Оптимизация структуры газосиликата с применением мультипараметрической модели Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 691.332.5

А.А. БЕДАРЕВ, инженер (bedarev@ogent.net), Е.И. ШМИТЬКО, д-р техн. наук, Воронежский государственный архитектурно-строительный университет

Оптимизация структуры газосиликата с применением мультипараметрической модели

В связи с развитием концепции энергосбережения в нашей стране назрела необходимость в более эффективном использовании сырьевых и энергетических ресурсов, что представляется возможным за счет использования в стеновых конструкциях более легких материалов с низким коэффициентом теплопроводности. В настоящее время роль основного стенового материала приобретает силикатный ячеистый бетон (газосиликат). Причина этого кроется в многочисленных преимуществах газосиликата: материал негорюч, легок и прочен, изготавливается из экологически чистого сырья и обладает при этом относительно невысокой себестоимостью [1].

В настоящее время заводы-изготовители выпускают изделия из газосиликата марок по плотности Б400 и выше. Дальнейшее снижение средней плотности газосиликата сопряжено с рядом трудностей, обусловленных негативными изменениями его макроструктуры. За счет увеличения числа ячеистых пор (пор, формируемых в процессе газообразования, с размерами 10-4—0,2 см по классификации К.Э. Горяйнова и С.К. Горяйновой [2]) в объеме материала, вынужденного их сближения и деформации возрастает вероятность возникновения дефектов межпоровой перегородки. Это приводит к падению прочностных свойств материала [2—5]. Известно, например, что такой материал, как теплопор [6], являющийся разновидностью ячеистого силикатного бетона со средней плотностью 75—150 кг/м3, достаточно хрупок и нуждается в дополнительной защите при транспортировке, монтаже и эксплуатации. Кроме того, затраты на его производство ввиду многостадийного помола, применения диспергированной алюминиевой пудры и комплекса других мероприятий оказываются значительно выше затрат на производство выпускаемых марок газосиликата.

Очевидно, что для получения газосиликата пониженной средней плотности с требуемым уровнем прочностных свойств необходимо создать условия для формирования минимально дефектной ячеистой структуры и как можно более прочной межпоровой перегородки. Поскольку одни и те же факторы одновременно оказывают влияние как на свойства микро-, так и на свойства макроструктуры ячеистого бетона, решение такой трудной задачи оказывается возможным лишь на основе эффективного управления процессами структурообразо-вания на всех масштабных уровнях и стадиях процесса. Этого можно достичь, используя методы современного компьютерного моделирования. Реализации такого подхода применительно к получению легкого стенового материала посвящена данная работа. Задача потребовала разработки мультипараметрической модели на основе системно-структурного метода.

Наши исследования охватывают самые перспективные по современным меркам марки бетона: Б500, Б400, Б300 и Б100.

В исследованиях использованы: известково-песчаное вяжущее (ИПВ) активностью 30—33% и временем гашения (без применения замедлителя) 2 мин; портландцемент ЦЕМ I 42,5Н производства ОАО «Осколцемент» для управления скоростью изменения вязкопластичных свойств смеси и сроками схватывания массива; в качестве регулятора времени гидратации извести — гипс полуводный Г5; в качестве затворителя — вода по ГОСТ 23732—79. Исследования ориентированы на литьевую технологию блок-массивов.

Методика компьютерного моделирования предполагает прежде всего тщательный анализ факторов, влияющих на ход процесса. При рассмотрении данной задачи учитывалось, что качество микроструктуры определяется главным образом составом вяжущего, тонкостью его помола, В/Т отношением и режимом автоклавной обработки, а на процессы макроструктуро-образования ячеистого бетона оказывает влияние довольно обширный ряд факторов: дозировка и активность газообразователя, В/Т отношение, дозировки сырьевых компонентов, их удельные поверхности и температура, режим перемешивания и характеристики смесителя. При этом очень важно обеспечить согласованность процессов газообразования и нарастания вязкопластичных свойств смеси.

Такое обилие управляющих факторов потребовало разработки мультипараметрической модели, которая позволяет провести последовательную оптимизацию на всех масштабных уровнях и этапах исследования.

