CC BY
28
УДК 691.542
Ю. С. Печенина, А. Ф. Дресвянников ОЦЕНКА КАЧЕСТВА ПОРТЛАНДЦЕМЕНТОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ
КОМПЛЕКСНОГО ПОКАЗАТЕЛЯ КАЧЕСТВА
Ключевые слова: единичный показатель качества, комплексная оценка качества, комплексный показатель качества, геометрическая модель комплексной оценки, качество портландцемента.
Портландцемент применяется преимущественно в промышленном строительстве. Широкое применение портландцемента обусловлено наличием у данного материала определенных характеристик и полезных свойств, приобретенных в процессе изготовления, позволяющих применять его для решения различных строительных задач. Комплексная оценка качества портландцемента позволяет осуществить рациональный выбор конкретного вида портландцемента из всего многообразия производимых образцов для решения поставленной задачи. С помощью применения метода главных компонент определены основные показатели, влияющие на качество портландцемента. Предложена методика комплексной оценки качества портландцемента, базирующаяся на построении геометрической модели. Методика апробирована на различных образцах портландце-ментов. На основании данных, полученных от производителей цемента в России, решена задача выбора образца портландцемента, обладающего наиболее высоким уровнем качества относительно базового образца.
Keywords: single quality parameter, complex estimation of quality, complex quality parameter, geometrical model of complex estimation, quality of Portland cement.
Portland cement is primary used in building industry. Widespread application of Portland cement caused by certain characteristics and useful properties of that material, which are acquired during the manufacturing process and makes possible to use it for solving different building aims. Complex quality estimation of Portland cement provides an opportunity to implement reasonable choice of certain Portland cement type for carrying out an application task from the variety of manufacturing samples. Major parameters, affect on the Portland cement quality, has been defined by using principal component analyses. The methodology of Portland cement complex quality estimation, based on geometrical modeling, has been proposed. That methodology has been evaluated on different samples of Portland cement. The Portland cement sample selection task has been solved according to Russian Portland cement manufacturer's data. This sample has the highest quality level relative to basic sample.
Введение
Портландцемент представляет собой гидравлическое вяжущее вещество, получаемое тонким помолом портландцементного клинкера с гипсом и добавками. Особые свойства портландцемента, обуславливающие его широкое применение в строительстве, определяются его способностью при за-творении водой образовывать пластичное тесто, со временем, за счёт химического взаимодействия в системе, превращающееся в камень [1].
В настоящее время цементная промышленность производит порядка 30 различных видов портландцемента, включая как портландцементы общестроительного назначения, так и специальные цементы, обладающие специфическими свойствами [2].
Несмотря на разнообразие типов производимого портландцемента, наиболее распространенным является портландцемент с добавками без особых специальных требований, а также портландцемент без минеральных добавок. В соответствии с [3] эти виды портландцементов подразделяют по классу прочности, а также скорости твердения. Таким образом, среди основных характеристик портландцемента выделяют характеристики прочности, выражаемые, как правило, пределом прочности при сжатии в возрасте 28 суток, а также скорость схватывания, определяемую временем начала и конца схватывания.
Однако номенклатура показателей, определяющих качество портландцемента, не ограничивается этими двумя характеристиками. Так, [4] устанавливает перечень обязательных показателей качества, представленный в таблице 1.
Такая обширная номенклатура показателей, характеризующих качество портландцемента, как правило, затрудняет осуществление оперативного выбора конкретного образца портландцемента для решения конкретной строительной задачи. Соответственно, ключевая задача исследования заключается в разработке универсального алгоритма оценки качества портландцемента. В связи с этим, целью исследования является разработка методики комплексной оценки качества портландцемента.
Экспериментальная часть
Метод главных компонент
Метод главных компонент - один из наиболее рациональных методов определения значимых показателей качества, позволяющий уменьшить размерность массива данных при минимальных потерях информации [5]. Сущность этого метода заключается в снижении размерности данных путем определения незначительного числа линейных комбинаций исходных признаков, которые объясняют большую часть изменчивости данных в целом.
