автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Система автоматизированного проектирования составов бетонов промышленного назначения

□□3465745

На правах рукописи

САНЬКОВА ТАТЬЯНА АЛЕКСАНДРОВНА

СИСТЕМА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ СОСТАВОВ БЕТОНОВ ПРОМЫШЛЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ

Специальность 05.13.12. - Системы автоматизации проектирования

(промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

О - - . 0

Омск-2009

003465745

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)».

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

кандидат технических наук, доцент Чулкова Ирина Львовна

доктор технических наук, профессор Галдин Николай Семенович

кандидат технических наук, доцент Минитаева Алина Мажитовна

Ведущая организация:

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Воронежская государственная технологическая академия»

Защита диссертации состоится 17 апреля 2009 г. в 1400 ч. на заседании объединенного диссертационного совета ДМ 212.250.03 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)» по адресу: 644080, г. Омск, пр. Мира, 5, зал заседаний.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)» по адресу: 644080, г. Омск, пр. Мира, 5.

Автореферат разослан 17 марта 2009 г.

Ученый секретарь объединенного диссертационного совета ДМ 212.250.03 кандидат технических наук М.Ю. Архипенко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Промышленность строительных материалов включает ряд отраслей, занятых производством бетонов различных видов, в том числе для промышленного использования. Так, например, особо тяжелые бетоны применяют в специальных сооружениях (ядерных реакторах, атомных электростанциях и пр.) для биологической защиты от радиоактивных воздействий, тяжелые бетоны используются в качестве фундаментов станков, ячеистые — для теплоизоляции стен промышленных зданий, легкие бетоны - в качестве ограждающих конструкций производственных цехов.

В современных условиях особенно остро стоит вопрос об улучшении качества бетона без усложнения его состава и об интенсификации его промышленного производства. С каждым годом увеличивается разнообразие бетонов, расширяются области их применения, требования, предъявляемые к ним, сырьевая база производства. Потребность в бетоне с различными качественными параметрами с течением времени не уменьшается, однако к его качеству предъявляются все более жесткие требования. Поэтому весьма актуально получение бетона с требуемыми физико-механическими свойствами.

Основными критериями, предъявляемыми к промышленному производству бетона, являются минимально возможные сроки и качество исполнения. На качество продукта влияют качество исходных материалов (вяжущих веществ, наполнителей, заполнителей, химических добавок), а также уровень технологического процесса, персонала и оборудования. '

Повышение производительности бетонных заводов возможно с одной стороны за счет увеличения производственных площадей й расширения технологических процессов, а с другой стороны за счет повышения производительности имеющегося оборудования и существующих процессов. Оно, в свою очередь, связано с автоматизацией различных производственных процессов: измерения параметров исходного сырья, устройств; расчета рецептур; подачи сырья и формирования смеси, выдачи готового продукта. Решение данной задачи в значительной степени связано с примёне-нием при исследовании бетонной смеси современной технологии математического моделирования и вычислительного эксперимента, реализацией эффективных численных методов и алгоритмов в виде проблемно-ориентированных программ для оптимизации составов бетонных смесей и прогнозирования их эксплуатационных свойств.

Автоматизация проектирования является одним из актуальных направлений совершенствования технологического процесса производства бетонов. Применение автоматизированных систем на стадии проектирования позволяет обеспечить высокое качество проектных решений, сокра-

тить материальные и трудовые затраты производства, повысить эффективность труда специалистов.

По времени технологический процесс приготовления бетонной смеси, включая подбор состава и лабораторные испытания, занимает около 30 суток. Одной из самых важных операций технологического процесса производства бетонов является подбор (проектирование) состава бетонной смеси. В результате проектирования состава бетонной смеси должно быть определено соотношение между компонентами, при котором будут гарантированы необходимая подвижность бетонной смеси, определенные качественные показатели готового бетона (прочность бетона в конструкции, морозостойкость, теплопроводность, водонепроницаемость и пр.) и экономичность бетона (например, минимальный расход дорогостоящих или дефицитных компонентов).

Проектирование состава бетона включает следующие этапы:

• назначение требований к бетону;

«■ выбор материалов и характеризующих их свойств;

• определение предварительного состава бетона;

• корректировка состава в пробных замесах.

При корректировке проводят предварительные испытания для получения уточненных зависимостей свойств бетона и бетонной смеси, приготовленных на данных компонентах и оборудовании по принятой технологии, от различных факторов. При проведении этих испытаний используются математические методы факторного планирования эксперимента и обработки его результатов. Основная сложность автоматизации проектирования состава бетонной смеси заключается в том, что характеристики компонентов, бетонной смеси и бетона, соответствующие удовлетворительному качеству, имеют нечеткий характер, то есть находятся в определенных диапазонах значений. Как следствие установление связей между параметрами готового изделия (бетона) или прогнозирование его качества представляет'собой сложную проблему, решение которой лежит в сфере новых подходов, базирующихся на современных информационных, программных и компьютерных технологиях.

Таким образом, целью диссертационной работы является создание системы автоматизированного проектирования составов бетонов для повышения их качества;-прогнозирования свойств и обеспечения снижения трудоемкости и себестоимости процесса проектирования.

Объектом исследования является технологический процесс проектирования состава бетонной смеси для тяжелых, легких и ячеистых бетонов.

Предметом исследования является процесс автоматизированного проектирования составов бетонных смесей, оптимальных по структуре и свойствам. ■■ ■

Исходя из цели, в работе поставлены следующие основные задачи:

1) провести анализ существующих методик проектирования состава бетона;

2) создать базу данных по различным видам бетонов и материалов, необходимых для приготовления бетонной смеси;

3) разработать математическую модель для прогнозирования свойств бетона, установить зависимости качественных показателей бетона (прочность при сжатии, плотность, морозостойкость, теплопроводность) от состава бетонной смеси;

4) разработать математическую модель проектирования оптимальных составов бетонных смесей, позволяющую получать бетон с заданными свойствами при минимальных затратах на основе полученных зависимостей свойств бетона;

5) создать систему автоматизированного проектирования составов бетонных смесей и прогнозирования свойств бетона.

Методы и средства исследований. При решении поставленных задач были использованы методы математической статистики, математического моделирования, планирования эксперимента, факторного анализа, нелинейной оптимизации. Экспериментальные исследования проведены на производственной базе заводов железобетонных изделий г. Омска. Численная реализация математических моделей и оптимизационных процедур осуществлялась на ЭВМ с помощью разработанного пакета прикладных программ в среде Delphi. Обработка экспериментальных данных осуществлялась на ЭВМ с использованием специализированных программ Microsoft Excel, STATISTICA.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1) разработана математическая модель проектирования и корректировки состава бетонных смесей различных видов (для тяжелого, легкого и ячеистого бетонов) с использованием новых зависимостей для определения расхода воды, цемента, водоцементного отношения, объемной концентрации зерен крупного заполнителя;

2) разработана математическая модель прогнозирования свойств бетона, для которой установлены новые зависимости качественных показателей бетона (прочность при сжатии, плотность, морозостойкость, теплопроводность) от состава бетонной смеси;

3) разработана математическая модель проектирования оптимальных составов бетонных смесей, позволяющая получать бетон с заданными свойствами при минимальных затратах на основе полученных зависимостей свойств бетона;

4) созданы алгоритмы проектирования составов бетонных смесей и прогнозирования свойств бетона.

Практическая значимость работы заключается в следующем, создана система автоматизированного проектирования и корректировки составов бетонных смесей, позволяющая:

• проектировать и корректировать составы бетонных смесей для тяжелого, легкого и ячеистого бетонов;

• прогнозировать свойства бетона для спроектированного состава бетонной смеси;

• осуществлять планирование эксперимента для лабораторных испытаний бетона и получать новые зависимости свойств бетона от его состава;

• сократить время, затрачиваемое на проектирование и корректировку состава бетонной смеси;

• улучшить качество бетонной смеси за счет более высокой точности расчетов;

• снизить трудоемкость процесса подбора составов бетонных смесей и проведения лабораторных испытаний;

• сократить расход материалов на стадии проектирования;

• повысить эффективность работы сотрудников строительных лабораторий за счет использования менее квалифицированных сотрудников.

Положения, выносимые на защиту:

1) математическая модель проектирования и корректировки состава бетонных смесей различных видов (для тяжелого, легкого и ячеистого бетонов), использующая новые зависимости для определения расхода воды, цемента, водоцементного отношения, объемной концентрации зерен крупного заполнителя;

2) математическая модель прогнозирования свойств бетона, использующая новые зависимости качественных показателей бетона (прочность при сжатии, плотность, морозостойкость, теплопроводность) от состава бетонной смеси;

3) математическая модель проектирования оптимальных составов бетонных смесей, позволяющая получать бетон с заданными свойствами при минимальных затратах на основе полученных зависимостей свойств бетона; 4

4) алгоритмы для автоматизированного проектирования составов бетонных смесей и прогнозирования свойств бетона.

