菱镁复合材料改性及其在农用大棚支架中的应用.docx

菱镁复合材料改性及其在农用大棚支架中的应用.docx

《菱镁复合材料改性及其在农用大棚支架中的应用.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《菱镁复合材料改性及其在农用大棚支架中的应用.docx（69页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

菱镁复合材料改性及其在农用大棚支架中的应用

分类号：

密级：

UDC：

学号：

南昌大学硕士研究生

学位论文

菱镁复合材料改性及其在农用大棚支架中的应用

ModificationofMagnesiumOxychlorideCementCompositeanditsApplicationinAgriculturalBigCanopyFrame

习海平

培养单位（院、系）：

材料科学与工程学院

指导教师姓名、职称：

黄少文教授

申请学位的学科门类：

工学

学科专业名称：

材料工程

论文答辩日期：

答辩委员会主席：

评阅人：

年月日

学位论文独创性声明

本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南昌大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。

与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。

学位论文作者签名：

签字日期：

年月日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解南昌大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。

本人授权南昌大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论文。

同时授权中国科学技术信息研究所和中国学术期刊（光盘版）电子杂志社将本学位论文收录到《中国学位论文全文数据库》和《中国优秀博硕士学位论文全文数据库》中全文发表，并通过网络向社会公众提供信息服务。

（保密的学位论文在解密后适用本授权书）

学位论文作者签名（手写）：

导师签名（手写）：

签字日期：

年月日签字日期：

年月日

摘要

我国有丰富的菱镁矿资源，因此菱镁胶凝材料的各类产品在我国很多领域获得广泛应用。

近十几年来，菱镁复合材料在农用大棚支架中的应用日益增多，但因其自身存在耐水性差、易翘曲变形等缺陷，限制了其在我国多雨的南方地区的推广应用。

本文以克服菱镁材料的性能缺陷为目标，研究了菱镁材料的基础配方和制备工艺，重点研究了材料的化学改性方法，通过研制不同种类的专用改性剂、添加活性掺合料和轻质填充料、优化工艺条件和配合比等手段，来改善材料的耐水性能和变形性能；同时，研究了利用改性菱镁复合材料制备农用大棚支架的工艺和方法，结合江西翰诚实业有限公司农用菱镁大棚支架生产线建设的实践，提出了工业化生产工艺方案和生产问题的解决办法；并探讨了菱镁材料的水化过程、水化产物及机理。

研究表明：

配制菱镁胶凝材料净浆的适宜MgO/MgCl2摩尔比为8~9，此时材料的强度最高，返卤现象不明显，但菱镁净浆水化早期膨胀值大，试体容易胀裂破坏。

添加活性掺合料和轻质填充料后，菱镁胶结料的最佳MgO/MgCl2摩尔比为6~7；菱镁复合材料适宜的基础配合比为：

氧化镁45.3%，氯化镁24.2%，竹屑5.4%，木屑3.6%，粉煤灰9%（其中氧化镁的活性含量以60%计，氯化镁的有效含量以44%计）；在保证材料成型的前提下材料的用水量应尽量减少。

在材料的改性方面：

研制出的多种改性剂对菱镁材料的耐水性有大幅度提高，其中的两种复合改性剂，使材料的半年软化系数分别达到0.96和1.1；通过添加改性剂、控制养护条件、控制轻质填料掺量、外加应力等手段，能够有效控制材料的变形。

制作工艺方面：

对氧化镁总质量的30%左右进行预水化处理能够有效提高材料的耐水性，减少材料的变形量，充分的搅拌、正确的加料顺序、合适的养护条件是材料取得优良性能的保障。

关键词：

菱镁水泥，耐水性，大棚支架，改性剂

Abstract

Themagnesiteresourceisrichinourecountry,manytypesofmagnesitecementitiousmaterialsproductsarewidelyappliedinmanyfields.Overthelastdecade,Modificationofmagnesiumoxychloridecementapplicationinagriculturalbigcanopyframehassubstantiallygrowth,butbecausesomeofitsownshortcomingssuchaspoorwaterresistance,easywarpageandandsoon,whichlimiteditsapplicationinrainfallsouthernareas.

