Статистический анализ качества автоклавного газобетона в задачах повышения эффективности его производства Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 691.327.33

Г.С. СЛАВЧЕВА, д-р техн. наук ([email protected])

Воронежский государственный технический университет (394006, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84)

Статистический анализ качества автоклавного газобетона в задачах повышения эффективности его производства

Представлены результаты комплексного статистического анализа качества газобетона, осуществленного за годичный период работы предприятия, оснащенного новым зарубежным технологическим оборудованием. В качестве объекта статистического анализа использован автоклавный газобетон марки по средней плотности D500, класса по прочности В2,5, так как изделия из бетона данной марки являются наиболее массовой продукцией, пользующейся основным спросом у потребителя. Выявлено, что изменчивость показателей свойств определяет необходимость обеспечивать избыточный запас качества продукции, в первую очередь по прочности. Количественно оценена степень корреляционной взаимосвязи ключевых параметров технологии и основных свойств газобетона. Статистически достоверно выявлена взаимосвязь между мерой изменчивости параметров технологического процесса и запасом качества продукции, вероятностью появления брака. Предложены направления повышения эффективности производства за счет использования имеющегося запаса качества продукции, а также путем рационализации параметров технологии как средства снижения производственных затрат.

Ключевые слова: автоклавный газобетон, статистический анализ, качество, брак продукции, эффективность производства.

Для цитирования: Славчева Г.С. Статистический анализ качества автоклавного газобетона в задачах повышения эффективности его производства // Строительные материалы. 2017. № 8. С. 23-27.

G.S. SLAVCHEVA, Doctor of Sciences (Engineering), ([email protected])

Voronezh State Technical University (84, 20-letiya Oktyabrya Street, 394006, Voronezh, Russian Federation)

Statistical Analysis of Quality of Autoclaved Gas Concrete in Tasks of Improving the Efficiency of Its Production

Results of the complex statistical analysis of the quality of gas concrete made for a year period of operation of the enterprise equipped with new foreign technological equipment are presented. Autoclaved gas concrete of average density D500 and strength grade B2.5 was used as an object of the statistical analysis, because concrete products of this brand are the most mass product which is the main demand of the consumer. It is revealed that the variability of properties identifies the need to ensure the excess reserve of production quality, for strength primarily. The degree of correlation interconnection of the key parameters in technology and basic properties of the gas concrete has been evaluated qualitatively. The interconnection between the degree of variability of parameters of the technological process and excess quality of production, the probability of spoilage appearance are revealed statistically reliably. The ways of improving the production efficiency due to the use of the available reserve of products quality as well as by rationalization of technological parameters as a means of reducing production expenditures are proposed.

Keywords: autoclaved gas concrete, statistical analysis, quality, spoilage of products, production efficiency.

For citation: Slavcheva G.S. Statistical analysis of quality of autoclaved gas concrete in tasks of improving the efficiency of its production. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2017. No. 8, pp. 23-27. (In Russian).

В последние десятилетия промышленность строительных материалов и изделий переживает новый подъем производства, в первую очередь за счет модернизации старых и ввода в эксплуатацию новых заводов по производству изделий из автоклавных ячеистых бетонов. Реновация производства обеспечила новый уровень качества по геометрии изделий, по соотношению прочность—плотность материала и по его физико-климатической стойкости. Это и определило высокую конкурентоспособность, безусловное лидерство автоклавных газобетонов (АГБ) на рынке стеновых материалов. По данным Национальной ассоциации производителей автоклавного газобетона, за последние 15 лет его выпуск увеличился в 6,5 раз, а его доля среди стеновых материалов, выпускаемых в России, выросла с 6 до 30%. В Воронежской области, например, 15% от общей площади жилья возводится с применением АГБ в ограждающих конструкциях [1]. Даже несмотря на произошедший в 2015—2016 гг. общий спад объемов строительства, снижение объемов производства АГБ оказалось в 1,5 раза менее значительным, чем производство других мелкоштучных стеновых материалов [2].