Апробация результатов работы. Основные результаты и положения диссертационной работы докладывались на второй Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, Омск, 23-24 мая 2007 г.; Международной научно-технической конференции «Новые энерго- и ресурсосберегающие наукоемкие технологии в производстве строительных материалов», Пенза, декабрь 2007 г.; Международном конгрессе, посвященном 45-летию факультета «Транспортные и технологические машины» Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии (СибАДИ), Омск, 6-7 декабря 2007 г.; Всероссийской конференции «Актуальные проблемы строительной отрасли» (65-й науч-

но-технической конференции НГАСУ (Сибстрин)), Новосибирск, 8-10 апреля 2008 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, из них три свидетельства об отраслевой регистрации разработки в фонде алгоритмов и программ, в том числе 4 статьи в рецензируемых журналах из списка, рекомендованных ВАК РФ.

Внедрение результатов работы. Результаты исследований внедрены на Омском комбинате строительных конструкций в бетоносмесителыюм цехе с 12 мая 2008 г., а также использованы в работе строительной лаборатории ООО «Омский железобетонный завод № 7».

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка используемых источников, включающего 137 наименований, и 10 приложений. Объем диссертации 137 страниц машинописного текста, 35 рисунков, 6 таблиц, 10 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, сформулирована цель и поставлены задачи исследования, отмечена научная новизна и практическая значимость, приведены сведения об апробации результатов работы.

В первой главе представлен анализ состояния предметной области и существующих систем автоматизированного проектирования составов бетонов. Рассмотрены различные классификации бетонов, их основные характеристики, предъявляемые к ним требования и области применения. Рассмотрены методы проектирования состава бетона, их достоинства и недостатки. Сформулированы основные выводы, цели и задачи исследования, осуществлен выбор направления исследования.

Во второй главе рассматриваются теоретические аспекты автоматизации проектирования составов бетонов, разрабатываются этапы проектирования оптимальных составов бетонов. Рассматриваются методы математического моделирования в проектировании бетонов. В качестве метода исследования был выбран метод «черного ящика». Рассмотрены различные методики планирования эксперимента, их особенности. В качестве методики планирования эксперимента была выбрана методика полного факторного эксперимента. Проведен анализ факторов, влияющих на качество и свойства бетона, установлены требования к факторам и параметрам, предъявляемые к ним при планировании эксперимента. На основании анализа статистических методов в качестве методов обработки данных выбран корреляционный и регрессионный анализ.

Третья глава посвящена экспериментальным исследованиям влияния различных факторов на свойства бетона. На основе данных, полученных с заводов железобетонных изделий г. Омска, была создана база данных по

различным видам бетонов, их качественным показателям, химическим добавкам. Обработка экспериментальных данных позволила получить регрессионные зависимости для прогнозирования таких свойств бетона как прочность при сжатии (КСж), МПа; плотность (р), кг/м3; морозостойкость (I7), циклы; теплопроводность (X), Вт/м2°С.

Как показали исследования, наиболее существенное влияние на указанные свойства тяжелого бетона без добавок оказывают следующие факторы: водоцементное отношение смеси, масса цемента, соотношение по массе между мелким и крупным заполнителем.

Уравнения регрессии для тяжелого бетона без добавок имеют следующий вид:

^=172,192+0,039Х,-138,224Х2-Ш,049Хз-0,335Х,Х2+ , +0,097Х,Х3+212,628Х2Х3, (1)

р=6733,693-7,133^-5724,662^2-11174,172Х3+78,576Х4+12,23Х,Х2+

+10,557Х,Х3-<),155ад+10871,695Х2^з-154,293Х2Х,+94,771Х3А'4, (2)

F=4932,115^1,015Х-6353,804Хг-8333,733Х3-60,504Х4+3,074Х,Х2+ +4.766ХЛ+0,16ХЛ+105,078Х2Х4-21,701ХзХ4-0,005Х,2+

+4764,663Х22+5989,393Х32-0,392Х42, (3)

где X) - масса цемента, кг; Х2 - водоцементное отношение; Х3 - отношение по массе между песком и щебнем; Х4 - прочность при сжатии, МПа.

Уравнения регрессии для тяжелого бетона с пластифицирующей добавкой:

^=-717,828+1,146X1+862,377Х2+527,092Х3+452,248Х4-0,188Х,Хг--0,566Х,Хз-0,67Х,Х4-647,428Х2Хз-410,163Х2Х4-109,05ХзХ4, (4)

/>=15507,833-22,377Х,-12063,098Хг-12978,371Х3-4995,839Х4+ +3,743X5+3,84Х,Х2+20,288X1X3+7,304Х,Х4+11200,536Х2Хз+

+4009,952X2X4+1035,508X3X4, (5)

-12774,337+25,168X1+29907,345Х2+17266,215Х3+7874,731Х4~ —150,585Х5—36,584X^2-19,811Х)Х3-22,664Х]Х4+0,109X1X5-34999,3 8Х2Х3—

-3682,58X2X4+170,781X2X5-5126,776X3X4+46,525X3X5+139,245X4X5, (6)

Уравнения регрессии для тяжелого бетона с воздухововлекающей добавкой:

Нсж= -23,424-0,06X1-885,171Х2+285,296Х3+789,419Х4+1,771Х,Х2--0,259Х,Хз-0,85Х,Х4+203,673Х2Хз+440,611Х2Х4-1024,073Х3Х,, (7)

^ р=15425>005-19,64Х1-12153,679X2-14039,835Х3-8324,432Х4-

-121,305Х5+9,698Х1Х2+П,138Х1Х3+0,253Х,Х5+11449,783Х2Х3+

+2622,512Х2Х4+15373,02ХзХ4+39,8ХзХ5, (8)

43447,412-84,656Х,-117887,198X2-59657,326Х3-183766,506Х4+ +205,194Х1Х2+107,193Х1Хз+319,085Х1Х4+138079,103Х2Хз+ ■ +453393,791Х2Х4+232657,576ХзХ4-177,027^X2X3-

-574,169Х1Х2Х4-329,698Х1ХзХ4-419909,781Х2ХзХ4, (9)

где Х1 — масса цемента, кг; Х2 — водоцементное отношение; Хз - отношение по массе между песком и щебнем; Х4 — количество добавки, % от массы цемента; Х5 — прочность при сжатии, МПа.

Для исследования легкого бетона без добавок были выбраны следующие факторы: водоцементное отношение смеси, масса цемента и соотношение по массе между мелким и крупным заполнителем.

В результате обработки экспериментальных данных были получены следующие уравнения регрессии:

Лсж=19,21+0,185^,-12,73X^127,46Хг-0,П^Хз+0,129Х,Х3+77,552Х2АГ3, (10) /т= 1200,02+0,649^-115,069Х2+159,156Х3, (И)

-671,848+1,068Х1+2717,232Хз-14,376Х4+3,61Х1Хг-5,926Х1Хз+

+0,03 5ВД-2488,192X2X3+12,553Х2Х4-0,94 ЬВД, (12)

где Х\ - масса цемента, кг; Х2 - водоцементное отношение; Х3 - отношение по массе между песком и щебнем; Х4 — прочность при сжатии, МПа.

Для исследования влияния различных факторов на свойства легкого бетона с добавками были выбраны следующие факторы: водоцементное отношение смеси, масса цемента, соотношение по массе между мелким и крупным заполнителем, количество добавки.

Уравнения регрессии для легкого бетона с пластифицирующей добавкой имеют следующий вид:

Лсж=14,166+0,136X^,308X^2-44,69Хз-23,073Х4-0,062Х1Х2+0,054Х1Х3-

-0,069Х,Х4+ Ю,628Х2Хз+ 19,405Х2Х4+3 5,377ХзХ,, (13)

/7=2990,692-1,701Х,-814,6842^-3755,545Хз+79,148Х4-1,713Х,Х2+ +8,58Х1Х3-0,565Х1Х4+1751,551Х2Хз+191,395Х2Х4-370,099X3X4, (14) Р= -3 64,168+1,08IX,+135,378Х2+273,162Х3+287,376Х4-0,052Х1Х:г-

-0,906X1X3+0,411X1X4+121,852X2X3-280,489X2X4—272,823X3X4, (15) где Х1 — масса цемента, кг; Х2 — водоцементное отношение; Хз - отношение по массе между песком и щебнем; Х"4 — количество добавки, % от массы цемента.

Как показали исследования, наиболее существенное влияние на рассматриваемые свойства пенобетона оказывают следующие факторы: во-дотвердое отношение смеси, отношение кремнеземистого компонента к вяжущему, количество пенообразующей добавки.

В результате обработки экспериментальных данных были получены следующие уравнения регрессии: Л^=730,494-2316,402Х1-258,499Х2-0,79Х4+389,882Х1Х2+1828,159Х1Х3+ +1,146Х,Х4+243,039Х2Х3+0,176Х2Х4+0,674Х3Х4-0)866Х1Х2Х3Х4+

+578,251Х12-5,618Х22-986,451Х32, (16)

р=\ 113,954-1678,055X^96,085Х2+484,047Х3+344,915Х1Х2+

+241,695Х1Хз-369,129Х2Х3, (17)

где Х\ - водотвердое отношение; Х2 — отношение кремнеземистого компонента к вяжущему; Хз — количество пенообразующей добавки, % от массы цемента; Х4 — плотность бетона, кг/м3.

