CC BY
29УДК 691.3:69.003
Е.В. КОРОЛЕВ, д-р техн. наук (korolev@nocnt.ru)
Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (129337, г. Москва, Ярославское ш., 26)
Технико-экономическая эффективность новых технологических решений. Анализ и совершенствование
Представлены методические подходы к формированию обобщенного критерия качества строительного материала и к оценке технико-экономической эффективности новых технологических решений, в том числе в области нанотехнологии. Показано, что формализация качества материала должна проводиться с учетом классификации свойств, которые применяются для оценки качества. Для достижения существенного повышения обобщенного критерия качества, которое должно наблюдаться при применении новых технологических решений (особенно при использовании приемов нанотехнологии), недостаточно кратного повышения показателей отдельных свойств. Предложены направления по совершенствованию методики расчета технико-экономической эффективности, а также по методике проектирования составов строительных материалов. Улучшение методики оценки технико-экономической эффективности новых технологических решений заключается в учете влияния случайного варьирования рецептуры материала на его качество, а также в модернизации формулы расчета технико-экономической эффективности в зависимости от изменения относительной стоимости материала.
Ключевые слова: технико-экономическая эффективность, качество, системный анализ, строительное материаловедение, нанотехнология, технологические решения.
Для цитирования: Королев Е.В. Технико-экономическая эффективность новых технологических решений. Анализ и совершенствование // Строительные материалы. 2017. № 3. С. 85-88.
E.V. KOROLEV, Doctor of Sciences (Engineering) (korolev@nocnt.ru)
National Research Moscow State University of Civil Engineering (26, Yaroslavskoe Highway, 129337, Moscow, Russian Federation)
Technical-Economical Efficiency of New Technological Solutions. Analyses and Improvement
The article presents methodical approaches to the formulation of the generalized criterion of building material quality and to the assessment of technical and economic efficiency of new technological solutions, including solutions in nanotechnology. It is shown that the formalization of the material quality should be carried out with due regard for the classification of properties which are used for quality assessment. To achieve a significant increase in the generalized criterion of quality that should be observed during application of new technological solutions (particularly in case of nanotechnology), it is not enough to improve the values of individual properties. The methods that can be used for improving the calculation of technical and economic efficiency, as well as methods that can be used for designing compositions of building materials are proposed. The improved methodology for assessing the technical and economic efficiency of new technological solutions takes into account the effect of the random variation of the material composition on its quality and is able to modernize the formula for calculating the technical and economic efficiency depending on the change in the relative price of the material.
Keywords: technical-economic efficiency, quality, system analyses, building material science, nano-technology, technological solutions.
For citation: Korolev E.V. Technical-economical efficiency of new technological solutions. Analyses and improvement. Stroitel'nye Materialy [Construction materials]. 2017. No. 3, pp. 85-88. (In Russian).
Технико-экономическая эффективность технологии или технологического решения часто является определяющим фактором для принятия решения о промышленном применении (внедрении) предложенного новшества и особенно того, которое получило научное обоснование (для инвесторов наличие положительного заключения научных экспертов часто является убедительным) [1]. Непринципиально, относится это к технологическому решению, основанному на применении нового технологического оборудования или на изменении режима его работы, на введении в состав материала новых добавок, в том числе первичных наноматериалов или др.
Подход, отличный от традиционного, был предложен ранее в различных публикациях [2—6]. Сущность предлагаемого подхода очевидна. Она заключается в оценке стоимости технологического решения, позволяющего повысить качество материала:
к
V" 8С"
(1)
где 8Р — относительное изменение качества материала; 8С — относительное изменение стоимости материала.
Очевидно, что при ке^>1 технологическое решение эффективно. Формальные оценки технико-экономической эффективности новых технологических решений
при различных сочетаниях величин 8F и 8С подробно изложены в [4]. Кроме формального анализа изменения Kf в указанной работе показано, что совершенствование технологии, например технологии наномодифицирова-ния посредством введения в материал первичных нано-материалов, должно приводить к более быстрому снижению стоимости материала по сравнению с повышением его качества.
