CC BY
13
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
УДК 51-74:691.327.333
К.Л. Домнина
ассистент, кафедра «Техническая механика», Воткинский филиал ФГБОУ ВО «Ижевский государственный технический университет имени М. Т. Калашникова»,
г. Воткинск
ВЫБОР УПРАВЛЯЕМЫХ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ ПЕНОБЕТОНОВ НЕАВТОКЛАВНОГО ТВЕРДЕНИЯ ОПРЕДЕЛЕННОЙ СТРУКТУРЫ
Аннотация. Для получения качественного строительного материала необходимо выполнение условий целого ряда показателей качества, в том числе и на этапе изготовления. В статье приводится набор управляемых факторов для процесса изготовления пенобетонов неавтоклавного твердения, расписываются взаимозависимости, обосновывается значимость каждого из факторов.
Ключевые слова: критерий качества, управляемый фактор, пенобетон, технология производства.
K.L. Domnina, Votkinsk branch of Izhevsk State Technical University, Votkinsk
THE CHOICE OF MANAGED PARAMETERS OF THE PROCESS OF PRODUCING OF NON-AUTOCLAVE
FOAM CONCRETE WITH A PARTICULAR STRUCTURE
Abstract. The implementation of a range of quality scores, including the manufacturing stage is required to obtain a quality building material. In the article there are the set of managed parameters of the process of producing non-autoclave foam concrete. Also the interdependence of factors and the importance of each of them are given.
Keywords: quality criterion, managed factor, foam concrete, production technology.
Строительные материалы на практике оцениваются множеством критериев качества -прочность (несущая способность), износостойкость, теплопроводность, стоимость, технологичность и т.д. Постоянное стремление к совершенствованию структуры и свойств строительных материалов установило определенный план поиска, состоящий из последовательных циклов: {предположение (интуитивная догадка) ^ проверка экспериментом ^ выявление причин неудачи ^ поиск зависимостей} ^ {предположение (интуитивная догадка) ^ проверка экспериментом ^ выявление причин неудачи ^ поиск зависимостей} ^ и так до получения удачного результата и для каждого показателя в отдельности.
Но опыт строительства настоятельно требует выполнения не одного, а целого ряда показателей качества - в зависимости от требований заказчика к строительному материалу. Помимо этого необходимо добавить и неопределенность условий, в которых будет создаваться на промышленной основе этот материал и в дальнейшем функционировать. Соответственно, возникает серьезная неопределенность в оценке эффективности результатов экспериментов, чье количество увеличивается с ростом числа показателей качества, т.е. целей. В свою очередь, рациональнее в каждом эксперименте определять значения общего числа показателей одновременно. Затем методами обработки статистических данных строить математические зависимости взаимного влияния факторов-оценок, и уже на их базе формализовать математические модели по технологии получения искомого материала, типам и методам армирования с учетом условий функционирования строительной конструкции. Математические модели позволяют провести огромное количество расчетных экспериментов в короткое время, вследствие чего выбор приемлемого варианта не оставит труда.
Математические модели являются решением многофакторной задачи определения оптимальной по избранным заказчиком критериям качества или структуры, или технологии получения искомого строительного материала. Это задача многокритериальной оптимизации. Для
ее постановки необходимо:
1. Выбрать конкретный набор N управляемых факторов, влияющих на показатели качества материала согласно требованиям заказчика - xj е [x1,...,xN];/' е [1,N].
2. Выбрать систему нормализации единиц измерения факторов с целью приведения к единому измерению для всех (обычно - безразмерные числа от 0 до 1) [1].
3. Построить функциональные взаимозависимости [2] для факторов управления Хо = 81X1 + Э2Х2 +... + SnXn xi = Fi(Xj); j е [1,N],/ ф j.
4. Формализовать или принять к исполнению граничные условия и для факторов, и для области допустимых решений задачи заказчика ai > xj > bj;/е [1,N].
