩尔比相关性很强，MgO/ MgCl2摩尔比较大则硬化体中残留的MgCl2较少，吸潮返卤可能性较小，H2O/MgCl2越大反应速度相应加快，残留MgCl2较少，吸潮可能性小。

H2O/ MgCl2摩 尔 比 在 15：1～20：1范围内，随着摩尔比增大，氯氧镁水泥石抗压强度明显降低，采用较低H2O/ MgCl2摩尔比，即较大的氯化镁溶液浓度能提高5相稳定性，但是要满足料浆和易性要求。

（5）掺加外加剂对稳定5相结构的作用

掺加外加剂是稳定5相结构的有效方法，某些外加剂可以稳定水化产物的结构及形态，增加泡水稳定性。

表2 不同MgO/ MgCl2摩尔比菱镁水泥石抗压强度

表3 氯化镁溶液配比与含量

2.1.2 氯氧镁制品配合比设计方法

（1）确定MgO/MgCl2的摩尔比

MgO/MgC12的摩尔比确定原则，根据生产的产品类别、用途，产品生产和使用地区的温度和湿度，确定摩尔比。

根据MgO/MgCl2摩尔比= 活性MgO百分含量×轻烧粉用量×95.1÷（卤水用量×卤水中MgCl2含量×40.3），推导出

轻烧粉与卤水质量比=MgO/MgCl2摩尔比×卤水中MgCl2含量×40.3÷（活性氧化镁含量×95.1）

（2）用水量确定

MgO/MgCl2摩尔比确定后，MgCl2的量基本确定，生产不同的制品，选用不同的填料及加量，为了满足成型的需要，料浆的液固比在一定范围内，只能调节氯化镁溶液的浓度。

根据MgC12临界浓度确定用水量，临界浓度是指MgC12溶液浓度在最佳值时，配制的氯氧镁硬化体获得最好的机械强度和稳定性能，且性能随着龄期增长而增强。MgCl2溶液在20%～23%区域时，获得氯氧镁硬化体性能最佳，表3展示了氯化镁溶液的配制，同时也告知不同波美度的卤液，掺入一定的水可以使其达到在卤液中的临界浓度的含量，这样在配置氯氧镁胶凝材料时，水的用量就可以量化了。

临界浓度的取用与环境温度、制作氯氧镁制品时加的填料有一定关系，成型温度在30℃以上、填料加的多时，MgC12临界浓度可取用20%，30℃以下、填料加的少时，取用较大值。

（3）确定填料的加入量

一般填料掺量在10%以下时，对制品强度影响不明显，超过10%，加量越大，不利影响越大。填充料质量配比占总氧化镁的15%～50%，较佳配比为20%～30%。填充料中如珍珠岩、锯粉等吸水率大的轻质填料，应严格控制加量。

（4）选择合适的改性剂

改性剂是构成氯氧镁制品的第三组分，也是一种关键性的组分，在生产中不可或缺。由于氯氧镁制品本身存在的耐水性差、易吸潮返卤、易翘曲变形等缺陷，因此，必须由高效的改性剂来解决。氯氧镁制品的生产离不开改性剂，没有改性剂的参与，要完全克服氯氧镁制品上述的缺陷是很难实现的，所以，没有改性剂是万万不能的；但也不能将改性剂的作用无限的夸大，如果不重视原材料、生产配方和工艺，仅仅依靠改性剂也难以达到应有的目的，所以，改性剂不是万能的。

改性剂的种类，按其作用可分为：缓凝剂、促凝剂、早强剂(又分低温型和常温型)、减水剂、抗返卤剂、消泡剂、发泡剂、增韧剂、表面处理剂等。

根据生产的产品要求及改性剂说明书选择改性剂品种及加量，选用的改性剂必须满足氯氧镁胶凝材料改性剂(WB/T1023-2005)标准要求。

（5）确定实际生产时的配比

根据以上4点确定一个配方，成型部分产品，进行检测，根据检测结果进行适当调整。

2.1.3 原材料标准

根据我们多年研究成果总结出生产防火门芯板、防火板、隔墙板、通风管道的主要原材料要求见表4 。

表4 主要原材料技术要求

2.2 《氯氧镁制品配料计算软件》的编制

2.2.1 开发环境与工具介绍

（1）开发环境运行平台：windowsXP

开发语言：powerbuilder

后台数据库：microsoft office accesss数据库

（2）选 择 powerbuilder作 为开发工具，主要以为它是完全按照客户体系结构研制设计的，采用面向对象技术，图形化的应用开发环境，是数据库的前端开发工具。使用PowerBuilder可以很容易地开发和数据库打交道的商业化应用软件，应用开发人员通过简单的鼠标操作即可设计、建立、交互检验和测试客户应用程序。