Также в [4] показано, что повышение технико-экономической эффективности новых технологических решений достигается при расширении области применении материала, например при одновременном применение его как в виде конструкционного, так и отделочного материала или при других сочетаниях функциональных свойств.
Адекватная оценка технико-экономической эффективности (правильное применение формулы для расчета kgf) требует ответственного подхода к формализации понятия «качество материала». Эту задачу часто заменяют оценкой изменения только одного-двух свойств, которые, по мнению исследователей, являются ключевыми. Это приводит к заблуждению относительно изменения качества материала.
Первоначально обсудим, как формализовать качество материала, а затем как влияет изменение отдель-
fj научно-технический и производственный журнал
Ы ® март 2017 85
ных свойств на величину 8Согласно выводу, следующему из формального определения качества*, очевидно, что качество материала (техническая система [7, 8]) зависит от области его применения (надсистемы). В зависимости от области применения определяется перечень свойств, которые для анализа и прогнозирования влияния технологического решения на структурообра-зование и параметры структуры материала целесообразно классифицировать на свойства, характеризующие «реакцию» структуры материала на воздействие эксплуатационной среды, и на свойства, характеризующие качество структуры материала (например, прочность и/или ее разновидности, пористость и ее разновидности и др.). Здесь возникает некоторая тавтология: качество материала зависит от качества его структуры. Указанная тавтология возникает по причине дуализма в понятии «структура материала». Структуру материала** можно рассматривать как совокупность связей [9], от количества и прочности которых зависит прочность материала и его устойчивость к эксплуатационным воздействиям, так и пространственное расположение различных элементов структуры (зерен заполнителей, воздушных пор различного размера, капилляров и др.), т. е. понятие аналогично понятию «строение» [10]. Отсюда часть свойств зависит от геометрических особенностей структуры (совокупность фильтрационно-поглотитель-ных свойств), а другая — от концентрации и вида связей, которые закономерно зависят от вида компонентов, интенсивности взаимодействия на границе раздела фаз и плотности структуры (плотности упаковки вещества материала, объема и размера воздушных пор и капилляров и др.). Поэтому при объяснении наблюдаемых эффектов исследователи используют различные аспекты дуализма понятия структуры материала, а при оценке новых технологических решений выделяется группа свойств, которые являются своеобразными индикаторами, характеризующими качество структуры материала и позволяющими исследователям прогнозировать направление изменения свойств материала (например, уменьшение пористости материала должно приводить к повышению его прочности, морозостойкости, снижению водопоглощения и т. д.).
После установления совокупности свойств производится их агрегирование по выбранным групповым признакам. В данном действии также можно использовать установленные классификации*** или самостоятельно разработанные, например по виду эксплуатационного воздействия.
После завершения групповой классификации проводится формализация каждого свойства и групп свойств. Наиболее наглядная формализация для любого свойства материала — приведение к контрольному значению:
ний групп свойств (у = 1, 2, 3 ... m; m — количество групп свойств):
V
(2)
где — значение свойства; 1С — контрольное или идеальное значение свойства (по существу нормализовано); для группы свойств — вычисление среднего геометрического значения:
т,
¡=1
(3)
где п — количество свойств, входящих в группу, а для качества материала — суммирование значений, полученных при вычислении средних геометрических значе-
1=1
о, -«2• «3■ "\'/№, (4)
где ау- — коэффициент весомости (а^аз+аз+.-.+а^^То^—Г).
У=1
Выбор значений коэффициентов весомости а,- для каждой группы свойств представляет самостоятельную сложную и ответственную задачу, для решения которой можно привлекать: метод номинальных и предельных значений, метод стоимостных регрессионных зависимостей, экспертный метод или др.
Таким образом, качество материала оценивается обобщенным критерием вида:
т I л/
Р = (5)
7=1 V м а его относительное изменение
(6)
здесь индексом «п» обозначено качество материала после применения нового технологического решения, а «Ь» — качество базового материала, имеющего наилучшие показатели свойств для рассматриваемой области применения материала.
