Газосилікати автоклавного твердіння з компромісно оптимальними рівнями критеріїв якості та енергоємності

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОДЕСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ БУДІВНИЦТВА ТА АРХІТЕКТУРИ

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

ГАЗОСИЛІКАТИ АВТОКЛАВНОГО ТВЕРДІННЯ З КОМПРОМІСНО ОПТИМАЛЬНИМИ РІВНЯМИ КРИТЕРІЇВ ЯКОСТІ ТА ЕНЕРГОЄМНОСТІ

Спеціальність 05.23.05 - будівельні матеріали та вироби

Гаврилюк Варвара Петрівна

Одеса - 2011

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Одеській державній академії будівництва та архітектури (ОДАБА) Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України.

Науковий керівник: Заслужений діяч науки і техніки, доктор технічних наук, професор ВОЗНЕСЕНСЬКИЙ Віталій Анатолійович, Одеська державна академія будівництва та архітектури, професор кафедри процесів та апаратів в технології будівельних матеріалів.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор НЕТЕСА Микола Іванович, Дніпропетровський національний університет залізничного транспорту ім. академіка В. Лазаряна, завідувач кафедри будівельного виробництва та геодезії;

кандидат технічних наук, доцент БЕСПАЛОВ Віталій Леонідович, Донбаська національна академія будівництва і архітектури, доцент кафедри технології будівельних матеріалів, виробів та автомобільних доріг.

Захист відбудеться «27» вересня 2011року об 11⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.085.01 в Одеській державній академії будівництва та архітектури Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України за адресою: 65029, м.Одеса, вул. Дідріхсона, 4, ауд. 360.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Одеської державної академії будівництва та архітектури за адресою: 65029, м.Одеса, вул. Дідріхсона, 4.

Автореферат розісланий «25» серпня 2011року

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, кандидат технічних наук, доцент Карпюк В.М.

АНОТАЦІЯ

Гаврилюк В.П. Газосилікати автоклавного твердіння з компромісно оптимальними рівнями критеріїв якості та енергоємності. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальностю 05.23.05. - Будівельні матеріали і вироби. Одеська державна академія будівництва та архітектури, Одеса, 2011.

Дисертація присвячена підвищенню якості ніздрютих бетонів автоклавного твердіння. Обґрунтовано на основі обчислювальних експериментів умови отримання газосилікату з компромісно оптимальними рівнями критеріїв якості та енергоємності при дотриманні нормативних обмежень за густиною та міцністю на стиск. Обчислювальні експерименти виконані за модифікованою версією алгоритму пошуку компромісу випадковим скануванням полів властивостей матеріалу, описаних нелінійними дев'ятифакторними експериментально-статистичними моделями.

Рівні властивостей газосилікату при кожній з комбінацій вимог за густиною та міцністю на стиск оптимізовані. В «нормативних блоках», заданих нормативними вимогами, компромісно оптимальні значення границі міцності і деформатівності при вигині і теплопровідності покращені на 80% усередині діапазонів допустимих значень. Визначені рівні факторів, що їх забезпечують; на завершальній ітерації мінімізовано тиск пари і час витримки в автоклаві.

Зміни оптимальних значень критеріїв якості і факторів від одного блоку до іншого описано функціями від введеного узагальнюючого показника - міцності на стиск газосилікату з компромісно оптимальними в даному блоці рівнями критеріїв якості, R_comp{D,B}. Рівні факторів, що визначають компромісний оптимум утворюють систему з внутрішніми кореляційними зв'язками, з трьома незалежними групами; зв'язки забезпечують взаємну компенсацію факторів для збереження компромісу при зміні нормативів.

Одержані закономірності використані для отримання газосилікату марки D400 мікроармованого волокнами технічно чистої целюлози.

Ключові слова: газосилікат, физико-механічні властивості, нормативи, пошук компромісу, багатофакторне поле властивості, випадкове сканування, система компромісних рівнів.

АННОТАЦИЯ

Гаврилюк В.П. Газосиликаты автоклавного твердения с компромиссно оптимальными уровнями критериев качества и энергоемкости. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.05. - Строительные материали и изделия. Одесская государственная академия строительства и архитектуры, Одесса, 2011.

Диссертация посвящена повышению качества ячеистых бетонов автоклавного твердения. Обоснованы на основе вычислительных экспериментов условия получения газосиликата с компромиссно оптимальными уровнями критериев качества и энергоемкости при выполнении нормативных ограничений по плотности и прочности на сжатие. Вычислительные эксперименты выполнены по модифицированной версии алгоритма поиска компромисса случайным сканированием многофакторных полей свойств материала, описанных нелинейными девятифакторными экспериментально - статистическими моделями.

Новая версия алгоритма поиска компромиссно оптимальных решений случайным сканированием полей свойств материала достаточно универсальна: не имеет принципиальных ограничений на число оптимизируемых критериев; к ним могут быть добавлены на любой итерации как критерии оптимальности факторы связанные с расходом ресурсов; при сканировании полей свойств используются равномерно распределенные случайные числа, которые генерируются на непрерывных или дискретных шкалах.

Уровни свойств газосиликата оптимизированы при каждом из сочетаний нормативных требований к плотности и прочности на сжатие. Компромиссно оптимальные уровни критериев качества и уровни РТ-факторов, обеспечивающих эти значения, существенно зависят от положения и размера «нормативного блока» {D,B} газосиликата, заданных доверительными интервалами нормативов.

Изменение оптимальных значений критериев качества и факторов от одного блока к другому описано функциями от введенного обобщающего показателя - предела прочности на сжатие газосиликата с компромиссно оптимальными в данном блоке уровнями критериев качества, R_comp{D,B}.