Inthispaper,toovercomethedefectsinmagnesiumtargetmaterial,weresearchtheformulationandpreparationprocessofmagnesiummaterial,focusingonthechemicalmodificationofmaterials,developmentdifferenttypesofspecialmodifiers,addtheactivityofadmixtureandlightweightfillmaterial,optimizationofprocessconditionsandwiththeratioofmeanstoimprovethewaterresistanceofmaterialsanddeformationproperties;atthesametime,wealsostudieditsapplicationinagriculturalbigcanopybinedwiththeJiangxihanchengCompany’sproductionofmagnesitecementitiousmaterialsagriculturalbigcanopyframe,wefindtheformulationandpreparationprocessofmagnesiummaterialagriculturalbigcanopyframe,studythereachtionofthemagnesiummaterialprocessandreactionmechanism.

Theresultsshowthat:

thesuitablepreparationofmagnesitebinderpasteMgO/MgCl2molarratiois8to9,inthisratio,thestrengthofmaterialcometothemaximum,backtohalogenisnotobvious,butitiseasilydamagedintheearlytime.Addactivityadmixtureandlightweightfiller,thebinderbestMgO/MgCl2magnesitemolarratiobecomes6to7;theappropriateratioofmagnesiumbasedcompositeis:

magnesiumoxide45.3%,magnesiumchloride24.2%,bamboodebris5.4%,3.6%woodchips,ash9%（ofwhichtheactivityofmagnesiumoxidecontentof60%,themagnesiumchloridecontentof44%ofthetotalandeffective）;watershouldbeminimizedunderthepremiseofensuringthematerialforming.IntheModificationofthematerials:

developedtwokindsofdifferentmodifiers,whichcanmakethematerials’softeningcoefficientcomesto0.96and1.1,respectively;byaddingmodifierstocontrolcuringconditions,controllightfillingvolume,externalstress,etc.thedeformationofmaterialshavebeeneffectivelycontroled.AboutProductionprocess:

pre-hydrationtreatmentabout30%ofthetotalmassofmagnesiumoxidecanimprovethewaterresistanceofmaterialsandreducethedeformationofmaterials,adequatemixing,thecorrectchargingorder,theappropriatecuringconditionsisnecessarytoobtaingoodperformanceofthematerial.

Keywords:

magnesitecement，shedswaterresistance，modifiersupport

第1章绪论

1.1研究背景及国内外研究现状

1.1.1研究背景

随着建筑工业的发展，建筑材料的需求量越来越大，而随着传统建筑材料的大量生产和使用，越来越多严重的问题开始浮现：

①原材料消耗大量土壤和矿产资源，造成资源浪费和自然环境的破坏；②在世界能源危机的越来越严重的情况下，高能耗的传统建筑材料产业的生存受到很大的威胁；③传统建筑材料严重不能满足现代人类对居住环境的要求。

随着社会文明程度的提高，时代和技术的不断发展，人们开始更加重视自己的生存居住环境，各国政府和人民对于加强环境保护的呼声愈来愈高。

从可持续发展的角度考虑，未来的建材工业必然要突破能源消耗高这一弊端。

近年来，环境及能源问题越来越受到全球人民的关注和重视，混凝土国际会议主要讨论的就是节能环保，强调建筑材料从生产到使用整个过程的节能和环保，随之形成以节能环保材料为主体的格局，以实现人类社会的可持续发展。

菱镁水泥是一种气硬性质的胶结材料[1]，该水泥具有很多独特的优势：

凝结硬快，终凝一般只需4-6小时；粘结力强，可大规模应用于混凝土的修补和建筑材料的粘接；轻质高强，抗压强度等够轻易达到100MPa以上，抗弯强度能达到20MPa以上，并且密度比一般的水泥混凝土要小很多；高耐磨，制品表面光滑，耐磨性好，可用于制作磨具；耐高温和低温、冻融循环对其损害程度很小；抗盐卤腐蚀，已经大规模应用于盐田、盐场的建造，应用反映耐盐卤性能优异，弥补了硅酸盐水泥在这方面的不足；空气稳定性和耐侯性较好，尤其是在干燥、低温的气候条件下，其耐久年限已经得到实际应用验证，平均在20年以上；节能利费，生产使用过程能耗低，能大量利用工业废料粉煤灰、矿渣等，减少环境污染；原材料资源丰富，镁水泥的主要原料为菱镁矿，世界总储量为80亿吨，中国占据56亿吨，因此中国是世界镁水泥及镁水泥制品的最大生产国和出口国，目前世界上90%以上的镁水泥制品是由中国生产和供应的[2]，而其替代原料在我国分布也十分广泛，储量也十分可观；材料基体低碱性，可采用中碱玻璃纤维、各种植物纤维（竹筋、芦苇、稻草、木屑等）对材料进行增强，大大降低成本和造价；具有阻燃、保温、隔热、隔音、产品无毒害物质等性能，属环保型绿色材料，能够满足现代人对居住环境的高要求、。

