автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Оптимизация и управление процессами структурообразования ячеистого силикатного бетона на основе мультипараметрической модели

На правах рукописи

Бедарев Анатолий Андреевич

ОПТИМИЗАЦИЯ И УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССАМИ СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЯ ЯЧЕИСТОГО

СИЛИКАТНОГО БЕТОНА НА ОСНОВЕ МУЛЬТИПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ

Специальность 05.23.05 - Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

5 ДЕК 2013

Воронеж - 2013 005542344

005542344

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Воронежский государственный архитектурно-строительный университет».

Научный руководитель: Шмитько Евгений Иванович

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Гончарова Маргарита Александровна

доктор технических наук, доцент, Липецкий государственный технический университет, кафедра строительных материалов, доцент кафедры

Коровкнн Марк Олнмпиевнч

кандидат технических наук, доцент, Пензенский государственный университет архитектуры и строительства, кафедра технологии строительных материалов и деревообработки, доцент кафеяры

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова»

Защита диссертации состоится 26 декабря 2013 г. в 10°° часов на заседании диссертационного совета Д 212.033.01 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Воронежский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 394006, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84, аудитория 3220; тел./факс: (473) 271-53-21.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Автореферат размещён на официальном сайте Минобрнауки РФ и на официальном сайте Воронежского ГАСУ.

Автореферат разослан «25» ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Власов В. В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Ячеистый силикатный бетон на сегодня является одним из основных стеновых материалов, применяемых в строительстве жилых, социально-бытовых и промышленных зданий. Это вполне объясняется многочисленными преимуществами данного материала: он легок и прочен, экологически чист и энергоэкономичен. Благодаря этим свойствам технология ячеистого силикатного бетона широко распространена по всему миру. Однако потенциальные возможности этого материала и его технологии еще не полностью раскрыты и освоены, имеются резервы для дальнейшего совершенствования его структуры и увеличения качественных показателей.

Тем не менее, в настоящее время руководители многих отечественных предприятий ошибочно считают, что единственно возможный способ наладить эффективное производство изделий из ячеистого силикатного бетона заключается в сотрудничестве с зарубежными фирмами-производителями, закупке и использовании их автоматизированных линий и технологических решений. При этом колоссальное количество теоретического и практического материала, накопленного отечественными учеными за десятилетия кропотливой работы, без лишних раздумий отметается. Безусловно, из-за длительного «простоя» нашей науки и техники, западные технологии, касающиеся ячеистого бетона, по некоторым вопросам нас значительно опередили.

Тем не менее, обладая рядом преимуществ, решения зарубежных компаний обладают и определенными существенными недостатками. В силу сложности технологического процесса производства ячеистого силикатного бетона зарубежные автоматизированные линии оптимизированы для работы лишь в достаточно узких диапазонах свойств сырьевых компонентов, как правило, соответствующих европейским стандартам качества. Кроме того, технологический регламент предприятий, работающих по литьевому способу, ориентирован только на высокое качество сырьевых материалов. К сожалению, в России эти требования выполняется не всегда. Как следствие имеет место отклонение от оптимального технологического режима и увеличение брака и убытков.

Ощутив эту проблему, предприятия пытаются приспособить зарубежные производственные линии под реалии российской жизни. Однако без эффективного управления технологией ячеистого силикатного бетона это оказывается бесперспективным. Сказанное осложняется еще и тем, что одни и те же факторы одновременно оказывают влияние на различные структурные (микро- и макро-) уровни ячеистого бетона.

В данной работе задача эффективного управления технологией ячеистого силикатного бетона в условиях нестабильности свойств сырьевых компонентов решается путем глубокого изучения влияния на ход технологического процесса всех факторов, разработки на этой основе и эффективного применения мультипара-метрической модели, учитывающей проявление этих факторов на различных масштабных уровнях и стадиях процесса. Ее применение в производстве позволяет учитывать реальные проявления свойств сырьевых компонентов, оперативно отрабатывать возникающие отклонения технологических процессов от оптимальных траекторий, и тем самым обеспечивает существенное повышение качества выпускаемой продукции.

Цель диссертационной ¡работы заключается в обосновании методологических принципов оптимального управления комплексом технологических процессов структурообразования ячеистого силикатного бетона, создании необходимой информационной базы и ее адаптации к реальному управлению рассматриваемыми процессами.

Основные задачи работы:

- выявить ключевые направления и возможности дальнейшего совершенствования структуры ячеистого силикатного бетона и его технологии;

- выявить особенности единичных процессов формирования структуры ячеистого бетона каждого из масштабных уровней с учетом взаимного влияния параметров состояния;

- разработать комплекс мероприятий, направленных на совершенствование структуры ячеистого силикатного бетона и определяющих ее процессов;

- разработать подходы к реализации оптимального управления технологией ячеистого силикатного бетона;

- разработать необходимую экспериментальную базу для исследований, совокупность доступных методик и сопутствующих инструментов для определения комплекса параметров процессов, структуры и свойств ячеистого бетона;

- разработать структуру мультипараметрической модели объекта как ориентир для выполнения комплексных исследований;

- адаптировать мультипараметрическую модель к полученным экспериментальным результатам и проверить ее работоспособность в условиях реального технологического процесса;

- разработать универсальную адаптивную систему автоматизированного управления и оптимизации технологии ячеистого силикатного бетона, которая предполагает обоснование мер, создание необходимых моделей и инструментов, позволяющих учитывать все существенные связи «технология-структура-свойства» ячеистого композита и отвечающей требованиям оптимального управления многостадийными динамически развивающимися процессами;

- разработать практические предложения по оптимизации технологии ячеистого силикатного бетона для внедрения на действующих предприятиях и оценить технико-экономическую эффективность разработанных технологических решений.

Объект исследований - структура ячеистого силикатного бетона, получаемого по литьевой технологии формования на смешанном вяжущем, формовочная смесь для получения ячеистого бетона, силикатный микробетон, физико-химические процессы различных стадий структурообразования.

Теоретической и методологической основой исследований являются разработки отечественных и зарубежных ученых в области физической и коллоидной химии, системно-структурного материаловедения, технологии ячеистых бетонов, теории управления сложными многостадийными процессами. Для решения задач, поставленных в диссертационной работе, использовались как стандартные, так и разработанные автором нестандартные методики, позволяющие проводить оценку ключевых параметров процессов, структуры и свойств ячеистого силикатного бетона.

Научная новизна работы:

1) научно обоснованы принципы оптимального управления технологией яче-

истого силикатного бетона с привлечением положений исследования и моделирования сложных систем и теории гетерогенных процессов;

3) разработаны новые методические подходы и критерии оценки параметров процессов, структуры и свойств материала, реализованные в виде универсального исследовательского аппаратно-программного комплекса;

2) научно обоснованы направления дальнейшего совершенствования ячеистого силикатного бетона и его технологии с учетом эволюционного подхода к формированию структуры материала;

2) в рамках решения поставленной задачи экспериментально определены механизмы влияния различных рецептурно-технологических факторов, эффективные интервалы их варьирования и возможности совместного применения;

5) разработана мультипараметрическая модель и система оптимального управления на ее основе, учитывающая проявление всех значимых факторов на всех масштабных уровнях и стадиях процесса изготовления ячеистого силикатного бетона и обеспечивающая получение ячеистого бетона высокого качества.

Достоверность полученных результатов обеспечена применением в исследованиях научно обоснованных методик, вероятностно-статистических методов обработки полученных результатов; использованием аттестованного лабораторного оборудования; сопоставимостью полученных результатов с ранее выполненными исследованиями других авторов, а также всесторонними испытаниями и их положительным практическим эффектом.