В «нормативных блоках» компромиссно оптимальные значения предела прочности и деформативности при изгибе и коэффициента теплопроводности улучшены на 80% внутри диапазонов допустимых значений. Газосиликат с компромиссно оптимальными свойствами имеет ряд особенностей: в частности, при R_comp{D,B} ниже 6-7 МПа деформативность начинает возрастать, что может быть связано с увеличением доли крупных пор и ростом части мелкокристаллических новообразований гидросиликатов кальция у газосиликатов пониженных классов; отказ от компромиссно оптимальных уровней РТ-факторов в пользу индивидуально оптимальных для одного из критериев приводит к ухудшению других критериев до 30%. На заключительной итерации к комплексу критериев оптимизации добавлены давление пара и время выдержки в автоклаве, которое дополнительно сокращено на 40 мин.

Компромиссно оптимальные уровни критерии качества газосиликата формируются девятью РТ-факторами, уровни которых определяются как численные решения обратной задачи моделирования; они образуют систему с внутренними корреляционными связями, из которых четверть относится к практически достоверным (риск менее 0,5%). Такие связи делят девять факторов на три слабо связанные группы; в первую входят три фактора, в том числе, количество алюминиевой пудры, во вторую - пять, включая, время твердения и давление пара (температуру) в автоклаве, в третью - количество цемента. Внутренние связи в системе обеспечивают взаимную компенсацию РТ-факторов для сохранения компромисса критериев качества при изменении R_comp{D,B}.

Полученные многофакторные ЭС-модели, закономерности изменения компромиссно оптимальных уровней критериев качества и обеспечивающих их РТ-факторов позволили с известным риском экстраполировать результаты в нормативные блоки D400, которые были переданы ГП «НИИСМИ», где проведены дополнительные исследования с учетом условий действующих производств. Они направлены на повышение механических критериев качества газосиликата D400, за счет его микроармирования. Осенью 2010 г. выпущена опытно-промышленная партия микроармированного целлюлозными волокнами газобетона. Результаты лежат в основе заявки на патент Украины «Сырьевая смесь и способ получения дисперсно армированного ячеистого бетона» (зарегистрирована 26 ноября 2010).

Ключевые слова: газосиликат, физико-механические свойства, нормативы, поиск компромисса, многофакторное поле свойства, случайное сканирование, система компромиссных уровней.

Abstract

Gavriliuk V.P. Gas silicate of autoclave hardening with compromise optimal levels of quality and energy intensity criteria. - The Manuscript.

The thesis to gain the candidate of science degree on speciality 05.23.05 - Building materials and products. - Odessa State Construction and Architecture Academy, Odessa, 2011.

Dissertation is devoted to increasing the quality of autoclave hardening cellular concretes. The conditions to obtain the material with compromise optimal levels of quality and energy intensity criteria under specifications for density and compression strength are substantiated on the base of computational experiments. These experiments are carried out by modified version of the search-for-compromise algorithm, with random scanning the fields of material properties described by non-linear nine-factor experimental-statistical models.

The levels of gas silicate properties have been optimised for each combination of the requirements for density and compression strength. In so defined "specification blocks" the levels of ultimate strength and deformability under bending and of heat conductivity coefficient have been improved by 80% inside the ranges of acceptable values. The levels of factors providing the best values of quality criteria have been determined. At final iteration additionally minimised have been the pressure of steam and time in autoclave.

The changes in optimal values of quality criteria and the factors when moving from one specification block to another are described by functions of generalising index - the compression strength R_c{D, B} at compromise optimum of the quality criteria in a given block. The levels of factors that define the compromise optimum present the system of three independent groups, the internal correlations in which provide the mutual compensation of the factors to keep the compromise between the optimality criteria when the specifications vary.

The regularities obtained have been used to create mark 400 gas silicate reinforced with commercially pure cellulose micro fibres.

Key words: gas silicate, physical-mechanical properties, specifications, search for compromise, multi-factor property field, random scanning, system of compromise levels.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Раціональне використання енергетичних ресурсів як глобальна проблема підвищує рівень актуальності досліджень та інновацій в галузі теплоізоляційних матеріалів. Одним з головних серед будівельних конструкційно-теплоізоляційних матеріалів залишається ніздрюватий бетон. Крім того у високорозвинених країнах пріоритет надано газобетону автоклавного твердіння з гарантованою якістю. Проте ніздрюватий бетон (як і будь-який будівельний матеріал) виявляється конкурентоспроможним, за умови, що він не тільки відповідає нормативним вимогам, але й, з одного боку, має переваги в рівнях нерегламентованих властивостей, зокрема, тріщиностійкості, а з іншого боку - не потребує підвищених витрат ресурсів, особливо енергетичних. В таких суперечливих ситуаціях, що потребують пошуку розумного компромісу, для прийняття рецептурно-технологічних (РТ) рішень доцільно використовувати комп'ютерне будівельне матеріалознавство, зокрема, обчислювальні експерименти на РТ-полях властивостей матеріалу, які описані експериментально-статистичними (ЕС) моделями.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана в межах держбюджетних тем МОН України «Методологія комп'ютерного матеріалознавства при пошуку компромісних рецептурно-технологічних умов гарантованої якості будівельних композитів» (№ д/р 0106U000949) та «Наукові основи використання рецептурно-технологічних полів властивостей в комп'ютерному будівельному матеріалознавстві (нове знання, ресурсозбереження, забезпечення якості)» (№ д/р 0109U001580).

Мета досліджень - обґрунтування на основі обчислювальних експериментів умов отримання газосилікату автоклавного твердіння з компромісно оптимальними рівнями критеріїв якості та енергоємності за умови дотримання нормативних обмежень за густиною та міцністю на стиск.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі:

- проаналізувати необхідність компромісної оптимізації критеріїв якості газосилікату та можливості її реалізації в обчислювальному експерименті на основі архівної інформації про результати випробувань 56 серій матеріалу, виготовленого за оптимальним 9-факторним планом в дослідно-промислових умовах;

- тестувати методичне й програмне забезпечення та внести корективи, які відображають як особливості нелінійних 9-факторних ЕС-моделей, так і специфіку інженерної постановки роботи;

- в результаті обчислювальних експериментів на РТ-полях властивостей газосилікату визначити компромісно оптимальні рівні критеріїв якості та енергоємності, а також рівні факторів, що їх забезпечують, для всіх комбінацій чотирьох марок за густиною (D500-800) та відповідних трьох класів за міцністю на стиск (B₁>B₂>B₃);

- встановити емпіричні закономірності (при ризику ? 0,05% - достовірні,

? 0,5% - практично достовірні, ? 5% - відображають тенденції) зміни компромі-

сно оптимальних рівнів критеріїв якості і енергоємності залежно від марки і класу газосилікату;

- для компромісно оптимальних рівнів критеріїв якості і енергоємності визначити закономірності зміни РТ-факторів, що їх забезпечують;

- екстраполювати закономірності, одержані для марок D500-800, на газосилікати зниженої густини та проаналізувати можливості поліпшення їх механічних властивостей.

