CC BY
73
ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ И ЛОГИСТИКА В СТРОИТЕЛЬСТВЕ
УДК 666.973
А.Д. Жуков, А.В. Чугунков, А.О. Химич, А.А. Еременко, Н.А. Копылов
ФГБОУВПО «МГСУ»
КОМПЛЕКСНЫЙ АНАЛИЗ В ТЕХНОЛОГИИ ГАЗОБЕТОНА
Программный комплекс разработан на кафедре технологии отделочных и изоляционных материалов МГСУ с целью повышения эффективности работы экспериментатора при планировании исследований, их реализации и обработки результатов, в т.ч. получения оптимизационных решений. Этот комплекс опробован в технологии ячеистых бетонов: пенобетона, армированного базальтовой фиброй, пенополистиролбетона и газобетона, получаемого в условиях ограниченного объема. Реализация программного комплекса в технологии газобетона позволяет оптимизировать технологический процесс и определить наиболее значимые параметры производства.
Ключевые слова: статистическая модель, комплексный метод, технология газобетона, программный комплекс, фасадная система.
Программный комплекс создан с целью исследования технологических процессов с использованием методов статистики и математического анализа. Комплекс предназначен для планирования и обработки результатов эксперимента, содержащего различное количество факторов. В результате перенастройки блока линейного эксперимента возможна обработка результатов 15, 30, 45, 60 факторного эксперимента. Количество варьируемых факторов в устанавливается типом задач, выполняемых экспериментатором [1].
В комплексе предусматривается индивидуальная деятельность экспериментатора и обработка результатов эксперимента с помощью специальных программ для ЭВМ, разработанных в МГСУ: «JE-STAT-15. Расчеты и анализ факторного пространства», «JE-STAT-23. Построение нелинейных моделей и решение интерполяционных и оптимизационных задач». «GJ-STAT-06. Обработка и аналитическая оптимизация результатов эксперимента» [2, 4].
Первым этапом исследований является проведение оценочного линейного эксперимента с участием всех факторов, характеризующих технологический процесс. Осуществляется оценка значимости и ранжирование факторов. В результате выделяют три группы факторов: имеющие наибольшую значимость (группа А), средний уровень значимости (группа Б) и оставшиеся значимые факторы.
Для факторов группы А эксперимент проводят по ортогональному плану второго порядка; для группы Б — ортогональному и рототабельному плану для неполного квадратичного эксперимента. Для группы оставшихся факторов дополнительных экспериментов не проводят и для описания их влияния используют линейные полиномы оценочного эксперимента. Далее проводится обработка результатов эемперимента, их аналитическая оптимизация и интерпретация.
Аналитическая оптимизация [2, 3] базируется на группе положений, связывающих вещественные результаты эксперимента и измеряемые в натуральных величинах факторы посредством применения методов математического анализа, теории вероятности и математической статистики. Основным положением является то, что уравнения регрессии (полиномы, базисные функции, математические модели) Хк = F(X1, Х2, ..., X) и Х1 = F(Xl, Х2, ..., X), полученные в результате обработки экспериментальных данных, адекватны реальному процессу, т.е. описывают реальный процесс с установленным для данных экспериментов уровнем точности (вероятности).
Уравнение регрессии (полином, базисная функция) определено во всех точках изменения варьируемых факторов и непрерывно на области определения. В формализованном (нормализованном) виде областью определения функции является отрезок [-1; +1], в натуральном выражении — интервал в фактической размерности.
Существующая методология аналитической оптимизации охватывает все стороны и практически все возможные варианты обработки результатов эксперимента, в т.ч. и условную оптимизацию [5, 6]. Сами же технологические параметры (и соответствующие им факторы математической модели) обладают элементами непредсказуемости и взаимозависимости. Возникают сложности, когда локальный оптимум базисной функции по одному из факторов изменяет свои значения и величину в зависимости от значений других факторов или когда процесс характеризуют несколько параметров оптимизации, имеющих несовпадающие области экстремума.
Предложенный метод (локальной оптимизации) является развитием существующих методов оптимизации технологических процессов, и определения безусловного абсолютного экстремума функции (приравнивание нулю всех частных производных вектора-градиента базисной функции) [7] при исследовании моделей многофакторных процессов, имеющих нестабильные экстремумы и несовпадающие области оптимума.