Важным является установление влияния изменений значений отдельных свойств на качество материала. В [5] показано, что даже при существенном увеличении значения свойства (было принято двукратное повышение величины свойства) относительное изменение качества материала № имеет невысокие значения (не более 30%). Обеспечить существенное повышение возможно только при условии, если новое технологическое решение существенно повышает величины большинства свойств материала. Поэтому увеличение величин одного-двух свойств, возникшее в результате применения нового технологического решения, не оказывает значимого влияния на 8Р. Кроме того, важно повышать величины свойств, оказывающих приоритетное влияние на его качество, т. е. свойства, для которых значения коэффициентов весомости для данной группы свойств являются максимальными.
Оценка технико-экономической эффективности технологии наномодифицирования в отношении достаточно представительной выборки материалов была, в частности, проведена в [11]. К сожалению, авторами указанной работы в методическом разделе не были представлены зависимости для расчета скалярных величин З/7 и 8С, но четко показано, что предлагаемые технологические решения весьма эффективны: £е/=12—592(!) Причем такой уникальный технико-экономический эффект достигается «при сотых и тысячных долях процента» первичного наноматериала [11]. Однако авторы указанной работы указывают, что «острый» характер концентрационных кривых требует тщательного соблюдения технологических параметров диспергирования НЧ (их концентраторов) в матрице полимера и композита.
Несмотря на лаконичность определения технико-экономической эффективности нового технологического решения, д-р техн. наук профессор В.Г. Хозин верно указывает (защита диссертации Эльфрефаи Али Эльсайед Мохамед Мохамеда на тему «Повышение прочности, водонепроницаемости и морозостойкости тяжелого бетона наномодификаторами»), что при рас-
* ГОСТ 15467—79 (СТ СЭВ 3519—81) «Управление качеством. Основные понятия и определения».
** В [8] предложено рассматривать строительный материал как систему, которая является «совокупностью элементов, соединенных отношениями, порождающими интегративное качество». Из этого определения следует, что структура строительного материала — это совокупность его элементов и связей между ними, формирующих интегративные и другие свойства материала.
*** ГОСТ 4.212—80 (СТ СЭВ 6550—88) «Система показателей качества продукции. Строительство. Бетоны. Номенклатура показателей».
научно-технический и производственный журнал П- - ^г, | у л д^р. 1ё март 2017 ЙЬ.^/^Ш
I(x) AI
Ic
с
Axs
Ax,
8=Z8«,
(7)
где п — количество компонентов, а абсолютная ошибка — Х5=28я:тах.
Предположим также, что концентрационная зависимость свойства I от содержания компонента х имеет вид, представленный на рисунке. Для обеспечения технико-экономического эффекта необходимо обеспечить повышение величины свойства до 1(х).
При этом абсолютная ошибка изменения х составляет Дх1, а относительная ошибка:
£=
Ах, 2х
(8)
При значении соотношения Ах1/Ах&=г/Ъ>\ случайное варьирование рецептуры материала будет мало влиять на его качество. Результаты анализа соотношений (е/8)у для всех свойств, формирующих качество материала (] =1, 2, 3,..., т), могут быть сведены в коэффициент, характеризующий возможность реализации технического эффекта нового технологического решения:
8 =
^ =» I ^
Ж
(9)
xmax
Концентрационная зависимость I=f(x): Imax - максимальная величина свойства I, достигаемая при концентрации компонента, равной XmX I(х) - величина свойства I, достаточная для обеспечения технико-экономического эффекта; I„ - начальная величина свойства I до введения рассматриваемого компонента; Ic - контрольное или идеальное значение свойства; Дх6 - абсолютная ошибка, возникающая при дозировании компонентов; Дх1 - абсолютная ошибка, которую можно допустить для обеспечения требуемой величины свойства I>I(x)
чете к^ необходимо учитывать реализацию технического эффекта, проявляющегося в весьма узком диапазоне концентраций первичных наноматериалов, в частности углеродных многослойных нанотрубок, на концентрационных зависимостях свойств композитов.