Метод главных компонент связан с переходом к новой системе координат, которая является системой ортонормированных линейных комбинаций. Этот метод дает возможность по п исходным признакам объектов построить такое же количество главных, являющихся обобщенными (агрегированными) признаками [6]. На первый взгляд, такой переход не дает никакого преимущества в представлении данных, однако существует возможность сохранения информации о рассматриваемых данных даже
Вестник технологического университета. 2017. Т. 20, №12 Таблица 1 - Номенклатура обязательных показателей качества [4]
Наименование показателя, единица измерения Вид цемента
Прочность на сжатие, МПа Все цементы, кроме тампонажных цементов типов I, II и III по ГОСТ 1581
Прочность на растяжение при изгибе, МПа Цементы для транспортного строительства и тампонажные цементы типов I, II и III по ГОСТ 1581
Вещественный состав, % Все цементы, содержащие минеральные добавки в качестве основного компонента
Равномерность изменения объема, мм Все цементы на основе портландцементного клинкера, кроме тампонажных, расширяющихся и напрягающих
Начало схватывания, мин Все цементы, кроме тампонажных
Время загустевания, мин Тампонажные
Линейное расширение, % Расширяющиеся, безусадочные, напрягающие
Тепловыделение, кДж/кг Низкотермичные
Водоотделение, % или мл Тампонажные, цемент для бетона дорожных и аэродромных покрытий, цемент для строительных растворов
Содержание оксида магния в клинкере, % Все цементы на основе портландцементного клинкера
Содержание оксида серы (VI), % Все цементы на основе портландцементного клинкера
Содержание хлорид-иона, % Все цементы на основе портландцементного клинкера
Содержание оксида алюминия в клинкере или цементе, % Глиноземистый цемент, сульфатостойкий портландцемент, сульфато-стойкий цемент для бетона дорожных и аэродромных покрытий
Минералогический состав клинкера, % Все цементы на основе портландцементного клинкера нормированного состава
Удельная эффективная активность естественных радионуклидов, Бк/кг Все цементы
в том случае, если сократить количество вычисленных главных компонент.
Таким образом, применение метода главных компонент позволяет определить оптимальное количество показателей, необходимых для построения модели комплексного показателя качества.
Комплексный показатель качества
Методика комплексной оценки качества портландцемента в данном случае заключается в построении геометрической модели комплексного показателя качества. Для этого используются наиболее значимые единичные показатели качества, оказывающие существенное влияние на качество портландцемента, а также методы и приемы математической статистики.
Объект исследования
В качестве объекта исследования выбраны образцы портландцемента, произведенные различными предприятиями холдинга «ЕВРОЦЕ-МЕНТГРУП».
Обсуждение результатов
Номенклатура показателей качества портландцемента включает широкий спектр показателей, характеризующих свойства портландцемента в порошке, свойства в растворе, а также свойства портландцемента в тесте. Для определения наиболее значимых показателей качества портландцемента проведен их предварительный анализ с применением статистических методов снижения размерности (метод главных компонент).
С помощью программного комплекса Statistica 8 проведен анализ методом главных компонент. По результатам анализа (рис. 1) определен вклад показателей качества портландцемента в главные компоненты.
Van able Factor coordinates of the variables, based on с
Factor 1 Factor 2 Factor 3 Factor 4
предел прочкости "ли сжатии, МПа в впзрасте2 с -0 350162 0.560879 0.139988 0.388840
предел пррчности при сжатии, МПа в возрасте 2В -0.763666 0,392347 -0,162696 0,300462
начала схватывания, мин -0,243760 -0,74 75 SS 0 000182 i 0,423729
конец схватывания мин -0,280675 -0,782804 0,264745 0,450195
удельная поверхность, м2*кг 0.049898 0,778887 -0,103240 0,017858
тонкость помола, проход через сите №000, % -0,757600 -0,155692 L-6,13 0240 0.057011 -0,250342
нормальная густота цементного теста, % 0,193715 0,627963 0,135704
потеря массы при прокаливании, % 0,742625 0,118527| 0.491073 0,083087
нерастворимы А остаток, -0,347252 -0,371063 0,598638 -0,339937
содержание пксида серы, % -0.681573 0,111543 0.087699 0.180069 -0.460442
содержаниехлорид-иона, % □¡,472292 0,543447 ГО. 101455
содержание минеральной да&авки % 0,562584 -0,294925 0.410478 -0,029065 0,376080
удельна» эффективная активность естествен 0,0430771 0,5428311 0,315785
Рис. 1 - Результаты анализа методом главных компонент
Наибольшее влияние на качество портландцемента в целом оказывает, в первую очередь, предел прочности при сжатии в возрасте 28 суток, а также тонкость помола. Кроме того, время начала и конца схватывания, потеря массы при прокаливании и удельная поверхность также существенно влияют на качество портландцемента.