Об'єкт досліджень - газосилікати марок D400-800 з компромісно оптимальними рівнями границі міцності R_b і деформативності е при вигині, коефіцієнта теплопровідності л та енергоємності автоклавного твердіння.

Предмет досліджень - вплив нормативних обмежень за густиною г (марки D) та міцністю на стиск R_c (класи В) газосилікату на компромісно оптимальні рівні критеріїв якості (R_b, е та л) і енергоємності автоклавного твердіння та на рівні РТ-факторів, що їх забезпечують.

Методи досліджень - системний аналіз багатокритеріальних результатів 56 серій об'єкту, побудова нелінійних 9-факторних ЕС-моделей, пошук компромісно оптимальних рішень ітераційним випадковим скануванням полів властивостей з використанням методу Монте-Карло, кореляційний аналіз результатів обчислювальних експериментів, стандартні випробування зразків, армованих целюлозними мікроволокнами.

Наукова новизна отриманих результатів:

- в обчислювальних експериментах вперше визначені компромісно оптимальні рівні критеріїв якості (R_b, та ) та енергоємності автоклавного твердіння для газосилікатів з 12 комбінаціями нормативних вимог за густиною та міцністю на стиск (три класи в кожній з чотирьох марок), крім того, кожний із критеріїв досягає приблизно 80% діапазону допустимих значень за напрямом до індивідуального оптимуму;

- в результаті того ж обчислювального експерименту визначені рівні 9 РТ-факторів, які забезпечують компромісно оптимальні значення R_b, е та л; причому, на останній ітерації два фактори (час ізотермічної витримки ф і тиск пари р в автоклаві) зараховано до комплексу критеріїв оптимізації та компромісно мінімізовано, що дозволило скоротити ф, в середньому, на 40 хвилин;

- отримано комплекс емпіричних закономірностей зміни рівнів 12 компромісно оптимізованих критеріїв та факторів, що їх забезпечують, у вигляді функцій від узагальнюючого показника R_comp{D,B} - границі міцності на стиск газосилікату з компромісно оптимальними рівнями критеріїв якості в даному блоці;

- показано, що відмова від компромісно оптимальних рівнів факторів на користь індивідуально оптимальних для одного з критеріїв призводить до погіршення результатів на 10-30%;

- встановлено (ризик <0,5%), що рівні РТ-факторів, які забезпечують компромісно оптимальні критерії якості газосилікату та являються чисельними розв'язками оберненої задачі моделювання, утворюють систему з внутрішніми кореляційними зв'язками, що забезпечують взаємну компенсацію цих рівнів для збереження компромісу критеріїв якості при зміні R_comp;

- запропоновано та апробовано мікроармування високоміцними волокнами технічно чистої целюлози ніздрюватих бетонів автоклавного твердіння низьких марок для підвищення на 15-40% їх механічних властивостей.

Практичне значення отриманих результатів. Багатофакторні ЕС-моделі, емпіричні закономірності зміни компромісно оптимальних рівнів критеріїв якості та факторів, що їх забезпечують, дозволили з відомим ризиком екстраполювати результати на отримання газосилікату D400 при тиску пари в автоклаві 0,8 МПа (характерного для виробників в Україні). У 2010 р. в ДП «НДІБМВ» проведені додаткові дослідження, з урахуванням особливостей ряда виробництв, направлені на підвищення механічних характеристик автоклавного газобетону низьких марок. Ефект одержано мікроармуванням його волокнами технічно чистої целюлози. Випущено дослідно-промислову партію блоків об'ємом 17,5 м³. Зареєстровано заявку на патент України від 26 листопада 2010 р.: «Сировинна суміш та спосіб одержання дисперсно армованого ніздрюватого бетону». Результати досліджень використовуються в навчальному процесі ОДАБА при підготовці магістрів спеціальності ВБК (курсові та дипломні роботи).

Особистий внесок здобувача полягає у:

- виконанні комплексу обчислювальних експериментів та визначенні для 12 комбінацій марок і класів газобетону компромісно оптимальних рівнів критеріїв якості й енергоємності, а також рівнів РТ-факторів, що їх забезпечують [2-12];

- визначенні емпіричних залежностей, які описують з відомим ризиком зміни координат компромісних рішень, при переході між нормативними блоками [9, 12];

- інтерпретації результатів обчислювальних експериментів та підготовці технологічних висновків [1, 9, 10, 12, 13].

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень представлені на міжнародному симпозіумі з крихких матриць (ВМС-9, Польща, Варшава, 2009); міжнародних конференціях «Енергозбереження в будівництві. Ніздрюваті бетони і силікатна цегла: технологія виробництва, досвід використання» (Київ, 2009, 2011); з будівельних матеріалів (Ibausil-17, Німеччина, Ваймар, 2009); «Математичні моделі процесів в будівництві» (Луганськ, 2010); «Структуроутворення, міцність і механіка руйнування композиційних будівельних матеріалів і конструкцій» (Одеса, 2010).

Публікації. Головні положення дисертації викладені в 13 друкованих роботах, 10 з яких у виданнях, рекомендованих ВАК України.