Практическая значимость работы заключается в разработке мультипара-метрической модели процессов структурообразования ячеистого силикатного бетона, которая создана для широкого класса составов и свойств ячеистого бетона и может быть использована практически на любом производстве; принципов оптимального управления технологией ячеистого силикатного бетона и эффективных подходов для реализации управления; методических подходов и критериев оценки параметров процессов, структуры и свойств материала; универсального исследовательского аппаратно-программного комплекса; структурных элементов системы оптимального управления технологией силикатного ячеистого бетона.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях международного, республиканского и других уровней: на 15 академических чтениях РААСН «Достижения и проблемы материаловедения и модернизации строительной индустрии» (Казань, 2010); на 3 Всероссийской заочной научной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Молодёжь в современном мире: гражданский, творческий и инновационный потенциал» (Старый Оскол, 2012); на Региональной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Инновационные разработки молодых ученых Воронежской области на службу региона» (Воронеж, 2012); на Всероссийский конкурсе научно-исследовательских работ студентов и аспирантов в области информатики и информационных технологий (Белгород, 2012); на I Всероссийской конференции молодых ученых «Наука и инновации XXI века» (Сургут, 2012); IV Всероссийской заочной научной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Молодёжь в современном мире: гражданский, творческий и инновационный потенциал» (Старый Оскол, 2012); на XIII международной научно-практической конференции «Современные проблемы гуманитарных и естественных наук» (Москва, 2012); на Международной научно-практической конференции «Образование и наука: современное со-

стояние и перспективы развития» (Тамбов, 2013); на VII международной научно-практической конференции «Интеграция науки и практики как механизм эффективного развития современного общества» (Москва, 2013); на V Международной научно-практической конференции «Научно-техническое творчество молодежи - путь к обществу, основанному на знаниях» (Москва, 2013); на научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава, научных работников и аспирантов Воронежского ГАСУ «Инновации в сфере науки, образования и высоких технологий» (Воронеж, 2011-2013).

Внедрение результатов работы. Результаты теоретических и экспериментальных исследований, полученные при выполнении диссертационной работы, приняты к практической реализации в рамках реконструкции ЗАО «ВКСМ» в составе общей последовательности организационно-технических мероприятий при организации производства изделий из ячеистого силикатного бетона. Разработаны «Технологические рекомендации (временные) по производству стеновых блоков из ячеистого силикатного бетона с применением системы оптимального управления на основе мультипараметрической модели».

Результаты экспериментальных исследований, полученные при выполнении диссертационной работы, внедрены в учебный процесс в Воронежском ГАСУ по специальностям 270106 «Производство строительных материалов, изделий и конструкций»; 072000 «Стандартизация и сертификация (в строительстве)»; магистрантов направления «Строительство» по программе «Технология строительных материалов, изделий и конструкций».

На защиту выносится:

- закономерности процессов формирования структуры ячеистого бетона каждого из масштабных уровней с учетом взаимного влияния параметров состояния;

- подходы к реализации оптимального управления технологией ячеистого силикатного бетона;

- научное обоснование методологических принципов оптимального управления комплексом технологических процессов структурообразования ячеистого силикатного бетона;

- совокупность разработанных методик и сопутствующих инструментов для определения комплекса параметров процессов, структуры и свойств ячеистого бетона;

- результаты экспериментальных исследований влияния рецептурно-технологических факторов на процессы структурообразования, структуру и свойства ячеистого силикатного бетона;

- математические модели, отражающие внешние и внутренние связи общей мультипараметрической модели, и ее структура;

- результаты применения мультипараметрической модели с оценкой ее эффективности;

- практические рекомендации по управлению процессами структурообразования с применением мультипараметрической модели.

Публикации. Результаты исследований изложены в 23 опубликованных работах общим объемом 305 с. (личный вклад автора - 278 е.), из них 5 работ - в изданиях из перечня ВАК. На основные программные компоненты разработанного

аппаратно-программного комплекса получены 5 свидетельств о государственной регистрации программ для ЭВМ. Подана заявка 2012114267/08 (11.04.2012) на выдачу патента Российской Федерации на изобретение «Способ получения цифровых изображений поверхности пористого тела с яркостным разделением объектов и фона и устройство для его реализации» как основы для получения адекватной цифровой модели поверхности ячеистого бетона.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав и основных выводов; изложена на 190 страницах и содержит 164 страницы машинописного текста, 43 рисунка, 22 таблицы, список литературы из 438 наименований и 9 приложений.

Работа выполнена в Воронежском ГАСУ на кафедре технологии строительных материалов, изделий и конструкций.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, представлены цель и задачи исследований, отражены научная новизна и практическая значимость результатов, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе представлен анализ процессов структурообразования ячеистого силикатного бетона и их взаимосвязи со структурой и свойствами материала на основе имеющихся работ российских и зарубежных ученых: К. Э. Горяйнова, Г.П. Сахарова, Ю. П. Горлова, А. П. Меркина, А. А. Устенко, Н.П. Сажнева, В.Н. Гон-чарика, П.В. Корниенко, A.A. Федина, Е.М. Чернышова, Е.И. Шмитько, В.А. Вознесенского, А.П. Меркина, М.И. Зейфмана, Ю.И. Мирецкого, P.A. Гаджилы, О.М. Малахова, А.Е. Терентьева, ГЛ. Кунноса, Н.И. Левина, В.В. Макаричева, А.П. Филина, Д.Г. Земцова, А.Т. Баранова, К.И. Бахтиярова, A.B. Волженского, А.Н. Чернова и др. Большинство ученых сходятся во мнении, что повышение качества готовой продукции может быть достигнуто за счет обеспечения условий формирования макроструктуры ячеистого силикатного бетона с наименьшим количеством дефектов. Для этого необходимо синхронизировать процессы газовыделения и изменения вязкопластичных свойств смеси. При этом формирование ячеистой пористости в направлении снижения плотности можно представить как эволюцию макроструктуры от менее плотных упаковок к более плотным (рис.1). Каждому значению плотности материала соответствует свой оптимальный тип упаковки и ее модальность, обеспечивающие получение ячеистого бетона с минимальным количеством макродефектов. Следует обратить внимание на две критические отметки пористости, соответствующие перестройке типа упаковки пор с накоплением дефектов, отрицательно сказывающихся на прочности бетона. При ячеистой пористости 52 %, соответствующей средней плотности материала 700 кг/м3, происходит объединение пор кубической упаковки, а при ячеистой пористости 76 %, соответствующей средней плотности 300 кг/м}, - объединение пор гексагональной упаковки. Таким образом, критические значения плотности разделяют области существования материала с преобладанием одно- и многомодальных упаковок кубической, гексагональной и сотовой сингонии. Этот факт и стал доминирующим в нашем итоговом представлении зависимости прочности от средней плотности материала.

В связи с этим, в качестве ключевых марок по плотности в дальнейших иссле-

дованиях были выбраны марки 0100 (область 1 - сотовая и многогранниковая структура), ЭЗОО (область 2 - зона перестройки вида упаковки), 0400 (область 3 -находится в непосредственной близости к границе перестройки и соответствует началу зарождения этого процесса) и Б500 (область 3 - занимает промежуточное положение между двумя критическими отметками пористости, где ожидается наименьшее проявление дефектов).

Формирование прочной межпоровой перегородки возможно за счет снижение В/Т-отношения и модифицирования микроструктуры. При этом возникает ряд задач, связанных с возможным отклонением процесса от оптимального маршрута.

По характеру изменений эволюцию структуры целесообразно разделить на два последовательных периода - доавтоклавного и автоклавного. Макроструктур-ные характеристики, в основном, формируются в доавтоклавный период, тогда как на характеристики микроуровня определяющее влияние оказывает период автоклавной обработки. Поэтому такой подход оказывается удобным еще и с позиции рассмотрения процессов формирования структуры ячеистого бетона как взаимосвязанных подсистем технологических процессов.

Управление технологией ячеистого силикатного бетона осложняется тем, что одни и те же факторы одновременно оказывают влияние на различные структурные (микро- и макро-) уровни ячеистого бетона. Поэтому решение такой трудной задачи оказывается возможным лишь на основе эффективного управления процессами структурообразования на всех масштабных уровнях и стадиях процесса.