На основе корреляционного анализа данных получена новая зависимость теплопроводности пенобетона от его плотности

Л. = 0,0486'е°'0016р. (18)

В четвертой главе осуществляется построение математической модели процесса проектирования составов бетонных смесей. Разработаны алгоритмы расчета составу тяжелого, легкого и ячеистого бетонов, корректировки состава бетона с учетом различных факторов. Построена математическая модель проектирования оптимального состава бетонной смеси.

На основе обработки заводских экспериментальных данных и рекомендаций по проектированию состава тяжелого бетона, изложенных в нормативных документах, были получены следующие результаты:

1. Уточнена зависимость для определения водоцементного отношения

0,35 Л.

В/Ц=-, (19)

/?5 + 0,03 7^

где 11ц - активность цемента, МПа; Яб — прочность бетона при сжатии, МПа.

2. Получены новые зависимости для определения расхода воды

а) для подвижных смесей

В = — 0,09-Л2 + 4,68-Я + 0,01 -Мкр2- 1,48 •Л/ч,.+ 190,81, (20)

б) для жестких смесей

В = 0,03-Ж2- 1.79-Ж+ 0,02-Мк/- 1,89-М^ + 204,57, (21) где Мщ, — наибольший размер зерен крупного заполнителя, мм; П — подвижность бетонной смеси, см; Ж—жесткость бетонной смеси, с.

3. Получена зависимость для определения нормы расхода цемента

НЦ=0,ЧЛ9-К62 + 4,116- Лб + 135,93. (22)

На основе обработки заводских экспериментальных данных и рекомендаций по проектированию состава легкого бетона, изложенных в нормативных документах, были получены следующие результаты:

1. Получена зависимость для определения расхода цемента

Ц=\92,614+10,5687?б- 0,4687?, - 0,059/?,,, (23)

где /?гг - прочность бетона, МПа; Яч - марка цемента; Я, — марка пористого заполнителя по прочности зерна.

2. Выведены регрессионные уравнения для определения количества воды

а) для подвижной бетонной смеси на керамзитовом гравии

В =219,886 + 5,07677- 2,25Мкр — 0Д69/72 + 0,025МК/, (24)

б) для подвижной бетонной смеси на керамзитовом щебне

В =238,182 + 6,768Я- 2,25Мкр - 0,225772 + 0,025Мкр, (25)

в) для жесткой бетонной смеси на керамзитовом гравии

В =243,982 - 5.122Ж- 2,562Мкр + 0,013ЖМкТ + ОДЗЖ2 + 0,03Ш^Д (26)

г) для жесткой бетонной смеси на керамзитовом щебне В =268,864 - 6,394Ж — 2,Ъ62Мкр + 0,0\ЪЖМкр + 0,17Ж2 + 0,03(27) где Мкр - наибольший размер зерен гравия (щебня), мм; П - подвижность бетонной смеси, см; Ж— жесткость бетонной смеси, с.

3. Получена зависимость для определения объемной концентрации крупного заполнителя ,

теля в цементном тесте, кг/л; В„ — подопотребность песка, %; В — расход воды, л.

Уравнения регрессии (1)—(18), описанные во второй главе, использовались при построении математической модели проектирования оптимального состава бетонной смеси для задания ограничений.

Задача оптимизации состава бетонной смеси сформулирована следующим образом: получение технических характеристик бетона не хуже заданных при минимизации себестоимости бетонной смеси.

При построении математической модели проектирования оптимального состава бетонной смеси в качестве параметров объекта проектирования были выбраны следующие показатели: удобоукладываемость бетонной смеси (ОК); соотношение по массе между мелким и крупным заполнителем (.П/Щ); водоцементное отношение (В/Ц); расход воды (В), песка (Л), цемента (Ц), крупного заполнителя (Щ), добавки (Д); плотность песка (р„), цемента (рч), крупного заполнителя (рщ), добавки (рд); стоимость цемента (Сч), песка (С„), крупного заполнителя (Сщ), воды (Св), добавки (Са); объем бетонной смеси (V).

Математическая модель проектирования оптимального состава бетонной смеси выглядит следующим образом:

<р =1,498-0,0006р 6 +0,255 р3-0,012Вп-0,00016В, (28)

где р — плотность бетона, кг/м3; р3- плотность зерен крупного заполни-

/ = С(х) = СцЦ+ С„ П+ СщЩ + СдД-> тиО

тт ок < ОК < тах^;

ттд <£?<тах£;

юшд <Ц <тахц;

Ю">ЯЩ ¿17/Щ <тахп/щ;

Ш1а д < Д£тахд:

В1Ц = В1Ц,аА-

в

ок

Рц Рп Рщ Рд Т$) = /2(Ц,В{Ц,П/Щ,Д)*Т3

5

Выбор модуля

где х - вектор параметров объекта проектирования; С(х) — себестоимость бетонной смеси; Т(х) — технические характеристики (прочность бетона при сжатии, плотность, морозостойкость бетона), для определения которых используются зависимости (1)-(17).

Пятая глава посвящена описанию создания системы автоматизированного проектирования составов бетонов, включающей в себя несколько модулей: «Подбор состава бетона», «Корректировка состава», «Прогнозирование свойств», «Планирование эксперимента». Работа с модулями осуществляется в диалоговом режиме, реализованном в виде мастера, объединяющего в себе ряд шагов и позволяющего по введенным пользователем данный проектировать и корректировать состав, прогнозировать ха-

--рактеристики получившейся бе-

^ Начало) тонной смеси. Предусмотрены

следующие возможности: сохранение результатов в файле; открытие ранее сохраненного файла; вывод результатов на печать; работа со справочным материалом. Порядок работы с модулями выбирается пользователем, на каждом этапе работы можно вернуться в главное окно и выбрать другой модуль (рисунок 1-2).

Модуль «Подбор состава бетона» позволяет осуществлять подбор состава тяжелого и легкого бетонов с добавками или без них, а также подбор состава ячеистого бетона. За основу расчета количественного состава бетонной смеси были выбраны методики, описанные в литературе, в СНиП, а так же формулы (19)—(28), полученные на основе экспериментальных исследований. Для расчета состава бетона необходимо выбрать вид бетона: тяжелый, легкий или ячеистый. Далее в зависимости от вида бетона осуществляется ввод данных и на основании этих данных определяется количественный состав смеси (рисунок 3).

Модуль «Подбор состава бетона»

Модуль «Корректировка состава»

Модуль «Прогнози-: рование свойств»

Модуль «Планирование эксперимента»

^ Конец ^

Рисунок 1 - Общий алгоритм работь! программы

Ж

Подбор состава бетона

Корректировка состава Прогнозирование свойств Планирование эксперимента

Рисунок 2 — Главное окно приложения

Выбор параметров ¡ Выбор добавок \

Вид бетонной г ирги ' Жзсткая

Требурмая прочность i бетона. МПа ;30 !

без добавок -'•"с добавками: <•' Подвижная ;3 Цемент Песок

Активность цемента, МПа¡37,4 ; Плотность, г/см3 ¡2,65

: Плотность, г/см3 3.1 Водспотреби.% :6

Крупный заполнитель Гравий А Щебень

Наибольшая крупность, мм |40 -Л i Плотность, г/см3 |2,б

Соотношение мелкого и ир заполнв-геяей

Расход воды 156 л ; Расход цемента 307,7 кг j Расход песка 613,3 кг i Расход кр.заполн.1333,2 кг ¡ Добавка - Пластификатор 0,6 кг

■Т ¡I С i, ' I 3 Х/< i :

ЬйЙ» СГ(МвК6 Выбор пара метров Выбор добавок |

Вид добааки '¡Пластификатор 1С гиг ячество. % от магпкт ц^ме.нтя

Плотность, г/сht3 I]

Название ¡Рекомендуемая^дознровка '

ЛСТ(СД]д 0,1-0,5

У1Ш j 0,1-0,25

к

АЛЛ : 0,2-0,6

г ЛСТМ-2 0,1-0.3

N Ш *

Рисунок 3 - Окно подбора состава тяжелого бетона с добавкой

С помощью модуля «Корректировка состава» можно откорректировать состав бетонной смеси (рисунок 4-5). Для составов с добавкой корректировка осуществляется с учетом концентрации и плотности приготовляемого раствора. Откорректировать состав тяжелого или легкого бетона можно с учетом: влажности компонентов бетонной смеси; фактической плотности бетонной смеси; фактической плотности влажных компонентов бетонной смеси и объема бетоносмесителя. Корректировка состава ячеистого бетона осуществляется с учетом фактической плотности растворной смеси, ячеисто-бетонной смеси и ячеистого бетона в сухом состоянии.

«Корректировка по влажности»

«Фактический расход на 1 м3»

«Расход на замес бетоносмесителя»

Справка

Состав............