Структура і об'єм дисертації. Дисертаційна робота викладена на 129 сторінках друкарського тексту основної частини, яка складається з вступу, п?яти розділів і висновків. Повний об'єм дисертації складає 152 сторінки та включає 14 таблиць і 32 малюнки, список використаних джерел з 189 найменувань на 23 сторінках; має п?ять додатків.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґунтовано актуальність роботи, сформульовано мету і задачі дисертаційних досліджень, наведено положення наукової новизни і практичне значення одержаних результатів.

В першому розділі проаналізовано сучасний стан виробництва ніздрюватих бетонів в Україні, Росії і ряді інших держав. Розглянуто тенденції розвитку технологічних процесів, розширення сировинної бази, рішення науково-технічних проблем, зокрема, підвищення якості готових виробів і економії енергоресурсів. Наголошується, що в економічно розвинутих країнах автоклавний газобетон відноситься до прогресивних, конкурентоспроможних конструкційно-теплоізоляційних будівельних матеріалів.

Рішення наукових та інженерних проблем вдосконалення технології газобетону і підвищення його якості ґрунтується на фундаментальних результатах дослідження вапняно-кремнеземистих композицій (П.І. Боженов, О.В. Волженський, Л.М. Хавкін, Й.А. Хінт), структури і властивостей ніздрюватих будівельних композитів (Г.Я. Куннос, А.П. Меркін, Г.П. Сахаров, Є.М. Чернишов), також на результатах рішення актуальних проблем технології (С.Д. Лаповська, В.О. Мартиненко, І.Б. Удачкін, К.К. Ескуссон), зокрема, розширенні сировинної бази (Є.А. Галибіна, В.Р. Сердюк), модифікації волокнами (В.М. Дерев?янко, Л.В. Моргун). Наголошується, що в більшості досліджень аналізуються не тільки нормовані критерії якості, але й міцність при вигині, показники трищіностійкості та ін.

Ніздрюватий газосилікат - багатокомпонентна система, в якій послідовно відбувається два істотно відмінних процеси структуроутворення: формування порової структури за рахунок внутрішнього газоутворення в твердіючій при атмосферному тиску твердій фазі та формування кристалічних новоутворень в мембранах при підвищених температурах в автоклаві. Для дослідження таких систем ЕС-моделі використовують з кінця 60-років; найбільш інформативні і корисні результати були отримані в спільних роботах Кишинівського ПІ ім. С. Лазо з Московським ІБІ ім. В.В. Куйбишева і Одеського ІБІ з НІПІсилікатобетон МПБМ СРСР. Формування елементів комп'ютерного будівельного матеріалознавства створює нові можливості для аналізу і оптимізації таких складних систем. Наголошується про позитивний досвід пошуку компромісно оптимальних рішень методом ітераційного випадкового сканування полів властивостей матеріалу.

У другому розділі аналізуються чотири групи методичних питань: умови виготовлення зразків та РТ-фактори, які варіювали, нормовані та оптимізовані критерії якості газосилікату, особливості ЕС-моделей, пошук компромісно оптимальних рішень.

Натурний експеримент виконано спільно НІПІСилікатобетон МПБМ (виготовлення дослідних блоків в промислових умовах, механічні випробування) та ОІБІ (планування та аналіз дослідів, теплофізичні випробування, порометрія). Відбір РТ-факторів X_i та меж їх варіювання X_i.0±?Х, а також досліджуваних критеріїв якості газосилікату, враховував думку експертів (у Таллінні, Одесі, Москві, Києві та ін.).

Варіювалося 9 факторів в трьох групах (роль кожного прокоментовано в дисертації): рецептурні (A, % - кількість алюмінієвої пудри (від маси сухої суміші), Х₆=0,07±0,03; a_CaO, % - активність суміші (частка СаО в суміші вапна та піску), Х₇=17±3; C, % - кількість цементу (від всієї суміші), Х₉=10±10), технологічні (D, см - розплив суміші за Суттардом, Х₁=27±4; w_s, % - вологість піску при помелі з вапном, Х₂=5±3; S_s, м²/кг - питома поверхня піску, Х₃=250±100; t_w, ^oC - температура води затворення, Х₈=35±10) та енергетичні (ф, година - час ізотермічної витримки в автоклаві, Х₄=8±4; p, МПа - робочий тиск пари в автоклаві, Х₅=1,0±0,2).

Як правило, вони діють нелінійно, тому гіпотетичні 9-факторні ЕС-моделі повинні містити 55 ефектів. Синтезовано і реалізовано в натурному експерименті мінімальний ненасичений план, що містить 56 дослідів (варіантів технології газобетону). Після запарювання з блок-масивів випилювали зразки-призми 4х4х16 см з віссю, перпендикулярною напряму спучення суміші, на яких визначали характеристики властивостей та структури газосилікату (при його вологості 2-4%); зокрема, критерії якості - густину г, кг/м³, (діапазон результатів від 406 до 905), границі міцності, МПа, при стиску R_c (від 1,9 до 11,8), при вигині R_b (результати 0,85-3,04), пружну складову граничної деформативності при вигині е, мм/м, (результати 0,47-0,97), ударостійкість (в'язкість руйнування) H=е•R_b, кДж/м³ (0,58-2,34) і коефіцієнт теплопровідності л, мВт/(м•К) (результати 106-212).

Два нормовані критерії: марка D за густиною і клас В за міцністю на стиск. Кожний з них має верхнє і нижнє обмеження, які формують «коридори», перетин яких утворює (рис. 1) «нормативний блок» {D,B}. Результати натурного експерименту розташовані не менше, ніж у 12 блоках при D500, 600, 700 і 800 та відповідних класах В₁>В₂ >В₃.

Перший критерій якості, який оптимізується, - коефіцієнт теплопровідності. Він має норматив, але це одностороннє обмеження згори, і л доцільно мінімізувати. Як компромісно оптимізовані властивості газобетону, аргументовано вибрані критерії, пов'язані з тріщиностійкістю - границя міцності при вигині R_b і деформативність е, а також інтегруючий їх показник Н - в'язкість руйнування Н= е•R_b.

