автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Технологические принципы управления макроструктурообразованием газосиликата с использованием фактора давления внешней газовой фазы

На правах рукописи

Резапов Александр Александрович

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ УПРАВЛЕНИЯ МАКРОСТРУКТУРООБРАЗОВАНИЕМ ГАЗОСИЛИКАТА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ФАКТОРА ДАВЛЕНИЯ ВНЕШНЕЙ ГАЗОВОЙ ФАЗЫ

Специальность 05.23.05 - Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Воронеж - 2011

- 8 ДЕК 2011

005005370

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

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Шмитько Евгений Иванович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Коломацкий Александр Сергеевич

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Потамошкева Нина Дмитриевна

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджет-

ное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства» (г. Пенза)

Защита диссертации состоится 23 декабря 2011 г. в 10м 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.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского ГАСУ. Автореферат разослан 21 ноября 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Власов В. В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время в строительстве используется множество различных стеновых материалов, отличающихся прочностными и теплозащитными свойствами. Одним из наиболее эффективных и востребованных материалов, используемых для возведения ограждающих конструкций, является силикатный ячеистый бетон автоклавного твердения (газосиликат).

Определяющим этапом в технологии газосиликата является стадия поризации, на которой формируется ячеистая структура получаемого материала. При этом качество образующейся макроструктуры в значительной мере определяет прочностные и эксплуатационные показатели изделий из газосиликата. Однако, ввиду достаточно сложной технологии производства, не всегда удается обеспечить его бездефектную структуру. Даже на передовых предприятиях, работающих по зарубежным технологиям и на европейском оборудовании, зачастую имеет место брак, обусловленный, как правило, деструктивными процессами на стадии «созревания» сырца изделий. При этом большинство современных предприятий ориентированы на литьевую технологию формования, которая, несмотря на множество достоинств, обладает существенным недостатком - жесткой привязкой к качеству сырьевых материалов, в особенности к качеству извести, тонкости помола сырья и его чистоте. Имеющие место на практике колебания свойств сырьевых компонентов существенно нарушают ход процесса порообразования, отклоняя его течение от нормального режима, что негативно сказывается на показателях качества получаемых ячеистобетонных изделий.

В данной работе задача управления процессом порообразования решается за счет целенаправленного воздействия на баланс внутренних и внешних сил, действующих в пределах образующихся ячеистых пор. В качестве управляющего параметра выступает давление внешней газовой фазы, приложение которого обеспечивается при производстве изделий в закрытых герметичных формах или камерах. Предлагаемая технология аналогов в отечественной и мировой практике не имеет.

Целью диссертационной работы является теоретическое обоснование и практическое подтверждение возможности использования давления внешней газовой фазы как эффективного технологического приема, обеспечивающего управление процессом порообразования и повышение качества изделий из ячеистого силикатного бетона автоклавного твердения.

Основные задачи работы:

- выявить характерные структурные несовершенства газосиликата в современной технологии;

- установить взаимосвязи между структурными несовершенствами ячеистого силикатного бетона и технологическими факторами его получения;

- предложить модельные представления процессов поризации ячеистого бетона и выявить наиболее значимые управляющие факторы;

- обосновать возможность управления формированием бездефектных структур за счет фактора давления внешней газовой фазы;

- выявить благоприятные, с точки зрения получения структур высокого качества, режимы формования с использованием давления внешней газовой фазы;

- разработать математическую модель процесса порообразования как основу управления макроструктурообразованим ячеистого силикатного бетона за счет фактора давления внешней газовой фазы;

- проверить работоспособность полученной модели в реальном технологическом процессе;

- разработать основные положения для решения задачи автоматического управления процессом порообразования с использованием современных средств обработки и передачи информации;

- разработать практические предложения по внедрению новой технологии формования ячеистого силикатного бетона на действующих предприятиях;

- оценить технико-экономическую эффективность предлагаемых технологических решений.

Объект исследований - ячеистобетонная смесь, ячеистый бетон-сырец, ячеистый силикатный бетон автоклавного твердения пониженной плотности (менее 400 кг/м3).

Теоретической и методологической основой исследований являются разработки отечественных и зарубежных ученых в области физической и коллоидной химии, материаловедения, технологии ячеистых бетонов. Для решения задач, поставленных в диссертационной работе, использовались стандартные и нестандартные методики, позволяющие оценить ключевые параметры процесса порообразования и основные характеристики создаваемой макроструктуры ячеистого силикатного бетона.

Научная новизна работы:

1) впервые обосновано использование дополнительного фактора управления процессами порообразования в литьевой технологии газосиликата - фактора давления внешней газовой фазы;

2) в рамках решения основной задачи рассмотрен баланс внутренних и внешних сил, определяющих развитие газовой пористости; исходя из этих предположений обоснована возможность эффективного управления процессом порообразования;

3) предложена новая методика морфометрического анализа структуры ячеистого бетона, базирующаяся на принципе избирательной декомпозиции его структурных элементов, что послужило основой для качественной и количественной идентификации характеристик макроструктуры газосиликата, полученного в исследованных режимах;

4) научно обоснованы оптимальные, с точки зрения получения структур высокого качества, режимы формования с использованием внешнего давления газовой фазы как управляющего фактора; выявлены граничные условия его эффективного использования;

5) разработана математическая модель процесса газовыделения, на основе которой разработан алгоритм определения оптимальной величины прилагаемого внешнего давления, обеспечивающего получение высококачественной структуры ячеистого бетона.

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 состоит в возможности использования давления внешней газовой фазы как эффективного управляющего фактора, обес-

печивающего получение высококачественных изделий с бездефектной макроструктурой, высокими прочностными показателями и высокими эксплуатационными свойствами. Разработанные подходы позволяют автоматизировать процесс поризации смеси. За счет предлагаемых решений уменьшается зависимость протекания процесса поризации смеси от колебаний свойств сырьевых компонентов, повышается стабильность показателей качества выпускаемой продукции.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях международного, республиканского и др. уровней: «Молодежь и XXI век» (Курск, 2008); «Наука, техника и технология XXI века» (Нальчик, 2009); «Инновации в сфере науки, образования и высоких технологий» (Воронеж, 2009); «Высокие технологии в экологии» (Воронеж, 2010); на 15 академических чтениях РААСН «Достижения и проблемы материаловедения и модернизации строительной индустрии» (Казань, 2010); на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Воронежского ГАСУ (Воронеж, 2008-2011).

Внедрение результатов работы. Результаты теоретических и экспериментальных исследований приняты к практической реализации в рамках реконструкции ЗАО «Воронежский комбинат строительных материалов» в составе организационно-технических мероприятий при организации производства изделий из газосиликата. Разработаны технологические рекомендации по производству стеновых блоков из ячеистого силикатного бетона плотностью D350, формуемых по предлагаемой технологии.