Программый комплекс был опробован при изучении технологии неавтоклавного газобетона [3, 4]. Изготовление теплоизоляционно-конструкционного газобетона, получаемого в условиях квазизамкнутого объема и обусловленной этим вариотропии давлений, основывается на ряде общих принципов, единых как для технологии штучных изделий, так и монолитных бетонов [8]. Газообразователем является алюминиевая пудра в составе специальной пасты, изготавливаемой по технологии НИИЖБ [9, 10].
Общими технологическими переделами являются подготовка сырьевых материалов, приготовление ячеисто-бетонной смеси, формование изделий и тепловая обработка или выдержка в естественных условиях [8]. Отличия обусловлены задаваемыми свойствами изделий и условиями вспучивания: в формах, в оставляемой опалубке, в полостях конструкций.
Базовая технологическая схема (рис. 1) включает в себя блоки приготовления алюминиевой суспензии (блок 1), помола цементно-кремнеземистой смеси (блок 2), приготовления формовочной смеси (блок 3), вспучивания (блок 4), тепловой обработки (блок 5). В процессе априорного анализа информации выделены 49 факторов, оказывающих на технологический процесс наибольшее влияние.
Рис. 1. Структурная схема технологии
Блок 1 характеризуется расходами алюминиевой пудры Ра, сульфонола Рс, воды для приготовления суспензии Р активностью газообразователя; частотой вращения рабочего органа смесителя п1 и продолжительностью перемешивания, т1, температурой при которой происходит перемешивание t Параметром оптимизации данного блока является плотность алюминиевой суспензии рап, а выходом — является температура воды после подогрева t2.
Блок 2 характеризуется расходом Рц и маркой портландцемента Мц; расходом Рп и модулем крупности песка Мкп; расходом добавки-модификатора Рдм; а — коэффициентом загрузки мельницы; частотой вращения мельницы п2 и продолжительностью помола т2. Параметром оптимизации данного блока является удельная поверхность цементно-песчаной смеси З
Входами 3-го блока являются расход алюминиевой суспензии Рас; активность газообразователя Аг, расход Рцп и плотность цементно-кремнеземистой смеси рцп и расход модифицирующей добавки Рдм. Параметрами управления: скорость п3 и время перемешивания т3. Параметром оптимизации данного блока является плотность формовочной смеси рфс.
Входами 4-го блока являются расход Рфс, плотность рфс и температура формовочной смеси tъ. Параметрами управления: внешнее давление N подводимая температура t4 и время формования т4. Параметром оптимизации является однородность изделия (сырца) по средней плотности о(р).
Входами 5-го блока являются плотность изделия ри; его прочность при сжатии Я геометрические характеристики изделия Ги. Параметрами управления: максимальная температура тепловой обработки t5 и время подъема температуры т5, изотермической выдержки т6 и охлаждения т7.
Выходными параметрами данного блока являются показатели свойств материала: прочность при сжатии ЯБ и изгибе Яизг, средняя плотность р коэффициент конструктивного качества материала Ккк, теплопроводность пористость ПБ, усадка 8Б, геометрические характеристики ГБ, морозостойкость Мрз, паропроницаемость цБ. Параметами оптимизации приняты средняя плотность материала У1 и его прочность при сжатии У
Реализация 1-го этапа эксперимента (табл.) позволила распределить значимые технологические факторы на группы. В группу наиболее значимых фак-
торов (группу А) вошли: расход газообразователя, коэффициент активности га-зообразователя, расход портландцемента, степень заполнения формы смесью. В группу менее значимых (группу Б) — расход добавки-модификатора, температура смеси, продолжительность приготовления смеси, расход воды. Эти данные были учтены при планировании следующих серий экспериментов.