Багатофакторні ЕС-моделі побудовані в системі COMPEX при послідовному регресійному аналізі у двох версіях. У першій версії (1982-85 рр.) у модель покроково залучалися-вилучалися різні ефекти для зниження залишкової дисперсії без оцінки ризиків значущості оцінок коефіцієнтів; такі моделі використані в тестових обчислювальних експериментах та при модифікації процедури пошуку компромісно оптимальних рішень в третьому розділі. Друга версія (2008-2011 рр.) передбачає покрокове вилучення з початкової моделі всіх незначущих із заданим ризиком ефектів. Побудовані при незначному б ? 0,05, моделі використані в четвертому розділі при аналізі зміни компромісно оптимальних рішень рівнів критеріїв та факторів при переході між «нормативними блоками».

Одним з основоположних принципів рішення оптимізаційних задач чисельними методами є послідовне скорочення області можливих рішень. У матеріалознавстві для завдань з декількома критеріями якості, що вирішуються за ЕС-моделями з 2-5 факторами, використовується з 70-х років (В.А.Вознесенський) графо-аналітичний метод «виділення» області допустимих рішень при поєднанні цілеспрямовано візуалізованих діаграм. Для комп'ютерного проектування складів бетонів із заданим комплексом властивостей розроблено (О.Л.Дворкін) метод, що використовує як традиційні закономірності бетонознавства, так і ЕС-моделі.

Одним з продуктивних елементів комп'ютерного будівельного матеріалознавства виявився пошук компромісно оптимальних рішень за допомогою ітераційного випадкового сканування (з використанням методу Монте-Карло) комплексу багатофакторних РТ-полів властивостей матеріалу (Т.В.Ляшенко). Отримано корисні результати при дослідженнях модифікованих епоксидних покриттів, сухих сумішей, пінобетонів та ін.

На пошуковому етапі дослідження розв'язувалися тестові задачі з компромісної оптимізації властивостей газосилікату. Їх результати містили інформацію, корисну для модифікації методики. По-перше, усередині «нормативних блоків» {D,B} можна знайти РТ-умови, при яких л на 10-20% нижче за норматив. По-друге, вперше частина РТ-факторів, пов'язана з витратою енергоресурсів, в ході пошуку компромісу переведена в критерії оптимізації, що дало додатковий технічний ефект.

Аналіз раніше виконаних робіт та тестових задач показав доцільність модифікації процедури пошуку, особливо при великій кількості факторів і критеріїв оптимізації. В першу чергу потрібно знизити невизначеність при ухваленні рішень та поліпшити візуалізацію результатів.

У третьому розділі проаналізовано структуру модифікованої версії пошуку компромісно оптимальних РТ-рішень при випадковому скануванні багатофакторних полів властивостей матеріалу та результат її реалізації для газосилікату марки 800 класу 5.

Структуру пошуку компромісно оптимальних рішень показано на рис. 2. Кожна ітерація складається з трьох етапів, що послідовно реалізовуються в п'яти блоках. Оскільки «активність» періодично переходить від РТ-факторів [x₁,.,x_k] до критеріїв якості матеріалу Y_j та назад, структуру відображено на двох рівнях. Перша ітерація - специфічна, а друга та подальші u-ті (u>1) за структурою подібні.

На нульовому етапі першої ітерації (1/0) в блоці «1» генеруються на безперервних або дискретних шкалах по N_g=10000 випадкових чисел, розподілених за рівномірним законом в повних діапазонах кожного фактора -1? x_i ? +1.



Дискретні шкали переважно використовуються, коли фактори регулюються ступінчасто; зокрема, у даній задачі час ізотермічної витримки, х₄, регулюється ступенями по 0,5 год. (на 17 рівнях з рівною ймовірністю 0,059). До випадкових варіантів додаються N_k=2^k вершин k-вимірного куба (x_i = ±1). Ця модифікація необхідна, оскільки вірогідність випадкового влучення у вершину близька до нуля, а в них можуть знаходитися екстремуми лінійних і параболічних поверхонь відгуку Y.

У блоці «2» за ЕС-моделями для N_1/0=10512 варіантів визначаються рівні всіх п?яти критеріїв (два нормативних та три оптимізованих) та формується повна матриця обчислювального експерименту (MCE_1/0 (Matrix of computational experiment)) з 10512 рядками і 9+5 стовпцями.

У блоці «3» на етапі «1/1» кількість рядків матриці MCE_1/0 скорочується до N_1/1 (у даному випадку 683) за рахунок видалення варіантів, що не відповідають D800 і В5. Cтовпці матриці МСЕ_1/1 містять x_i.1/1 і Y_i.1/1 тільки в діапазонах допустимих значень - RAV (Range of Admissible Values).

У блоці «4» на завершальному етапі «1/2» здійснюється «активне» поліпшення кожного з компромісно оптимізованих критеріїв від гіршого рівня всередині RAV_1/1{Y} до кращого (на рис.3, зокрема, для R_b від 1,23 до 3,21 МПа). При цьому на кожній u-тій ітерації утворюються два важливі діапазони: цілеспрямовано розширюваний діапазон виграшу RG_u{Y} (Range of Gain; вертикальне штрихування (рис.2-4)) та «пульсуючий» діапазон компромісу RC_u{Y} (Range of Compromise). Покращення покрокове; воно припиняється, коли залишається менше 10% RAV{Y} або 2-7 варіантів (у даному завданні N_1/2 = 3).

Размещено на http://www.allbest.ru/

У блоці «5» «активність» повертається до РТ-факторів, що змінюються в межах RC₁{x_i}; вони формують 9-вимірну прямокутну призму. Оскільки її межі визначені при обмеженій інформації щодо полів властивостей матеріалу, то поблизу неї можуть знаходитися корисні РТ-варіанти. Тому перед другою (u-тою; u>1) ітерацією діапазони RС{x_i} розширюються на 0,1-0,2 (або на 1-2 ступені) за кожну межу. У блоці «6» знов генеруються N_g=10⁴ значень дев'яти x_i, але лише у межах розширеної призми; до них додаються N_1/2=3 кращих варіанти попередньої ітерації - N_2/0 = 10003.