Исследования проводились следующим образом. Вначале осуществлялась оптимизация факторов, влияющих на формирование микроструктуры, а затем при оптимальных значениях этих факторов проводились исследования по оптимизации макроструктуры. Это позволило добиться получения ячеистого бетона с высокими качественными показателями. Соответственно создание мультипараметрической модели проводилось в несколько этапов.

Конкретно на первом этапе проведена оптимизация состава силикатной матрицы ячеистого бетона. Для этого использованы основные положения повышения качества микроструктуры ячеистого бетона, развитые в работах Е.М. Чернышова и Е.И. Дьяченко [7, 8]. Полученные ими экспериментальные зависимости представлены в специальной методике оптимизации, суть которой заключается в следующем. На основе задаваемой минимально возможной средней плотности изделий и исходя из принципа максимального использования потенциала сопротивления разрушению микробетона вычисляется величина средней плотности силикатного микробетона. Данные плотности ячеистого бетона и силикатного микробетона используются для определения доли ячеистых пор в ячеистом бетоне. Определяется средний диаметр ячеистых пор на основе его взаимосвязи с объемной долей пористости. По экс-

апрель 2013

89

Таблица 1

Наименование фактора Марка по плотности Уровни факторов

-а -1 0 +1 +а

В/Т отношение D500 0,50 0,54 0,58 0,62 0,66

D400 0,57 0,61 0,65 0,69 0,73

D300 0,62 0,68 0,74 0,80 0,86

D100 0,78 0,82 0,86 0,90 0,94

Дозировка портландцемента, % D500 10 15 20 25 30

D400 10 15 20 25 30

D300 10 15 20 25 30

D100 10 15 20 25 30

Дозировка гипса, % D500 0 2,5 5 7,5 10

D400 0 2,5 5 7,5 10

D300 0 2,5 5 7,5 10

D100 0 2,5 5 7,5 10

Температура воды затворения, оС D500 16 20 24 28 32

D400 16 20 24 28 32

D300 16 20 24 28 32

D100 16 20 24 28 32

Таблица 2

периментальным зависимостям вычисляется ожидаемый коэффициент плотности упаковки, который совместно с данными о вероятном среднем диаметре ячеистых пор используется для вычисления толщины меж-поровой перегородки. В соответствии с толщиной меж-поровой перегородки производится расчет среднего диаметра зерна кремнеземистого компонента из необходимого и достаточного условия обеспечения укладки в межпоровую перегородку 4—5 зерен по ее толщине. На основе найденного значения диаметра зерна кремнеземистого компонента выполняется расчет его удельной поверхности, а затем величины массовой доли активного СаО в составе смеси. Используя данные об активности извести, осуществляется расчет ее дозировки и дозировки кремнеземистого компонента. В связи с введением портландцемента производится корректировка содержания СаО.

Зависимости, представленные в методике [7], устанавливают однозначную связь между проектируемой средней плотностью газосиликата, дозировками извести, кремнеземистого компонента, их удельными поверхностями, дозировкой портландцемента, его химическим и минералогическим составом, активностью извести и дозировкой газообразователя с позиций получения оптимального количества цементирующего вещества, что позволяет вместо перечисленных независимых управляющих факторов использовать лишь один. Например, принимая дозировку портландцемента за независимый управляющий фактор, для газоси-

ликата любой проектной марки по плотности будут определены оптимальные значения других перечисленных факторов.

Применение такого подхода позволило проводить дальнейшую оптимизацию макроструктуры ячеистого бетона на составах, обеспечивающих оптимальное мик-роструктурообразование, а также исключить из рассмотрения часть управляющих факторов, оптимальные значения которых уже установлены.