Результаты экспериментальных исследований, полученные при выполнении диссертационной работы, внедрены в учебный процесс в Воронежском ГАСУ по специальности 270106 «Производство строительных материалов, изделий и конструкций» при изучении дисциплин «Технология автоклавных материалов» и «Технология изоляционных строительных материалов и изделий», а также при выполнении УИРС по курсу «Основы научных исследований и технического творчества».

На защиту выносятся:

- закономерности процессов макроструктурообразования ячеистых силикатных бетонов и способы управления этими процессами;

- подходы к идентификации качественных характеристик ячеистых структур;

- научное обоснование возможности использования давления внешней газовой фазы как эффективного управляющего фактора в технологии ячеистых силикатных бетонов;

- результаты экспериментальных исследований влияния давления внешней газовой фазы на физико-механические свойства ячеистого силикатного бетона;

- основные подходы и алгоритм автоматического управления процессом поризации силикатобетонной смеси;

- практические рекомендации по управлению процессом поризации за счет фактора давления внешней газовой фазы.

Публикации. Результаты исследований изложены в 8 опубликованных работах общим объемом 38 с. (личный вклад автора - 28 е.), из них 2 - в изданиях из перечня ВАК. По материалам исследований подана заявка на регистрацию компьютерной программы «MORFO», позволяющей производить морфометрический анализ структуры загружаемых изображений.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, основных выводов, изложена на 192 страницах и содержит 144 страницы машинописного текста, 66 рисунков, 24 таблицы, список литературы из 129 наименований и 2 приложения.

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

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

В первой главе представлен анализ исследований по управлению процессами порообразования при производстве газосиликата, выполненных российскими и зарубежными учеными: A.M. Меркиным, H.H. Левиным, К.Э. Горяйновым, Д. Г. Зем-цовым, Н.П. Сажневым, ГЛ. Кунносом, А.Н. Черновым, A.A. Фединым, Е.М. Чер-нышовым, Н.И. Шмитько и др. При изучении механизма вспучивания ячеистобе-тонной смеси большинство исследователей пришло к выводу о том, что для нормального процесса формирования ячеистой структуры необходимо обеспечить определенное соотношение между скоростью газообразования и изменением реологических характеристик поризуемой смеси. Лучшими условиями формования газо-силикага следует считать совпадение периода максимального газовыделения с оптимальными значениями пластично-вязких характеристик.

На основании теоретических изысканий были выявлены основные причины, приводящие к деструктивным явлениям на стадии поризации и снижению показателей качества готовой продукции. Рассмотрены основные приемы управления процессами макроструктурообразования. Доказано несовершенство рецептурного управления процессом формования в литьевой технологии газосиликата, которое заключается в отсутствии возможностей оперативного управления процессом при отклонении его протекания от оптимума.

На основе модельных представлений Д. И. Штакельберга, касающихся развития газового пузырька в вязкопластнчной среде, определены внутренние и внешние силы, влияющие на развитие газовых пор в формуемой смеси. По своей направленности это силы растягивающего (Ррм) и сжимающего (Р1ЖИЧ) давления (рис. 1).

Сжимающее давление определяется:

- давлением поверхностного натяжения о в пузырьке на границе «газ-жидкость», Р.,=2а/г (давление Лапласа);

- сопротивлением расширению пузырька - 4;шг, обусловленным предельным напряжением сдвига растворной составляющей о,;

- гидростатическим давлением над пузырьком столба жидкости (высотой h, плотностью рж), P,,u|, = p*gh;

гидростатическим давлением газа па свободной поверхности жидкости, в которой формируется пузырек, Р0

Свободная поверхность

Водная пленка но границе раздела фаз

Соседние поры

Вязко-пластичная растворная составляющая

Гаэовая пора

Рис. I. Модель взаимодействия

внутренних и внешних сил относительно газового пузырька в известково-песчаной смеси

Сжимающему давлению Рсжим противодействует внутреннее давление газа в пузырьке Р,, складывающееся из парциальных давлений водяного пара Р"п,,"и замкнутого в нем газа Р"ари, образующегося в результате взаимодействия алюминия с водой в щелочной среде.

Для условий динамического равновесия получено уравнение баланса давлений, действующих в пределах газового пузырька:

р«™ = Р'Г + РГ", или Р'Г + ?Т = 2о / г + ря8ь + Р„ + 4яат. (1)

На основании (1) рассмотрены возможные пути воздействия на технологический процесс в случае его отклонений от оптимума.

Обосновано, что наиболее опасной с точки зрения возникновения деструктивных процессов является заключительная стадия порообразования, когда меж-поровые перегородки, теряя пластичность, утрачивают способность к релаксации растягивающих напряжений, обусловленных внутрипоровым давлением водорода и температурным расширением газовой фазы.

Доказано, что устойчивость образующейся ячеистой структуры будет обеспечена, если растягивающие напряжения в межпоровых перегородках компенсируются результирующей сжимающих сил от внешнего давления вплоть до момента приобретения растворной составляющей необходимой прочности. Среди сжимающих внешних давлений основная роль должна принадлежать искусственно создаваемому дополнительному давлению внешней газовой фазы, которое следует рассматривать как управляющий технологический фактор, позволяющий оперативно вмешиваться в процесс.

Рассмотрена и другая проблема, когда на стадии активного роста массива вследствие нестабильности свойств сырьевых компонентов вязкость растворной составляющей недостаточна для удержания крупных пор в объеме смеси, что приводит к так называемому эффекту «ложного кипения», связанному с интенсивной потерей внутрипорового газа и повышением плотности газосиликата. Предотвратить развитие подобной ситуации представляется возможным также за счет приложения избыточного давления внешней газовой фазы, действующей на свободную поверхность формуемого изделия, и тем самым уменьшить радиус пор, их подъемную силу и в конечном итоге оперативно устранить рассматриваемый вид брака.

Опираясь на вышеизложенное, выдвинута рабочая гипотеза, которая заключается в том, что ускорить процесс поризации растворной смеси или замедлить его можно путем целенаправленного воздействия на баланс внутренних давлений, представленных в уравнении (1), путем изменения составляющей (Рл + Рг+ Р0), а именно варьированием давления свободной поверхности Ро, которое мы назвали давлением внешней газовой фазы.

На основе теоретических изысканий сформулированы цель и задачи работы.

Во второй главе представлены методологические и методические подходы к исследованию процессов порообразования. В качестве методологической основы исследований принят системно-структурный метод, который заключается в выявлении элементов системы, описании и установлении функциональных связей между ними. Подобный подход к изучению структуры и технологии бетонов успешно реализован в трудах ученых кафедры технологии строительных изделий и конструкций Воронежского ГАСУ.

Определены этапы выполнения работы.

В исследованиях использовались сырьевые материалы, удовлетворяющие требованиям стандартов: портландцемент производства ОАО «Осколцемент» марки ПЦ 500 ДО (ЦЕМ 142,5Н); кварцевый песок Хохольского карьера Воронежской области; негашеная комовая известь производства ООО «Придонхимстрой Известь» активностью 80-83 %, временем гашения 4-6 мин, температурой гашения 97-100 °С; в качестве замедлителя гашения извести использовался гипс строительный марки Г-5; в качестве газообразователя - пудра алюминиевая марки ПАГ 2, соответствующая требованиям ГОСТ 5494-95, с долей активного алюминия в пределах 86-88 %.