Опираясь на вышеизложенное, выдвинута рабочая гипотеза, которая заключается в том, что процессы структурообразования необходимо рассматривать с позиции исследований и моделирования сложных систем, основу которых составляют вопросы кинетики гетерогенных процессов, ход каждого из которых зависит от множества факторов. Причем имеет место перекрестное влияние входных и

промежуточных факторов друг на друга. Оптимальное управление такими сложными процессами должно быть реализовано через динамическое программирование, для применения которого необходимо разработать мультипараметрическую модель, учитывающую проявление всех значимых факторов на различных уровнях и стадиях процесса.

Для управления процессами структурообразования следует опираться как на уже разработанные подходы по варьированию рецептурно-технологическими факторами, так и на комплексное применение химических (пластифицирующих, регулирующих скорость гидратации извести) и минеральных добавок. Их применение в технологии ячеистого силикатного бетона следует рассматривать как необходимое условие упрочнения структуры межпоровых перегородок и повышения качественных показателей готовой продукции. Однако их применение имеет свои особенности и накладывает ряд ограничений из-за возможности возникновения нежелательных последствий.

На основе теоретических изысканий сформулированы цель и задачи работы.

Во второй главе представлены методологические и методические подходы к исследованию параметров процессов структурообразования, структуры и свойств ячеистого силикатного бетона. В качестве методологической основы исследований принят системно-структурный аспект системного подхода, который заключается в выяснении внутренних связей и зависимостей между элементами исследуемой системы и позволяет получить представление о ее внутренней организации (строении).

Определены этапы выполнения работы и их содержание.

В исследованиях использовались сырьевые материалы, удовлетворяющие требованиям стандартов: портландцемент производства ОАО «Осколцемент» марки ПЦ 500 ДО (ЦЕМ I 42,5Н); кварцевый песок Хохольского карьера Воронежской области; негашеная комовая известь производства ООО «Придонхимсгрой Известь» активностью 85-86 %, временем гашения 1-2 мин, температурой гашения 97-100 °С; в качестве замедлителя гидратации извести использовался гипс строительный марки Г-5; в качестве исследуемых альтернативных добавок-замедлителей гидратации -кальций сернокислый дигидрат, медный купорос марки А первого сорта, железный купорос первого сорта, алюминия сульфат 18-водный технический очищенный высшего сорта, натрия сульфат 10-водный химически чистый и магний сернокислый 7-водный чистый; в качестве газообразователя - пудра алюминиевая марки ПАГ 2, соответствующая требованиям ГОСТ 5494-95, с долей активного алюминия в пределах 86-88 %; в качестве пластифицирующих использовались добавки суперпластификатора С-3, гиперпластификатора СНепшт АСЕ 30 и полифункциональная комплексная добавка ГПМ-Ж; в качестве ультрадисперсной активной минеральной добавки использовался микрокремнезем конденсированный МК-85.

Решение поставленных в диссертационной работе целей и задач потребовало разработки дополнительных нестандартных методик, таких как: модифицированная методика определения реологических характеристик смеси; методика определения кинетики тепловыделения; методика моделирования теплового режима; методика моделирования кинетики тепловыделения на основе нейросетевого подхода; методика определения эффективности добавок, замедляющих гидратацию извести; методика определения эффективности пластифицирующих добавок; мето-

дика определения динамики газовыделения и вспучивания смеси; неразрушающая методика непрерывного измерения реологических характеристик вспучивающейся смеси; методика морфометрической идентификации параметров макроструктуры ячеистого бетона; методика изготовления и получения цифровых изображений образцов-шлифов ячеистого бетона; методика цифрового разделения объектов и фона на цифровом изображении; методика программного расчета оптимальных значений рецептурно-технологических факторов. Нестандартные методики и сопутствующее техническое обеспечение разрабатывались как составляющие элементы универсального исследовательского аппаратно-программного комплекса (рис. 2) для изучения и управления процессами структурообразования ячеистого силикатного бетона, исследования его структуры и возможностей ее совершенствования.

Лабораторные установки для модифицированной методики определения реологических характеристики кинетики тепловыделения формовочной смеси

Лабораторные установки для моделирования теплового режима, динамики

Программы для получения цифровых изображений поверхности пористого тела с яркостным выделением объектов и фона в составе установки «ФОТОПОР»

Рис. 2. Некоторые компоненты разработанного аппаратно-программного комплекса

Кроме того, большинство из разработанных методик могут найти широкое применение в задачах анализа других пористых материалов. На разработанное оборудование и программы для ЭВМ получены авторские свидетельства, подтверждающие их уникальность, что дает возможность рассматривать их как обособленный продукт интеллектуальной собственности.

В связи со сложностью поставленных задач на различных этапах исследований потребовалось четкое соблюдение ряда параметров технологических процессов, принимаемых в этом случае постоянными. На следующих этапах эти параметры изменялись, а фиксации подвергались оставшиеся. К этому следует добавить, что лабораторные и заводские условия изготовления ячеистого силикатного бетона имеют ряд различий, и прежде всего различий, связанных с объемным фактором, что приводит к существенным различиям кинетики тепловыделения, динамики вспучивания, газовыделения, схватывания формовочной смеси, и, как следствие, отличий структуры и свойств готовой продукции. Поэтому в настоящей работе был сделан упор на максимальное соответствие протекающих процессов условиям заводской технологии.

В третьей главе проведены экспериментальные исследования по изучению взаимосвязи факторов и процессов доавтоклавного периода, которые позволили получить следующие результаты. Подтверждено изначальное предположение, что упрочнение структуры микросиликата за счет снижения В/Т-отношения приводит к ряду нежелательных отклонений процессов доавтоклавного периода и проявляется в изменении вязко-пластичных и температурных состояний смеси. Поэтому связанное с обеспечением прочности значительное снижение В/Т-отношения требует проведения особенно эффективных компенсационных мероприятий.

В качестве мероприятий, компенсирующих реологические и температурные отклонения формовочной смеси при целенаправленном снижении В/Т-отношения, наиболее эффективным оказалось введение в смесь пластифицирующих добавок при полном отказе от добавок-замедлителей гидратации. Характер влияния на свойства смеси различных пластификаторов практически одинаков, поэтому для применения в технологии силикатного ячеистого бетона следует рекомендовать более дешевый суперпластификатор С-3. В технологии ячеистого бетона его применение наиболее эффективно в диапазоне дозировок от 1 до 3 % от массы сухих компонентов в зависимости от В/Т-отношения, а эффективной границей снижения В/Т-отношения с компенсацией реологических и температурных отклонений за счет введения только добавки С-3 без дополнительных замедлителей гидратации следует считать В/Т=0,4. Применение гипса совместно с пластифицирующими добавками и различных пластификаторов друг с другом неэффективно в силу их несовместимости.

Применение микрокремнезема в задаче повышения качества ячеистобетон-ных изделий сопряжено с трудностями, связанными с особенностями его физико-химической природы. Высокая удельная поверхность и высокая химическая активность по-разному влияют на температуру формовочной смеси, которая в этом случае находится в непосредственной зависимости от процессов адсорбции свободной воды на поверхности микрокремнезема и химической реакции с образованием гидросиликатов. Протекание указанных процессов в значительной степени

определяется В/Т-отношением смеси. Влияние микрокремнезема на реологические свойства связано с адсорбционным связыванием воды, и при любом В/Т-отношении оказывается пропорциональным его количеству.

В технологии силикатного ячеистого бетона в доавтоклавный период совместное применение пластифицирующих добавок и микрокремнезема наиболее эффективно. При совместном введении микрокремнезема и суперпластификатора С-3 их дозировки не должны превышать 10 и 3 % от массы сухих компонентов соответственно. Эти дозировки отвечают требованиям экономической целесообразности и обеспечивают компенсацию нежелательных отклонений свойств смеси при снижении В/Т-отношения до значения 0,4.

Проведенные исследования позволили определить механизмы влияния различных факторов, эффективные интервалы их варьирования, возможности совместного применения различных добавок и перейти к созданию математической модели, отражающей взаимосвязь факторов и процессов доавтоклавного периода с точки зрения оптимального управления этими процессами.