Сокращение числа управляющих факторов проводилось также на втором этапе лабораторных исследований за счет проведения специальных мероприятий. Для этого предварительно все сырьевые компоненты термо-статировались и в реакцию входили с постоянной температурой, а перемешивание осуществлялось в теплоизолированном смесителе. Поэтому вместо учета влияния температуры всех сырьевых компонентов в качестве температурного фактора рассматривалась только температура воды затворения. Поскольку в производственных условиях температура компонентов может быть различной, для учета влияния изменяющихся технологических факторов в окончательную модель включено уравнение энергетического баланса с учетом температуры используемых материалов.

Указанные мероприятия позволили свести число независимых управляющих факторов до четырех, в качестве которых выступали: дозировка портландцемента, дозировка полуводного гипса, В/Т отношение и температура воды затворения. Другие управляющие факторы представлены как зависимые от названных независимых и включены в структуру мультипараме-трической модели через соответствующие расчетные формулы.

Многие исследователи отмечают, что определяющее влияние на согласованность процессов газообразования и нарастания вязкопластичных свойств силикатной смеси оказывают ее начальные характеристики. В работах [3, 7] указывается, что начальная температура смеси, то есть температура смеси в момент ее заливки в форму, должна составлять 38оС. В случае превышения указанной температуры реакция газообразования начинается в смесителе, при этом бетон может не достигнуть расчетной плотности из-за потери газа на этапе перемешивания. Кроме того, завышенная температура способствует более быстрой гидратации извести и соответственно изменению сроков схватывания формовочной массы. Если температура к моменту заливки меньше требуемой, увеличивается время вспучивания и сроки схватывания, возможно проседание смеси и потеря газа в смеси вследствие недостаточной ее вязкости.

Кроме начальной температуры на качество ячеистой структуры влияние оказывает начальная вязкость ячеисто-бетонной смеси. В действующих нормативных документах приводятся рекомендованные значения текучести смеси как величины, обратной вязкости, в виде диаметра расплыва смеси по Суттарду. В наших исследованиях эти рекомендации выполнялись.

На третьем этапе для каждой из исследуемых плотностей были поставлены факторные эксперименты вида 24 на основе ротатабельного центрального плана, дополненного звездными точками. Уровни варьирования факторов приведены в табл. 1. За отклик принимались значения начальных реологических характеристик (диаметр расплыва смеси по Суттарду) и температуры смеси.

Начальная температура смеси определялась при помощи погружной термопары, подключенной через систему сбора данных к ЭВМ. Это позволило вести непрерывное наблюдение и запись значений температуры в автоматическом режиме.

Наименование фактора Марка по плотности Уровни факторов

-а -1 0 +1 +а

Дозировка портландцемента, % D500 10 12,9 20 27,1 30

D400 10 12,9 20 27,1 30

D300 10 12,9 20 27,1 30

D100 12,2 13 15 17 17,8

Дозировка гипса, % D500 0 1,5 5 8,5 10

D400 0 1,5 5 8,5 10

D300 0 1,5 5 8,5 10

D100 1,8 2 2,5 3 3,2

Рис. 1. Блок-схема мультипараметрической модели для оптимизации структуры ячеистого бетона

В результате проведенных экспериментов получены математические модели, позволяющие оптимизировать начальные реологические (Б) и температурные (Т) характеристики смеси. Например, для ячеистого бетона марки по плотности Б500 они имеют вид:

Б=—162,2530+386,1257-В/Т+3,8535-Ц—4,0699Т+ + 1,0381-Тв—4,3938-Б/Т-Ц+8,4625-В/Т-Г+0,0418-Ц-Г— —0,0355-ЦТв—0,0963ТТв—185,9561-В/Т2; (1)

Т=326,7609-713,1882^В/Т-7,4005 Ц+2,5122-Г+ +0,5448-Тв+9,4063-В/Т-Ц—4,3125-В/ТТ+ +420,85193-В/Т2+0,02093-Ц2+0,04774-Г2, (2)

где Б — диаметр расплыва смеси по Суттарду, см; В/Т — В/Т отношение; Ц — дозировка портландцемента, мас. %, в составе сухих компонентов; Г — дозировка

гипса, мас. %, в составе сухих компонентов; Тв — температура воды затворения, оС; Т — температура смеси в момент заливки, оС.