Массоподготовка заключалась в совместном помоле в лабораторной шаровой мельнице извести и части песка при получении ИПВ (1:1), а также в отдельном помоле оставшейся части кварцевого песка. Такой прием позволил обеспечить гибкое регулирование активности сырьевой смеси и высокий уровень ее гомогенности. Алюминиевая пудра вводилась в смесь в составе водно-алюминиевой суспензии, которая готовилась в турбулентном смесителе. Содержание алюминия в суспензии составляло 2,5-3 %.

Перемешивание сырьевых компонентов осуществлялось в турбулентном смесителе пропеллерного типа собственной конструкции при частоте 650 об./мин. После перемешивания полученная смесь заливалась в подготовленную форму. На разных этапах исследований использовались 2 вида конструкций форм: открытая и закрытая герметичная. После заливки смеси и окончания вспучивания форма с сырцом помещалась в термостатированную камеру, где в течение 1,5-2 ч производилось вызревание сырца при постоянной температуре 65 °С. Такой прием позволяет уменьшить различия в тепловых процессах лабораторного и промышленного производства и обеспечить полное гашение частиц молотой извести до автоклавной обработки. После достижения требуемой пластической прочности производилась распалубка формы, массив-сырец до автоклавной обработки подвергался струнной резке на образцы с номинальными размерами 70x70x70 мм.

Полученные образцы-кубы помещались в сконструированный для этих целей автоклав и подвергались тепловлажностной обработке по следующему режиму: подъем температуры до 175 °С - 1 ч 40 мин; изотермическая выдержка при 175 С - 6,5 ч; свободное остывание - 5-6 ч. По данным А.А.Федина и Е.И. Шмитько, такой режим автоклавной обработки позволяет исключить деструктивное воздейст-

вис пара на макроструктуру массива-сырца в начальным период автоклавирова-пия. Определение физико-механических свойств газосиликата осуществлялось с использованием соответствующих стандартных методик.

Решение поставленных в диссертационной работе целей и задач потребовало разработки дополнительных нестандартных методических приемов, которые использовались наряду со стандартными методами исследований. Среди собственных методических разработок следует отметить методику определения воздухопроницаемости газоенликата на усовершенствованном приборе ПСХ-8. Для серийного прибора была изготовлена специальная насадка, в которую помещались выбуренные образцы-цилиндры газоенликата и иснытывались на воздухопроницаемость по времени прохождения воздуха через толщу образца.

Разработана методика определения степени вспучивания массива бесконтактным методом. Суть ее заключается в видеорегистрацнн и компьютерной обработке смещения точки лазерного луча, падающего под определенным углом к поверхности поризующегося массива.

По оригинальной методике определялась величина внутриноровош давления на стадии поризации. Дня этого в форму со вспучивающейся смесью погружался сосуд с навеской смеси того же состава. В таком случае обеспечивались одинаковые температурные условия протекания процесса газовыделения и расширения газовой фазы. Сосуд соединялся со змеевиком холодильника, в котором выделяющийся водород охлаждался до температуры окружающей среды. Для определения объема выделившегося газа служила бюретка, в которую встраивался жидкостный мениск, своим перемещением тонко реагирующий на изменение объема выделяющегося газа. В ходе эксперимента температура массива и холодильника контролировалась при помощи термометра, высота поднятия массива - при помощи уровнемера. Пластическая прочность измерялась коническим пластометром, при этом величина прикладываемого усилия регистрировалась тензодатчиком. По количеству газа, выделившегося после остановки роста массива, а также температуре и величине норового пространства рассчитывалось избыточное внутрипоровое давление.

В третьей главе определены критерии качества ячеистых структур и способы их оценки. В качестве базового рассматривается морфомстричсскии метод оценки характеристик порового пространства. В результате анализа взаимосвязей между структурой ячеистого материала и его свойствами намечены необходимые для оценки структурные показатели:

- средняя толщина межпоровой перегородки;

- средний диаметр пор;

- коэффициент ячеистой пористости (отношение объема ячеистых пор исследуемого образца к его полному объему);

- средний коэффициент сферичности (отношение наименьшего диаметра пор к наибольшему):

- коэффициент дефектности (отношение объема пор с выраженными дефектами в межпоровых перегородках к объему исследуемого образца);

- распределение площадей пор и числа нор по группам диаметров.

Отмечено, что имеющиеся на сегодня программные продукты для оценки

показателей порового пространства неспособны обеспечить требуемую идентификацию границ пор при наличии значительного количества дефектов в виде слившихся конгломератов, что характерно для изделий пониженной плотности.

11ри изучении макроструктуры ячеистых бетонов такие программы оказываются неадаптированными к рассматриваемым условиям (рис. 2). Наглядно показано, что в реальной ячеистой структуре (б), в отличие ог модельной (а), слившиеся норы воспринимаются прог раммой как единый конгломерат.

Поэтому в рамках диссертационной работы была разработана эффективная компьютеризированная методика определения основных характеристик макроструктуры ячеистого бетона за счет использования принципиально нового способа компьютерной идентификации методом избирательной декомпозиции.

Данный раздел диссертационных исследований выполнен совместно с аспирантом Л.Л. Бедаревым: с его непосредственной помощью теоретические положения удалось преобразовать в программный вид.

1'нс. 2. Результач ы поиска объектов в программе Image Tool 3.0: а модельной с единичными порами; G реальной, е дефектами в виде спайностеи

Разработанный алгоритм включает следующие этапы: загрузку изображения; его предварительную обработку, включающую бинаризацию, фильтрацию и избирательную декомпозицию; морфометрический анализ; вывод параметров па экран. На основе данного алгоритма разработана программа MORFO, в которой осуществляется поиск объектов и определение их признаков с применением мор-фомегрических функций MatLab. Осуществляется вычисление площади каждой поры, её максимальной и минимальной осей инерции, коэффициентов дефектности и сферичности, среднего диаметра, а также пористости и средней толщины межпоровых перегородок. Интерфейс программы представлен на рис. 3.

Разработанная методика и программа анализа изображений использовались в исследованиях как необходимое дополнение к физико-механическим испытаниям, позволяющее раскрыть структурные причины ослабления или повышения прочностных характеристик получаемого газосиликата.

В четвертой главе определены рецептурно-технологические факторы, обеспечивающие управление процессом порообразования в традиционной литьевой технологии газосиликатных изделий. С" этой целью был поставлен трехфакторный оптимизационный эксперимент по методу Бокса-Уилсона с возможностью оптимизации по коэффициенту конструктивного качества.

1 [араллелыю для сравнительного анализа зависимости прочностных характеристик от показателей макроструктуры ячеистого силикатного бетона выполнялся морфометрический анализ образцов.