В основу мультипараметрической модели приняты положения, касающиеся повышения качества микроструктуры ячеистого бетона, представленные в работах Е.М. Чернышева и Е.И. Дьяченко. Они устанавливает однозначную связь между проектируемой средней плотностью силикатного ячеистого бетона, 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. Основным критерием оптимизации по этой методике является максимальное использование потенциала силикатного микробетона сопротивлению разрушения.

Дальнейшие исследования проводились на составах, рассчитанных по данной методике. Это позволило, помимо оптимизации количества цементирующего вещества на всех этапах исследований, представить большую часть управляющих факторов зависимыми от оставшихся независимых и рассматривать их опосредованно.

Для идентификации математической модели начальных реологических и температурных свойств формовочной смеси поставлены активные факторные эксперименты на основе ротатабельного центрального плана, дополненного звездными точками. В качестве факторов выступали В/Т-отношение, дозировки ПЦ, полуводного гипса и температура воды затворения. В качестве функции отклика выступали диаметр расплыва смеси по Сутгарду и температура смеси в момент ее заливки в форму. Аналогичные эксперименты были поставлены для смеси, модифицированной добавками микрокремнезема и суперпластификатора С-3.

Это позволило получить математические модели свойств формовочной смеси в виде уравнений регрессии. Например, для формовочной смеси без добавок микрокремнезема и С-3 ячеистого силикатного бетона марки по плотности 0500 они имеют вид:

£ = -162,25 + 386,\Ъ-ВТ+Ъ,%5-МЩ -4,61-М, + 1,04 • Тв - 4,40 • ВТ ■ М^ + 8,46 • ВТ ■ Мг + 0,04-Мпц-Мг-

0,04 ■Мгщ-Тв -0,10-Мг-Тв -185,96-57";

Т™м =326,76-713,19- ДГ- 7,40- Мщ +2,51- Мг + 0,54- Т. + 9,41 • ВТ • Мпц - 4,31 • ВТ ■ Мг + 420,85 • ВТ2 + (2)

0,02 • Мп2 + 0,05 ■ Мг2;

где Б — диаметр раеплыва смеси, см; ВТ — В/Т-отношение; Мщ - дозировка портландцемента, % от массы сухих компонентов; Мг - дозировка гипса, % от массы сухих компонентов; Т, — температура воды затворения, °С; Тсм — температура смеси в момент ее заливки в форму, °С.

С целью максимальной адаптации полученных функциональных зависимостей к заводским условиям мы сочли целесообразным включить в структуру модельных представлений уравнение энергетического баланса:

Есг">г(ъ-Ю=о, (3)

1-1

где С/ - удельная теплоемкость /-го компонента смеси, кДж/(кг-К); т1 - масса /-го компонента смеси, кг; Ты - температура смеси в условный нулевой момент времени, °С; Ti - температура /-го компонента смеси, °С.

Поскольку начальные температурные и реологические свойства формовочной смеси зависят от одних и тех же рецептурно-технологических факторов, оптимизация этих свойств должна проводиться параллельно. При этом каждая из полученных моделей (1) - (3) была преобразована таким образом, чтобы привести их к системе с общими переменными вида:

■ П = Ег(Т^.ВГ,МщМг,Т.Л.К„т), (4)

ТГ = Р^ВТ,МЩ,М^.,АЛХИ1Щ)

где , Т€, Т„, Т„, Тщ, Тг, Тс - температуры соответственно формовочной смеси в условный нулевой момент времени при перемешивании, воды, извести, песка, портландцемента, гипса и смесителя, °С; Мщ, Мг— дозировки портландцемента и гипса соответственно, % от массы сухих компонентов; Мс и Сс — величина массы смесителя по отношению к массе компонентов, % и удельная теплоемкость смесителя соответственно, кДж/кгК; Л„ - активность извести, %; Кос,„ - коэффициент основности цемента; ВТ - В/Т отношение; — температура смеси в момент заливки, °С; И—диаметр раеплыва смеси по Суттарду в момент заливки, см.

За оптимальные значения начальных реологических и температурных характеристик формовочной смеси принимаются рекомендуемые действующими нор-

мативами значения диаметра расплыва смеси по Суттарду и температура смеси в момент ее заливки в форму, равная 38 °С. В качестве неизвестных переменных выступают В/Т-отношение, температура воды затворения и температура смеси в условный нулевой момент времени. Остальные параметры в системе принимают значения констант и определяются в зависимости от дозировок, состава и свойств исходных сырьевых компонентов. Вычисления по полученной математической модели могут выполняться как аналитически, так и численно.

Таким образом, разработаны модели, позволяющие оптимизировать начальные свойства формовочной смеси. Однако затем процессы развиваются во времени, поэтому дальнейшие исследования были направлены на идентификацию кинетической модели тепловыделения. Идентификация модели осуществлялась с привлечением теории нейронных сетей. Для этого многочисленные экспериментальные данные о влиянии рецептурно-технологических факторов на кинетику тепловыделения формовочной смеси, полученные на предыдущих этапах исследований, аппроксимировались функцией вида:

Т(т) = Т„т + дг(1 - е-С—0)3-"^ | (

(5)

где Тиан — температура смеси в момент заливки воды; - приращение температуры (разность между Тмакс и Т„т); а, Ь, с и <1— коэффициенты; / - время в минутах с момента заливки воды.

Полученные коэффициенты функции (5) использовались как входные данные в задаче формирования обучающей выборки для обучения нейронных сетей. В результате получена кинетическая модель со структурой, полученной объединением нескольких нейронных сетей (рис. 3).

т.

о-ат -М,-

«Нейронная сеть С-3 I

Нейронная сеть </

пг

Нейронная сеть с

Нейронная сеть Ь

Нейронная сеть а

Нейронная сеть дт

Коэффициенты аппроксимирующей функции Т(0 = Т^ + ДТ|

(,-е

т-1

Рис. 3. Структура полученной кинетической модели

Разработанные модели использовались в настоящей работе для прогнозирования поведения процесса тепловыделения при целенаправленном изменении значений рецептурно-технологических факторов и как отдельный модуль общей мультипараметрической модели.

В четвертой главе проведены исследования влияния рецептурно-технологических факторов на прочностные свойства силикатного микробетона.

Для этого поставлены активные факторные эксперименты на основе ротатабель-ного центрального плана, дополненного звездными точками. В качестве факторов выступали В/Т-отношение, дозировки портландцемента, микрокремнезема, С-3 и длительность изотермической выдержки при автоклавной обработке. В качестве функции отклика рассматривалось значение прочности при сжатии силикатного микробетона.

В результате исследований получены математические модели в виде уравнений регрессии. Например, для ячеистого бетона марки по плотности D500 уравнение регрессии прочности при сжатии его силикатного микробетона как матрицы для включения ячеистых пор имеет вид:

Rcx = 96,00 + 0,73 • Мж - 0,33 • Мщ - 300,82 • ВТ -4,70 • Мсп + 2,39 • Т„ + 240,23 ■ ВТ2 + 0,03 • Мщ2 + (6)

0,17-MJ +1,18-MJ-0,30-А/„-TIOO,

где Ясж - прочность при сжатии силикатного микробетона, МПа; ВТ - В/Т отношение; Л/„, - дозировка портландцемента, % от массы сухих компонентов; Ммк - дозировка микрокремнезема, % от массы сухих компонентов; Мс„ - дозировка суперпластификатора С-3, % от массы сухих компонентов; Тизо - длительность изотермической выдержки, ч.

Анализ зависимостей вида (6) показал, что добавка микрокремнезема в силу своей активности в первые часы автоклавной обработки способствует быстрому накоплению цементирующего вещества, омоноличивающего зерна менее активного молотого песка. Последний начинает вступать в реакцию лишь на более поздних этапах автоклавной обработки, но в этот период растворению кремнезема препятствуют гидросиликаты, сформированные на этапах взаимодейтсвия микрокремнезема и известкового компонента. Последние претерпевают ряд процессов перекристаллизации, негативно сказывающейся на твердении ячеистого композита. При этом по значению максимально достижимой прочности образцы с добавкой микрокремнезема так и не достигают значений прочности без микрокремнезема.