У4 без добавок;

с добавками; Влаж-ть кр. зап-ля, %\2

Конц. добавки,

Пп-ть раствора, г/сиЗ ,02 Факт : Замес |

Расход сухих Расход с учетом

компонентов, кг (л) влажности, кг (л)

Вода [156 Вода |99,2

Цемент (з07,7 Цемент |307;7 ;

Песок |б1Й Евс<ж |б31,7

Кр. зал-ль {1333,2 ^Р- за.п-ль ¡1359,9

Добавка Щ..............Добавка '

Рисунок 5 — Окно корректировки Рисунок 4 - Алгоритм «Корректировка состава» состава тяжелого (легкого) бетона

С помощью модуля «Прогнозирование свойств» можно определить прочность, плотность и другие свойства тяжелого, легкого или ячеистого бетона, провести технико-экономический анализ состава, а также подобрать оптимальный состав бетонной смеси (рисунок 6-8). В расчетах используются зависимости, полученные в ходе экспериментальных исследований и математическая модель проектирования оптимального состава бетонной смеси.

Рисунок 6 - Алгоритм Рисунок 7 — Фрагмент

«Прогнозирование свойств» алгоритма «Оптимизация»

| Файл. Справка

Активность цемента» МПа |40 | [П^едааритезшный расчет"^ Вид добавки

Водоцементное отношение |0,4б Прочность бетона, МПа 29,2 бет "" ^

Расход материалов, кг (л) Стоимость материалов, руб/т ¡¡Водоцементное отношение 0,46

Вода ¡156^0 Вода |То ¡¡Соотношение мелкого и крупного заполнителей 0,46

¡¡Прочность при сжатии 43,3 МПа

Цемент |339,7 . Цемент И500 ¡¡Плотность 2337,8 кг/вуб.м

Лесок И14 ¡¡Морозостойкость 330 циклов

. Песок. •;605,3 ¡[Себестоимость бетона 2936,10 руб/куб.м

Кр. заполнитель 1Ср. заполнитель 1378

Добавка |гРасчет]| Оптшппяцпя] О^шпка] Назад |

ю Добавка, рубйсг |0

Рисунок 8 - Окно прогнозирования свойств тяжелого бетона

Модуль «Планирование эксперимента» предназначен для математического моделирования процесса проектирования состава бетонной смеси с использованием метода полного факторного эксперимента. С помощью данного модуля можно получать новые зависимости для прогнозирования свойств бетона.

Первоначально в модуле задается количество факторов, затем вводятся их названия, значения основного уровня и интервалов варьирования. Далее автоматически составляется матрица планирования эксперимента для заданных факторов и пользователем вводятся экспериментальные данные Уэ. По введенным данным автоматически составляется уравнение регрессии и производится оценка его адекватности. Полученные уравнения регрессии впоследствии применяются для прогнозирования свойств бетона (рисунок 9-10).

( Начало)

Ввод ХД АХ,

Ш

Составление матрицы планирования

Вывод уравнения/ регрессии

( Конец )

Рисунок 9 — Алгоритм «Планирование эксперимента»

Количество факторов |3 х1 В/Ц х2 1ГЩ эЗ-Вода ¥т=Кгж=37,64-5,74*1-1,4912+1,71x113

*1 [й |г» *

0,45 0.45 190.00 30,2 32.12

0,45 0,45 0.45 0,35 170.00:28.1 190,00 35,3 28,70 35,10

0,45 0.35 0,35 0,45 170,00 34 190.00 39,1 31,68 40,18

0,35 0,45 170,00 47,2 43,60

0,35 0,35 190,00 42,5 43,15

0,35 0.35 170,00 44,7 46,57

0,40 0.40 180,00 36,3

0,40 0.40 180,00 37,5

0,40 0,40 180,00 38,1

Рисунок 10 - Окно планирования эксперимента

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Проведен анализ существующих методик проектирования состава бетона, получены новые зависимости расхода воды, цемента, водоцемент-ного отношения, объемной концентрации зерен крупного заполнителя от параметров компонентов бетонной смеси.

2. Создана база данных по различным видам бетонов и материалов, необходимых для приготовления бетонной смеси.

3. Разработана математическая модель прогнозирования свойств бетона, для которой установлены новые зависимости качественных показателей бетона (прочность при сжатии, плотность, морозостойкость, теплопроводность) от состава бетонной смеси.

4. Разработана математическая модель проектирования оптимальных составов бетонов, позволяющая проектировать бетон различных видов (тяжелый, легкий и ячеистый) с заданными свойствами при минимальных затратах, использующая новые зависимости для задания ограничений на свойства бетона.

5. Разработаны алгоритмы и создана система автоматизированного проектирования составов бетонных смесей и прогнозирования свойств бетона, позволяющая:

• проектировать составы бетонов различных видов: тяжелого, легкого, ячеистого;

• корректировать составы различных видов бетона с учетом влажности компонентов бетонной смеси, фактической плотности бетонной смеси, объема бетоносмесителя;

• прогнозировать требуемые параметры качества бетона на стадии проектирования его состава;

• осуществлять планирование эксперимента с последующей статистической обработкой экспериментальных данных и получать новые зависимости для прогнозирования свойств бетона;

• сократить сроки и повысить эффективность процесса проектирования и, как следствие, улучшить качество бетона при его промышленном производстве на предприятиях строительной индустрии.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Санькова Т.А. Влияние различных факторов на характеристики высокопрочного бетона / Т.А.Санькова, И.Л. Чулкова // Сборник статей Международной научно-технической конференции «Новые энерго- и ресурсосберегающие наукоемкие технологии в производстве строительных материалов», декабрь 2007. - Пенза. - 2007. - С. 258-260.

2. Санькова Т.А. Система автоматизированного проектирования состава бетонных смесей различных видов / Машины, технологии и процессы в строительстве: Труды Международного конгресса, посвященного 45-летию факультета «Транспортные и технологические машины», 6-7 декабря 2007 г. Вестник Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии (СибАДИ). - Омск: СибАДИ, 2007. - Вып. 6. - С. 295-297.

3. Санькова Т.А. Проблемы автоматизированного проектирования строительных конгломератов / Т.А. Санькова, И.Л. Чулкова // Вестник

Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии. — Омск: СибАДИ, 2007.-Вып. 5.-С. 117-120.

4. Санькова Т.А. Автоматизированное регулирование свойств бетона / Развитие дорожно-транспортного комплекса и строительной инфраструктуры на основе рационального природопользования: Материалы II Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, 23-24 мая 2007 г. — Омск: Изд-во СибАДИ, 2007. - Книга 2.-С. 170-173.

5. Санькова Т.А. Автоматизация процесса проектирования состава бетона / Межвузовский сборник трудов молодых ученых, аспирантов и студентов. - Омск: СибАДИ, 2008. - Вып. 5. -Ч. 1. - С. 280-285.

6. Санькова Т.А. Автоматизированное проектирование состава бетона / Т.А. Санькова, И.Л. Чулкова // Всероссийская конференция «Актуальные проблемы строительной отрасли» (65-я научно-техническая конференция НГАСУ (Сибстрин) 8-10 апреля 2008 г.): тезисы докладов. — Новосибирск: НГАСУ (Сибстрин), 2008. - С. 173-174.

7. Санькова Т.А. Свидетельство об отраслевой регистрации разработки № 10712 «Программа для проектирования составов бетонных смесей «БАРСоМ» от 05.06.2008 г. / Т.А. Санькова, И.Л. Чулкова.

8. Санькова Т.А. Свидетельство об отраслевой регистрации разработки № 11455 «ОТН производства железобетонных конструкций» от 18.09.2008 г. / Т.А. Санькова, И.Л. Чулкова, С.М. Кузнецов.

9. Санькова Т.А. Свидетельство об отраслевой регистрации разработки № 11764 «Подбор составов тяжелых бетонов вероятностным методом» от 24.11.2008 г. / Т.А. Санькова, И.Л. Чулкова, С.М. Кузнецов.

10. Чулкова И.Л. Автоматизированный расчет состава бетона и прогнозирование его свойств / И.Л. Чулкова, Т.А. Санькова // Вестник СибАДИ. - Омск: СибАДИ. - № 1 (7). - 2008. - С. 42-46.

11. Чулкова И.Л. Автоматизированное формирование комплектов машин и механизмов для производства бетонных работ / И.Л. Чулкова, Т.А. Санькова, С.М. Кузнецов // Омский научный вестник. - Омск: ОмГТУ. -№ 1 (64).-2008.-С. 64-66.

12. Кузнецов С.М. Оптимизация выбора машин для бетонных работ / С.М. Кузнецов, М.М. Титов, Я.Ю. Веригина, О.С. Опретова, И.Л. Чулкова, Т.А. Санькова // Механизация строительства. - М.: Ладья. - № 9. - 2008. -С. 17-20.