Ранее в работе [6] было показано, что при введении компонента, особенно такого, который формирует дополнительную границу раздела фаз в композите (например, при введении водной дисперсии углеродных нано-трубок), вероятность получения качественного материала (изделия) весьма мала при использовании оборудования, не позволяющего производить дозирование малых количеств компонентов, или при наличии сильной зависимости свойств от рецептуры. Именно на такие особенности технологии наномодифицирования указывают авторы работы [11].
На основе идеи, предложенной в [6], произведем модернизацию методики вычисления к^. Априори отметим, что погрешности при дозировании компонентов приводят к нарушению рецептуры материала, которое закономерно оказывает влияние на качество материала. Так, в работе [12] был показан существенный (а в ряде случаев и взаимоисключающий) разброс значений прочности при сжатии образцов цементного камня, содержащего различные УНМ.
Указанное также верно и при несоблюдении технологического режима приготовления, только такое нарушение будет влиять на однородность распределения компонентов, степень завершенности химического процесса взаимодействия компонентов и др.
Далее рассмотрим влияние только рецептурных факторов, предположив, что все факторы, оказывающие влияние на рецептуру материала, являются случайными величинами, вероятность распределения которых подчиняется нормальному распределению Гаусса. Относительная ошибка дозирования компонента составляет 8(. Общая относительная ошибка при дозировании материала составит:
При проведении расчета величины к, для соотношений (е/8)уМ необходимо выполнять условие: (е/8)у=1.
Таким образом, модернизированная методика расчета технико-экономической эффективности нового технологического решения базируется на формуле:
V-*» 8С
(10)
Предложенная формализация системы «рецептура материала — качество материала» имеет важные следствия, которые заключаются:
1. Необходимо производить анализ влияния содержания (концентрации) всех компонентов материала на его свойства (по крайней мере для свойств, имеющих приоритетное значение для качества материала), а не только того компонента, который является основой нового технологического решения.
2. Проектирование рецептур (составов) материалов целесообразно проводить по участкам концентрационных зависимостей свойств, на которых наблюдается улучшение показателя свойства. Такой прием обеспечит возможность нивелирования негативных явлений, связанных со случайными ошибками, возникающими при дозировании компонентов, реализации технологического режима приготовления или др.
При расчете ке/ важно также адекватное вычисление величины 8С. Очевидно, что при минимальном изменении стоимости нового технологического решения (например, при замене одного компонента другим компонентом, имеющим примерно равную стоимость, не изменяющим технологический режим производства материала, но повышающий его качество) вычисляемая величина технико-экономического эффекта может сильно возрастать:
lim|£ = c
бс-»о о С
(11)
Причем фактическая величина 8^ может быть малой. Поэтому для предотвращения таких чисто математических эффектов в [4] было предложено производить расчет ке/ только по величине 8F. В соответствии с изложенным предлагается при 8С<5% производить расчет к^ только по величине , а при 8С>5% — в полном соответствии с модернизированной методикой оценки технико-экономической эффективности нового технологического решения.
fj научно-технический и производственный журнал
Ы ® март 2017 87"
Список литературы
1. Королев Е.В., Чевычалов А.А. Методика оценки экономической целесообразности внедрения нано-технологии // Нанотехнологии в строительстве. 2012. № 2. С. 25-31.
2. Баженов Ю.М., Королев Е.В. Технико-экономические основы практической нанотехнологии в строительном материаловедении // Региональная архитектура и строительство. 2008. № 2 (5). С. 3-9.
3. Баженов Ю.М., Королев Е.В. Оценка технико-экономической эффективности нанотехнологий в строительном материаловедении // Строительные материалы. 2009. № 6. С. 66-67.
4. Королев Е.В. Технико-экономическая эффективность и перспективные строительные материалы // Региональная архитектура и строительство. 2013. № 3. С. 9-14.
5. Королев Е.В., Киселев Д.Г., Альбакасов А.И. Оценка эффективности технологии наномодифицирования серных вяжущих веществ по показателям эксплуатационных свойств // Нанотехнологии в строительстве. 2013. № 3 (25). С. 60-70.