Данные выводы подтверждены результатами рентгенофазового анализа. Таким образом, применение активных ультрадисперсных минеральных добавок в технологии ячеистого силикатного автоклавного бетона оказалось нецелесообразным вследствие нарушения нормального протекания процессов гидротермального синтеза. Поэтому на следующих этапах исследования и разработки модели объекта и системы оптимального управления от применения микрокремнезема было решено отказаться.

В пятой главе представлены результаты исследований влияния рецептурно-технологических факторов на прочностные свойства ячеистого силикатного бетона как композиционного материала и параметры его макроструктуры. В качестве варьируемых факторов выступали дозировки портландцемента и полуводного гипса. Дозировки остальных компонентов рассчитывались по ранее полученным моделям и принимали оптимальное значение.

Для идентификации математической модели влияния отмеченных факторов на прочностные свойства ячеистого бетона при оптимальных значениях всех других факторов поставлены активные факторные эксперименты. В качестве функции отклика рассматривалось значение коэффициента конструктивного качества (ККК).

В результате проведенных исследований и расчетов получены математические модели в виде уравнений регрессии. Например, для ячеистого силикатного бетона марки по плотности 0500 они имеют вид:

ККК = 80,31 +1,99 • Мщ +10,95 • Мг + 0,11 • Мщ ■ Мг - 0,07■ Мщ2 -1,03 • Мг3 (7)

Для поиска экстремума функции полученных моделей вида (7) применен симплекс-метода Нелдера-Мида. Рассчитанные таким способом оптимальные значения факторов включены в общую мультипараметрическую модель.

Анализ состояния ячеистой структуры силикатного бетона производился в разработанном аппаратно-программном комплексе «МОИРО». Его разработка обусловлена тем, что имеющиеся на настоящий момент средства диагностики не приспособлены к решению поставленной задаче, и имеют место две основные проблемы анализа ячеистой структуры.

Первая проблема заключается в том, что при подготовке образцов-шлифов при механическом воздействии в процессе ошлифовки происходит разрушение наиболее хрупких участков межпоровых перегородок. Программы не могут отличить дефекты, полученные в результате неоптимального технологического режима, и дефекты, полученные на этапе подготовки шлифа, количество которых может достигать более 70 %, и ни о какой адекватности результатов не может быть и речи.

Вторая проблема связана с несовершенством методов оцифровки, при которых теряется часть важной информации и затрудняется идентификация границ пор. Эти проблемы были успешно решены в рамках диссертационной работы.

В основу комплекса положены две ключевые методики, разработка которых велась с применением средств цифровой обработки изображений и дискретной морфометрии. Проблема, связанная с правильной идентификацией границ пор, была решена за счет применения оптического яркостного выделения пор методом скользящего луча, получении серии сопоставимых цифровых изображений поверхности с различным положением источника освещения и последующей программной сшивкой в специально разработанной программе (рис. 4).

Проблема, связанная с наличием дефектов подготовки шлифа, была решена при помощи разработанного программного алгоритма избирательной декомпозиции, производящего реконструкцию удаленных при ошлифовке участков межпо-ровой перегородки (рис. 5).

Для реализации данных методик и определения параметров макроструктуры разработаны специализированные программы. Они использовались для изучения влияния управляющих факторов на состояние макроструктуры.

Формирование серии цифровых изображений

О

свеч

Рис. 4. Схема получения цифрового изображения с яркостным выделением пор

Исходный вид: пора и межпоровая перегородка

Готовое цифровое представление с яркостным выделением пор

Оставшиеся после эрозии каналы

и»

Глубина эрозии поры после

исходный конгломерат пор,

образованный дефектами конгломегат после морфомегрического

подготовки шлифа конгломерат после ^ Р

морфометрическои размыкания

эрозии

Рис. 5. Последовательность методики избирательной декомпозиции

В качестве функций отклика при этом выступали следующие основные параметры макроструктуры: средний диаметр макропоры (Оср); средняя толщина межпоровой перегородки (Нср); коэффициент пористости (Кпор); средний коэффициент сферичности (Ксфер); относительный (количественный) (Кдефот„) и абсолютный (Кдефабс) коэффициенты дефектности порового пространства. В качестве варьируемых факторов выступали дозировки портландцемента и полуводного гипса при оптимальных значениях всех других факторов, рассчитанных с использованием разработанной мультипараметрической модели.

В результате проведенных исследований получены регрессионные модели, описывающие изменение основных параметров макроструктуры от значений ре-цептурно-технологических факторов.

Полученные на всех этапах исследования модельные представления были преобразованы и включены в структуру общей мультипараметрической модели. Построенная на ее основе программная система оптимального управления позволила рассчитать оптимальные значения всех значимых факторов и получить образцы ячеистого силикатного бетона высокого качества. Полученные высокие показатели физико-механических характеристик (табл. 1) подтверждены исследованиями макроструктуры. Все образцы имеют ячеистую структуру с минимальным количеством дефектов и высоким коэффициентом сферичности.

Таким образом, полученные результаты подтверждают эффективность выполненных теоретических и практических изысканий. Применение мультипараметрической модели в производстве позволяет существенно повысить качество выпускаемых изделий, сократить до минимума процент брака,

Таблица 1

Прочность на сжатие образцов и оптимальные дозировки и параметры сырьевых компонентов, рассчитанные при помощи разработанной мультипараметтрической модели (на 1 м3)

1 о Известь молотая негашеная с активностью 85,6 % Песок кварцевый молотый Портландцемент Гипс полуводный Вода Алюминиевая пудра N

§ о с 2 §■ 2 Удельная поверхность. м:/кг "Дозировка, кг Удельная поверхность, мг/кг Дозировка, кг Дозировка, кг Дозировка, кг В/Т Дозировка, кг | =Г х £ г с

0500 560 76,64 290 269,16 98,80 30,40 0,617 0,480 4,2

15400 560 102,88 310 201,13 33,00 38,00 0,762 0,541 3,5

ЭЗОО 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 1,90 0,844 0,759 0,2

В шестой главе выполнена технико-экономическая оценка предлагаемой системы управления, основанная на улучшении физико-механических свойств получаемого ячеистого бетона относительно нормативных требований и снижении количества бракованных массивов. Реализация предлагаемых решений за счет перехода на выпуск изделий пониженной плотности позволяет получить экономические выгоды как на самом предприятии, так и на строительной площадке. По выполненным расчетам при внедрении разработанных технологических решений за счет снижения уровня брака и перехода на выпуск изделий пониженной плотности годовая экономия на предприятии мощностью 140 тыс. м3 может составить около 137,7 млн. р.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Теоретически обоснованы принципы разработки основных положений оптимального управления технологией ячеистого силикатного бетона. Предложены эффективные подходы для реализации управления на основе мультипараметриче-ской модели с привлечением положений исследования и моделирования сложных систем и теории гетерогенных процессов.

2. Обоснованы направления дальнейшего совершенствования ячеистого силикатного бетона и его технологии с учетом эволюционного подхода к формированию структуры материала.

3. Разработаны методические подходы и критерии оценки параметров процессов, структуры и свойств материала. Разработана совокупность эффективных методик исследования и моделирования процессов, управления технологией ячеистого силикатного бетона. Методические разработки реализованы в виде универсального исследовательского аппаратно-программного комплекса.

4. Экспериментально определены механизмы влияния различных рецептур-но-технологических факторов, установлены эффективные интервалы их варьирования и возможности совместного применения с учетом внутренней взаимосвязи факторов и процессов в задаче управления качеством ячеистого бетона.

5. На основе теоретических данных и результатов экспериментальных исследований разработана мультипараметрическая модель, учитывающая проявление всех значимых факторов на всех масштабных уровнях и стадиях процесса изго-

товления ячеистого силикатного бетона. Мультипараметрическая модель создана для широкого класса составов и свойств ячеистого бетона, и может быть использована практически на любом производстве.

6. Экспериментально доказано, что применение разработанной мультипара-метрической модели позволяет прогнозировать и эффективно управлять процессами структурообразования ячеистого силикатного бетона.