На всіх u-тих (u>1) ітераціях етап u/1 (блок «8») відмінний від блоку «3»; видаляються не лише варіанти, що не задовольняють D і В, але й ті, у яких рівні оптимізованих критеріїв гірші, ніж одержані на попередній ітерації. Завдяки цьому, виграш не змінюється - RG_1/2=RG_2/1 (рис. 2 і 3). Решта блоків «9», «10» не відрізняються від «4» і «5»; далі процедура блоків «6-10» повторюється в кожній подальшій ітерації.

Можна додатково мінімізувати витрати ресурсів, зокрема, енергії, використовуючи як критерії оптимізації відповідні РТ-фактори. На завершальній ітерації (коли RC{Y} для всіх критеріїв якості нижче 0,1-0,2 RAV) при прийнятті компромісно оптимальних рішень враховано параметри автоклавної обробки - час ізотермічної витримки х₄(ф) і тиск пари х₅(р). На етапі 3/2 верхні межі діапазонів RС_3/1{x₄} і RС_3/1{x₅} (містять 106 варіантів технології) вдалося понизити майже на 2 години та 0,1 МПа (рис.4).

У фіналі в діапазонах компромісу RC_3/2 залишилося 4 конкуруючих варіанти. Ефективність компромісної оптимізації E оцінювалася для кожного з критеріїв як відношення діапазонів RG і RAV; після трьох ітерацій (рис.3) вона має достатньо високі значення - E₃{R_b}=0,77, E₃{е}=0,82 і E₃{л}= 0,78.

Чотири варіанти, які залишилися, з інженерної точки зору рівноцінні; вибір між ними остаточного РТ-рішення суб'єктивний, якщо не вводити нові критерії та/або допущення.

Структура (рис.2) пошуку компромісно оптимальних х_i варіантів передбачає послідовне рішення прямих і зворотних задач математичного моделювання. При переході з верхнього рівня на нижній розв'язується пряма задача - розрахунок за ЕС-моделлю за відомими x_i єдиного значення Y. Зворотна задача вирішується при переході з нижнього рівня на верхній - необхідно за рівнями трьох критеріїв якості відновити рівні 9 РТ-факторів, що їх формують. Задача невизначена і багатозначна, але це не заважає процедурі, окрім завершальній ітерації, коли потрібне додаткове правило вибору єдиного рішення.

Якщо допустити гіпотезу лінійності полів у вузьких діапазонах компромісу, то регулярізация може бути зведена до обчислення для кожного RC{x_i} середніх, за якими обчислюються фінальні рівні компромісно оптимізованих критеріїв якості.

Спеціальні обчислювальні експерименти при відношенні RC{Y} до RAV{Y} від 1/50 до 1/10 показали: по-перше, більшість середніх компромісних рівнів факторів х_i стабільна; по-друге, всі розраховані за ними R_b, е та л, потрапляють в діапазони RC{Y}, визначені при ітераційному пошуку компромісно оптимальних рішень.

Остаточний РТ-варіант (рис. 5) дозволяє одержати конкурентноспроможний газосилікат {D800,В5} з компромісно оптимальними рівнями критеріїв якості і енергоємності автоклавного твердіння (рис. 3, 4).

У четвертому розділі проаналізовано результати обчислювальних експериментів, які оцінюють вплив між 12 «нормативними блоками» {D,B} газосилікату на компромісно оптимальні рівні критеріїв якості (R_b, е, л) та енергоємності, а також на рівні РТ-факторів, що їх забезпечують.

Використано ЕС-моделі, побудовані за другою версією послідовного регресійного аналізу, до того ж у них знижено до б=0,05 ризик відхилення правильної гіпотези, а границі міцності прологарифмовані для можливості екстраполяції у області зниженої густини.

Обчислювальні експерименти скануванням полів властивостей газосилікату дозволили одержати компромісно оптимальне рішення для всіх 12 «нормативних блоків» {D,B}, утворених вимогами до густини г (чотири марки D500, 600, 700 і 800) та до міцності на стиск R_c (для кожної D по три класи В₁ > В₂ > B₃), з урахуванням фіксованих в ДСТУ Б В.2.7-137:2008 довірчих інтервалів (рис.1).

газосилікат якість енергоємність бетон

Порівняльний аналіз показав, що інформативною числовою характеристикою - узагальнюючим показником для переходу між 12 блоками {D,B} є міцність на стиск R_comp{D,B} газосилікату з компромісно оптимальними для даного «нормативного блоку» рівнями критеріїв R_b, е і л. Цей логічно ясний показник дозволяє описувати (з відомим ризиком б) зміну компромісно оптимальних рівнів критеріїв і факторів, що їх забезпечують, безперервними функціями.

Для кожного з 12 {D,B} проведено по 4 серії обчислювальних експериментів ітераційним рівномірно розподіленим скануванням полів R_b, е і л. Основна серія 1 - пошук компромісно оптимальних рівнів Y_comp і рівнів РТ-факторів, що їх забезпечують; єдині значення x_i.comp визначалися при рішенні зворотної задачі. У серіях 2-4 визначені індивідуальні оптимуми R_b.max, л_min, е_max і їх РТ-координати.

На рис. 6 показані зміни рівнів компромісно оптимальних критеріїв якості при зміні узагальнюючого показника R_comp{D,B}. З його зменшенням, звісно, знижуються і R_b.comp, і л_comp (рис. 6а, б), які достовірно описуються степеневими функціями R_b.comp=0,73(R_comp{D,B})^0,64 і л_comp =27,5(R_comp{D,B})^0,29.