5. Назначить цели - построить целевые функции с полной формализацией их зависимости от всех выбранных управляемых факторов [3]: Fk ® max;k е [1,N];Fy ® min; l е [1,N];/ ф k.
Необходимо заметить, что оценки качества обязательно входят в число управляемых параметров xi. В задачах многокритериальной оптимизации их называют критериями оптимальности и по согласованию с заказчиком устанавливают степень важности каждого:
xk.oX1 > xk.oX2 > ... > xk.oXq, (1)
где >— знак предпочтения; £,е [1,N];h[1,q];q < N;k.o. - обозначает «критерий оптимальности».
Постановка задачи примет следующий вид: найти управляемые факторы x1 е [1, N], обеспечивающие:
Fk ® max;k е [1,N] Fj ® min; / е [1,N];l ф k при aj > xj > bj
xk.o.X1 > xk.o.X2 > ... > xk.o.Xq
xj = f(x); j е [1,n],/ ф j.
(2)
1'
Для решения поставленной задачи приходится прибегать к компромиссу между критериями оптимальности: один допустимо теряет, зато другой приемлемо прибавляет. С установкой компромисса задача становится определимой и является математической моделью процесса:
£8k = 1;ak > 0.
k
k=1
(3)
Здесь x0 - объединенный критерий оптимальности, но при условии, такой нормализации единиц измерения, что все xi при iе [1, N] стремятся одновременно или к максимуму, или к минимуму, улучшая решение задачи (2). Приемлемость решения проверяется реальным экспериментом, по результатам которого уточняется компромисс между критериями оптимальности, т.е. значения ак. Понятно, что при принятии x0 как единственного, хотя и объединенного критерия оценки качества материала, он сам является сложной функцией x0 = x0(xКомпромисс оценивает степень влияния каждого xна x0, т.е. на принятие решения. Другими словами, хотя при x0 задача оптимизации является однокритериальной и дает возможность найти x0opt = const, она приводит к новой задаче: найти область задания всех xiпри условии x0opt = A. И мы определим множества значений для каждого xi - это множество значений и будет определять область приемлемых решений:
x1 е {x1} 1
^ (4)
x0oPt = A = COnSt J
x0 - a1x1 + a2x2 + ... + aNxN
N
Правильный набор x¡ удовлетворяет равенству ^ ак = 1. Таким образом, расчетный экс-
к=1
перимент значительно сужает область поиска приемлемых заказчику решений. Из вышесказанного становится очевидным важность выбора сути и количества управляющих факторов и критериев оптимальности. Для примера приводим набор этих элементов для процесса изготовления пенобетонов неавтоклавного твердения.
Как известно, технологический процесс производства неавтоклавного пенобетона состоит из множества простейших операций, а именно: подготовка и дозирование компонентов, их смешивание, формование пенобетонной смеси, выдержка в формах до достижения требуемой прочности, резка массивов, упаковка и транспортирование на склад. Соответственно, на каждом из этапов необходимо выделить факторы, оказывающие влияние на процессы структуро-образования неавтоклавного пенобетона (рис.1).
Определение требуемой плотности пенобетона: ро
Выбор технологии производства: с1о
Дозирование исходных сырьевых ком
ПОНеНТОВ. Хцем, Хр, Хр, Тр, рНр, Хрел, Хдо§
Аа<в В Я
Смешивание сырьевых компонентов:
^снешI Тснеш . Тсн, Х^н
Формование пенобетонной смеси: Т( , Рокр
Выдерживание в формах: ТокР, Р(
Ьыд
Резка массивов: Т0|ф| УУжр, РОц0| Уве, Твез
Урез I *%ез
Упаковка и транспортирование: ДТокр, й\А/0кр, йР0Ер, хЕнеш
Рисунок 1 - Факторы, оказывающие влияние на процессы структурообразования неавтоклавного пенобетона
До начала производства неавтоклавного пенобетона заказчиком устанавливается необходимая плотность (р0), на основе которой задаются все основные свойства и диаметр пор (с(0), по значению которых выбирается технология изготовления. Контролируя технологию производства, задаваемую плотность и диаметр пор, можно легко получить необходимые значения теплопроводности и прочности на сжатие.