МОР*ОМСТР«Ч*<ЖАЯ ORPAf STEP 1. Bsitfop шгшфа Открыть серее «73 «П fx* I X х>т>п J |ctrx'! еоо а Коэф пере*ода ; ОК~! ' ! , РО«2ДОтп**т . SJIP 2. 6*н*р*>вц»« i ■ ! , RCM*PMI<<3 nr*к» fO 1) i ' ; j-го ск vOTKA N АНАЛИЗ М30ВРАЖ*НМЙ ШПИФ08 Е>ДОКУ^ТЬГ««6\ДИССЕРТ^^ЦЛЯ\ТЕКУЩИЕ\КСтЕР&11КЯ -МвтериеимС.т wo 014 ЯЙвИЙ rbi^MF *J РЕЗУЛЬТАТЫ Соадмля тллцииа пео«город»м (pixeq 1S5IS3 | : |п*Ч 0 7Й381« Коэффмдожт пористости рЩ ОвЗТЯ ' j Гледочй казф сфяриимост» 0 7*9729 Сутносит кочф дефектности |вП) 18TJ37 И

:) STEP 1 •илътраикя Г- ПврвМРТрЫ рЛ5ЫЫ«ЛИМ0 • I R ¡хюмыкаюввт диске ; м . :j Да'а ОК |j STEP 4. Amohi В -- Пврамвтры анализе-----; г Мах. Размер срв5» fpixe«l ' 1 r'-i si ил» Ркшр поры ■ } | [.л *] k^Mi^J АвСО!»ОТ ко*.двф««тности В г-КгН_»------------------ I t«f) 0651845 ft Cpe#»tS диаметр поо ^ . Djxr ------ )рЫН1 Л 50?? ; | 1 333«? j ; СКО пс> rpvrmSM :7вйГ j погвуплвм | j |

рдоамто----------------------——------------—-------------------- • ---------------- - [Сеафтыяп,] ; И~©с Выхоа \ j. S««»«« j ! l*(iVH»fi<« ! ipwywrerot

Рис. 3. Главное окно программы МОЯ ГО в режиме отображения результатов

Основная задача исследований данного этапа заключалась в определении областей в факторном пространстве, соответствующих характерным вариантам протекания процесса порообразования. При этом установлено, что наиболее существенное влияние на режим поризации оказывают: 1) активность смеси; 2) В/Т отношение; 3) дозировка замедлителя гидратации извести - полуводного гипса.

В результате реализации трехфакторного эксперимента получена математическая модель функции отклика:

ККК = 105.5 • А„, -3,05 • А^ -100.32• Г2 + 300,96• Г + 283.8• В /Т -1087,0, (2) где ККК - коэффициент конструктивного качества, (кН-м2/кг 4)*10 ; А0, - активность смеси, %; В/Т - водотвердое отношение; Г - дозировка гипса, %.

Таким образом, по результатам трехфакторного эксперимента, аналитического исследования функции отклика на экстремум и морфометрического анализа определены рецептурно-технологические параметры оптимального состава газосиликата (модель № 1), а также составов с опережающим нарастанием вязко-пластичных характеристик (модель № 2) и составов с опережающим газовыделением (модель № 3). Именно эти составы (табл. 1) приняты в качестве модельных для дальнейших исследований по оптимизации процесса порообразования за счет давления внешней газовой фазы.

Давление внешней газовой фазы должно прикладываться сообразно повышению внутрипорового давления при газовыделении. Во внимание принимался и тот факт, что неуправляемый режим сброса внешнего давления может отрицательно сказаться на качестве структуры получаемого газосиликата.

Основные показатели макроструктуры

Состав смеси

на I м( (в кодовой записи). К!

Фото макростру ктурь газосиликата

Согласованное во времени протекание процессов газовыделения и нарастания вязко-гшастичных характеристик

Опережающее нарастание вязкопластич-ных характеристик

Опережающее газов ыделение

Таблица 1

1ипичные варианты протекания процесса поризации и составы яченстобетонных смесей

Режим поризации

Поэтому первоначально были определены безопасные режимы сброса давления внешней газовой фазы. Характер воздействия сбрасываемого давления на сформировавшуюся структуру, прежде всего, определяется прочностью межноровых перегородок. В этом направлении произведена серия опытов по определению влияния скорости сброса давления в различные моменты времени после окончания вспучивания на показатель ККК газосиликата.

Из полученных данных следует, что оптимальным режимом снижения давления можно считать такой, который соответствует началу сброса не ранее 90 мин после прекращения роста массива и скорости сброса 0,01 атм/мин. Указанный режим обеспечивает постепенное выравнивание внутрипорового и внешнего давлений в период, когда межпоровые перегородки способны без разрушений противостоять растягивающим напряжениям, связанным с расширением газовой фазы. Кроме того, продолжительность выдержки массива и сброса давления не превышает общепринятую продолжительность предварительной выдержки в литьевой технологии. Подобный режим сброса давления применялся во всех последующих экспериментальных исследованиях.

Далее изучался главный вопрос диссертационных исследований - о влиянии величины давления внешней газовой фазы на структуру и физико-механические свойства получаемого газосиликата.

В течение каждого опыта величина внешнего давления оставалась постоянной на всем протяжении процесса поризации. Установлено, чю воздействие давления внешней газовой фазы на поризуемую смесь приводит к перестройке перового пространства с уменьшением среднего диаметра пор и утончением мсжпоро-вых перегородок (табл. 2).

Таблица 2

Показатели структуры газосиликага в -зависимости от величины приложенного внешнего давления

серии образцов Величина прикладываемого давления, атм. Средняя плотность образцов газосиликата, кг^м' Средним диаметр пор, мм Средняя толщина межпоровых перегородок, мм Средний коэффициент округлости пор Коэффициент дефектности ячеистой структуры

1 0,0 316 1.350 0.561 0,747 0.250

2 0,1 350 1.2X0 (1.517 0,74 0,238

3 0.3 395 1.107 0,470 0.74Й 0.207

4 0.5 424 0,960 0.373 0.737 0,273

5 0.7 455 0.Х29 0.360 0,747 0,421

б 0.9 4X8 0,664 0.407 0.751 0.323

Результаты исследований влияния величины прикладываемого давления на основные физико-механические показатели изделий (рис. 4) также указывают ¡та положительную роль давления внешней газовой фазы, что отражается в повышении показателя ККК и непроницаемости газосиликата. Наибольший положительный эффект наблюдается при поризации смеси под давлением 0,1 - 0,2 агм. В то же время подтвердилось предположение о необходимости варьирования величиной давления внешней газовой фазы в соответствии с фактическими параметрами процесса поризации.

Исходя из этого, одной из целей исследования стала оценка величины внут-рипорового давления в различные периоды поризации смеси. Внутрнлоровое давление рассчитывалось но результатам определения кинетики газовыделения и нарастания пластической прочности. Для сравнительного анализа в качестве объекта исследований были приняты смеси с неонтнмальным (модель № 2) и оптимальным (модель № 1) режимами поризации. При этом контролировались следующие параметры: газовьтделенне, степень вспучивания, температура процесса и предельное напряжение сдвига смеси.