以此同时，菱镁材料也存在着耐水性差、易变性、易返卤泛霜等缺陷。

100多年来，全球科研工作者及生产单位一直在对其抗水性差，容易翘曲变形、返卤、泛霜等缺陷进行不断的探讨和研究[3]，以改进其性能。

目前，菱镁材料的四大缺陷已经得到很大的改善，但还没有真正的得到解决。

为了菱镁材料能够得到更大范围的应用，还需要对菱镁材料进行深入的探讨和研究。

随着国家三农政策的大力推进，我国农业经济的多元化发展取得很大成就，农村的养殖和种植业蓬勃发展，其中“蔬菜经济”已成为一些农村乡镇的支柱经济，为广大农村地区的经济发展和农民创收作出了巨大贡献。

近年来，越来越多的农民加入到蔬菜种植的行业当中，而大棚蔬菜是现代菜农进行集约化种植的重要型式。

随着蔬菜大棚的兴起，作为蔬菜大棚的主要结构材料——大棚骨架的市场日趋活跃，从传统的竹竿、钢筋、钢管到PVC，各种材质和形式的大棚骨架纷纷涌入市场。

温室大棚根据所用骨架材料的不同分为竹木结构大棚、钢筋大棚、钢筋混凝土大棚、塑钢大棚和镀锌钢管骨架大棚等[4-5]。

早期的塑料大棚主要以竹木结构为主,这种大棚投资低,建造简单,农村可就地取材,但由于室内多柱,空间低矮,操作不便,机械化作业困难,骨架遮荫面积大,结构抗风雪能力差,在经济比较发达地区已基本淘汰。

钢筋焊接结构大棚以钢筋与钢管焊接成平面或空间桁架作大棚的骨架,这种大棚骨架强度高,室内无柱,空间大,透光性能好,但由于室内高湿对钢材的腐蚀作用强,所以几乎每年需要刷漆保养,使用寿命受到很大影响。

钢筋混凝土骨架大棚是为了克服钢筋大棚耐腐蚀性差、造价高的缺点而开发出来的，这种骨架一般在工厂生产,现场安装,构件的质量比较稳定。

但钢筋混凝土骨架结构尺寸大，重量重，成本也较高，如果制作成细长杆件容易破损,在运输和安装过程中骨架的损坏率较高,在距离混凝土构件厂较远的地区采用现场预制时，质量不容易保证。

塑钢大棚虽具有美观和安装方便的特点，但成本高而且容易老化。

菱镁复合材料大棚支架是上世纪九十年代出现的一种以菱镁水泥为胶结料的无机复合材料大棚支架，菱镁胶结料具有凝结快，强度高，强度发挥快，粘结性好，韧性好等特点，因此用菱镁胶结料制备大棚支架生产效率高，模具周转快，配用竹筋和纤维后可制成细杆状支架，材料消耗少，重量轻，安装轻便快捷，棚内受光面积大。

但菱镁大棚支架容易产生翘曲变形、返卤和泛霜，生产控制不好还会产生开裂现象，因而也大大限制了菱镁材料大棚支架的发展[6-7]。

另外，由于原料和菱镁材料本身的缺陷，目前主要在我国气候较干燥的北方地区应用广泛，而在我国湿热多雨的广大南方地区（特别是用于室外），菱镁材料应用受到很大的限制。

1.1.2国内外研究与应用现状

菱镁水泥是由法国科学家索瑞尔于1867年发明的，所以也称为索瑞尔水泥，又称氯氧镁水泥、镁水泥等。

菱镁水泥主要是由菱镁矿在750℃～850℃温度下煅烧所得到的轻烧MgO粉为胶结剂，以六水氯化镁为调和剂，再加水混合成型，在空气中养护硬化所形成的气硬性材料。

国外氯氧镁水泥制品最早出现在20世纪30年，随着对菱镁材料不断深入的研究，出现了一大批以原料稳定,配方合理,工艺配套完整，产品质量优异的世界著名大企业。

主要有:

俄罗斯的菱镁砖制品和墙体砌块、奥地利的氯氧镁水泥刨花板的生产线、日本的英田公司、积水化学工业公司、荷兰的Eitomation公司、德国的Weiler公司、Vollrath公司、西班牙的HerrandolndustrialS1A公司、意大利的VorterHydraS1R1L公司等。