Результаты анализа методом главных компонент подтверждают, что при комплексной оценке качества портландцемента нет необходимости использовать все единичные показатели качества. Поэтому показатели, вносящие меньший (коэф. менее 0,75) вклад в главные компоненты, могут быть исключены из дальнейшего исследования.
После уменьшения размерности массива данных об образцах получена таблица наиболее значимых единичных показателей качества портландцемента (табл. 2).
Методика комплексной оценки качества портландцемента основывается на построении геометрической модели комплексного показателя качества. Комплексный показатель качества заключает в себе единичные показатели, оказывающие наиболее существенное влияние на качество портландцемента в целом, определенные по результатам проведения анализа методом главных компонент: предел проч-
Таблица 1 - Наиболее значимые единичные показатели и их значения для образцов портландцемента
Предел прочности при сжатии, МПа в возрасте 28 суток Начало схватывания, мин Конец схватывания, мин Удельная поверхность, м2/кг Тонкость помола, проход через сито № 008, % Потеря массы при прокаливании, %
ЦЕМ I 52,5Н (О) 58,9 200 300 300 97 0,94
ЦЕМ I 42,5Б (О) 56,3 195 290 285 95,8 0,96
ЦЕМ I 42,5Н (О) 49,2 225 350 251 96,4 0,99
ЦЕМ I 32,5Б (О) 44,3 230 360 230 97 1,01
ЦЕМ I 42,5Б (С) 53 130 190 360 96 1,5
ЦЕМ I 42,5Н ДП (Мор) 52,2 140 200 329 97 0,8
ЦЕМ I 42,5Н ДП (Мал) 48,3 185 248 335 92,2 1
ЦЕМ I 42,5Н ЖИ (Мал) 45,6 180 220 348 93,3 1
ЦЕМ I 42,5Н ДП (Кав) 46,5 160 265 300 93 1,6
ЦЕМ I 32,5Б (Кав) 45 160 260 290 91,5 1,92
ЦЕМ I 42,5Н (Кав) 46,4 165 265 295 93 1,6
ЦЕМ I 42,5Н (Б) 48,7 142 200 325 92,1 1,6
ЦЕМ I 42,5Н (П) 43,7 160 240 380 89,8 1,22
ЦЕМ I 42,5Н (У) 49 200 280 390 95,6 1,4
ЦЕМ I 32,5Б (У) 46,8 215 295 375 94,5 1,4
ЦЕМ I 42,5Н (Мих) 47,5 166 253 333 93,1 2,35
ЦЕМ I 32,5Б (Мих) 40 177 267 294 88,5 2,06
ЦЕМ I 42,5Н (Л) 47,1 140 200 370 94,3 2,5
ЦЕМ I 42,5Н (Ж) 47,6 154 209 393 95,2 2,46
ЦЕМ I 42,5Н (Кат) 48,3 100 210 311 93 1,29
ЦЕМ I 42,5Н (Нев) 48,5 157 227 350 97,2 1,2
ЦЕМ I 42,5Н (В) 58,6 150 250 370 92,1 1,56
ЦЕМ П/А-Ш 42,5Н (В) 55 170 280 370 92,8 1,46
ЦЕМ I 32,5Б (Сав) 43,2 210 270 309 91,4 1,8
ЦЕМ П/А-Ш 32,5Н (Л) 37 177 260 340 90 5
ЦЕМ I 42,5Б (Мор) 50 150 220 360 97 1,4
ЦЕМ П/А-Ш 42,5Н СС (Кав) 45,3 165 265 305 92,8 1,92
ЦЕМ П/А-Ш 32,5Б (Кав) 38 160 260 290 90,9 2,45
ЦЕМ П/А-Ш 42,5Н (Кав) 45,9 165 265 300 92,4 1,95
ЦЕМ I 42,5Н (Мал) 48,3 185 260 350 92,5 1,1
ЦЕМ I 42,5Н (Мор) 48 150 240 340 97 1,4
ЦЕМ П/А-Ш 42,5Н (О) 46,6 215 340 264 98,4 1,16
ности при сжатии в возрасте 28 суток, сроки схватывания, удельная поверхность, тонкость помола и потеря массы при прокаливании. Причем показатель «сроки схватывания» включается в себя время начала и конца схватывания.