Результаты эксперимента
Наименование фактора Величина коэффициента при Х
У1 У2
Расход газообразователя, кг/м3 -25 -1,9
Коэффициент активности газообразователя -30 1,5
Расход песка, кг/м3 17 -1,0
Расход портландцемента, кг/м3 62 1,4
Расход воды, дм3/м3 -16 -1,1
Продолжительность помола т1, мин 7 1,0
Коэффициент загрузки мельницы а 6 0,8
Продолжительность приготовления смеси т2, мин -16 1,1
Частота вращения вала смесителя п , мин-1 -12 0,9
Температура смеси t1, °С -19 1,0
Степень заполнения формы смесью -30 -1,4
Время выдержки в форме т3, мин 7 1,1
Температура выдержки t2, °С -14 0,8
Подъем температуры в камере тепловой обработки т4, ч 8 0,7
Выдержка при постоянной температуре т5, ч 10 0,9
Температура тепловой обработки °С 7 0,7
Снижение температуры до 30 °С т6, ч 10 0,8
Расход добавки-модификатора Рдм, % -22 1,2
Доверительный интервал ДЬ 18 1,1
Графическая интерпретация полиномов, а также результатов аналитической оптимизации позволила разработать методику выбора технологических параметров газобетона, получаемого в квазизамкнутом объеме. С использованием этих номограмм возможно прогнозирование свойств изделий в зависимости от расхода сырьевых компонентов и параметров технологического процесса, выполнять решения интерполяционных задач.
Прогнозирование свойств газобетона [8] в зависимости от характеристик технологического процесса (прямая задача), а также выбор технологических параметров в зависимости от заданных свойств изделий (обратная задача) осуществляется по номограмме (рис. 2).
1100 1140 1180 ИМ 1360 300
И 300
а 20 25 30 35 Й Частота вращения мельницы,
г1 ._ 1350
Й 320
Рис. 2. Номограмма выбора технологических параметров
300 350 400 450 500 Расход иементно-песчаной
ГМРСМ, К[ ч1
1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 Прочность бетона прн сжатии, МПа
Секторы номограммы от I до VII соответствуют последовательности реализации технологических переделов.
Оценка параметров помола и одновременного перемешивания (коэффициента загрузки мельницы и частоты ее вращения) в зависимости от расхода цементно-песчаной смеси осуществляется в секторе I. Продолжительность помола (сектор II) определяется по расходу цементно-песчаной смеси и ее плотности.
Параметры приготовления формовочной смеси устанавливают по графикам секторов III и IV номограммы. Плотность формовочной смеси устанавливают в зависимости от расхода и плотности сухих компонентов и расхода воды.
Плотность смеси после вспучивания определяют по секторам III и V номограммы в зависимости от расхода цементно-песчаной смеси, воды, расхода и активности газообразователя.
Окончательные свойства изделий (прочность при сжатии и среднюю плотность) в зависимости от плотности смеси после вспучивания и параметров тепловой обработки (продолжительности и температуры) определяют по секторам VI и VII номограммы.
Разработанные принципы изготовления газобетона были использованы в технологии монолитного бетонирования, в частности в системах фасадной изоляции, где материал использовался в качестве противопожарной рассечки [3]. Поставленная задача заключалась в получении материала для противопожарной рассечки однородной структуры, низкой плотностью и удовлетворительными прочностными характеристиками. При этом учитывался опыт применения гибких мембран при стендовом изготовлении изделий из ячеистого бетона.
Формирование противопожарной рассечки происходит следующим образом: залитый в опалубку газобетон оказывается зажатым между опалубкой и листами утеплителя. Смесь вспучивается, формируется напряженное состояние, и ячеистая смесь заполняет все пустоты и неплотности, релаксируя тем самым собственные избыточные напряжения. Разработанные приемы, равно как и методология экспериментальных исследований, могут быть использованы при изучении различных технологий строительных материалов, решении задач их оптимизации и интерполяции.
Библиографический список
1. Долотова Р.Г., Верещагин В.И., Смиренска В.Н. Определение составов ячеистых бетонов различной плотности при использовании полевошпатово-кварцевых песков методом математического планирования // Строительные материалы. 2012. № 12. С. 16—19.
2. Жуков А.Д., Чугунков А.В. Локальная аналитическая оптимизация технологических процессов // Вестник МГСУ 2011. № 1. С. 273—279.