Означает ли это, что при таких достижениях современные технологии производства автоклавных газобетонов обеспечивают оптимальное соотношение между производственными затратами и уровнем качества продукции? Наш опыт взаимодействия с предприятиями показывает, что по-прежнему остается ряд нерешенных проблем и перспективы для развития. Соответственно

имеются и резервы для совершенствования параметров технологии, снижения производственных затрат и повышения эффективности производства. Для выявления таких резервов коллективом специалистов Воронежского государственного технического университета под руководством академика Е.М. Чернышова на предприятиях по производству автоклавных газобетонов в Воронежской области проводится работа по комплексному статистическому анализу стабильности параметров технологического процесса и качества продукции. Результаты такой работы в отношении одного из предприятий-лидеров производства обсуждаются в данной публикации.

Обоснование параметров технологии как объектов статистического анализа

На первом этапе работы была произведена предварительная статистическая оценка качества газобетона по данным результатов контроля за годичный период работы предприятия. Результаты оценки показывают (табл. 1), что продукция предприятия по соотношению плотность-прочность характеризуется высоким коэффициентом конструктивного качества, по всей номенклатуре свойств соответствует верхней границе требований ГОСТ 31359—2007 «Бетоны ячеистые автоклавного твердения. Технические условия». Оценка запаса качества газобетона по прочности, произведенная согласно методике ГОСТ Р 50779.53—98 «Статистические методы. Приемочный контроль качества по количественно-

j î . ®

август 2017

23

Таблица 1

Показатель качества Значение показателя

Марка по средней плотности D400 D500 D600

Класс по прочности при сжатии В1,5 В2,5 В3,5

Средняя прочность, МПа 2,7 4,2 5,4

Коэффициент изменчивости по прочности, % 8,4 7,7 8,2

Запас качества по прочности (по ГОСТ Р 50779.53-98) 4,8 4,5 3,7

Коэффициент конструктивного качества, Л/р.10-2 0,65 0,81 1,09

Паропроницаемость, мг/(м.ч.Па) 0,23 0,21 0,16

Теплопроводность, Вт/(м°С) 0,08 0,1 0,12

Усадка при высыхании, мм/м - 0,24 0,22

му признаку для нормального закона распределения. Часть 1. Стандартное отклонение известно», позволила установить, что все производимые марки имеют многократный запас качества. При этом прочностные характеристики характеризуются довольно большой межпартионной изменчивостью, что и предопределяет необходимость столь высокого запаса качества по прочности для гарантии обеспечения нормативных требований к классу бетона во всех партиях.

На втором этапе работы было произведено обоснование количественных индикаторов технологического процесса как объектов статистического анализа. Анализировались стадия выбора исходного состава сырьевой шихты и подготовки ее компонентов, а также стадия приготовления формовочной смеси и формования.

Параметры процесса на стадии выбора состава смеси и подготовки сырьевых материалов, являясь ключевыми факторами формирования заданной структуры материала, подвержены наибольшей изменчивости. К данным параметрам относятся [3—6]:

— соотношение щелочного и кремнеземистого компонента в известково-песчаной смеси;

— удельная поверхность кремнеземистого компонента (КК);

— характеристики формовочной смеси.

Соотношение извести и песка определяет основность смесей по отношению СаО^Ю2 и соотношение по массе исходных компонентов, которые имеют суммарный объем частиц, размещающихся в их смеси, и дают определенную конгломератную структуру после синтезного твердения. Применяемое С^ должно обеспечивать омоноличивание частиц кремнеземистого компонента и получение конгломератной структуры межпоровых перегородок с заданной прочностью. При

этом оптимизация соотношения С^ производится с учетом решения двух задач:

1) задачи получения гидросиликатов кальция (ГСК) в количестве, необходимом для склеивания зернистых частиц по критерию максимума прочности бетона — тах (Лб);

2) задачи получения ГСК такого состава, который способствует обеспечению и прочности и других требуемых свойств материала — влаж-ностной усадки, морозостойкости, трещиностойкости и др.

Исходный состав с принятым С^ должен способствовать получению оптимальной цементации, которая и будет отвечать критерию тах (Лб). Поэтому С^ будет зависеть, с одной стороны, от удельной поверхности КК, при изменении которой меняется межзерновой объем, который должен быть заполнен ГСК. С другой стороны, для каждой удельной поверхности КК с его поверхностью, физико-химической активностью соответствует свой оптимум массовой доли СаО, зависящий от активности извести.