13. Чулкова И.Л. Вероятностная модель подбора составов тяжелых бетонов / И.Л. Чулкова, Т.А. Санькова, С.М. Кузнецов // Известия вузов. Строительство. - 2008. - № 10. - С. 39-43,

14. Чулкова И.Л. Автоматизированный расчет состава тяжелого бетона и прогнозирование его свойств / И.Л. Чулкова, Т.А. Санькова // Вестник Воронежского государственного технического университета. - Воронеж: ВГТУ, 2008. - № 11. - Т. 4. - С. 46-49.

Подписано к печати 11.03.2009. Формат 60x90 1/16. Бумага офсетная. Отпечатано на дупликаторе.

Гарнитура Тайме Усл. п.л. 1,04; уч.-изд. л. 1,00. Тираж 100 экз. Заказ № 55.

Отпечатано в ПО УМУ СибАДИ 644080, г.Омск, пр. Мира, 5

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ПРОБЛЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЦЕССА

ПРОЕКТИРОВАНИЯ СОСТАВОВ БЕТОННЫХ СМЕСЕЙ.

1.1. Классификация бетонов. Анализ влияния компонентов бетонной смеси на характеристики бетона.

1.2. Анализ состояния вопроса автоматизации процесса проектирования состава бетона.

1.3. Анализ методов проектирования состава бетонных смесей.

1.4. Выводы, цели и задачи исследования. Выбор направления исследования.

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОПТИМИЗАЦИИ

ПРОЦЕССА ПРОЕКТИРОВАНИЯ СОСТАВОВ БЕТОННЫХ СМЕСЕЙ.

2.1. Методы математического моделирования в проектировании бетонов.

2.2. Выбор методики планирования эксперимента.

2.3. Методы статистической обработки данных.

2.4. Выбор и обоснование исследуемых факторов, влияющих на качество и свойства бетона.

Выводы.

БЕТОНА.

3.1. Экспериментальные исследования влияния различных факторов на свойства тяжелого бетона.

3.2. Экспериментальные исследования влияния различных факторов на свойства легкого бетона.

3.3. Экспериментальные исследования влияния различных факторов на свойства ячеистого бетона.

Выводы.

ГЛАВА 4. ПОСТРОЕНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ

ПРОЦЕССА ПРОЕКТИРОВАНИЯ СОСТАВОВ БЕТОННЫХ СМЕСЕЙ.

4.1. Расчет состава тяжелого бетона.

4.2. Определение производственного состава бетона.

4.3. Расчет фактического расхода материалов на 1 м3 бетона.

4.4. Расчет расхода материалов на один замес бетоносмесителя.

4.5. Проектирование состава легкого бетона.

4.6. Проектирование состава ячеистого бетона.

4.7. Корректировка состава ячеистого бетона.

4.8. Оптимизация состава бетонной смеси, выбор критериев эффективности.

4.9. Выбор и обоснование критерия оценки адекватности математической модели. Интерпретация математической модели. 94 Выводы.

ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИ

РОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ СОСТАВОВ БЕТОННЫХ СМЕСЕЙ.

5.1. Общие сведения о программе.

5.2. Описание модуля «Подбор состава бетона».

5.3. Описание модуля «Корректировка состава».

5.4. Описание модуля «Прогнозирование свойств».

5.5. Описание модуля «Планирование эксперимента».

5.6. Апробация и внедрение результатов работы.

Выводы.

Промышленность строительных материалов включает ряд отраслей, занятых производством бетонов различных видов, в том числе для промышленного использования. Так, например, особо тяжелые бетоны применяют в специальных сооружениях (ядерных реакторах, атомных электростанциях и пр.) для биологической защиты от радиоактивных воздействий, тяжелые бетоны используются в качестве фундаментов станков, ячеистые — для теплоизоляции стен промышленных зданий, легкие бетоны - в качестве ограждающих конструкций производственных цехов.

В современных условиях особенно остро стоит вопрос о повышении качества бетона без усложнения его состава и об интенсификации его промышленного производства [7, 104]. С каждым годом увеличивается разнообразие бетонов, расширяются области их применения, требования, предъявляемые к ним, сырьевая база производства. В технологии бетона переходят к многокомпонентным рецептурам с добавками-регуляторами, используют новые физико-химические процессы, применяют сложное оборудование с элементами автоматизации и т.д. Потребность в бетоне с различными качественными параметрами с течением времени не уменьшается, однако к его качеству предъявляются все более жесткие требования. Поэтому весьма актуально получение бетона с требуемыми физико-механическими свойствами.

Основными критериями, предъявляемыми к промышленному производству бетона, являются минимально возможные сроки и качество исполнения [17, 79, 112]. На качество продукта влияют качество исходных материалов (вяжущих веществ, наполнителей, заполнителей, химических добавок), а также уровень технологического процесса, персонала и оборудования [43, 124].

Повышение производительности бетонных заводов возможно с одной стороны за счет увеличения производственных площадей и расширения технологических процессов, а с другой стороны за счет повышения производительности имеющегося оборудования и существующих процессов. Оно, в свою очередь, связано с автоматизацией различных производственных процессов: измерения параметров исходного сырья, устройств; расчета рецептур; подачи сырья и формирования смеси, выдачи готового продукта.

Решение данной задачи в значительной степени связано с применением при исследовании бетонной смеси современной технологии математического моделирования и вычислительного эксперимента, реализацией эффективных численных методов и алгоритмов в виде проблемно-ориентированных программ для оптимизации составов бетонных смесей и прогнозирования их эксплуатационных свойств.

Автоматизация проектирования является одним из актуальных направлений совершенствования технологического процесса производства бетонов. Применение автоматизированных систем на стадии проектирования позволяет обеспечить высокое качество проектных решений, сократить материальные и трудовые затраты производства, повысить эффективность труда специалистов.

По времени технологический процесс приготовления бетонной смеси, включая подбор состава и лабораторные испытания занимает около 30 суток [112, 81, 6]. Как отмечается в работах разных авторов [4-8, 17, 23, 47-49, 57, 58, 79, 82, 99, 104, 106, 112] одной из самых важных операций технологического процесса производства железобетонных конструкций является подбор (проектирование) состава бетонной смеси. В результате проектирования состава бетонной смеси должно быть определено соотношение между компонентами, при котором будут гарантированы необходимая подвижность бетонной смеси, определенные качественные показатели готового бетона (прочность бетона в конструкции, морозостойкость, теплопроводность, водонепроницаемость и пр.) и экономичность бетона (например, минимальный расход дорогостоящих или дефицитных компонентов).

Проектирование состава бетона включает следующие этапы:

• назначение требований к бетону;

• выбор материалов и получение данных, характеризующих их свойства;

• определение предварительного состава бетона;

• корректировка состава в пробных замесах.

При корректировке состава проводят предварительные испытания для получения уточненных зависимостей свойств бетона и бетонной смеси, приготовленных на данных компонентах и оборудовании по принятой технологии, от различных факторов. При проведении этих испытаний используются математические методы факторного планирования эксперимента и обработки его результатов [81]. Основная сложность автоматизации проектирования состава бетонной смеси заключается в том, что характеристики компонентов, бетонной смеси и бетона, соответствующие удовлетворительному качеству, имеют нечеткий характер, то есть находятся в определенных диапазонах значений. Как следствие установление связей между параметрами готового изделия (бетона) или прогнозирование его качества представляет собой сложную проблему, решение которой лежит в сфере новых подходов, базирующихся на современных информационных, программных и компьютерных технологиях.

Таким образом, целью диссертационной работы является создание системы автоматизированного проектирования составов бетонов для повышения их качества, прогнозирования свойств и обеспечения снижения трудоемкости и себестоимости процесса проектирования.

Объектом исследования является технологический процесс проектирования состава бетонной смеси для тяжелых, легких и ячеистых бетонов. Предметом исследования является процесс автоматизированного проектирования составов бетонных смесей, оптимальных по структуре и свойствам.

Исходя из цели, в работе поставлены следующие основные задачи:

1) провести анализ существующих методик проектирования состава бетона;

2) создать базу данных по различным видам бетонов и материалов, необходимых для приготовления бетонной смеси;

3) разработать математическую модель для прогнозирования свойств бетона, установить зависимости качественных показателей бетона (прочность при сжатии, плотность, морозостойкость, теплопроводность) от состава бетонной смеси;

4) разработать математическую модель проектирования оптимальных составов бетонных смесей, позволяющую получать бетон с заданными свойствами при минимальных затратах на основе полученных зависимостей свойств бетона;

5) создать систему автоматизированного проектирования составов бетонных смесей и прогнозирования свойств бетона.

Методы и средства исследований. При решении поставленных задач были использованы методы математической статистики, математического моделирования, планирования эксперимента, факторного анализа, нелинейной оптимизации. Экспериментальные исследования проведены на производственной базе заводов железобетонных изделий г. Омска. Численная реализация математических моделей и оптимизационных процедур осуществлялась на ЭВМ с помощью разработанного пакета прикладных программ в среде Delphi. Обработка

Объектом исследования является технологический процесс проектирования состава бетонной смеси для тяжелых, легких и ячеистых бетонов. Предметом исследования является процесс автоматизированного проектирования составов бетонных смесей, оптимальных по структуре и свойствам.