（3）选 择 microsoft office accesss数据库，主要是因为Access是一款数据库应用的开发工具软件且高度成熟，用MS-access来开发软件，其最大的优点是：易学！非计算机专业的人员，也能学会。低成本地满足了那些从事企业生产管理工作的人员的需要，通过软件来计算配方。

2.2.2 系统需求分析与可行性研究

（1）用户需求

统一友好的操作界面，保证系统的易用性，方便用户操作。具备生产配方保存功能，方便使用者对现行配方和历史配方进行浏览与比较；具备各种原材料的使用标准，便于比对；具备各种原材料的掺加顺序，便于制造生产。

（2）系统功能需求

用户通过使用界面，根据需求选择制品类型，分别为：防火门芯板、防火板、内隔墙板和无机通风管道。

用户通过录入环境温度、轻烧粉活性氧化镁含量和轻烧粉用量便可获得相应的生产配方。产生的配方可保存，可打印。

为防止该软件的滥用和随意盗版，本软件使用与银行U盾类似的加密手段，须插入U盘软件方可正常运行。

（3）可行性研究

随着信息技术的发展，开发环境运行平台windowsXP，开发语言powerbuilder和后台数据库microsoft office accesss都是成熟的开发工具，完全可以实现本软件的各项功能；综合各项氯氧镁改性技术，以及山东省建筑科学研究院科研人员多年现场服务的经验所建立的数学模型，可以解决生产过程中出现的主要变化，从技术上来讲是可行的，具有现实的可操作性。

2.2.3. 系统设计与实施

（2）系统实施过程

经过数据库逻辑结构设计，进一步建立所需的数据库，再进行数据库连接，对各主要模块进行程序设计及编程。因加密环节需要，具体源程序和数据库结构在此不详细公布。

（3）系统界面

2.2.4 软件说明及安装使用方法

软件文件大小：约190M

软件共12个文件和一个文件目录

文件名：氯氧镁制品配料计算软 件 .exe，pbvm80.dll，pbtra80.dll，pbrtc80.dll，pbodb80.dll，pbdwe80.dll，odbcjt32.dll，lmpldata.mdb，lmpl_jky.dll，LMPL.INI，lmpl.dll，libjcc.dll

目录名：视频文件

软件第一次运行步骤:

⑴将所配发U盘下目录LMPL拷贝至计算机硬盘相应分区（如D:盘）

⑵点开硬盘相应分区下LMPL目录（如D:LMPL）

⑶鼠标右键点击“菱镁制品配料计算软件.EXE”文件，鼠标左键依次选取“发送到”、“桌面快捷方式”

⑷关闭LMPL文件目录，在系统桌面鼠标左键双击“菱镁制品配料计算软件.EXE”文件，第一次运行时系统自动注册后提示退出。

日常运行步骤:

日常运行只需要在系统桌面鼠标左键双击“菱镁制品配料计算软件.EXE”文件，插入配发U盘即可。

数据备份：

数据需要备份时请把硬盘LMPL下的lmpldata.mdb文件拷贝至所配发U盘LMPL目录下，覆盖原文件即可。

2.3 氯氧镁胶凝材料微机配料系统软件验证

根据氯氧镁胶凝材料微机配料软件生成的防火板、防火门芯板、发泡墙板、通风管道配方，成型制品检测结果如下：

2.3.1 防火板

按照软件输出的配方验证生产，根据JC688-2006“玻镁平板”标准检测性能指标见表5。

表5 防火板性能指标

2.3.2 防火门芯板

按照软件输出的配方验证生产，防火门芯板根据JG/T XXX-XXXX“菱镁防火门芯板”（征求意见稿）检测性能指标见表6：

?

2.3.3 发泡氯氧镁墙板

按照软件输出的配方验证生产，根据JG/T169-2005“建筑隔墙用轻质条板”检验结果见表7。

?

2.3.4 通风管道

按照软件输出的配方验证生产，根据JG/T301-2011机制玻镁复合板与风管标准检测（BⅤ型）结果见表8。

?

3.结论

（1）本文对影响氯氧镁防火门芯板、防火板、隔墙板、通风管道质量的主要因素MgO活性含量、MgO/ MgCl2摩尔比、改性剂进行了研究。

（2）将MgO活性含量、MgO/MgCl2摩尔比、改性剂、温度作为为软件的输入，结合本院多年研究成果，编制了氯氧镁胶凝材料微机配料系统软件。

（3）对此软件进行了验证，成型的制品性能指标能达到相应的行业标准的要求，说明此软件具有科学性和实用性。

（4）此软件的推广应用，将对整个菱镁行业的技术水平及产品质量带来极大的提高，必将受到用户的广泛欢迎，为本行业带来可观的经济效益和社会效益。