在理论研究方面，各国借助先进的研究分析技术及尖端仪器，对菱镁材料的水化过程及机理进行了一定程度的深入研究，形成了一些理论及推断，为菱镁材料的深入研究奠定了良好的理论基础[8-9]。

我国对菱镁材料的研究及应用经历了三次热潮[10]：

20世纪30年代，随着国际菱镁行业的兴起，并且拥有丰富的菱镁矿资源，我国也出现菱镁水泥应用于地面及外墙饰面。

由于对菱镁材料的认识和研究不够充分，设备条件落后，实际应用出现了一些严重的问题。

在1960年，建筑部宣布暂停菱镁材料在建筑行业的使用。

20世纪70年代，我国掀起菱苦土代木得热潮，开始大规模利用菱镁材料代替木材制作波瓦、门板芯、家具、板条等，后也因质量不稳定，经常出现返卤、泛霜、变形、后期强度下降严重等问题，行业形象再度受到严重的损害。

国家“七五”期间，由原国家科委组织中科院青海湖研究所、硅酸盐研究所以及各大院校对菱镁水泥材料进行为期五年的联合攻关，取得巨大的研究成果，并且建立了完整的菱镁水泥水化过程及水化机理理论体系。

随后，山东建筑科学研究院、合肥水泥设计院、辽宁建材院、江西建材设计研究院等对菱镁材料进行了更深入的研究。

取得丰硕的研究成果。

其中，以山东建筑设计院、青海盐湖研究所等的研究力度最大。

出现了一批在菱镁领域由突出贡献的专家及学者。

余红发教授通过对5.1.8结晶相的形貌进行深入研究，很大程度的提高了菱镁材料的耐水性[11-12]。

涂平涛经过多年对菱镁板材及其它制品的生产研究，参与制定多项行业标准[13]，对菱镁行业的规范化发展做出很大贡献[14]。

进入21世纪，菱镁行业又进入了一个新的发展热潮。

随着对菱镁材料的研究不断深入，菱镁材料本身存在的一些缺陷也已经得到改善和解决。

菱镁水泥产业获得了高速发展，每年增长速度平均高达10%以上，已经发展成为仅次于通用水泥的第二大胶凝材料产业。

目前我国已有成规模的菱镁水泥企业1000多家，另外还有不计其数的手工制作小企业。

菱镁水泥常见品种达30多种，特殊产品100多个，应用行业横跨建材、装饰、市政、包装、电力、交通、工艺品、蔬菜、水产养殖、保温、防火、通讯等20多个行业，并且新型产品不断涌现。

目前国内镁水泥企业形成了以山东德州为中心的通风管道生产基地；以珠江三角洲和长江三角洲为代表的防火板生产与出口基地，以辽宁和山东莱州为中心的轻烧氧化镁生产基地等[2]。

在国际卫生组织公布了石棉为第一类名列榜首的致癌物质后，逐渐禁止了石棉及含有石棉的板材在建筑工程中使用，氯氧镁水泥板材成了取而代之的理想材料，原因在于它具有许多优于硅酸盐水泥的性能，如凝结快硬化快、机械强度高、耐磨性好、碱度低耐腐蚀、黏结性好、耐火隔热性能好等。

菱镁复合材料大棚支架是上世纪九十年代由山东建筑科学研究院首先研发成功并在山东济南、泰安等地应用，取得了良好的使用效果，此后相继在河北、河南、安徽等地推广应用，应用情况表明，与传统的竹木大棚和钢结构大棚相比菱镁大棚采光好，棚内温度高；棚内无支柱，便于耕作；菱镁材料导热系数低，无冷凝水；使用寿命长，竹木大棚使用寿命最长3-4年，而菱镁大棚可达数十年之久[4-5]。

但是，菱镁大棚在我国北方的使用效果要明显好于我国南方，主要因为南方雨水多，雨季时间长，气候温差大，对菱镁制品的抗水性、体积稳定性都提出了更高的要求，加之菱镁原料集中在北方，这便造成菱镁大棚的应用主要分布我国北方地区，而在南方应用较少。

根据我们在研究和应用过程中的调研分析，原材料的地域差别对产品应用成本的影响不会太大，只要解决产品性能对南方气候的适应性问题，菱镁大棚在南方的推广应用是完全可行的。