Проверка факторов на значимость осуществлялась по критерию Стьюдента, по результатам которой все незначимые факторы исключены из модели. Адекватность моделей подтверждена их проверкой по критерию Фишера.

Дальнейшая оптимизация на основе полученных зависимостей осуществлялась после их интеграции в структуру общей мультипараметрической модели и велась параллельно для температурных, вязкопластичных свойств смеси и количества цементирующего вещества путем решения систем уравнений, которые будут представлены ниже.

Следует заметить, что зависимости (1) и (2) получены для фиксированной температуры сырьевых компонентов. Если же температура сырьевых компонентов

Г^ научно-технический и производственный журнал

М ® апрель 2013 9?

Таблица 3

Марка по плотности Известь молотая негашеная с активностью 85,6% Песок молотый Портландцемент Гипс полуводный Вода Алюминиевая пудра Прочность при сжатии, МПа

удельная поверхность, м2/кг дозировка, кг удельная поверхность, м2/кг дозировка, кг дозировка, кг дозировка, кг В/Т дозировка, кг

0500 560 76,64 290 269,16 98,8 30,4 0,617 0,48 4,2

0400 560 102,88 310 201,13 38 38 0,762 0,541 3,5

0300 560 43,95 320 158,12 64,13 18,81 0,704 0,608 1,6

0100 560 24,33 340 56,42 12,35 1,9 0,844 0,759 0,2

0100 0300

Рис. 2. Фотографии шлифов ячеистого бетона, полученного на основе оптимизации с использованием мультипараметрической модели (области 40x40 мм, масштаб 1:1)

иная, то необходимо модели (1) и (2) дополнить моделью, учитывающей общую теплоемкость системы компонентов.

Уравнение энергетического состояния системы компонентов газосиликатной смеси при перемешивании в условный нулевой момент времени для замкнутой системы без теплообмена с внешней средой и без учета тепловыделения от химических реакций имеет вид:

Св^(Тсм- ТвЭ+СитиСГсм- ТиЭ+Сп-тпСГсм- Тп)+

Сц Мц (Тсм- Тц) + Сг^Иг^(Тсм- Тг^а^СГсм- Та) +

+Сс^мс^(Тсм— Тс)=0> (3)

где Св, Си, Сп, Сц, Сг, Са и Сс — удельные теплоемкости соответственно воды, извести, песка, цемента, гипса, алюминиевой пудры и смесителя, кДж/(ктК); Тсм, Тв, Ти, Тп, Тц, Тг, Та, Тс — температуры соответственно силикатной смеси в условный нулевой момент времени при перемешивании: воды, извести, песка, цемента, гипса, алюминиевой пудры и смесителя, оС; шв, ши, шп, шц, шт, ша, шс — массы соответственно воды, извести, песка, цемента, гипса, алюминиевой пудры и смесителя, кг.

Таким образом, на существующем производстве расходные бункеры сырьевых компонентов в обязательном порядке должны быть оборудованы датчиками температуры.

На основе уравнений (1)—(3) и функциональных зависимостей, представленных в методике оптимизации количества цементирующего вещества [8], получены системы уравнений, описывающие влияние управляющих параметров на температурное и реологическое состояния силикатной смеси в момент ее заливки в форму следующего вида:

Тсм Р1(В/Г,Ц,Г,Тв,Ти,Тп,Тц,Тг,Тс,Мс,Сс,Косн.ц),

D=F2(В/Т,Ц,Г,Т I Т=Fз(В/Т,Ц,Г,Тв,Тcм,Аи,Кocн.ц), (4)

где Мс и Сс — величина массы смесителя по отношению к массе компонентов, %, и удельная теплоемкость смесителя соответственно, кДж/(ктК); Аи — активность извести, %; Коснц — коэффициент основности цемента.

Из-за громоздкости конкретный вид этих уравнений не представлен.

Блок-схема мультипараметрической модели для оптимизации структуры ячеистого бетона приведена на рис. 1.