Характеристики формовочной смеси по содержанию двуводного гипса и реологическим характеристикам являются инструментами регулирования и синхронизации развития процессов газовыделения, поризации и схватывания [7]. Использование гипсового камня как полифункциональной добавки в технологии производства автоклавных ячеистых бетонов по литьевой технологии обеспечивает повышенную седиментационную устойчивость смеси на стадии формования макроструктуры газобетона, а также замедление скорости гашения извести. Одновременно на этапе гидротермального синтеза добавка гипса является средством регулирования состава новообразований цементирующего вещества, способствуя ускорению связывания СаО, что приводит к увеличению количества низкоосновных новообразований (CSH(B), тоберморита), а также к формированию армирующих кристаллов эттрингита.

В результате для статистического анализа стабильности технологического процесса были выбраны следующие количественные индикаторы перечисленных выше ключевых параметров технологии:

— активность извести Аи;

— удельная поверхность кремнеземистого компонента;

— консистенция формовочной смеси (диаметр рас-плыва смеси по Суттарду);

— содержание SOз в смеси.

Таблица 2

Контролируемый параметр Ед. изм. Границы регулирования Статистические оценки контролируемого параметра Индекс Ср

Т min Т max Среднее значение X Стандартное отклонение, д Коэф. изм., %

Активность извести % 75 80 80,6 2,37 2,94 0,38

Содержание SOз в шламе % 1,80 3,4 2,76 0,61 21,11 0,17

¿уд песка в шламе см2/г 2450 2550 2490 7,72 3,1 0,23

Диаметр расплыва смеси (по Суттарду) см 26 36 29,6 1,84 6,21 0,91

Прочность МПа 2,76 (для В2,5) - 4,2 0,32 7,71 1,51

3,84 (для В3,5)

Средняя плотность кг/м3 - 534 496 9,68 1,95 1,81

Влажность, % % Не нормируется 32,7 2,07 7,28 -

24

август 2017

Таблица 3

Свойства газобетона Величина коэффициента корреляции rxy

Активность извести Консистенция смеси Содержание SO3 в шламе ¿"уд песка в шламе

Прочность -0,36 -0,15 -0,21 -0,69

Средняя плотность -0,81 -0,52 -0,42 -0,7

Результаты статистического анализа

Статистический анализ параметров технологического процесса и показателей качества продукции произведен за годичный период работы предприятия. В качестве объекта статистического анализа был выбран автоклавный газобетон марки по средней плотности D500, класса по прочности В2,5, так как изделия из бетона данной марки являются наиболее массовой продукцией предприятия, пользующейся главным спросом у потребителя.

На первой стадии анализа произведен расчет статистических характеристик для выделенных индикаторов технологического процесса, а также для основных показателей качества АГБ — средней плотности, прочности и влажности. Стабильность параметров процесса и показателей свойств оценивалась по показателю воспроизводимости Ср [8], вычисляемого по формулам:

— при наличии верхней и нижней границ регулирования:

Т - Т

' та* ' min /1 \

> V1/

сР =

6s

при наличии верхней границы регулирования: Т — У

„ _ тяу Л

35

(2)

при наличии нижней границы регулирования: У— т

/~г min

3s

(3)

где Гтах и Т„ап — верхняя и нижняя границы регулирования; X — среднее значение контролируемого параметра; 5 — стандартное отклонение контролируемого параметра.

Изменчивость свойств продукции и параметров процесса считается удовлетворительной, если индекс воспроизводимости находится в границах 1,00<Ср<1,67 [9, 10]. В этом случае ширина интервала между границами регулирования в 6—8 раз превышает стандартное отклонение 5, т. е. соответствует классическому интервалу статистической изменчивости.

Границы регулирования для значений прочности и плотности установлены в соответствии с требованиями ГОСТ 18105—2010 «Бетоны. Правила контроля и оценки прочности», ГОСТ 27005—2014 «Бетоны легкие и ячеистые. Правила контроля средней плотности». Границы регулирования для значений активности извести, удельной поверхности кремнеземистого компонента, консистенции формовочной смеси, содержания SOз в шламе соответствуют требованиям действующего технологического регламента предприятия.