3. Жуков А.Д., Чугунков А.В., Гудков П.К. Система фасадной изоляции на основе бетонов ячеистой структуры. Патент на полезную модель № 121834 от 06.07.2012. 6 с.
4. Жуков А.Д., Чугунков А.В., Рудницкая В.А. Закономерности формирования структуры материала в условиях вариотропии давлений // Интернет-Вестник ВолгГАСУ 2012. № 3. Режим доступа: http://vestnik.vgasu.ru. Дата обращения: 05.02.2013.
5. Лоскутов А.Б., Госсен Я.Я., Горбачева О.Ю. Совершенствование технологии производства силикатных блоков на ЗАО «Комбинат строительных материалов» / Строительные материалы. 2013. № 5. С. 52—54.
6. Сахаров Г.П., Стребицкий В.П., Воронин В.А. Новая эффективная технология неавтоклавного поробетона // Строительные материалы, оборудование и технологии XXI века. 2002. № 6. С. 28—29.
7. Перехоженцев А.Г. Моделирование температурно-влажностных процессов в пористых строительных материалах. Часть 6 Энергетический потенциал влажности капиллярно-пористых материалов // Строительные материалы. 2013. № 5. С. 90—91.
8. Шмелев С.Е. Пути выбора оптимального набора энергосберегающих мероприятий // Строительные материалы. 2013. № 3. С. 7—9.
9. Verarbeitungsanleitung. Xella-Daemmsysteme GmbH. 2007. 47 p.
10. Ytong Multipor Mineraldaemmplatte. Xella-Daemmsysteme GmbH. 2012. 24 p.
11. Waermedamm-Verbundsystem. Xella GmbH. 2009. 53 p.
Поступила в редакцию в марте 2013 г.
Об авторах: Жуков Алексей Дмитриевич — кандидат технических наук, профессор кафедры технологии отделочных и изоляционных материалов, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, [email protected];
Чугунков Александр Викторович — начальник отдела обследования зданий КНИЛГ, аспирант кафедры технологии отделочных и изоляционных материалов, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, [email protected];
Химич Анастасия Олеговна — студент Института строительства и архитектуры, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26,, [email protected];
Еременко Александр Андреевич — студент Института экономики, управления и информационных систем в строительстве и недвижимости, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, [email protected];
Копылов Никита Андреевич — студент Института экономики, управления и информационных систем в строительстве и недвижимости, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, [email protected].
Для цитирования: Комплексный анализ в технологии газобетона / А.Д. Жуков, А.В. Чугунков, А.О. Химич, А.А. Еременко, Н.А. Копылов // Вестник МГСУ. 2013. № 7. С. 167—175.
A.D. Zhukov, A.V. Chugunkov, A.O. Khimich, AA. Eremenko, N.A. Kopylov
COMPREHENSIVE ANALYSIS OF THE AERATED CONCRETE TECHNOLOGY
The software package developed by Department of Technology of Finishing and Insulation Materials of Moscow State University of Civil Engineering is designated to improve the performance efficiency of experiments that consist in planning, implementation, and processing of findings of research projects, including solutions for their optimization. The software package assists researchers in planning and analyzing experimental findings that are influenced by versatile factors, especially if their number is different. The number of factors of impact may be set at 15, 30, 45, and 60. This software was tested in the context of the aerated concrete technology.
The first stage of the research consists in the preparation for an experiment with account for all factors characterizing the manufacturing process. The software assesses the relevance of the above factors and ranks them on the basis of their significance. As a result, three groups of factors are identified: factors of major significance (Group A), factors of secondary significance (Group B) and other factors.
The software package was applied in the context of the aerated concrete technology to determine the most important parameters of its production. As a result of the experiment, the group of most significant factors (group A) included foaming agent efficiency, foaming agent consumption rate, and mould filling degree, while less important factors (Group B) included modifier consumption rate, mixture temperature, exposure time and water consumption rate.
Key words: statistical model, comprehensive method, aerated concrete technology, software package, facade system.