Алгоритм построения геометрической модели можно представить в следующем виде:
1. Значения единичных показателей качества переводятся в относительную форму в соответствии с формулами (1) и (2) [6]:
Ч= Р/Ррь (1)
Ч= Р^р (2)
где Рр - числовое значение р-го показателя качества оцениваемой продукции; Ррб - числовое значение р-го показателя качества базового образца.
В качестве значений единичных показателей качества базового образца принимаются значения (табл. 3), установленные принятыми не только в России, но и в мировой практике в целом стандартами, регламентирующими требования к качеству портландцемента.
Таблица 3 - Значения единичных показателей качества базового образца
Наименование показателя Значение показателя Регламентирующий стандарт
предел прочности при сжатии, МПа в возрасте 28 суток 32,5 42,5 52,5 ГОСТ 31108-2016 Цементы общестроительные. Технические условия; BS EN 196-1:2016 Methods of testing cement. Determination of strength
не менее 32,5 не более 52,5 не менее 42,5 не более 62,5 не менее 52,5
начало схватывания, мин 32,5 42,5 52,5 ГОСТ 31108-2016 Цементы общестроительные. Технические условия; BS EN 196-3:2016 Methods of testing cement. Determination of setting times and soundness
не менее 75 не менее 60 не менее 45
конец схватывания, мин не более 375 ASTM C150-07 Standard Specification for Portland Cement
удельная поверхность, м2/кг не менее 160 ASTM C150-07 Standard Specification for Portland Cement
тонкость помола, проход через сито № 008, % не менее 10 ASTM C 204-16 Standard Test Methods for Fineness of Hydraulic Cement by Air-Permeability Apparatus
потеря массы при прокаливании, % не более 3 ASTM C150-07 Standard Specification for Portland Cement
2. От начала декартовой системы координат против часовой стрелки в порядке возрастания влияния единичного показателя на качество портландцемента строятся вектора, длиной (ед). Порядок определяется на основании результатов анализа методом главных компонент, характеризующего вклад единичных показателей в главные компоненты.
3. Концы векторов а] ( = 1, 2, ..., т) соединяются, образуя т-угольник М.
4. Определяется центр тяжести т-угольника G.
5. Проводится вектор (гМ), направленный из начала координат к точке центра тяжести G (х^ у^. 6. Отмечается угол (фМ), образованный вектором (гМ) при вращении в направлении значимости единичных показателей (щ) (против часовой стрелки), рассчитывается (гМ) и (фМ) по формулам (3) и (4).
Гм = y[*G+Уа
фм = arccos
xG
JxQ + Уа
(3)
(4)
7. Рассчитывается комплексный показатель качества - площадь сектора, образованного векторами (гМ) и углом (фМ) по формуле (5).
1 2
Ks = u(r ф ) = — r ф
(5)
м'1 м ' 2 м м Общая геометрическая модель комплексного показателя качества представлена на рисунке 2.