Сущность представленной блок-схемы сводится к следующему. На основе данных химического состава компонентов по методике [8] определяются активность извести и коэффициент основности портландцемента, которые затем совместно с данными дозировок портландцемента и гипса используются в оптимизационном блоке расчета количества цементирующего вещества.

На основе экспериментальных зависимостей и данных требуемой плотности ячеистого бетона вычисляются оптимальные с точки зрения получения максимально прочной межпоровой перегородки, дозировки и удельные поверхности сырьевых компонентов. Затем данные первого блока оптимизации совместно с информацией о температурах сырьевых компонентов, активности извести, коэффициенте основности портландцемента и общей исходной теплоемкости смесителя используются в блоке оптимизации начальных реологических и температурных характеристик силикатной смеси (4). Блок реализует решение систем уравнений вида (4) с определением оптимальных значений В/Т отношения и температуры воды затворения. На этом оптимизация начальных характеристик силикатной смеси заканчивается.

На следующем этапе произведена оптимизация процесса формирования ячеистой структуры относительно дозировок портландцемента и полуводного гипса. Поставлены факторные эксперименты вида 22 на основе ротатабельного центрального плана, дополненного звездными точками. Уровни варьирования факторов приведены в табл. 2.

Вещественные составы компонентов рассчитывались на основе зависимостей методики [8] и решения систем уравнений вида (4), то есть таким образом, чтобы для всех значений варьируемых факторов из факторного пространства (табл. 2) выполнялись условия оптимального количества цементирующего вещества, опти-

мальной температуры смеси в момент ее заливки в форму и оптимального расплыва смеси по Суттарду. В качестве выходной характеристики рассматривалась прочность на сжатие бетона. Для этого из одного отформованного массива вырезали 6 образцов-кубов со стороной 7 см, которые подвергались автоклавной обработке при давлении 0,8 МПа по режиму 1,5 ч (подъем давления) + 8 ч (выдержка) + естественное остывание. Из центральной части массива параллельно направлению вспучивания вырезали образцы-шлифы размером 10x10x2 см для получения цифровых изображений и изучения ячеистой структуры (рис. 2).

Получены полиномиальные модели влияния добавок портландцемента и полуводного гипса на прочностные характеристики ячеистого бетона в виде коэффициента конструктивного качества (ККК), равного отношению прочности на сжатие образцов к квадрату их средней плотности:

— для ячеистого бетона марки по плотности Б500:

ККК05(Х)=0,00000803+1,990240^Ц+0,000001095Т+ + 1,109740-8^ЦТ-6,5055Т0-9^Ц2-1,032040-7Т2; (5)

— для ячеистого бетона марки по плотности Б400:

КККШ00=0,000002120+4,9058-10-7-Ц+0,000002276Т— —4,2487-10-8-ЦТ—5,3009-10-9-Ц2—8,6384-10-8Т2; (6)

— для ячеистого бетона марки по плотности Б300:

КККШоо=0,000005983+0,000001112^Ц+0,000001794Т--4,0589-10-8-ЦТ-1,8742-10-8-Ц2-6,6770-10-8Т2; (7)

— для ячеистого бетона марки по плотности Б100:

КККШ00=0,000002264-9,4416-10-7-Ц-0,00000781-Г+ +2,275 10-7 ЦГ-9,510-9Ц2-7,6210-7Г2, (8)

где Ц - дозировка портландцемента, мас. %, в составе сухих компонентов; Г - дозировка гипса, мас. %, в составе сухих компонентов.

Анализ зависимостей (5)-(8) позволяет установить оптимальные дозировки гипса и портландцемента и завершить построение мультипараметрической модели. В случае изменения характеристик исходных сырьевых компонентов (химического и минералогического состава, температур и пр.) и смесителя производится повторная оптимизация с использованием мультипараметри-ческой модели на ЭВМ.

В табл. 3 представлены значения прочности на сжатие образцов-кубов и обеспечивающие их оптимальные дозировки и параметры сырьевых компонентов, рассчитанные при помощи разработанной мультипараме-трической модели (на 1 м3).