Исходя из цели, в работе поставлены следующие основные задачи:

1) провести анализ существующих методик проектирования состава бетона;

2) создать базу данных по различным видам бетонов и материалов, необходимых для приготовления бетонной смеси;

3) разработать математическую модель для прогнозирования свойств бетона, установить зависимости качественных показателей бетона (прочность при сжатии, плотность, морозостойкость, теплопроводность) от состава бетонной смеси;

4) разработать математическую модель проектирования оптимальных составов бетонных смесей, позволяющую получать бетон с заданными свойствами при минимальных затратах на основе полученных зависимостей свойств бетона;

5) создать систему автоматизированного проектирования составов бетонных смесей и прогнозирования свойств бетона.

Методы и средства исследований. При решении поставленных задач были использованы методы математической статистики, математического моделирования, планирования эксперимента, факторного анализа, нелинейной оптимизации. Экспериментальные исследования проведены на производственной базе заводов железобетонных изделий г. Омска. Численная реализация математических моделей и оптимизационных процедур осуществлялась на ЭВМ с помощью разработанного пакета прикладных программ. Обработка экспериментальных данных осуществлялась на ЭВМ с использованием специализированных программ Microsoft Excel, STATISTICA.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1) разработана математическая модель проектирования и корректировки состава бетонных смесей различных видов (для тяжелого, легкого и ячеистого бетонов) с использованием новых зависимостей для определения расхода воды, цемента, водоцементного отношения, объемной концентрации зерен крупного заполнителя;

2) разработана математическая модель прогнозирования свойств бетона, для которой установлены новые зависимости качественных показателей бетона (прочность при сжатии, плотность, морозостойкость, теплопроводность) от состава бетонной смеси;

3) разработана математическая модель проектирования оптимальных составов бетонных смесей, позволяющая получать бетон с заданными свойствами при минимальных затратах на основе полученных зависимостей свойств бетона;

4) созданы алгоритмы проектирования составов бетонных смесей и прогнозирования свойств бетона.

Практическая значимость работы заключается в следующем.

Создана система автоматизированного проектирования и корректировки составов бетонных смесей, позволяющая:

• проектировать и корректировать составы бетонных смесей для тяжелого, легкого и ячеистого бетонов;

• прогнозировать свойства бетона для спроектированного состава бетонной смеси;

• осуществлять планирование эксперимента для лабораторных испытаний бетона и получать новые зависимости свойств бетона от его состава;

• сократить время, затрачиваемое на проектирование и корректировку состава бетонной смеси;

• улучшить качество бетонной смеси за счет более высокой точности расчетов;

• снизить трудоемкость процесса подбора составов бетонных смесей и проведения лабораторных испытаний;

• сократить расход материалов на стадии проектирования;

• повысить эффективность работы сотрудников строительных лабораторий за счет использования менее квалифицированных сотрудников.

Положения, выносимые на защиту:

1) математическая модель проектирования и корректировки состава бетонных смесей различных видов (для тяжелого, легкого и ячеистого бетонов), использующая новые зависимости для определения расхода воды, цемента, водоцементного отношения, объемной концентрации зерен крупного заполнителя;

2) математическая модель прогнозирования свойств бетона, использующая зависимости качественных показателей бетона (прочность при сжатии, плотность, морозостойкость, теплопроводность) от состава бетонной смеси;

3) математическая модель проектирования оптимальных составов бетонных смесей, позволяющая получать бетон с заданными свойствами при минимальных затратах на основе полученных зависимостей свойств бетона;

4) алгоритмы для автоматизированного проектирования составов бетонных смесей и прогнозирования свойств бетона.

Апробация результатов работы. Основные результаты и положения диссертационной работы докладывались на второй Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, Омск, 23-24 мая 2007 г.; Международной научно-технической конференции «Новые энерго- и ресурсосберегающие наукоемкие технологии в производстве строительных материалов», Пенза, декабрь 2007 г.; Международном конгрессе, посвященном 45-летию факультета «Транспортные и технологические машины» Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии (СибАДИ), Омск, 6-7 декабря 2007 г.; Всероссийской конференции «Актуальные проблемы строительной отрасли» (65-й научно-технической конференции НГАСУ (Сибстрин)), Новосибирск, 8-10 апреля 2008 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, из них три свидетельства об отраслевой регистрации разработки в фонде алгоритмов и программ.

Внедрение результатов работы. Результаты исследований внедрены на Омском комбинате строительных конструкций в бетоносмесительном цехе с 12 мая 2008 г., а также использованы в работе строительной лаборатории ООО «Омский железобетонный завод № 7».

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка используемых источников, включающего 137 наименований, и 10 приложений. Объем диссертации 137 страниц машинописного текста, 35 рисунков, 6 таблиц, 10 приложений.

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

По завершении работы получены следующие результаты:

1. Проведен анализ существующих методик проектирования состава бетона, получены новые зависимости расхода воды, цемента, водоцементного отношения, объемной концентрации зерен крупного заполнителя от параметров компонентов бетонной смеси.

2. Создана база данных по различным видам бетонов и материалов, необходимых для приготовления бетонной смеси.

3. Разработана математическая модель прогнозирования свойств бетона, для которой установлены новые зависимости качественных показателей бетона (прочность при сжатии, плотность, морозостойкость, теплопроводность) от состава бетонной смеси.

4. Разработана математическая модель проектирования оптимальных составов бетонов, позволяющая проектировать бетон различных видов (тяжелый, легкий и ячеистый) с заданными свойствами при минимальных затратах, использующая новые зависимости для задания ограничений на свойства бетона.

5. Разработаны алгоритмы и создана система автоматизированного проектирования составов бетонных смесей и прогнозирования свойств бетона, позволяющая:

• проектировать составы бетонов различных видов: тяжелого, легкого, ячеистого;

• корректировать составы различных видов бетона с учетом влажности компонентов бетонной смеси, фактической плотности бетонной смеси, фактической плотности влажных компонентов бетонной смеси и объема бетоносмесителя;

• прогнозировать требуемые параметры качества бетона на стадии проектирования его состава;

• осуществлять планирование эксперимента с последующей статистической обработкой экспериментальных данных и получать новые зависимости для прогнозирования свойств бетона;

• сократить сроки и повысить эффективность процесса проектирования и, как следствие, улучшить качество бетона при его промышленном производстве на предприятиях строительной индустрии.

1. Адлер Ю.П. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий / Ю.П. Адлер, Е.В. Маркова, Ю.В. Грановский. М.: Наука, 1976.-279 с.

2. Айвазян С.А. Прикладная статистика: Основы моделирования и первичная обработка данных. Справочное изд. / С.А. Айвазян, И.С. Енюков, Л.Д. Мешалкин. М.: Финансы и статистика, 1983. - 471 с.

3. Асатурян В. И. Теория планирования эксперимента. — М.: Радио и связь, 1983.-248 с.

4. Ахвердов. Основы физики бетона, М.: Стройиздат, 1981. - 464 с.

5. Ахвердов И.Н. Теоретические основы бетоноведения. Мн.: Вища школа, 1991.- 188 с.

6. Баженов Ю.М. Способы определения состава различных видов бетона. Учеб. пособие для вузов. М.: Стройиздат, 1975. - 268 с.

7. Баженов Ю.М. Технология бетона: Учеб. для вузов. М.: Высш. шк., 1978.-455 с.

8. Баженов Ю.М. Технология бетона, строительных изделий и конструкций / Ю.М. Баженов, JI.A. Алимов, В.В. Воронин, У.Х. Магдеев. М.: Изд-во АСВ, 2004. - 256 с.

9. Батищев Д.И. Методы оптимизированного проектирования. М.: Радио и связь, 1984.

10. Бахвалов Н.С. Численные методы / Н.С. Бахвалов, Н.П. Жидков, Г.М. Кобельков. -М.: Наука, 1987. 600 с.

11. Беляев Н.М. Метод подбора состава бетона. Изд. 4-е. JL: НИИБ, 1930. -210 с.

12. Бетон и железобетонные изделия. Материалы для изготовления бетона. М.: Издательство стандартов, 1980. - 231 с.

13. Бужевич Г.А. Легкие бетоны на пористых заполнителях. — М.: Стройиздат, 1970. 272 с.

14. Бужевич Г.А., Корнев Н.А. Керамзитожелезобетон. — М.: Стройиздат, 1963.-217 с.

15. Бурлаков Г.С. Технология изделий из легкого бетона. Учебник для вузов / Г.С. Бурлаков, А.Г. Комар. М.: Высшая школа, 1986. - 396 с.

16. Буров Ю.С. Технология строительных материалов и изделий. — М.: Высшая школа, 1971. — 265 с.

17. Вермишев Ю.Х. Основы автоматизации проектирования. М.: Радио и связь, 1988.-279 с.

18. Вершинин В.И. Планирование и математическая обработка результатов химического эксперимента: учебное пособие / В.И. Вершинин, Н.В. Перцев. Омск: Изд-во ОмГУ, 2005. - 216 с.