Результаты эксперимента представлены на рис. 5. Из графика с неоптимальным составом (а) следует, что процесс газовыделения продолжается после остановки роста массива, и это приводит к деструктивному повышению внутрипоро-вого давления (кривая 4), при котором его величина достигает 0,17 атм, что сопровождается некоторой осадкой смеси, связанной с частичным разрушением структуры и выходом виутрииорового газа из массива.

Вследствие относительно большой высоты форм, применяемых в заводской технологии, возникли также опасения, связанные с демпфированием и возможностью затухания положительных воздействий внешнего давления в зонах, удаленных от верхней поверхности массива.

т ai 5.2

i sso *\l §¡.0 i iyS ¿9

*.ioc g4S 251 ш

в e ix. *** 25?

"t?iO s äs да | t so в ? ш S« h.s гз5 3.1/ ' 395 *"i5s\

m с I 350 т. S}cl с I3.0 S 2 51 A^jC/j -о— Сребнщп пяпгчбгт, ']!(. —Прочнссть при саатш уи

w ISO 9 &2.0 13 -о-ккг

0 0.1 0.2 0.3 OA 0,5 0.6 o.f t.s 0.9 '

Величина приклодибоемаго даблечи*. атм

У HO * £ 500 § е i,o S) 41

¿¡•Г60 1 '50 I« т 42 3J

l

gs« 1 Ш —Jii.

%350 iv ну i.e

•S я '—о— tptlHm fiimwm.

w §300 iZO О £ "У — Прэчность ери сжатии -o-KhK

е в i в п и л> л т*)? л te*. Продолжительность опита, нин

s«

У

0

S i.ri

1

и

о 0.1 0J 0.3 ОЛ 0,5 0.6 0J Величина прикладываемого даблеиия, awn

Рис. 4. Зависимости средней плотности, прочности при сжатии и показателя ККК газосиликата оптимальной (а) и меоптимальпой (6) рецептуры от величины давления внешней газовой фазы

* * г 1 г

4 то fW jij'Cff at f/"'\.......

Iм /r

I 60 J 8- f ¿7 ! с to /' 1

N I-& r <b >* „

О 0 6 И i 8 12 1* 20 2й 2Я 12 16 U> ti

Продолжительность опша, мин Рис. 5. Изменение контролируемых параметров во времени для неоптимального {а) и оптимального (б) режимов поризашш: I - степень вспучивания, %; 2 - объем выделившегося газа, мл; 3 - пластическая прочность растворной составляющей, КПа; 4 - внутри-норовое давление, КПа

Для проверки этого предположения поставлен эксперимент, целью которого стало определение различий в плотности и структурных характеристиках слоев газосиликата, находящихся на различном удалении от поверхности приложения давления внешней газовой фазы. Высокая сходимость результатов морфометри-чеекого анализа образцов, отобранных из различных уровней массива, указывает на несостоятельность возникших опасений (табл. 3).

Таблица 3

Рс зультаты морфометрической обработки подготовленных снимков ячеистой структуры

a. v о Расстояние от уровня приложения давления до поверхности анализируемого среза, см 1 Средняя плотность образцов, кг/м о, -S J J 1 ь- " 2 & с о. о. о а « = ев Средняя толщина межпоровых перегородок в срезе, мм Средний коэффициент округлости пор Коэффициент дефектное т и (абсолютный)

1 45 469 0.802 0.370 0,743 0,32

2 38 476 0,790 0,402 0.726 0,27

3 31 458 0.840 0.340 0.741 0.25

4 21 461 0.840 0.377 0.731 0.31

5 13 463 0,800 0.396 0.746 0,29

6 7 471 0.760 0,390 0,722 0.26

Среднее значение 466 0.805 0.379 0.735 0,28

С'релнеквэдратичсское отклонение 6,80 0,03 0.02 0,01 0.02

Коэффициент вариации 1,46 3.8 5.9 1.3 8.7

В пятой главе представлены предпосылки к созданию автоматизированной системы управления процессом порообразования за счет фактора давления внешней газовой фазы и доказана эффективность ее работы.

Как уже установлено, величина внутринорового давления в поризуемой смеси изменяется в течение всего процесса поризации. 1 Ьэтому непрерывный контроль за процессом порообразования возможен только при реализации автоматического управления. Исходя из этого, основное внимание было сосредоточено на получении математической модели, достаточно точно описывающей процесс газовыделения. Для решения этой задачи были выявлены основные факторы, определяющие скорость газовыделения. В ходе отсеивающих экспериментов выяснилось, что в качестве действенного фактора, определяющего процесс взаимодействия алюминия с водой в щелочной среде, следует принимать во внимание только температуру реакции. Остальные факторы (дисперсность алюминия, вязкость смеси и рН среды) в исследуемом диапазоне оказывают малозаметное влияние на кинетику газовыделения.

В рамках поставленной задачи была спроектирована и сконструирована установка для определения кинетики газовыделения, позволяющая в автоматическом режиме регистрировать данные, характеризующие процесс поризации при фиксированной температуре смеси. На созданной установке поставлена серия экспериментов, направленных на определение закономерностей газовыделения при различной температуре поризуемой смеси. Результаты определения кинетики газовыделения в зависимости от температуры реакции представлены на рис. 6.

Рис. 6. Экспериментальные

зависимости кинетики газовыделения при различных температурах смеси

О 20 40 60 80 100 120 140

Продолжительность опиши, пин

Установлено, что наиболее подходящей функцией для аппроксимации полученных зависимостей является функция вида

У = 1-е~к\ (3)

где т- продолжительность реакции взаимодействия алюминия с водой в щелочной среде; к - коэффициент аппроксимации, зависящий от температуры реакции.

Аппроксимацией полученных экспериментальных зависимостей идентифицирована обобщенная модель газовыделения, которая является основой для автоматического управления величиной давления внешней газовой фазы:

,, , ¡11.1419-5 Ш ^Г-и.МИИг) г

V = 1 - с' (4)

Полученная модель процесса газовыделения позволила перейти к основной идее определения текущего внутрилорового давления, которая заключается в

оценке объема норового пространства массива и объема газа, выделившегося в результате реакции с учетом температурных поправок. Объем порового пространства можно оценить по степени вспучивания массива, а объем выделившегося газа на текущий момент времени - расчетным путем по модели газовыдсления. Очевидно, что текущее внутрипоровое давление можно принять пропорциональным отношению объема выделившегося газа к объему порового пространства.

Для практической реализации предлагаемого способа разработана автоматическая система управления процессом порообразования, представляющая собой аппаратно-программный комплекс, схематическое изображение и внешний вид которого представлены на рис. 7. Автоматизированная система предусматривает обратную связь по следующим параметрам: температуре смеси и внешней газовой фазы: степени вспучивания смеси; текущему значению давления внутри формы.