正是基于这一指导思想，本项目技术攻关的着力点就是针对善菱镁复合材料的耐水性缺陷，采取有效的改性措施，使其达到适应南方气候的应用要求。

1.2研究目标、内容与试验方案

1.2.1研究目标

针对南方湿热的气候特点，结合南方的原材料特点，重点解决菱镁材料的耐水性差、容易变形、易返卤泛霜三个问题，研制出适合在广大南方地区使用的菱镁复合材料。

结合江西翰诚实业有限公司农用菱镁大棚支架生产线建设的实践，为企业提供生产配方、生产工艺流程方案及生产问题解决办法。

1.2.2研究内容

进行系统的基础实验对菱镁材料进行基础特性研究。

在保证材料强度的基础上，选出合理的基础配比。

在广泛阅读相关文献资料的基础上进行大量的探索性实验，研究各种有机物，无机物对菱镁材料的改性效果，通过单独添加和复合添加的方式，筛选出最佳的改性剂配方。

结合江西翰诚有限公司与南昌大学的合作攻关项目《农用菱镁大棚支架改性研究》，结合实际生产条件，通过实际生产，研究最佳的生产配方，合理的生产工艺。

通过实际生产过程中出现的问题，进行针对性的解决，并对生产配方和工艺进行改进和完善。

1.2.3试验方案

以复合材料科学技术分析为研究基础，在大量查阅相关文献资料的前提下，借鉴前人的研究分析方法以及研究成果，以保证菱镁材料强度、提高其耐水性、抗变形性、抗返卤泛霜为主要目的，通过对改性机理的探讨分析以及系统的试验研究，优选出适合南方湿热气候特征的最佳基本配方，最佳改性剂配方以及最佳制备工艺。

材料的耐水性通过检测材料的软化系数进行表征；材料的变形性采用将材料制成30*15*1000mm的长条试样，通过测量其变形量进行表征；材料的抗返卤泛霜性通过观察试样表面进行反映。

以实用性、安全性、经济性为重要指标，结合实际生产条件和特定的工业制品，通过试验研究优选出实际可用的生产配方，建立完整的生产工艺流程。

以生产企业为依托，将研究成果应用于实际生产实践，对研究结果进行实地检验。

对实际生产过程中反馈出来的各种问题进行针对性的解决，同时对生产配方和生产工艺进行不断的改进和完善，使研究成果能够真正应用于工业生产，实行技术产业化推广。

本论文所采用的技术路线与实验方案如图1-1所示

图1.1技术路线与试验方案

以上技术路线的特点：

本论文以实用为宗旨，通过试验研究优选出实际可用的生产配方，建立完整的生产工艺流程。

并将研究成果应用于实际生产实践，对研究结果进行实地检验。

通过实际生产中反馈出的一些问题对生产配方和生产工艺进行不断的改进和完善。

这样使研究成果能够真正应用于工业生产，实行技术产业化推广。

1.2.4可行性分析

上述技术路线的关键在于：

1.基本配方的确定2.改性剂配方3.实际生产工艺。

菱镁水泥配比的设计原则是尽可能多的使其生成主要强度提供相：

5.1.8相。

因此可以根据5.1.8相的最佳形成条件进行配比的设计。

菱镁水泥的成分比较复杂，可以先选定一个影响因素设计一定的梯度，固定其他的因素避免产生干扰，进行单因素分析，选出最佳配比，最后综合各因素的最佳配比即可得到最终配比。

各种填充料的配比可以通过设计正交实验的方法确定最佳填充料配比。

改性剂的研究可以借助大量的相关文献，筛选出常用的一些改性剂成分，再通过大量的探索性实验，筛选出具有良好改性效果的组分，再根据各组分的改性机理，分别设计：

减少材料空隙；封堵、填充材料空隙；细化材料空隙；分散水化膨胀应力；增加憎水成分等组分，将各有效成分复合添加实用，经过多次试配选出最佳改性剂配方。

生产工艺的优化可以先在实验室研究各中单一工艺条件对材料各方面性能的影响，选出教合理的生产工艺，然后建立完整的生产工艺流程。

将研究成果应用于实际生产实践，在实际生产中不断改进和完善生产工艺，最终得到较成熟的生产工艺流程。

第2章菱镁水泥基础配合比研究

2.1菱镁水泥简介

菱镁水泥是主要是由含碳酸镁的菱镁石经750℃~850℃轻烧粉磨而成的轻烧氧化镁与氯化镁、水以及改性剂等多元体系按照一定的比例调配而成，属于气硬性胶凝材料。

菱镁材料是一种节能环保型新型建筑材料，具有很多优良的性能，是一种节能环保型