На начальной стадии производства осуществляется подготовка и дозирование исходных сырьевых компонентов, а именно: устанавливается количество цемента, песка и воды в смеси (хцем, хп, хв), через соотношение которых определяется немаловажная характеристика пенобетона - во-дотвердое отношение (В/Т). Следует отметить, что на практике В/Т-отношение выбирается в некотором интервале значений с учетом структурообразующих факторов и особенностей технологии. В частности при В/Т < 0,3 смесь становится плохоформуемой, при В/Т > 0,8 снижается однородность смесей (с возможностью расслоения), а кроме того, возможен рост диаметра пор, снижение толщины межпоровых перегородок, что влечет за собой снижение прочности. Для воды затворения помимо количества также необходимо контролировать температуру (Тв) и водородный показатель (рНв). По ГОСТ 23732-2011 «Вода для бетонов и строительных растворов» водородный показатель воды рН должен быть не менее 4 и не более 12,5. С температурой сложнее - понятно, что использование подогретой воды вызывает более быстрое протекание всех химических реакций при твердении пенобетона и перемешивании пенобетонной смеси. Но и здесь есть ограничение - температура должна быть от 20 до 45°С, иначе будет происходить комкование цемента и варение пены и, как следствие, проявляться повышенная водопотребность и трещинообразование. На этом же этапе огромное влияние на качество готового изделия оказывают вид и количество пенообразователя (хпен), модифицирующих добавок (хдсб) и точность их дозирования (Адсв).
На стадии смешивания сырьевых компонентов необходимо в первую очередь оптимизировать скорость (Vсмеш) и время работы пеносмесителя (тсмеш), чтобы в итоге получить итоговую пенобетонную смесь требуемой однородности (хсм) и температуры (Тсм).
При формовании пенобетонной смеси необходимо контролировать температуру (Тскр), влажность (^скр) и давление (Рскр) окружающей среды - все эти значения должны находиться в пределах нормы. Тепловое воздействие (положительное и отрицательное) и пониженная влажность ухудшают прочностные свойства пенобетона.
Выдержка в формах - один из важнейших этапов при производстве, на котором необходимо высушивать пенобетонные блоки в течение определенного времени (Твыд) и пристально следить за постоянством температуры (Тскр), влажности (М0кр) и давления (Рскр) в помещении.
Далее выполняется резка массивов при постоянных значениях температуры (Тскр), влажности (^скр) и давления (Рскр) окружающей среды, при которой учитывается скорость (Урез), температура резания (Трез) и создаваемая вибрация, которую можно охарактеризовать частотой ^рез) и амплитудой (Арез) вынужденных колебаний.
Заключительным этапом в технологическом процессе изготовления неавтоклавного пенобетона является упаковка и транспортирование готовой продукции на склад или на строительную площадку для непосредственной эксплуатации. Здесь необходимо следить за температурой, влажностью и давлением окружающей среды, точнее за отсутствием их перепадов (ДТокр, ДW0Kp, ДРокр), а также наличием внешних воздействий (хвнеш).
В результате соблюдения соответствующей технологической схемы получается готовый строительный материал с комплексом качественных характеристик: прочность на сжатие, теплопроводность, средняя плотность, усадка, влажность и др., значение которых напрямую зависит от комплекса вышеперечисленных технологических факторов.
Список литературы:
1. Машунин Ю.К. Методы и модели векторной оптимизации. - М.: Наука, 1986. - 141 с.
2. Рейтман М.И., Шапиро Г.С. Методы оптимального проектирования деформируемых тел. - М.: Наука, 1976. - 266 с.
3. Волкова П.А., Шипунов А.Б. Статистическая обработка данных в научно-исследовательских работах. - М.: Экопресс, 2008. - 60 с.