7. На основе мультипараметрической модели разработана универсальная адаптивная автоматическая система оптимального управления технологией изготовления изделий из ячеистого силикатного бетона, эффективность которой доказана путем апробации на модельных и реальных системах.

8. Обоснованы оптимальные области применения разработанной системы управления и доказан экономический эффект от ее применения. Подтверждена технико-экономическая целесообразность использования разработанной системы на действующих предприятиях.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах

Статьи в изданиях, входящих в перечень ВАК

1. Бедарев, A.A. Вопросы управления процессом порообразования в технологии газосиликата / А. А. Резанов, A.A. Бедарев // Известия ВУЗов. Строительство. - 2011. - №10. С.21-28 (личный вклад - 4 е.).

2. Бедарев, A.A. Улучшение свойств газосиликата за счет оптимизации структуры межпоровых перегородок // Научный вестник ВГАСУ. Строительство и архитектура. - 2012. -№3. - С.75-85 (личный вклад - 11 е.).

3. Бедарев, A.A. Мультипараметрическая оптимизация структуры ячеистого силикатного бетона / Е. И. Шмитько, A.A. Резанов, A.A. Бедарев // Инженерно-строительный журнал, №3(38), 2013. Строительные материалы и изделия. Организация строительства. С. 15 - 23 (личный вклад - 3 е.).

4. Бедарев, A.A. Оптимизация структуры газосиликата с применением мультипараметрической модели / A.A. Бедарев, Е.И. Шмитько // Строительные материалы. 2013. №4. Технология. С. 89-93 (личный вклад - 2,5 е.).

5. Бедарев, A.A. Влияние пластифицирующих добавок на температурные и вязко-пластичные свойства силикатной смеси для производства газосиликата II Известия КГ АСУ. 2013. №2 (24). С. 208-214 (личный вклад - 7 е.).

Статьи в других изданиях

6. Бедарев, A.A. Методика морфометрической идентификации макроструктуры ячеистых бетонов / A.A. Резанов, A.A. Бедарев // Достижения и проблемы материаловедения и модернизации строительной индустрии. Материалы XV академических чтений РААСН - Казань: 2010.- Tl.- С. 352-355 (личный вклад - 2 е.).

7. Бедарев, A.A. Изучение процесса структурообразования ячеистого силикатного бетона автоклавного твердения и роль внешнего давления окружающей среды в формировании бездефектных структур / Е.И. Шмитько, A.A. Резанов, A.A. Бедарев // Достижения и проблемы материаловедения и модернизации строительной индустрии. Материалы XV академических чтений РААСН - Казань:

2010. - Tl. - С. 369-373 (личный вклад -1,5 е.).

8. Бедарев, A.A. Возможности компьютерного анализа макроструктуры ячеистого бетона и его практическая реализация // Казанская наука. Сборник научных статей - Казань: 2010. - №9. - С. 92-96 (личный вклад - 5 е.).

9. Бедарев, A.A. Методика компьютерной морфометрической идентификации параметров макроструктуры ячеистых бетонов / A.A. Бедарев, А.Г. Малышева // Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Серия «Студент и наука» - Воронеж: 2010. - №6. -С. 33-37 (личный вклад - 2,5 е.).

10. Бедарев, A.A. Пути повышения прочности межпоровых перегородок ячеистого бетона // Инновации в сфере науки, образования и высоких технологий: материалы науч.-практ. конф. — Воронеж: 2011. - 1 электрон, опт. диск (CD-ROM) (личный вклад - 3 е.).

11. Бедарев, A.A. Применение нейросетевого моделирования в задачах оптимизации технологических процессов // Молодёжь в современном мире: гражданский, творческий и инновационный потенциал: материалы III Всероссийской заочной науч. конф. - Старый Оскол: 2012. - С.505-507 (личный вклад - 3 е.).

12. Бедарев, A.A. Управление процессом порообразования ячеистого силикатного бетона за счет фактора давления внешней газовой фазы / ЕМ. Шмитько, A.A. Резанов, A.A. Бедарев // Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Физико-химические проблемы и высокие технологии строительного материаловедения. Воронеж: 2012. - № 5. -С.110-115 (личный вклад - 2 е.).

13. Бедарев, A.A. Технология изготовления изделий из ячеистого бетона автоклавного твердения // Инновационные разработки молодых ученых Воронежской области на службу региона: материалы Региональной науч. конф. — Воронеж: 2012 г. - С.111-113 (личный вклад - 3 е.).

14. Бедарев, A.A. Программный комплекс для оптимизации и управления технологией изготовления газосиликатных изделий // Всероссийский конкурс научно-исследовательских работ студентов и аспирантов в области информатики и информационных технологий: сб. науч. работ: в 3 т. - Белгород: ИД «Белгород», 2012. - Т. 1. - С.124-130 (личный вклад - 7 е.).

15. Бедарев, A.A. Моделирование структурных характеристик ячеистого бетона: подходы, методы, алгоритмы идентификации и анализа макроструктуры. Saarbrucken: LAP LAMBERT Academic Publishing, 2012. - 176 с. (личный вклад -176 е.).

16. Бедарев, A.A. Влияние растворимых солей серной кислоты на гидратацию негашеной извести // Наука и инновации XXI века: материалы I Всероссийской конф. молодых ученых. Том III. - Сургут: Дефис, 2012. - С. 195 - 200 (личный вклад - 6 е.).

17. Бедарев, A.A. Системы моделирования и оптимизации структуры ячеистого силикатного бетона «Cellular Concrete» и «Cellular MOD Concrete» // Молодёжь в современном мире: гражданский, творческий и инновационный потенциал: материалы IV Всероссийской заоч. науч. конф. - Старый Оскол: декабрь 2012. -С.327-334 (личный вклад - 8 е.).

18. Бедарев, A.A. Аппаратно-программный комплекс для исследования структуры ячеистых материалов и его применение в задаче оптимизации проч-

ностных свойств ячеистого бетона // Современные проблемы гуманитарных и естественных наук: материалы XIII международной научно-практической конференции. В 2 т.: т.1 / Науч.-инф. Издат. Центр «Институт стратегических исследований». - М.: Из-во «Спецкнига», 2012. - 460 с. С.99-105 (личный вклад - 7 е.).

19. Бедарев, A.A. Применение геометрической модели ячеистого бетона для оптимизации его структуры // Образование и наука: современное состояние и перспективы развития: сборник научных трудов по материалам Международной науч.-практ. конф.; в 10 частях. Часть 7; М-во обр. и науки РФ. Тамбов: Изд-во ТРОО "Бизнес-Наука-Общество", 2013.- 163 с. С. 15 -17 (личный вклад - 3 е.).

20. Бедарев, A.A. Применение программных оптимизационных систем «Cellular Concrete» и «Cellular MOD Concrete» в технологии ячеистого силикатного бетона // Интеграция науки и практики как механизм эффективного развития современного общества: материалы VII международной научно-практической конференции. - М.: «Спецкнига», 2013. - 300 с. С.33-45 (личный вклад -13 е.).

21. Бедарев, A.A. Оптимизация начальных реологических характеристик силикатной смеси для повышения качества изделий из ячеистого бетона автоклавного твердения / A.A. Бедарев, К.С. Сафронова, А.Г. Свиридова // Инновации в сфере науки, образования и высоких технологий: материалы науч.-практ. конф. -Воронеж: 2012. -1 электрон, опт. диск (CD-ROM) (личный вклад -1 е.).

22. Бедарев, A.A. Моделирование и оптимизация прочностных свойств ячеистого силикатного бетона // Научно-техническое творчество молодежи - путь к обществу, основанному на знаниях: материалы V Международной науч.-практ. конф. - М.: МГСУ, 2013. - С.16-19 (личный вклад - 4 е.).

23. Бедарев, A.A. Разработка и применение мультипараметрической математической модели для оптимизации структуры ячеистого силикатного бетона // Инновации в сфере науки, образования и высоких технологий: материалы науч.-практ. конф. - Воронеж: 2013. - 1 опт. диск (CD-ROM) (личный вклад - 4 е.).