6. Королев Е.В., Смирнов В.А., Альбакасов А.И., Иноземцев А.С. Некоторые аспекты проектирования составов многокомпонентных композиционных материалов // Нанотехнологии в строительстве. 2011. № 6. С. 32-43.
7. Данилов А.М., Гарькина И.А., Королев Е.В. Строительные материалы как системы // Строительные материалы. 2006. № 7. С. 55-57.
8. Баженов Ю.М., Гарькина И.А., Данилов А.М., Королев Е.В. Системный анализ в строительном материаловедении. М.: МГСУ, 2012. 432 с.
9. Современный энциклопедический словарь. М.: Большая Российская Энциклопедия, 1997. 1263 с.
10. Ефремова Т.Ф. Новый словарь русского языка. Толково-образовательный. М.: Русский язык, 2000. В 2 т. 1209 с.
11. Хозин В.Г., Абдрахманова Л.А., Низамов Р.К. Общая концентрационная закономерность эффектов нано-модифицирования строительных материалов // Строительные материалы. 2015. № 2. С. 25-33.
12. Батяновский Э.И., Крауклис А.В., Самцов П.П., Рябчиков П.В., Самцов П.П. Влияние углеродных наноматериалов на свойства цемента и цементного камня // Строительная наука и техника. 2010. № 1-2. С. 3-10.
References
1. Korolev E.V., Chevychalov A.A. Method of practicability estimation for nanotechnology implementation. Nanotekhnologii v stroitel'stve. 2012. No. 2, pp. 25—31. (In Russian).
2. Bazhenov Yu.M., Korolev E.V. Technical and economical base of applied nanotechnology in material science. Regional'naya arkhitektura i stroitel'stvo. 2008. No. 2, pp. 3—9. (In Russian).
3. Bazhenov Yu.M., Korolev E.V. Estimation of technical and economical efficiency nanotechnology in material science. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2009. No. 6, pp. 66-67. (In Russian).
4. Korolev E.V. Technical and economical efficiency and prospective construction materials. Regional'naya arkhitektura istroitel'stvo. 2013. No. 3, pp. 9-14. (In Russian).
5. Korolev E.V., Kiselev D.G., Al'bakasov A.I. Operational properties as the indicators of sulfur binders nanomodifi-cation. Nanotekhnologii v stroitel'stve. 2013. No. 3, pp. 60-70. (In Russian).
6. Korolev E.V., Smirnov V.A., Al'bakasov A.I., Inozemtsev A.S. Some aspects of mixture design for mul-ticomponent composites. Nanotekhnologii v stroitel'stve. 2011. No. 6, pp. 32-43. (In Russian).
7. Danilov A.M., Gar'kina I.A., Korolev E.V. Building materials as systems. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2006. No. 7, pp. 55-57. (In Russian).
8. Bazhenov Yu.M., Gar'kina I.A., Danilov A.M., Korolev E.V. Sistemnyy analiz v stroitel'nom materialo-vedenii [Systems analysis in construction material science]. Moscow: Moscow State University of Civil Engineering. 2012. 432 p.
9. Sovremennyy entsiklopedicheskiy slovar' [Modern encyclopedic dictionary]. Moscow: Bol'shaya Rossiyskaya Entsiklopediya. 1997. 1263 p.
10. Efremova T.F. Novyy slovar' russkogo yazyka. Tolkovo-obrazovatel'nyy [New Russian dictionary. Explanatory and educational]. Moscow: Russkij yazik. 2000. 1209 p.
11. Khozin V.G., Abdrakhmanova L.A., Nizamov R.K. General concentration-dependent pattern during na-noscale enhancement of building materials. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2015. No. 2, pp. 25-33.
12. Batyanovskiy E.I., Krauklis A.V., Samtsov P.P., Ryabchikov P.V., Samtsov P.P. Influence of nanoscale carbon materials on the properties of cement and cement stone. Stroitel'naya nauka i tekhnika. 2010. No. 1-2. pp. 3-10. (In Russian).
Подписка на электронную версию
http://rifsm.ru/page75/
88
научно-технический и производственный журнал
март 2017
\А ®