Степень вспучивания определяется бесконтактной оптической регистрацией высоты подъема массива при помощи оптико-электронной системы, состоящей из лазерного источника когерентного излучения (4) и видеокамеры (6). регистрирующей смещение падающего под углом светового пучка. Величина давления в герметичной форме (I) определяется с помощью высокоточного датчика давления. Обработка информации и генерация управляющего цифрового сигнала обеспечивается портативным компьютером (IH). Управляющий сигнал обеспечивает своевременное открывание и закрывание электромагнитных клапанов (2,1 I) для нагнетания и спуска сжатого воздуха. Для реализации программной части комплекса разработана SCADA-система.

а) б)

Рис. 7. Схема (а) п фото (б) установки для формования ячеистого силикатного бетона под давлением с системой автоматического управления процессом порообразования: I герметичная форма с выдвижным дном; 2 электромагнитный клапан для сброса давления в форме; 3 датчик давления; 4 лазерный источник светового пучка для контроля уровня роста массива; 5 очиститель конденсата; 6 вебкамера; 7 штатив; 8 термопара хро-мслькоггелсвая; Ч ресивер: 10 манометр Mil l: II впускной электромагнитный клапан; 12 компрессор; 13 измеритель температуры TPMI38 восьмикапалышй; 14 преобразователь интерфейса RS232 АС'2; 15 измеритель двухканальный ТРМ200; 16 преобразователь интерфейса RS485 АС4: 17 трансформатор понижающий; 18 портат ивный компьютер; 19 цифро-дискретлый преобразователь

С использованием разработанной технологии поризации смеси и системы

автоматического управления удалось повысить степень совершенства ячеистой структуры и физико-механические показатели ячеистого силикатного бетона всех 3-х изучаемых составов (рис. 8).

Наиболее значимый эффект наблюдается при формовании неоптимальных по составу модельных смесей № 2 (с опережающим нарастанием вязко-пластичных свойств) и № 3 (с опережающим газовыделением), для которых повышение показателя ККК составило 42 и 52 % соответственно.

Рис. 8. Оценка эффективности воздействия давлением внешней газовой фазы на формируемую ячеистую структуру по показателям коэффициента конструктивного качества и теплопроводпосги: а - поризация в открытой форме по традиционной технологии; б - поризация в закрытой форме под давлением в автоматическом режиме

В шестой главе выполнена технико-экономическая оценка предлагаемого способа поризации, основанная на улучшении физико-механических свойств получаемого газосиликата относительно характеристик изделий, изготавливаемых по традиционной технологии. 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 10,8 млн р.

На основании выполненных исследований предложены технологические рекомендации по реализации разработанного способа формования газосиликата как на вновь создаваемых, так и на действующих предприятиях.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Теоретически обоснована возможность оперативного управления процессом порообразования путем целенаправленного воздействия на динамический баланс внутренних и внешних сил, действующих в ячеистых порах. Предложены варианты возможных воздействий на поризуемую структуру давлением внешней газовой фазы в зависимости от текущего состояния процесса.

2. Обоснованы методические подходы и определены критерии объективной оценки характеристик качества получаемой ячеистой структуры. Разработана эффективная методика определения показателей качества, основанная на методе избирательной декомпозиции структурных элементов. Методические разработки

а- 0,10 §

I 0.09

\ 0,07 | 0.06 Г 0,05

■> 225 х

Ш 200

У"

£ 175

3 125 &

^ тп

ОМ!

0.036

5 Оптимальней Опережаищий Лозное кипение

состаб №11 рот Вязкости <»31 №)

I I Коэффициент тепюпройодности Ц Коэффициент конструктивного качества

реализованы в компьютерной программе морфометрического анализа изображений MORFO, которая отличается возможностью высокоточной идентификации ячеистых структур даже при условии нечеткого их очертания.

3. Экспериментально доказано, что снижение дефектности макроструктуры и повышение прочностных показателей газосиликата пониженной плотности возможно путем оперативного приложения давления внешней газовой фазы на стадии вспучивания массива и его выдержки. При этом внешнее давление рассматривается как основной сдерживающий фактор деструктивных явлений, связанных с повышением вну гринорового давления газовой фазы на заключительной стадии порообразования. Разработанный технологический принцип оперативного управления макроструктурообразованием газосиликата позволяет ввести процесс пори-зации в нормальное русло в случае непредвиденного отклонения технологических параметров от оптимума.

4. Установлены рациональные режимы приложения давления внешней газовой фазы, при которых не возникают деструктивные напряжения в межпоровых перегородках сырца.

5. Идентифицирована математическая модель процесса газовыделения, на основе которой построено управление процессом поризации за счет фактора давления внешней газовой фазы. Обоснованы исходные данные для разработки системы автоматического управления процессом поризации. Совместно со специалистами соответствующего профиля разработанные подходы реализованы на практике в виде аппаратно-программного комплекса, позволяющего в автоматическом режиме поддерживать оптимальный режим порообразования.

6. Доказана эффективность нового способа формования в закрытых формах по сравнению с традиционным. Результаты натурных испытаний предлагаемой системы управления процессом поризации показали, что ее практическое использование способствует получению высококачественного ячеистого бетона с высокими физико-механическими свойствами, о чем свидетельствует повышение коэффициента конструктивного качества до 50 %.

7. Обоснованы оптимальные области использования предлагаемой технологии, и доказан экономический эффект от ее применения. Подтверждена технико-экономическая целесообразность модернизации формовочных отделений на действующих предприятиях.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Резанов A.A. Внешнее давление газовой среды как дополнительный технологический фактор оптимизации процесса порообразования при производстве ячеистых силикатных бетонов / A.A. Резанов // Вестник Воронеж, гос. арх.-строит. ун-та. Строительство и архитектура. - 2010. - № 3. - С. 68-78 (личный вклад - 10 е.).

2. Резанов A.A. Вопросы управления процессом порообразования в технологии газосиликата / A.A. Резанов, A.A. Бедарев // Известия ВУЗов. Строительство. -2011.-№ 10,- С. 20-25 (личный вклад - 4 е.).

3. Резанов А. А. Влияние внешнего давления газовой среды на качество макроструктуры газобетона // Молодежь и XXI век: тез. докл. конф. - Курск, 2008. -

Ч. 1. - С. 225 - 226 (личный вклад - 2 с).

4. Резанов А. А. Управление процессом формирования макроструктуры газосиликата через фактор внешнего давления газовой среды / Л. Л. Резанов, Li.И. Шмитько // Наука, техника и технология XXI в. (Н'ГТ-2009): материалы между-нар. науч.-техн. конф. - Нальчик, 2009. - С. 433 - 437 (личный вклад - 3 с).

5. Резанов A.A. Исследование влияния внешнего давления газовой среды на формирование макроструктуры газосиликата и его основные свойства // Инновации в сфере науки, образования и высоких технологий: материалы науч.-практ. конф. -1 электрон, опт. диск (CD-ROM) (личный вклад - 3 е.).

6. Резанов 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 PA AC II. - Казань, 2010. - Т. 1. - С. 352-355 (личный вклад - 3 е.).