Якщо оптимізація цих двох критеріїв проводиться індивідуально та незалежно (серії 2 і 4), то подібні криві будуть зміщені приблизно на 5% - для R_b вгору, а для л донизу. Проте втрати значно зростають, коли результати індивідуальної оптимізації деякого «базового» критерію використовуються для покращення Y в багатокритеріальній ситуації. Зокрема, мінімальному коефіцієнту теплопровідності відповідають рівні х_і{л_min} і, якщо використовувати тільки їх, то решта критеріїв якості (R_b, е, H) будуть істотно гірші, ніж Y_comp. Отож, побудована при x_i{л_min} (результати серії 4) крива R_b(x_i{л_min}) знаходиться (рис. 6а) нижче компромісно оптимальної на 7-24%. Не менше втрати для кривої л(х_i{R_b.max}) (рис. 6б) - вона лежить вище компромісно оптимальної, в середньому, на 19%.



Cпецифічно змінюється гранична пружна деформація при вигині е - нижче за R_cоmp{D,B}?6-7МПа вона, незважаючи на пониження границь міцності, починає зростати і у газосиліката D500 наближається до рівня в блоках D800. Такі зміни е описуються як тенденції (ризик менше 5%) квадратичними параболами (рис. 6в), причому е{л_min} лежить на 10-15% нижче.

Крива е_comp має два розгалуження, які відображають, мабуть, дві тенденції. У правій її частині деформативність збільшується разом із ростом густини і міцності, що обумовлено інтенсивним формуванням мембран з крупнокристалічних гідросилікатів кальцію при підвищеній температурі середовища в автоклаві. Поява лівої зростаючої гілки при рівнях РТ-факторів, що забезпечують компромісно оптимальні умови формування структури газосилікатів низьких класів і марок, за рахунок росту частки великих пор та збільшення вмісту дрібнокристалічних новоутворень.

Криві на рис. 6в відображають лише тенденції зміни е при зміні {D,B}; їх можна визнати інформативними, оскільки відомості про зв'язок деформативності з іншими критеріями якості обмежені та унікальні (Чернишов Є.М.).

Ударостійкість газосилікату, чисельно дорівнює в'язкості його руйнування Н, кДж/м³ (Чернишов Є.М., Ескуссон К.К.), в значній мірі визначає тріщиностійкість виробів - один з найважливіших параметрів їх конкурентоспроможності. Вона розрахована по рівнях двох критеріїв як H=R_b?е, що для компромісно оптимальних критеріїв якості (рис. 6а, в) зводить Н_соmp до лінійної функції. На рис.6г показано достовірну пряму H_comp= 0,86 +0,24(R_comp{D,B}), а нижче на 25±5 %, пряму при аргументі л_min.

Аналіз впливу «нормативних блоків» на рівні РТ-факторів, що забезпечують компромісно оптимальні рівні критеріїв якості газосилікату, розпочато з оцінки взаємозв'язку цих рівнів та узагальнюючого показника R_comp{D,B}. Практично достовірними виявилися лише дві - з кількістю алюмінієвої пудри х₆ і часом ізотермічної витримки газосилікату в автоклаві х₄ (аналогічно висновок для в'язкості руйнування H). Решта 7 РТ-факторів може впливати опосередковано, по складніших, ніж пряма пропорційність, закономірностях.

Рівні факторів, що забезпечують R_comp{D,В} (отже R_b.comp, е_comp, л_comp) та енергоємність автоклавного твердіння, визначені для 12 «нормативних блоків». При цьому виникла ситуація, принципово відмінна від пошуку індивідуального оптимуму, коли кожен фактор може змінюватися незалежно.

При пошуку умов компромісу методом ітераційного випадкового сканування полів декількох властивостей матеріалу на завершальній ітерації визначається обмежене число конкуруючих варіантів з?єднань R_b, е і л. Для них в МСЕ відомі рівні факторів, x_i, за якими розв'язували зворотну задачу і визначали єдиний комплекс з 9 рівнів РТ-факторів. Це випадкові величини, що утворюють систему з внутрішніми кореляційними зв'язками, що забезпечують взаємну компенсацію факторів для збереження умов компромісу критеріїв якості при зміні R_comp{D,В}.



Зв'язки в системі рівнів х_і.сomp відображає граф на рис. 7. Показано тільки 8 (з 36 можливих) лінійних зв'язків, визнаних практично достовірними (б<0,5%). Система містить три практично незалежні групи: підсистема x₂-x₃-x₆, підсистема x₁-x₄-x₅-x₇-x₈ і незв'язаний фактор x₉.

Вплив нормативів на рівні факторів, що забезпечують компромісно оптимальні R_b, е і л, проаналізовано в залежності від R_comp{D,В}. При цьому нормалізовані -1 ? x_i ? +1 перетворені в натуральні Х_i, що дозволило логарифмувати їх та розширити вибір конкуруючих моделей

X_i.comp =f(R_comp{D,B}).

У першій з виділених підсистем (рис. 8а) пріоритетним, звісно, є вміст алюмінієвої пудри X₆. Зміна компромісно оптимального рівня цього фактора (рис. 8б) достовірно (б ? 0,05%) описується експоненціальною моделлю - перехід до газосилікатів із зниженими нормативами D і B вимагає інтенсивного збільшення вмісту пороутворювача.

Окрім кількості пороутворювача, що достовірно впливає (як наголошувалося вище) на рівні R_b.comp і л_comp, в підсистему входять Х₃ і Х₂, вплив яких на критерії якості виявляється через кореляційні зв'язки з Х₆ (рис.8а). Тому при збільшенні кількості пороутворювача потрібно підвищувати (через позитивний взаємозв'язок) і тонкість помелу піску, яка змінюється (рис.8в), практично, на всьому досліджуваному діапазоні (250±100 м²/кг). Одночасно повинна збільшуватися вологість піску при помелі з вапном (r{X₆,X₂}< r{X₆,X₃}<<0), хоча вона і варіює достатньо в вузьких межах.