19. Вознесенский В.А. Современные методы оптимизации композиционных материалов / В.А. Вознесенский, В.М. Выровой, В.Я. Керш и др. К.: Буд1вельник, 1983. - 144 с.

20. Гаас С. Линейное программирование. М.: Изд-во физ-мат. литературы, 1961.-270 с.

21. Гардан И. Машинная графика и автоматизация проектирования / И. Гардан, М. Люка. М.: Мир, 1987. - 272 с.

22. Гершберг О.А. Технология бетонных и железобетонных изделий. Изд. 2-е, переработанное и дополненное. М., Стройиздат, 1971. - 360 с.

23. Глаголев А.А. Введение в линейное программирование. М.: МИНХ им. Плеханова, 1961. — 280 с.

24. ГОСТ 10180-90. Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам. М.: Издательство стандартов, 1990. - 45 с.

25. ГОСТ 18105-86. Бетоны. Правила контроля прочности. М.: Издательство стандартов, 1989. — 17 с.

26. ГОСТ 22690-88. Бетоны. Определение прочности механическими методами неразрушающего контроля. М.: Издательство стандартов, 1988.-26 с.

27. ГОСТ 24026-80. Исследовательские испытания. Планирование эксперимента. Термины и определения. М.: Издательство стандартов, 1980. - 19 с.

28. ГОСТ 13015.0-83. Конструкции и изделия бетонные и железобетонные сборные. Общие технические требования. М.: Издательство стандартов, 1986.-13 с.

29. ГОСТ 7473-94. Смеси бетонные. Технические условия. М.: ГУП ЦПП, 2003.- 18 с.

30. ГОСТ 10178-85. Портландцемент и шлакопортландцемент. Технические условия. М.: Издательство стандартов, 1988. - 7 с.

31. ГОСТ 310.6-85. Цементы. Методы испытаний. М.: Издательство стандартов, 1985. - 39 с.

32. ГОСТ 310.4-81. Цементы. Методы определения предела прочности при изгибе и сжатии. М.: Издательство стандартов, 1983. 14 с.

33. ГОСТ 27006-86. Бетоны. Правила подбора состава. М.: Издательство стандартов, 1987. — 12 с.

34. ГОСТ 8736-93. Песок для строительных работ. Технические условия. -М.: Издательство стандартов, 1995. 13 с.

35. ГОСТ 8735-88. Песок для строительных работ. Методы испытаний. -М.: Издательство стандартов, 1989. 32 с.

36. ГОСТ 8267-93. Щебень и гравий из плотных пород для строительных работ. Технические условия. М.: ГУП ЦПП, 2001. - 20 с.

37. ГОСТ 8269.0-97. Щебень и гравий из плотных горных пород и отходов промышленного производства для строительных работ. Методы физико-механических испытаний. М.: ГУП ЦПП, 1998. - 99 с.

38. ГОСТ 23732-79. Вода для бетонов и растворов. Технические условия. М.: Издательство стандартов, 1998. - 5 с.

39. ГОСТ 25820-2000. Бетоны легкие. Технические условия. М.: Госстрой России, ГУП ЦПП, 2001. - 17 с.

40. ГОСТ 7473-94. Смеси бетонные. Технические условия. М.: ИПК Издательство стандартов, 1996. - 11 с.

41. ГОСТ 25485-89 Бетоны ячеистые. Технические условия. М.: Издательство стандартов, 1993. — 21 с.

42. Гордон С.С. Прогноз долговечности железобетонных конструкций / Бетон и железобетон. 1992. - № 6. - С. 23-25.

43. Грувер М. САПР и автоматизация производства. Пер. с англ. / М, Грувер, Э. Зиммерс. М.: Мир, 1987. - 528 с.

44. Гусев Б.В. Бетон и железобетон. Справочник. М.: Стройиздат, 1998. -250 с.

45. Данциг Дж. Линейное программирование, его применения и обобщения. -М.: Прогресс, 1966. 600 с.

46. Дворкин Л.И. Основы бетоноведения / Л.И. Дворкин, О.Л. Дворкин. -СПб.: Строй-бетон, 2006. 692 с.

47. Дворкин Л.И. Оптимальное проектирование составов бетона. Львов: Вища школа, 1981. - 159 с.

48. Дворкин Л.И. Проектирование составов бетона с заданными свойствами / Л.И. Дворкин, О.Л. Дворкин. Ровно, РГТУ, 1999. - 202 с.

49. Джонсон Н. Статистика и планирование эксперимента в технике и науке. Т1 / Н. Джонсон, Ф. Лион. -М.: Мир, 1980. 610 с.

50. Джонсон Н. Статистика и планирование эксперимента в технике и науке: Методы планирования эксперимента / Н. Джонсон, Ф. Лион. — М.: Мир, 1981.-520 с.

51. Дмитренко Е.Н. Использование автоматизированного проектирования для оптимизации составов композиционных материалов // Тез. докл. междунар. науч.-техн. конф. Омск: ОмГТУ, 2005. — С. 273-276.

52. Довжик В.Г. Назначение составов высокопрочных керамзитобетонов. Центральное бюро технической помощи / В.Г. Довжик, В.А. Дорф. -М.: Стройиздат, 1966. 145 с.

53. Довжик В.Г. Технология высокопрочного керамзитобетона / В.Г. Довжик, В.А. Дорф, В. П. Петров. М.: Стройиздат, 1976. - 136 с.

54. Дорф В.А. Исследование прочности и деформативности керамзита в бетоне. Сб. ВНИИЖелезобетона «Исследования по технологии сборного железобетона». -М.: Стройиздат, 1968. 180 с.

55. Еремин И.И. Теория линейной оптимизации. Екатеринбург: Издательство «Екатеринбург», 1999. - 312 с.

56. Иванов И.А. Технология легких бетонов на искусственных пористых заполнителях. Учеб. пособие для вузов. М.: Стройиздат, 1974. — 287 с.

57. Ицкович С.М. Технология заполнителей бетона / С.М. Ицкович, Л.Д. Чумаков, Ю.М. Баженов. М.: Высшая школа, 1991. - 272 с.

58. Касторных Л.И. Добавки в бетоны и строительные растворы. Учебно-справочное пособие. Ростов н/Д.: Феникс, 2005. - 221 с.

59. Калихман И.Л. Сборник задач по математическому программированию. М.: Высшая школа, 1975. - 311 с.

60. Кафаров В.В. Основы автоматизированного проектирования химических производств / В.В. Кафаров, В.Н. Ветохин. М.: Наука, 1987.-623 с.

61. Королев И.В. Пути экономии цемента. М.: Транспорт, 1986. - 313 с.

62. Комисаренко Б.С. Керамзит и керамзитобетон / Б.С. Комисаренко, А.Г. Чикноворьян. -М.: АСВ, 1993. 284 с.

63. Корячко В.П. Теоретические основы САПР. Учебник для вузов / В.П. Корячко, В.М. Курейчик, И.П. Норенков. М.: Энергоатомиздат, 1987.-400 с.

64. Красовский Г.И. Планирование эксперимента / Г.И. Красовский, Г.Ф. Филаретов. -Мн.: Изд-во БГУ, 1982. 302 с.

65. Кудяков А.И. Проектирование неавтоклавного пенобетона / А.И. Кудяков, Д.А. Киселев // Строительные материалы. 2006. - № 8. - С. 8- 9.

66. Контроль качества с помощью персональных компьютеров / Т. Макино, М. Охаси и др. М.: Машиностроение, 1991. - 224 с.

67. Курицкий Б.Я. Поиск оптимальных решений средствами Excel 7.0. — СПб.: BHV-Санкт-Петербург, 1997. 384 с.

68. Львович К.И. Песчаный бетон и его применение в строительстве. — СПб.: Строй-бетон, 2007. 320 с.

69. Математика ставит эксперимент. Моисеев Н.Н. М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1979, 224 с.

70. Маркова Е.В. Комбинаторные планы в задачах многофакторного эксперимента / Е.В. Маркова, А.Н. Лисенков. М.: Наука, 1979. - 348 с.

71. Миронов С.А. Бетоны автоклавного твердения / С.А. Миронов и др.. М.: Стройиздат, 1968. - 256 с.

72. Монахов В.М. Методы оптимизации. Применение математических методов в экономике. Пособие для учителей / В.М. Монахов, Э.С. Беляева, Н.Я. Краснер. М.: Просвещение, 1978. - 176 с.

73. Монтгомери Д.К. Планирование эксперимента и анализ данных. Л.: Судостроение, 1980. - 384 с.

74. Налимов В.В. Статистические методы планирования экстремальных экспериментов / В.В. Налимов, Н.А. Чернова. М.: Наука, 1965. - 340 с.

75. Норенков И.П. Основы автоматизированного проектирования: Учебник для вузов. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. - 336 с.

76. Онацкий С.П. Производство керамзита. М.: Госстройиздат, 1971. -311 с.

77. Острейковский В.А. Теория систем. М.: Высш. школа, 1997. - 240 с.

78. Попов JI.H. Строительные материалы и детали. М.: Стройиздат, 1973.-392 с.