Авторские свидетельства

24. Бедарев, A.A. Программа для морфометрической идентификации параметров макроструктуры ячеистого бетона и ее анализа (MORFO). / A.A. Бедарев, A.A. Резанов // Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2011618993 от 17.11.2011.

25. Бедарев, A.A. Программа для расчета оптимальных дозировок сырьевых компонентов и параметров формовочной смеси (Cellular Concrete). Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2012613270 от 06.04.2012.

26. Бедарев, A.A. Программа-цифровой двухканальный регулятор для поддержания температуры в лабораторных тепловых камерах (Thermo Watch Duo). Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2012613271 от 06.04.2012.

27. Бедарев, A.A. Программа для получения изображений поверхности шлифа ячеистого бетона с цветовым разделением пор (Photo Merge). Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2012613272 от 06.04.2012.

28. Бедарев, A.A. Программа для автоматического определения диаметра расплыва бетонной смеси по Сутгарду (Digital Suttard). Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2012613273 от 06.04.2012.

Бедарев Анатолий Андреевич

ОПТИМИЗАЦИЯ И УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССАМИ СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЯ ЯЧЕИСТОГО СИЛИКАТНОГО БЕТОНА НА ОСНОВЕ МУЛЬТИПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подл, в печать 20.11.2013 г. Формат 60x84 1/16.

Бумага писчая. Усл. псч д. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ Ка 501_

Отпечатано: отдел оперативной полиграфии издательства учебной и учебно-методической литературы

Воронежского ГАСУ 394006, г. Воронеж, ул. 20-летия Октабр«, 84

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Воронежский государственный архитектурно-строительный университет»

Кафедра технологии строительных материалов, изделий и конструкций

04201454328

На правах рукописи

¿/г

Бедарев Анатолий Андреевич

ОПТИМИЗАЦИЯ И УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССАМИ СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЯ ЯЧЕИСТОГО СИЛИКАТНОГО БЕТОНА НА ОСНОВЕ МУЛЬТИПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ

05.23.05 - строительные материалы и изделия

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук,

профессор Шмитько Е.И.

Воронеж - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.............................................................................................................. 7

1 ТЕХНОЛОГИЯ, СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ЯЧЕИСТОГО СИЛИКАТНОГО БЕТОНА КАК ОБЪЕКТА ОПТИМИЗАЦИИ И УПРАВЛЕНИЯ КАЧЕСТВОМ ГОТОВОЙ ПРОДУКЦИИ............................... 14

1.1 Современное состояние отрасли и актуальность проблемы.................... 14

1.2 Влияние структуры ячеистого бетона на показатели его качества........ 25

1.2.1 Общие подходы к решению поставленной проблемы.................... 25

1.2.2 Роль макроструктуры ячеистого бетона в формировании показателей его качества............................................................................. 26

1.2.3 Роль микроструктуры ячеистого бетона в формировании показателей его качества............................................................................. 33

1.3 Анализ процессов и факторов структурообразования ячеистого силикатного бетона............................................................................................. 35

1.3.1 Общая характеристика решаемой проблемы.................................... 35

1.3.2 Анализ факторов и процессов, обеспечивающих структурообразование ячеистого силикатного бетона в доавтоклавный период (раннее структурообразование)...................................................... 36

1.3.2.1 Роль воды в процессах раннего структурообразования ячеистого силикатного бетона.......................................................... 36

1.3.2.2 Роль молотой негашеной извести в процессах раннего структурообразования ячеистого силикатного бетона.................. 42

1.3.2.3 Роль химических добавок-регуляторов скорости гидратации извести в процессах раннего структурообразования ячеистого силикатного бетона.......................................................... 45

1.3.2.4 Роль минералов портландцементного клинкера в процессах раннего структурообразования ячеистого силикатного бетона.................................................................................................. 48

1.3.2.5 Роль активных минеральных добавок в процессах

раннего структурообразования ячеистого силикатного бетона..... 49

1.3.2.6 Особенности применения газообразующих добавок для формирования ячеистой пористости и их влияние на другие процессы доавтоклавного периода.................................................. 50

1.3.2.7 Особенности применения пластифицирующих добавок в технологии ячеистого силикатного бетона..................................... 55

1.3.3 Анализ факторов и процессов, обеспечивающих структурообразование ячеистого силикатного бетона в автоклавный период............................................................................................................ 59

1.3.3.1 Особенности процессов структурообразования в системе «известь-кремнеземистый компонент-вода».................................. 59

1.3.3.2 Влияние химических и минеральных добавок на

процессы структурообразования в автоклавный период................ 65

1.4 Принципы разработки основных положений оптимального управления

технологией ячеистого силикатного бетона.................................................... 68

Выводы по главе 1 .............................................................................................. 77

2 МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ......................................................................................................................82

2.1 Общие положения методологии экспериментальных исследований и характеристика объекта исследования............................................................................................................................82

2.2 Этапы экспериментальных исследований....................................................................................................84

2.3 Характеристики основных сырьевых материалов..........................................................................85

2.4 Методики исследований..............................................................................................................................................................86

2.4.1 Стандартные методики исследований............................................... 88

2.4.1.1 Методика определения свойств сырьевых материалов............88

2.4.1.2 Методика определения свойств формовочной смеси..................89

2.4.1.3 Методика определения свойств силикатного ячеистого бетона......................................................................................................................................................................................................89

2.4.1.4 Методика определения минералогического состава сырьевых компонентов и силикатного ячеистого бетона............................90

2.4.2 Нестандартные методики исследований........................................................................................91

2.4.2.1 Модифицированная методика определения реологических характеристик смеси.............................................. 91

2.4.2.2 Методика определения кинетики тепловыделения на

малых объемах формовочной смеси................................................. 92

2.4.2.3 Методика определения кинетики тепловыделения непосредственно в формах................................................................ 94

2.4.2.4 Методика моделирования кинетики тепловыделения на основе нейросетевого подхода.......................................................... 96

2.4.2.5 Методика определения эффективности добавок, замедляющих гидратацию извести................................................... 99

2.4.2.6 Методика определения эффективности

пластифицирующих добавок............................................................. 100

2.4.2.7 Методика определения динамики газовыделения и вспучивания смеси.............................................................................. 101

2.4.2.8 Неразрушающая методика непрерывного измерения реологических характеристик вспучивающейся смеси.................. 102

2.4.2.9 Методика морфометрической идентификации параметров макроструктуры ячеистого бетона.................................................... 103

2.4.2.9.1 Методика изготовления образцов-шлифов

ячеистого бетона и получения цифровых изображений

его поверхности с применением красящего состава.......... 104

2.4.2.9.2 Методика изготовления образцов-шлифов ячеистого бетона и получения цифровых изображений его поверхности с применением оптического яркостного выделения пор........................................................................ 105

2.4.2.9.3 Методика программной обработки и морфометрической идентификации параметров макроструктуры ячеистого бетона по цифровым изображениям шлифов.......................................................... 107

2.4.2.10 Методика программного расчета значений рецептурно-технологических факторов, обеспечивающих оптимальное

протекание процессов структурообразования................................. 112

2.4.3 Полная методика подготовки силикатной смеси и образцов силикатного ячеистого бетона для проведения экспериментальных исследований................................................................................................. 114

3 ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ РЕЦЕПТУРНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА СВОЙСТВА ФОРМОВОЧНОЙ СМЕСИ С ПОЗИЦИЙ

ФОРМИРОВАНИЯ ОБЩЕЙ МУЛЬТИПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ..... 117

3.1 Исследование влияния рецептурно-технологических факторов на температурные и вязко-пластичные свойства формовочной смеси............... 117

3.1.1 Результаты экспериментальных исследований тепловыделения формовочной смеси в зависимости от температуры воды затворения .... 117

3.1.2 Результаты экспериментальных исследований кинетики тепловыделения формовочной смеси в зависимости от В/Т-отношения 119

3.1.3 Результаты экспериментальных исследований начальных реологических и температурных характеристик формовочной смеси в зависимости от В/Т-отношения................................................................... 122