Сопоставление с нормируемыми значениями статистических оценок контролируемых параметров технологического процесса и качества автоклавного газобетона за годичный период работы предприятия представлено в табл. 2.

В целом по данным статистического анализа можно заключить, что показатели качества продукции предприятия отличаются стабильностью. Индекс воспроизводимости для плотности и прочности газобетона находится в приемлемом диапазоне 1,5<Ср<1,8.

Средняя плотность бетона изменяется в диапазоне 465—535 кг/м3 (рис. 1), что соответствует требованиям

р^=535 кг/м3 для D500

160 140120-

S

X

ф

¡5 100 X

со

£ 80 О

J 60

40

20 0

Интервалы значений средней плотности, кг/м3

Рис. 1. Гистограмма распределения значений плотности в партиях газобетона за годичный период

Лтр=2,76 МПа для В2,5

100 90801 70-

0

1 60-

с

'I 50-

X

ф

1 40-

СО

5 30-

О

2 2010

0

Интервалы значений прочности, МПа

Рис. 2. Гистограмма распределения значений прочности в партиях газобетона за годичный период

ГОСТ 27005—2014 для обеспечения марки по средней плотности D500. Причем в 75% партий величина средней плотности не превышает 500 кг/м3. Показатели плотности имеют низкий коэффициент изменчивости (<2,5%) и соответственно характеризуются оптимальным индексом воспроизводимости.

Прочность газобетона варьируется в широком диапазоне 2,55—6,65 МПа (рис. 2) и характеризуется довольно высоким коэффициентом изменчивости (~8%). Вследствие этого величина средней прочности превышает значения требуемой прочности, которая необходима для обеспечения класса бетона В2,5 по ГОСТ 18105—2010. В 73% произведенных за год партий продукции фактические значения прочности бетона обеспечивают класс В3,5. Однако вследствие высокой изменчивости значений требуемая прочность для обеспечения класса В3,5 в отдельных партиях продукции не может быть гарантирована.

jËfcr^iJTïJBrlslE jj. ®

август 2017

25

Границы регулирования

180 160 . 140 . 120 100 80 60 40 20 0

71-73

74-76 77-79

Границы регулирования

89-91 ' 92-94

80-82 83-85

Интервалы значений активности извести, %

Рис. 3. Гистограмма распределения значений активности в партиях извести за годичный период

Отпускная влажность автоклавного ячеистого бетона в настоящее время не регламентируется требованиями действующих стандартов, однако следует констатировать, что значения влажности в диапазоне 32—35% являются очень высокими и одновременно отличаются сравнительно высокой изменчивостью (~7%).

Анализ стабильности параметров технологического процесса показал, что они характеризуются низким индексом воспроизводимости Ср<1. Для выявления параметров технологического процесса, наиболее значимых для показателей качества газобетона, произведен корреляционный анализ количественной взаимосвязи между ними. По данным корреляционного анализа (табл. 3) установлено:

— значения прочности и плотности газобетона характеризуются сильной корреляционной взаимосвязью с удельной поверхностью кремнеземистого компонента (гх5=|0,7|), что закономерно связано со структурообразующей ролью частиц песка в формировании микроструктуры межпоровых перегородок и наноструктуры цементирующего вещества;

— средняя плотность газобетона в значительной мере зависит от активности извести (гху=|0,81|) и в меньшей степени от консистенции формовочной смеси, определяющих параметры процессов газообразования, схватывания и формирования ячеистой структуры газобетона;

— между содержанием SOз в смеси и характеристиками качества газобетона статистически достоверной корреляционной взаимосвязи не выявлено.