7. Резанов A.A. Композиционный строительный материал на основе сталеплавильного шлака ОАО «Оскольский электрометаллургический комбинат» /' A.B. Уколова, A.A. Резанов, П.Л. Шубин // Высокие технологии в экологии: материалы 13-й межрегион, науч.-практ. конф. - Воронеж, 2010. - С. 110-114 (личный вклад - 1 е.).

8. Резанов A.A. Изучение процесса структурообразования ячеистого силикатного бетона автоклавного твердения и роль внешнего давления окружающей среды в формировании бездефектных структур / A.A. Резанов, A.A. Бедарев, К.И. Шмитько // Достижения и проблемы материаловедения и модернизации строительной индустрии: материалы XV академических чтений РААС11. - Казань: 2010. - Т. 1. - С. 369-373 (личный вклад - 2 е.).

НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ УПРАВЛЕНИЯ МАКРОС 1 РУК ГУРООЬРЛЗОВАНИЕМ 1'ЛЗОСИЛИКЛТА ЗА СЧЕТ ФАКТОРА ДАВЛЕНИЯ ВНЕШНЕЙ ГАЗОВОЙ ФАЗЫ

Автореферат диссертации па соискание ученой степени кандидата технических наук

Поди, в начать 1N.11.2011 г. Форма! Ы)\К4 I К». Бумага писчая. Усл. псч. Л. 1.0. Тираж HIO акч. Закач № 526

Отечлано: оие.ч ииорашннон полиграфии излак-льава \чешюн и учсшш-мсгодпчсскоп лшерамрм

Воронежски! о 1 АСУ УМООб, г. Воронеж, ул. 20.ЛС1ИЯ Оиября. N-4

Ретапон Александр Александрович

Введение.

1 Макроструктурообразование, как фактор, определяющий свойства ячеистого силикатного бетона.

1.1 Состояние отрасли и актуальность выбранного направления исследований

1.2 Краткий анализ процессов и факторов, определяющих качество макроструктуры ячеистого бетона.

1.3 О связи параметров макроструктуры и качественных характеристик ячеистых бетонов.

1.4 Классическая модель устойчивости газового пузыря, как прототип реальной ячеистой структуры.

1.5 Баланс внутренних и внешних сил и условия формирования совершенной ячеистой структуры.

1.6 Фактор давления внешней газовой фазы, как элемент управления процессом порообразования.

Выводы по главе 1.

2 Методика выполнения работы.

2.1 Общие методологические основы исследований.

2.2 Этапы выполнения исследований.

2.3Характеристики сырьевых материалов.

2.4 Методики исследований.

2.4.1 Стандартные методики исследований.

2.4.1.1 Методика определения свойств сырьевых компонентов.

2.4.1.2 Методика определения физико-механических свойств газосиликата

2.4.2 Нестандартные методики исследований.

2.4.2.1 Описание технологии изготовления массивов из газосиликата для стандартных и нестандартных испытаний образцов.

2.4.2.2 Методика определения кинетики вспучивания бесконтактным методом.

2.4.2.3 Методика определения кинетики газовыделения и нарастания пластической прочности в процессе поризации смеси.

2.4.2.4 Методика определения воздухопроницаемости газосиликата.

2.4.2.5 Методика определения основных характеристик макроструктуры ячеистых материалов.

3 Разработка методики фотоморфометрического анализа макроструктуры ячеистых бетонов.

3.1 Предпосылки к разработке методики.

3.2 Методика получения шлифов газосиликата и цифровых изображений макроструктуры.

3.3 Разработка программного комплекса морфометрической идентификации параметров макроструктуры ячеистого бетона с использованием функционала МаЙЬаЬ.

3.3.1 Краткое описание морфометрических функций, заложенных в МаИ^аЬ.

3.3.2 Морфометрическая идентификация параметров макроструктуры ячеистых бетонов избирательной декомпозицией.

3.3.3 Морфометрическая идентификация параметров макроструктуры ячеистых бетонов в программе МОКРО (программа морфометрической обработки и анализа изображений шлифов).

3.4 Результаты апробации программы МОШЮ.

Выводы по главе 3.

4 Факторы управления процессом порообразования в технологии ячеистого силикатного бетона.

4.1 Рецептурно-технологические факторы как общепринятый вариант управления процессом формирования макроструктуры газосиликата.

4.1.1 Краткий анализ рецептурных факторов и их ранжирование по степени влияния на качество формирующейся макроструктуры.

4.1.2 Постановка оптимизационного активного 3-х факторного эксперимента методом Бокса-Уилсона.

4.2 Экспериментальные исследования тепловыделения поризующейся смеси в зависимости от продолжительности хранения применяемого

4.3 Исследование влияния давления внешней газовой фазы на основные характеристики газосиликата оптимальной рецептуры.

4.3.1 Характеристики объекта исследований.

4.3.2 Исследование влияния давления внешней газовой фазы на основные характеристики газосиликата оптимальной рецептуры.

4.3.2.1 Влияние режимов приложения давления внешней газовой фазы на основные характеристики получаемого газосиликата.

4.3.2.2 Влияние величины давления внешней газовой фазы на основные характеристики газосиликата при статичном ее приложении.

4.3.2.3 Распределение внутрипорового и внешнего давлений газовой фазы по высоте поризуемой массы.

4.3.3 Исследование возможностей улучшения ячеистой структуры за счет фактора давления внешней газовой фазы в случае неоптимального протекания процесса порообразования.

4.3.3.1 Исследование возможностей улучшения физико-механических свойств газосиликата за счет давления внешней газовой фазы.

4.3.3.2 Определение значений величины избыточного внутрипорового давления в зависимости от режима поризации.

Выводы по главе 4.

5 Давление внешней газовой среды - как фактор оперативного управления процессом порообразования.

5.1 Предпосылки к созданию автоматизированной системы управления процессом порообразования за счет фактора давления внешней газовой фазы.

5.1.1. Идентификация математической модели процесса газообразования как функции температуры смеси.

5.1.2. Предпосылки к разработке системы автоматического управления процессом порообразования.

5.2 Оценка результатов экспериментально-теоретических изысканий по улучшению качества газосиликата.

Выводы по главе 5.

6 Технико-экономическая оценка практического внедрения результатов исследований.

6.1. Расчет сокращения производственых затрат при реализации предлагаемых технологических решений на предприятиях по производству газосиликатных блоков.

6.2. Расчет снижения материальных затрат от применения в строительстве газосиликатных изделий повышенного качества.

6.3 Суммарные показатели экономической эффективности от внедрения предлагаемых решений.

Актуальность работы. В настоящее время в строительстве используется множество различных стеновых материалов, отличающихся прочностными и теплозащитными свойствами. Одним из наиболее эффективных и востребованных материалов, используемых для возведения ограждающих конструкций, является силикатный ячеистый бетон автоклавного твердения (газосиликат).