Рис. 2 - Геометрическая модель комплексного показателя качества
Конкретные примеры реализации геометрической модели приведены на рисунке 3.
в г
Рис. 3 - Примеры комплексной оценки качества портландцементов с применением геометрической модели: а) ЦЕМ I 42,5Н ДП; б) ЦЕМ I 42,5Б, в) ЦЕМ I 32,5Б, г) ЦЕМ П/А-Ш 42,5Н
Следует заметить, что изначально необходимо определиться с требуемой прочностью портландцемента: высокопрочные портландцементы класса
прочности 52,5, прочные - 42,5 или 32,5. Если к портландцементам предъявляется требование о способности к быстрому твердению, выбираются порт-
ландцементы с индексом «Б» если же нет - с индексом «Н» щие.
быстротвердеющие, нормальнотвердею-
Рис. 4 - Значение комплексного показателя качества для образцов цемента
Дальнейший выбор из всего ассортимента порт-ландцементов осуществляется на основании сопоставления значений комплексного показателя качества образцов: чем он больше, тем, соответственно, выше уровень качества портландцемента.
В результате применения описанной выше методики получили значения комплексного показателя качества для всех рассматриваемых образцов портландцемента (рис. 4). Анализируя полученные данные, можно выделить следующие образцы портландцемента, имеющие наибольшее значение комплексного показателя качества, и, следовательно, обладающие наивысшим уровнем качества среди группы портландцементов аналогичного класса прочности:
1) В группе портландцементов класса ЦЕМ I 42,5: ЦЕМ I 42,5Н ДП производства АО «Мордов-цемент», комплексный показатель качества - 39,04. Данный образец портландцемента является нормаль-нотвердеющим, т.е. не обладает способностью к быстрому твердению. Поэтому в группе необходимо также выделить быстротвердеющий образец портландцемента ЦЕМ I 42,5Б производства АО «Осколцемент», комплексный показатель качества - 26,07.
2) В группе портландцементов класса ЦЕМ I 32,5: ЦЕМ I 32,5Б производства АО «Осколцемент», комплексный показатель качества - 22,43.
3) В группе портландцементов класса ЦЕМ II/А-Ш 42,5: ЦЕМ II/А-Ш 42,5Н производства АО «Осколцемент», комплексный показатель качества -19,33.
Таким образом, предложенная методика комплексной оценки качества портландцемента существенно упрощает процедуру подбора конкретного образца портландцемента для решения определенной задачи.
Литература
1. Рыбьев, И.А. Строительное материаловедение: учеб. пособие / И.А. Рыбьев. - М.: Высшая школа, 2004. - 701 с.
2. Компания ООО «СМ Про». Потребление: баланс спроса и предложения // Годовой отчет «Рынок цемента — 2014». С. 47.
3. ГОСТ 31108-2016. Цементы общестроительные. Технические условия. - М.: Стандартинформ, 2016. - 15 с.
4. ГОСТ 30515-2013. Цементы. Общие технические условия. - М.: Стандартинформ, 2013. - 41 с.
5. Эсбенсен, К. Анализ многомерных данных: учеб. пособие / К. Эсбенсен. - Черноголовка: Изд-во ИПХФ РАН, 2005. - 160 с.
6. Померанцев, А. Метод главных компонент (PCA) // Российское хемометрическое общество. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://rcs. chemometrics. ru/Tutorials/pca. htm
© Ю. С. Печенина - магистрант кафедры аналитической химии, сертификации и менеджмента качества КНИТУ, pechenina_ju@mail.ru; А. Ф. Дресвянников - д.х.н., профессор кафедры аналитической химии, сертификации и менеджмента качества КНИТУ, a.dresvyannikov@mail.ru.
© J. S. Pechenina - Master's Degree Student, Department of Analitical Chemistry, Certification and Quality Management, Kazan National Research Technological University KNRTU, pechenina_ju@mail.ru; A. F. Dresvyannikov - Dr. in chemistry, Professor, Department of Analitical Chemistry, Certification and Quality Management, Kazan National Research Technological University KNRTU, a.dresvyannikov@mail.ru.