Следует подчеркнуть, что действующий технологический регламент предприятия предусматривает предельно узкие границы изменчивости параметров технологического процесса, которые в условиях действующего производства не обеспечиваются. Вид гистограмм распределения значений активности извести и удельной поверхности песка за годичный период (рис. 3, 4) позволяет заключить, что изменчивость их значений существенно превышает регламентируемые границы регулирования. Однако статистический анализ показал, что регламентируемые жесткие требования к обеспечению минимальной изменчивости параметров процесса являются обоснованными, так как, например, прочность и индекс ее воспроизводимо-

Интервалы значений удельной площади поверхности песка, см2/г

Рис. 4. Гистограмма распределения значений удельной поверхности песка по результатам контроля за годичный период

сти в партиях газобетона имели самые низкие значения (рис. 5) в те месяцы, когда коэффициент изменчивости удельной поверхности песка характеризовался максимальными величинами.

Выводы и рекомендации

Комплексный анализ качества газобетона, осуществленный на примере одного из новых заводов с зарубежным технологическим оборудованием за годичный период его работы, позволяет статистически достоверно утверждать, что современные технологии обеспечивают стабильный выпуск продукции с высоким запасом качества по всем нормируемым характеристикам, и в первую очередь по соотношению плотности и прочности.

По результатам статистического анализа выявлена высокая изменчивость ряда параметров технологии и доказано ее влияние на качество продукции и увеличение вероятности появления брака. По-прежнему качество извести остается как главной, так и неразрешенной проблемой для производителей автоклавного ячеистого бетона. Также не удается в полной мере оптимизировать параметры процесса помола и обеспечить регламентируемую стабильность показателей дисперсности кремнеземистого компонента. Это и предопределяет необхо-

5 ■

4 -

3 ■

2 ■

2,03 1,97

0,99 1,05

0

0

февраль

март апрель май июнь июль август сентябрь октябрь ноябрь декабрь коэффициент изменчивости удельной площади поверхности песка индекс воспроизводимости по прочности —о— средняя прочность

запас качества по прочности Рис. 5. Сопоставление показателей качества газобетона с изменчивостью параметров процесса

3

2

1,49

0,9

научно-технический и производственный журнал Г1- Г £г

26 август 2017 ®

димость иметь избыточный запас качества продукции, в первую очередь по прочности, что не вполне оправданно с точки зрения производственных затрат.

Повышение эффективности производства может быть реализовано за счет двух направлений совершенствования деятельности предприятия:

— использование имеющегося запаса качества продукции для получения дополнительной прибыли;

— рационализация параметров технологии для снижения производственных затрат.

Реализация первого направления не требует вмешательства в технологический процесс, а предусматривает только изменения в организации приемочного контроля партий продукции. На основе использования методики ГОСТ Р 50779.53—98 на этапе приемочного контроля может быть организована классификация партий газобетона по прочностному классу в рамках одной марки по плотности. Это может дать существенную дополнительную прибыль в связи с тем, что раз-

Список литературы

1. Акулова И.И., Дудина Н.А., Баранов Е.В. Методика и результаты оценки конкурентоспособности теплоизоляционных материалов, применяемых в жилищном строительстве // Экономика. Теория и практика: Материалы международной научно-практической конференции. Саратов. 2014. С. 32—37.

2. Вишневский А.А., Гринфельд Г.И., Смирнова А.С. Российский рынок автоклавного газобетона. Итоги 2016 года // Строительные материалы. 2017. № 3. С. 49-51.

3. Попов В.А., Чернышов Е.М. Возможности наномо-дифицирования структур гидротермально-синтез-ных систем твердения в задачах управления сопротивлением разрушению автоклавных бетонов // Механика разрушения бетонов, железобетонов и других строительных материалов: Материалы 7-й международной научной конференции. Воронеж. 2013. Т. 2. С. 246-251.

4. Чернышов Е.М., Славчева Г.С. Управление эксплуатационной деформируемостью и трещиностой-костью макропористых (ячеистых) бетонов. Ч. 1. Контекст проблемы и вопросы теории // Строительные материалы. 2014. № 1-2. С. 105-112.

5. Чернышов Е.М., Неупокоев Ю.А., Потамошнева Н.Д. Высокопоризованные ячеистые бетоны для эффективных теплоизоляционных плит // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. 2007. № 1. С. 181-190.

6. Шинкевич Е.С., Чернышов Е.М., Луцкин Е.С., Тымняк А.Б. Многокритериальная оптимизация состава и свойств активированных известково-крем-неземистых композитов // Сухие строительные смеси. 2013. № 2. С. 33-37.