Определяющим этапом в технологии газосиликата является стадия по-ризации, на которой формируется ячеистая структура получаемого материала. При этом качество образующейся макроструктуры в значительной мере определяет прочностные и эксплуатационные показатели изделий из газосиликата. Однако, ввиду достаточно сложной технологии производства, не всегда удается обеспечить его бездефектную структуру. Даже на передовых предприятиях, работающих по зарубежным технологиям и на европейском оборудовании, зачастую имеет место брак, обусловленный, как правило, деструктивными процессами на стадии «созревания» сырца изделий. При этом большинство современных предприятий ориентированы на литьевую технологию формования, которая, несмотря на множество достоинств, обладает существенным недостатком - жесткой привязкой к качеству сырьевых материалов, в особенности к качеству извести, тонкости помола сырья и его чистоте. Имеющие место на практике колебания свойств сырьевых компонентов существенно нарушают ход процесса порообразования, отклоняя его течение от нормального режима, что негативно сказывается на показателях качества получаемых ячеистобетонных изделий.

В данной работе задача управления процессом порообразования решается за счет целенаправленного воздействия на баланс внутренних и внешних сил, действующих в пределах образующихся ячеистых пор. В качестве управляющего параметра выступает давление внешней газовой фазы, приложение которого обеспечивается при производстве изделий в закрытых герметичных формах или камерах. Предлагаемая технология аналогов в отечественной и мировой практике не имеет.

Целью диссертационной работы является теоретическое обоснование и практическое подтверждение возможности использования давления внешней газовой фазы как эффективного технологического приема, обеспечивающего управление процессом порообразования и повышение качества изделий из ячеистого силикатного бетона автоклавного твердения.

Основные задачи работы:

- выявить характерные структурные несовершенства газосиликата в современной технологии;

- установить взаимосвязи между структурными несовершенствами ячеистого силикатного бетона и технологическими факторами его получения;

- предложить модельные представления процессов поризации ячеистого бетона и выявить наиболее значимые управляющие факторы;

- обосновать возможность управления формированием бездефектных структур за счет фактора давления внешней газовой фазы;

- выявить благоприятные, с точки зрения получения структур высокого качества, режимы формования с использованием давления внешней газовой фазы;

- разработать математическую модель процесса порообразования как основу управления макроструктурообразованим ячеистого силикатного бетона за счет фактора давления внешней газовой фазы;

- проверить работоспособность полученной модели в реальном технологическом процессе;

- разработать основные положения для решения задачи автоматического управления процессом порообразования с использованием современных средств обработки и передачи информации;

- разработать практические предложения по внедрению новой технологии формования ячеистого силикатного бетона на действующих предприятиях;

- оценить технико-экономическую эффективность предлагаемых технологических решений.

Объект исследований - ячеистобетонная смесь, ячеистый бетон-сырец, ячеистый силикатный бетон автоклавного твердения пониженной плотности (менее 400 кг/м3).

Теоретической и методологической основой исследований являются разработки отечественных и зарубежных ученых в области физической и коллоидной химии, материаловедения, технологии ячеистых бетонов. Для решения задач, поставленных в диссертационной работе, использовались стандартные и нестандартные методики, позволяющие оценить ключевые параметры процесса порообразования и основные характеристики создаваемой макроструктуры ячеистого силикатного бетона.

Научная новизна работы:

1) впервые обосновано использование дополнительного фактора управления процессами порообразования в литьевой технологии газосиликата -фактора давления внешней газовой фазы;

2) в рамках решения основной задачи рассмотрен баланс внутренних и внешних сил, определяющих развитие газовой пористости; исходя из этих предположений обоснована возможность эффективного управления процессом порообразования;

3) предложена новая методика морфометрического анализа структуры ячеистого бетона, базирующаяся на принципе избирательной декомпозиции его структурных элементов, что послужило основой для качественной и количественной идентификации характеристик макроструктуры газосиликата, полученного в исследованных режимах;

4) научно обоснованы оптимальные, с точки зрения получения структур высокого качества, режимы формования с использованием внешнего давления газовой фазы как управляющего фактора; выявлены граничные условия его эффективного использования;

5) разработана математическая модель процесса газовыделения, на основе которой разработан алгоритм определения оптимальной величины прилагаемого внешнего давления, обеспечивающего получение высококачественной структуры ячеистого бетона.

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 состоит в возможности использования давления внешней газовой фазы, как эффективного управляющего фактора, обеспечивающего получение высококачественных изделий с бездефектной макроструктурой, высокими прочностными показателями и высокими эксплуатационными свойствами. Разработанные подходы позволяют автоматизировать процесс поризации смеси. За счет предлагаемых решений уменьшается зависимость протекания процесса поризации смеси от колебаний свойств сырьевых компонентов, повышается стабильность показателей качества выпускаемой продукции.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях международного, республиканского и др. уровней: «Молодежь и XXI век» (Курск, 2008); «Наука, техника и технология XXI века» (Нальчик, 2009); «Инновации в сфере науки, образования и высоких технологий» (Воронеж, 2009); «Высокие технологии в экологии» (Воронеж, 2010); на 15 академических чтениях РААСН «Достижения и проблемы материаловедения и модернизации строительной индустрии» (Казань, 2010); на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Воронежского ГАСУ (Воронеж, 2008-2011).

Внедрение результатов работы. Результаты теоретических и экспериментальных исследований приняты к практической реализации в рамках реконструкции ЗАО «Воронежский комбинат строительных материалов» в составе организационно-технических мероприятий при организации производства изделий из газосиликата. Разработаны технологические рекомендации по производству стеновых блоков из ячеистого силикатного бетона плотностью Б350, формуемых по предлагаемой технологии.

Результаты экспериментальных исследований, полученные при выполнении диссертационной работы, внедрены в учебный процесс в Воронежском ГАСУ по специальности 270106 «Производство строительных материалов, изделий и конструкций» при изучении дисциплин «Технология автоклавных материалов» и «Технология изоляционных строительных материалов и изделий», а также при выполнении УИРС по курсу «Основы научных исследований и технического творчества».

На защиту выносятся:

- закономерности процессов макроструктурообразования ячеистых силикатных бетонов и способы управления этими процессами;

- подходы к идентификации качественных характеристик ячеистых структур;

- научное обоснование возможности использования давления внешней газовой фазы как эффективного управляющего фактора в технологии ячеистых силикатных бетонов;

- результаты экспериментальных исследований влияния давления внешней газовой фазы на физико-механические свойства ячеистого силикатного бетона;

- основные подходы и алгоритм автоматического управления процессом поризации силикатобетонной смеси;

- практические рекомендации по управлению процессом поризации за счет фактора давления внешней газовой фазы.

Публикации. Результаты исследований изложены в 8 опубликованных работах общим объемом 38 с. (личный вклад автора - 28 е.), из них 2 - в изданиях из перечня ВАК. По материалам исследований подана заявка на регистрацию компьютерной программы «МСЖГО», позволяющей производить морфометрический анализ структуры загружаемых изображений.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, основных выводов, изложена на 192 страницах и содержит 144 страницы машинописного текста, 66 рисунков, 24 таблицы, список литературы из 129 наименований и 2 приложения.