Полученные высокие показатели физико-механических характеристик подтверждены исследованиями макроструктуры (рис. 2). Все образцы имеют близкую к совершенной ячеистую структуру с минимальным количеством дефектов и высоким коэффициентом сферичности.

Таким образом, разработка и применение мультипараметрической модели позволили согласованно провести оптимизацию на всех масштабных уровнях формирования структуры ячеистого бетона. Особенно наглядно это реализуется при получении ячеистого бетона марки по плотности Б400, для которого средняя прочность на сжатие составила 3,5 МПа, что соответствует классу по прочности на сжатие В2,5 (по ГОСТ 25485-89 «Бетоны ячеистые. Технические условия» этот показатель не превышает значений, соответствующих классу по прочности на сжатие В1,5).

Предложенная модель позволяет получить оптимальный результат по технологии в следующих диапазонах свойств исходных материалов:

— молотая негашеная известь: активность 80—95%; удельная поверхность 550—600 м2/кг;

— портландцемент: ЦЕМ I 42,5Н / ПЦ 500-Д0-Н; минералогический состав: C3S 55-70%, C2S 10-20%, C3A 5-10%, C4AF 10-15%;

— гипс строительный Г5 по ГОСТ 129-79 нормально-твердеющий (начало схватывания не ранее 6 мин, конец схватывания не позднее 30 мин).

Следует отметить, что полученная модель обладает большим потенциалом для реализации систем программного расчета оптимального состава. Разработка и применение таких систем крайне необходимы в заводской практике для нейтрализации негативного влияния нестабильного качества сырьевых материалов на технологию и свойства ячеистого бетона. Нами в ходе разработки одной из таких систем и успешной апробации в лабораторных условиях доказана высокая эффективность оптимизации с использованием предложенной мультипараметрической модели [10]. На реализующую компьютерную программу Cellular Concrete получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ за № 2012613270.

Ключевые слова: ячеистый бетон автоклавного твердения, силикатная смесь, мультипараметрическая модель.

Список литературы

1. Сахаров Т.П. Ячеистые бетоны в посткризисный период // Научно-практический интернет-журнал «Наука. Строительство. Образование». 2011. № 1. [Электронный ресурс]. http://www.nso-journal.ru/ images/stories/NS0/2011/01_8.pdf

2. Горяйнов К.Э., Горяйнова С.К. Технология теплоизоляционных материалов и изделий. М.: Стройиздат, 1982. 376 с.

3. Федин А.А. Научно-технические основы производства и применения силикатного ячеистого бетона. М.: Издательство ГАСИС, 2002. 264 с.

4. Горлов Ю.П., Меркин А.П., Устенко А.А. Технология теплоизоляционных материалов. М.: Стройиздат, 1980. 399 с.

5. Чернов А.Н. Ячеистый бетон переменной плотности. М.: Издательство литературы по строительству, 1972. 128 с.

6. Чернышов Е.М., Неупокоев Ю.А., Потамошнева Н.Д. Высокопоризованные ячеистые бетоны для эффективных теплоизоляционных плит // Вестник ТГАСУ. Строительные материалы и изделия. 2007. № 1. С. 174-190.

7. Чернышов Е.М., Дьяченко Е.И. Структурные факторы управления сопротивлением разрушению силикатных автоклавных материалов при силовом нагружении // Эффективные композиты. Воронеж, 1989. С. 75-79.

8. Дьяченко Е.И. Влияние факторов внешней среды на вязкость разрушения силикатного ячеистого бетона // Эксплуатационная надежность строительных конгломератов. Воронеж: Изд-во ВГУ, 1987. С. 90-95.

9. Лаукайтис А.А. Влияние температуры воды на разогрев формовочной смеси // Строительные материалы. 2002. № 3. С. 37-39.

10. Бедарев А.А. Системы моделирования и оптимизации структуры ячеистого силикатного бетона Cellular Concrete и Cellular MOD Concrete // Сб. материалов IV всероссийской заочной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь в современном мире: гражданский, творческий и инновационный потенциал». Старый Оскол. Декабрь 2012. C. 327-334.

rj научно-технический и производственный журнал

J^J ® апрель 2013 93