7. Рудченко Д.Г. О роли гипсового камня в формировании фазового состава новообразований автоклавного ячеистого бетона // Будiвельнi матерiали, вироби та сантарна техтка. 2012. Вып. 43. С. 47-54.

8. Логанина В.И., Учаева Т.В. К вопросу о системе контроля качества на предприятиях стройиндустрии // Региональная архитектура и строительство. 2010. № 1. С. 31-33.

9. Логанина В.И., Круглова А.Н. Оценка достоверности контроля качества строительной продукции // Известия высших учебных заведений. Строительство. 2016. № 9 (693). С. 87-92.

10. Логанина В.И., Вирясова А.В. Оценка потенциала производственного процесса предприятий стройин-дустрии // Вестник ПГУАС: строительство, наука и образование. 2016. № 1 (1). С. 44-46.

ница в рыночной цене между газобетоном одной и той же марки по плотности, но разных классов достигает 500-700 р./м3.

Реализация второго направления регулирования эффективности производства связывается с обеспечением рациональных условий технологии по критериям оптимизации:

— расход дорогостоящей извести при максимуме прочности получаемого материала;

— длительность изотермической выдержки до достижения максимального значения прочности;

— суммарные энергозатраты (на всех технологических этапах) в расчете на единицу объема материала;

— удельные по отношению к достигнутой максимальной прочности материала суммарные энергозатраты;

— изменчивость параметров процесса и показателей свойств продукции для уменьшения необходимого запаса ее качества.

References

1. Akulova I.I., Dudina N.A., Baranov E.V. Method and results of the assessment of the competitiveness of heat-insulating materials used in housing construction. Economy. Theory andpractice: Materials of the International Scientific-practical Conference. Saratov. 2014, pp. 32—37. (In Russian).

2. Vishnevskiy A.A., Grinfel'd G.I., Smirnova A.S. The Russian market for autoclaved aerated concrete. Results of 2016. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2017. No. 3, pp. 49—51. (In Russian).

3. Popov V.A., Chernyshov E.M. Possibilities of nanomodi-fying the structures of hydrothermal-synthesis hardening systems in control problems of resistance to decomposition of autoclave concretes. Mechanics of destruction of concrete, reinforced concrete and other building materials: Materials of the 7-th International Scientific Conference. Voroneg. 2013. Vol. 2, pp. 246—251. (In Russian).

4. Chernyshov E.M., Slavcheva G.S. Control over operational deformability and crack resistance of macro-porous (cellular) concretes: Context of problem and issues of theory. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2014. No. 1—2, pp. 105—112. (In Russian).

5. Chernyshov E.M., Neupokoev Yu.A., Potamoshneva N.D. Highly porous cellular concrete for effective insulation boards. Vestnik Tomskogo gosudarstvennogo arkhitek-turno-stroitel'nogo universiteta. 2007. No. 1, pp. 181—190. (In Russian).

6. Shinkevich E.S., Chernyshov E.M., Lutskin E.S., Tymnyak A.B. Multicriteria optimization of composition and properties of activated calc-siliceous composites. Sukhie stroitel'nye smesi. 2013. No. 2, pp. 33—37. (In Russian).

7. Rudchenko D.G. On the role of gypsum stone in the formation of the phase composition of new formations of autoclaved cellular concrete. Budivel'ni materiali, virobi ta sanitarna tekhnika. 2012. No. 43, pp. 47—54. (In Russian).

8. Loganina V.I., Uchaeva T.V. The issue of the quality control system at the construction industry manufacturers. Regional'naya arkhitektura istroitel'stvo. 2010. No. 1, pp. 31—33. (In Russian).

9. Loganina V.I., Kruglova A.N. Evaluation of the reliability of quality control of construction products. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Stroitel'stvo. 2016. No. 9 (693), pp. 87—92. (In Russian).

10. Loganina V.I., Viryasova A.V. Estimation of the potential of the manufacturing process of the construction industry enterprises. Vestnik PGUAS: stroitel'stvo, nauka i obra-zovanie. 2016. No. 1 (1), pp. 44—46. (In Russian).

август 2017

27