References
1. Dolotova R.G., Vereshchagin V.I., Smirenska V.N. Opredelenie sostavov yacheistykh betonov razlichnoy plotnosti pri ispol'zovanii polevoshpatovo-kvartsevykh peskov metodom matematicheskogo planirovaniya [Using Method of Mathematical Planning to Identify Compositions of Cellular Concretes Having Different Density Values and Containing Feldspar Sands]. Stroitel'nye materialy [Construction Materials]. 2012, no. 12, pp. 16—19.
2. Zhukov A.D., ChugunkovA.V. Lokal'naya analiticheskaya optimizatsiya tekhnologicheskikh protsessov [Local Analytical Optimization of Manufacturing Processes]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2011, no. 1, pp. 273—279.
3. Zhukov A.D., Chugunkov A.V., Gudkov P.K. Sistema fasadnoy izolyatsii na osnove betonov yacheistoy struktury [Façade Insulation System Based on Cellular Structure Concretes]. Utility Model Patent no. 121834 of 06.07.2012, 6 p.
4. Zhukov A.D., Chugunkov A.V., Rudnitskaya V.A. Zakonomernosti formirovaniya struktury materiala v usloviyakh variotropii davleniy [Regularities of Material Structure Formation under Variotropic Pressure Conditions]. Internet-Vestnik VolgGASU. 2012, no. 3. Available at: http://vestnik.vgasu.ru. Date of access: 05.02.2013.
5. Loskutov A.B., Gossen Ya.Ya., Gorbacheva O.Yu. Sovershenstvovanie tekhnologii proizvodstva silikatnykh blokov na ZAO «Kombinat stroitel'nykh materialov» [Improvement of Production Technology of Silicate Blocks by "Kombinat stroitel>nykh materialov" closed Joint Stock Company]. Stroitel'nye materialy [Construction Materials]. 2013, no. 5, pp. 52—54.
6. Sakharov G.P., Strebitskiy V.P., Voronin V.A. Novaya effektivnaya tekhnologiya neav-toklavnogo porobetona [New Effective Technology for Non-autoclaved Cellular Concrete]. Stroitel'nye materialy, obrudovanie i tekhnologiiXXI veka [Construction Materials, Equipment and Technologies of the 21st Century]. 2002, no. 6, pp. 28—29.
7. Perekhozhentsev A.G. Modelirovanie temperaturno-vlazhnostnykh protsessov v poristykh stroitel'nykh materialakh [Modeling of Temperature and Moisture Processes in Porous Construction Materials]. Part 6. Energeticheskiy potentsial vlazhnosti kapillyarno-poristykh materialov [Energy Potential of the Moisture Content of Capillary-porous Materials]. Stroitel'nye materialy [Construction Materials]. 2013, no. 5, pp. 90—91.
8. Shmelev S.E. Puti vybora optimal'nogo nabora energosberegayushchikh meropriyatiy [Choice of the Optimal Set of Power-saving Actions]. Stroitel'nye materialy [Construction Materials]. 2013, no. 3, pp. 7—9.
9. Verarbeitungsanleitung. Xella-Daemmsysteme GmbH, 2007, 47 p.
10. Ytong Multipor Mineraldaemmplatte. Xella-Daemmsysteme GmbH, 2012, 24 p.
11. Waermedamm-Verbundsystem. Xella GmbH, 2009, 53 p.
About the authors: Zhukov Aleksey Dmitrievich — Candidate of Technical Sciences, Professor, Department of Technology of Finishing and Insulation Materials, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; [email protected];
Chugunkov Aleksandr Viktorovich — Director, Department of Examination of Buildings, postgraduate student, Department of Technology of Finishing and Insulation Materials, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; [email protected];
Khimich Anastasiya Olegovna — student, Institute of Construction and Architecture, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; [email protected];
Eremenko Aleksandr Andreevich — student, Institute of Economics, Management and Information Systems in Construction and Real Estate, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; [email protected];
Kopylov Nikita Andreevich — student, Institute of Economics, Management and Information Systems in Construction and Real Estate, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; [email protected].
For citation: Zhukov A.D., Chugunkov A.V., Khimich A.O., Eremenko A.A., Kopylov N.A. Kompleksnyy analiz v tekhnologii gazobetona [Comprehensive Analysis of the Aerated Concrete Technology]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2012, no. 7, pp. 167—175.