79. Ратинов В.Б. Добавки в бетон / В.Б. Ратинов, Т.И. Розенберг. М.: Стройиздат, 1989. - 186 с.

80. Руководство по подбору составов тяжелого бетона. / НИИ бетона и железобетона Госстроя СССР. -М.: Стройиздат, 1979. 103 с.

81. Рыбьев И.А. Строительное материаловедение. — М.: Высш. шк., 2002. -701 с.

82. Санькова Т.А. Автоматизация процесса проектирования состава бетона / Межвузовский сборник трудов молодых ученых, аспирантов и студентов. Омск: СибАДИ, 2008. - Вып. 5. - Ч. 1. - 355 с. С. 280-285.

83. Санькова Т.А. Проблемы автоматизированного проектирования строительных конгломератов / Т.А. Санькова, И.Л. Чулкова // Вестник Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии. Омск: СибАДИ, 2007. - Вып. 5. - С. 117-120.

84. Санькова Т.А. Свидетельство об отраслевой регистрации разработки № 10712 «Программа для проектирования составов бетонных смесей «SAPCoM» от 05.06.2008 г. / Т.А. Санькова, И.Л. Чулкова.

85. Сарапин И.Г. Подбор составов плотных легких бетонов методом оптимальных соотношений. Центральное бюро техн. информ. / И.Г. Сарапин, Я.Ш. Штейн, М.И. Кондратьев. М., Стройиздат, 1970. -220 с.

86. Сизов В.П. Проектирование составов тяжелого бетона. — М.: Стройиздат, 1980. 144 с.

87. Сизов В.П. Рациональный подбор составов тяжелого бетона. М.: Стройиздат, 1995. - 174 с.

88. Симонов М.З. Основы технологии легких бетонов. М.: Стройиздат, 1973.-584 с.

89. Слотин Ю.С. Композиционное планирование регрессионного эксперимента. М.: Знание, 1983. - 52 с.

90. СН 277-80. Инструкция по изготовлению изделий из ячеистого бетона. -М.: Стройиздат, 1981. -35 с.

91. СНиП 3.06.04-91. Мосты и трубы. Приложение 4. М.: Издательство стандартов, 1991.-45 с.

92. СНиП 3.09.01-85. Производство сборных железобетонных конструкций и изделий/Госстрой СССР. — М.: Издательство стандартов, 1988. — 45 с.

93. СНиП 5.01.23-83. Типовые нормы расхода цемента для изготовления бетонов, сборных и монолитных бетонных, железобетонных изделий и конструкций / Госстрой СССР. М.: Стройиздат, 1985. - 44 с.

94. Сорокер В.И. Производственные расчеты состава бетона. М.: Стройиздат, 1933. -235 с.

95. Статистические методы в инженерных исследованиях (Лабораторный практикум). Под ред. Г.К. Круга. М.: Высшая школа, 1983. - 216 с.

96. Сулименко Л.М. Технология минеральных вяжущих материалов и изделий на их основе: Учеб. для вузов. 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 2005. - 334 с.

97. Терехов JI.JI. Экономико-математические методы. М.: Статистика, 1968.-360 с.

98. Технология бетона. Учебник. Ю.М. Баженов. М.: Изд-во АСВ, 2003. -500 с.

99. Феклистов В.Н. К оценке формирования пенобетонной структуры различной плотности / Строительные материалы. 2002. - № 10. - С. 16-17.

100. Френкель И.М. Основы технологии тяжелого бетона. М.: Стройиздат, 1966.- 148 с.

101. Хилл П. Наука и искусство проектирования. Методы проектирования, научное обоснование решений / Пер. с англ. Коваленко Е. Г. / Под ред. Венды В. Ф. -М.: Мир, 1973. 262 с.

102. Хокс Б. Автоматизированное проектирование и производство. М.: Мир, 1991.-269 с.

103. Чалый В. Д. Планы эксперимента высоких порядков для идентификации объектов: Учеб. пособие. М.: Изд-во МИФИ, 1987. -64 с.

104. ПО.Чулкова И. Л. Автоматизированный расчет состава бетона и прогнозирование его свойств / И.Л. Чулкова, Т.А. Санькова // Вестник СибАДИ. Омск: СибАДИ. - № 1 (7). - 2008. - С. 42-46.

105. Чулкова И.Л. Автоматизированное формирование комплектов машин и механизмов для производства бетонных работ / И.Л. Чулкова, Т.А. Санькова, С.М. Кузнецов // Омский научный вестник. ОмГТУ. № 1 (64). 2008.-С. 64-66.

106. Шестоперов С.В. Технология бетона. Учебное пособие для вузов. -М.: Высшая школа, 1977. 432 с.

107. Шмигальский В.Н. Оптимизация составов цементобетонов. — Кишинев: Мир, 1981. 123 с.

108. Энкарначчо Ж. Автоматизированное проектирование. Основные понятия и архитектура систем. Пер. с англ. / Ж. Энкарначчо, Э. Шлехтендаль. М.: Радио и связь, 1986. - 288 с.

109. Эсбенсен К. Анализ многомерных данных. Избранные главы / Пер. с англ. С.В. Кучерявского; Под ред. О.Е. Родионовой. Черноголовка: Изд-во ИПХФ РАН, 2005. - 160 с.

110. Alavi-Fard, М., and Marzouk, Н. "Bond Behaviour of High Strength Concrete," Magazine of Concrete Research, V. 56, No. 9, Nov. 2004, pp. 545-557.

111. Alavi-Fard, M., and Marzouk, H., "Bond Strength of High Strength Concrete Pull Out Cyclic Loading," Canadian Journal of Civil Engineering, V. 29, Mar.-Apr. 2002, pp. 191-200.

112. Concrete Admixture Handbook / Properties, Science and Tecnology. V.S. Ramachandran, Noyes Publications, New Jersey, USA, 1984. 340 p.

113. Design and Control of Concrete Mixture. Portland Cement Association, Ottava, 1984.- 120 p.

114. Dewar J.D. Computer Modelling of Concrete Mixture. London, New Jork: E&FN Spon, 1999. - 256 p.

115. Devore, Jay L. Probability and Statistics for Engineering and the Sciences. 4th ed. Wardsworth Publishing, 1995. 720 p.

116. Esfahani, M. R., and Rangan, В. V., "Reinforcing Steel-Concrete Bond in Normal and High Strength Concrete," International Conference on High Performance High Strength Concrete, Perth, Australia, 1998, pp. 367-378.

117. Javed В Malik. Designing to Minimum Concrete Dimensions: Focusing on member size can defeat the purpose / Concrete International. Farmington Hills: Jul 2007. pg. 44, 4 pgs.

118. Ken W. Day. Concrete mix design, quality control and specification // Academic Press, Boston, MA, 2003. 432 p.

119. McCall, Robert B. Fundamental Statistics for the Behavioral Sciences. 5th ed. New York: Harcourt Brace Jovanovich, 1990. 440 p.

120. Press, William H., Saul A. Teukolsky, William T. Vetterling, and Brian P. Flannery. Numerical Recipes in C: The Art of Scientific Computing. 2nd ed. New York: Cambridge University Press, 1992. 230 p.

121. Short A. Lightweigt Concrete / A. Short, W. Kinniburgh. London, New York, 1963.-200 p.

122. Aci Committee. Silica fume in concrete. ACI Materials Journal, v. 84, n.02, 1987, p. 158-166.

123. Bremner, T. W. and Holm, T. A. High-Performance Lightweight Concrete -A Review, ACI SP-154, 1995. pp. 1-19.131. www.snip8.narod.ru/project.html.132. www.kolasc.net.ru/cgi-bin/tech.pll?n=845126507.

124. Кузнецов C.M. Оптимизация выбора машин для бетонных работ / С.М. Кузнецов, М.М. Титов, Я.Ю. Веригина, О.С. Опретова, И.Л. Чулкова, Т.А. Санькова // Механизация строительства. М.: Ладья. — № 9. 2008.-С. 17-20.

125. Санькова Т.А. Свидетельство об отраслевой регистрации разработки № 11455 «ОТН производства железобетонных конструкций» от 18.09.2008 г./Т.А. Санькова, И.Л. Чулкова, С.М. Кузнецов.

126. Чулкова И.Л. Вероятностная модель подбора составов тяжелых бетонов / И.Л. Чулкова, Т.А. Санькова, С.М. Кузнецов // Известия вузов. Строительство. 2008. - № 10. - С. 39-43.

127. Санькова Т.А. Свидетельство об отраслевой регистрации разработки № 11764 «Подбор составов тяжелых бетонов вероятностнымметодом» от 24.11.2008 г. / Т.А. Санькова, И.Л. Чулкова, С.М. Кузнецов.

128. Чулкова И.Л. Автоматизированный расчет состава тяжелого бетона и прогнозирование его свойств / И.Л. Чулкова, Т.А. Санькова // Вестник Воронежского государственного технического университета. — Воронеж: ВГТУ, 2008. № 11. - Т. 4. - С. 46-49.