3.1.4 Результаты экспериментальных исследований тепловыделения формовочной смеси в зависимости от тонкости помола ИПВ................. 124

3.1.5 Результаты экспериментальных исследований тепловыделения формовочной смеси в зависимости от длительности хранения ИПВ...... 126

3.1.6 Результаты экспериментальных исследований процесса гидратации извести в зависимости от дозировки добавок, замедляющих гидратацию извести, в системе «известь - вода -

добавка»......................................................................................................... 126

3.1.7 Результаты экспериментальных исследований влияния пластифицирующих добавок на температурные и реологические

свойства формовочной смеси....................................................................... 129

3.1.8 Результаты экспериментальных исследований влияния добавки микрокремнезема на температурные и реологические свойства формовочной смеси...................................................................................... 131

3.2 Разработка математической модели оптимизации процессов доавтоклавного периода..................................................................................... 134

3.2.1 Многофакторная оптимизация начальных реологических и температурных свойств формовочной смеси............................................. 135

3.2.2 Многофакторная оптимизация начальных реологических и температурных свойств формовочной смеси, модифицированной добавками суперпластификатора С-3 и микрокремнезема....................... 146

3.2.3 Многофакторная оптимизация кинетики тепловыделения формовочной смеси...................................................................................... 148

Выводы по главе 3.............................................................................................. 150

4 ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ РЕЦЕПТУРНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА СИЛИКАТНОГО МИКРОБЕТОНА С ПОЗИЦИЙ ФОРМИРОВАНИЯ ОБЩЕЙ МУЛЬТИПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ........................................................ 153

4.1 Результаты экспериментальных исследований влияния

рассматриваемых факторов на прочность силикатного микробетона........... 153

4.2 Оптимизация сырьевого состава по критерию максимума теоретической (предельной) прочности при сжатии ячеистого силикатного бетона.................................................................................................................... 155

4.3 Результаты экспериментальных исследований влияния рецептурно-технологических факторов на фазовый состав силикатного микробетона ... 158 Выводы по главе 4............................................................................................... 159

5 ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ РЕЦЕПТУРНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА ЯЧЕИСТОГО СИЛИКАТНОГО БЕТОНА КАК КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА...... 161

5.1 Результаты экспериментальных исследований влияния рецептурно-технологических факторов на прочностные свойства ячеистого

силикатного бетона............................................................................................. 162

5.1.1 Идентификация математической модели прочностных свойств силикатного ячеистого бетона..................................................................... 163

5.1.2 Оптимизация структуры ячеистого силикатного бетона по критерию обеспечения максимального значения коэффициента конструктивного качества............................................................................ 165

5.2 Результаты экспериментальных исследований влияния рецептурно-технологических факторов на состояние макроструктуры силикатного ячеистого бетона.................................................................................................. 168

5.2.1 Идентификация математической модели состояния

макроструктуры силикатного ячеистого бетона........................................ 168

5.2.2 Оптимизация параметров макроструктуры ячеистого силикатного

бетона............................................................................................................. 177

5.3 Обобщающие результаты экспериментально-теоретических изысканий по улучшению качества ячеистого силикатного бетона на основе

мультипараметрической модели........................................................................ 178

Выводы по главе 5............................................................................................... 181

6 ОЦЕНКА ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРАКТИЧЕСКОГО ВНЕДРЕНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ......... 183

6.1 Расчет сокращения производственных затрат при реализации предлагаемых технологических решений на предприятиях по производству стеновых блоков из ячеистого силикатного бетона................. 183

6.2 Расчет снижения материальных затрат от применения в строительстве изделий из ячеистого силикатного бетона повышенного качества................ 186

6.3 Суммарные показатели экономической эффективности от внедрения предлагаемых технологических решений......................................................... 188

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ................................................................... 189

Список литературы.................................................................................................. 191

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Технологические рекомендации (временные) по производству стеновых блоков из ячеистого силикатного бетона с применением системы оптимального управления на основе

мультипараметрической модели............................................................................ 225

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Акт внедрения результатов научных исследований в

учебный процесс...................................................................................................... 242

ПРИЛОЖЕНИЕ В. Акт практической реализации результатов научно-

исследовательских работ........................................................................................ 243

ПРИЛОЖЕНИЕ Г. Свидетельство о государственной регистрации

программы для ЭВМ № 2011618993 MORFO...................................................... 245

ПРИЛОЖЕНИЕ Д. Свидетельство о государственной регистрации

программы для ЭВМ № 2012613270 Cellular Concrete........................................ 246

ПРИЛОЖЕНИЕ Е. Свидетельство о государственной регистрации

программы для ЭВМ № 2012613271 Thermo Watch Duo.................................... 247

ПРИЛОЖЕНИЕ Ж. Свидетельство о государственной регистрации

программы для ЭВМ № 2012613272 Photo Merge................................................ 248

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Свидетельство о государственной регистрации

программы для ЭВМ № 2012613273 Digital Suttard............................................. 249

ПРИЛОЖЕНИЕ И. Заявка на изобретение 2012114267/08, 11.04.2012. Способ получения цифровых изображений поверхности пористого тела с яркостным разделением объектов и фона и устройство для его реализации............ ............. 250

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Ячеистый силикатный бетон является на сегодня одним из основных стеновых материалов, применяемых для строительства жилых, социально-бытовых и промышленных зданий. Это вполне объясняется многочисленными преимуществами данного материала: он легок и прочен, экологически чист и экономичен. Благодаря этим свойствам технология ячеистого силикатного бетона широко распространена по всему миру. Однако потенциальные возможности этого материала и его технологии еще не полностью раскрыты и освоены, имеются резервы для дальнейшего совершенствования его структуры и увеличения качественных показателей.

Тем не менее, в настоящее время руководители многих отечественных предприятий ошибочно считают, что единственно возможный способ наладить эффективное производство изделий из ячеистого силикатного бетона заключается в сотрудничестве с зарубежными фирмами-производителями, закупке и использовании их автоматизированных линий и технологических решений. При этом колоссальное количество теоретического и практического материала, накопленного отечественными учеными за десятилетия кропотливой работы, без лишних раздумий отметается. Таковы последствия периода застоя «постперестроечных» лет, который сильно сказался на российском менталитете и вылился в определенное недоверие в отечественные разработки, ориентацию на зарубежные технологии и опыт. Кроме того, грамотная маркетинговая политика зарубежных фирм в сочетании с высокой надежностью предлагаемых комплексных решений «под ключ», высокой степенью автоматизации и энергосбережения еще больше склоняет российских предпринимателей на свою сторону. Ориентация указанных фирм на литьевую технологию формования создает благоприятные условия производства, исключающие вибрацию и обеспечивающие увеличенный ресурс форм, формирование более совершенной ячеистой структуры и возможность получения изделий пониженной средней плотности, в отличие от вибрационной и ударной технологий.

Тем не менее, обладая рядом преимуществ, решения зарубежных компаний

обладают и определенными существенными недостатками. В силу сложности технологического процесса производства ячеистого силикатного бетона зарубежные автоматизированные линии оптимизированы для работы лишь в достаточно узких диапазонах свойств сырьевых компонентов, как правило, соответствующих европейским стандартам качества. Кроме того, технологический регламент предприятий, работающих по литьевому способу, ориентирован только на высокое качество сырьевых материалов. К сожалению, в России эти требования выполняются не всегда. Как следствие имеет место отклонение от оптимального технологического режима и увеличение брака и убытков.

Ощутив эту проблему, предприятия пытаются приспособить зарубежные производственные линии под реалии российской жизни. Однако без эффективного управления технологией ячеистого силикатного бетона это оказывается бесперспективным. Сказанное осложняется еще и тем, что одни и те же факторы одновременно оказывают влияние на различные структурные (микро- и макро-) уровни ячеистого бетона.

В данной работе задача эффективного управления технологией ячеистого силикатного бетона в условиях нестабильности свойств сырьевых компонентов решается путем разработки и применения мультипараметрической модели, учитывающей проявление всех значимых факторов на различных масштабных уровнях и стадиях процесса. Ее применение в