Друга підсистема рівнів факторів, що забезпечують R_comp{D,B} в 12 блоках, об'єднує п'ять елементів (рис. 9а). Тільки час ізотермічного твердіня Х₄ (8±4), година, має достовірний зв'язок з міцністю R_b, а чотири інших фактора можуть впливати на критерії якості лише опосередковано. Особливість Х₄ (рис.9б) в тому, що саме цей фактор в основному визначає енергоємність автоклавного твердіння. Тому на завершальній ітерації -1? х₄ ? 1 використовували як додатковий критерій оптимізації. Його активна мінімізація починалася після скорочення діапазонів компромісу критеріїв R_b, е і л нижче 10% діапазонів їх допустимих значень RAV. Скорочення часу ізотермічної витримки склало близько 40 хв. (в середньому, для 12 {D,B}) при виконанні нормативних вимог і компромісної оптимізації R_b, е і л. Проте мінімізація часу твердіння повинна супроводжуватися змінами рівнів ще чотирьох факторів (рис. 9а).

Негативний зв'язок між компромісними рівнями Х₄ і Х₁ вказує на необхідність збільшення розпливу суміші Х_1.comp. Це супроводжується (рис. 9б, параболічна функція, б?0.5) деяким зменшенням рівнів R_b і л.

Три фактори, які залишились (Х₅, Х₇ і Х₈), впливають на компромісно оптимальні рівні критеріїв якості лише опосередковано, значущих б<5% лінійних зв'язків не виявлено - спостерігаються лише слабкі тенденції.

Активне скорочення часу перебування газосилікату в автоклаві і збільшення водовмісту суміші призводять (для збереження компромісних рішень) до зниження активності суміші Х₇ (у інтервалі 14-20%), що може сприяти (б?0,5%) підвищенню деформативності газосилікату.

Крива на рис. 9в відображає слабку тенденцію до зниження активності а_СаО із зменшенням R_comp{D,B}. Проте одночасно спостерігається й інша тенденція - усередині кожної марки D_i активність лінійно (без оцінки ризику) знижується із зменшенням класу за міцності B_i1 > B_i2 > B_i3, але при переході до іншої марки D_j відбувається стрибкоподібне зрушення такої прямої. Для газосилікату нової марки D_j вищий клас B_j1 знов виходить при верхньому рівні x₇= +1, а B_j3 - при нижньому. Наявність двох тенденцій можна пояснити тим, що густина газосилікату формується до автоклавної обробки, коли а_СаО бере участь в утворенні пор та гелевої фази в мембранах, а механічні властивості - в автоклаві, коли у вапняно-кремнеземистому в'яжучому утворюються кристалічні гідросилікати кальцію.

Збільшення водовмісту суміші та зменшення активності вимагають підвищення температури води затворення Х₈ (в межах 25-45 °С). Проте графік на рис. 9г не дозволяє (б>20%) відмітити які-небудь тенденції, хоча додатковий аналіз контрольованих технологічних параметрів доавтоклавного твердіння вказав на практично достовірний негативний зв'язок Х₈ з деформативністю газосилікату, що можно пояснити (А.П.Меркін) збільшенням кількості мембран з дефектами спучення.

У другу підсистему (рис.9а), входить й тиск пари в автоклаві Х₅=1±0,2, МПа. Графік на рис. 9г показує лише слабку тенденцію до зростання при зменшенні R_comp{D,B}. Цей фактор мінімізувався аналогічно часу ізотермічної витримки для зменшення енергоємності. Це не суперечить напрямам його лінійних зв'язків. Графік враховує результати компромісної мінімізації тиску пари, але діапазони компромісу виявилися такими вузькими, що додаткове зниження тиску складає, в середньому, лише 0,02МПа.

Вміст цементу Х₉, що забезпечує компромісно оптимальні рівні критеріїв якості, не має зв'язків ні з однією з підсистем (рис. 5), має слабку тенденцію до зниження за експоненціальною функцією при зменшенні R_comp{D,B}, що може сприяти (б близько 5%) підвищенню деформативності газосилікату.

Одержані моделі та емпіричні закономірності дозволяють з відомим ризиком екстраполювати результати для отримання газобетону низьких марок (D400).

П'ятий розділ присвячено практичній реалізації результатів досліджень, зокрема, використанню компромісно оптимальних складів.

На початку 2010р. лабораторії ДП «НДІБМВ» запропоновано компромісно оптимальні рівні критеріїв якості марки D400 та РТ-факторів, що їх забезпечують, одержані при спеціальному екстраполяційному обчислювальному експерименті. При цьому тиск пари в автоклаві фіксували на рівні 0,8 МПа, характерному для виробників газобетону в Україні.

З метою подальшого підвищення рівнів критеріїв, пов'язаних з тріщиностійкістю поставлено чотирьохфакторний експеримент, в якому газобетон дисперсно армовано волокнами технічно чистої (вибіленої) целюлози (l=1-1,5 мм d=20-25 мкм) марки «Техноцел» з високими фізико-технічними показникам (міцність на розрив понад 0,5 ГПа, модуль пружності не менше 35 ГПа, теплостійкість 190 °С, стійкість у лужному середовищі рН12), які вводилися в суміш з водою затворення. Окрім вмісту волокон целюлози F % від маси сухої суміші (Х₁=0,1±0,1), в експерименті варіювалися ще три фактори в межах дев'ятифакторного моделювання: D,см (Х₂) - розплив суміші за Суттардом; a_CaO,% (Х₃) частка активних СаО в суміші вапна та піску; ф, год (Х₄) - час ізотермічної витримки в автоклаві. Інші шість факторів стабілізовано на рівнях скоректованих НДІБМВ з урахуванням умов і можливостей технологій діючих виробництв.

Аналіз діаграм, побудованих за чотирьохфакторними ЕС-моделями, показав, що ефективність впливу целюлозних волокон в порівнянні з ніздрюватим бетоном без волокон на границі міцності при стиску досягає до 22% й при вигині до 42%. Максимальний ефект отримано при нетривалій ізотермічній витримці.

У вересні-жовтні 2010 р. на базі ДП «НДІБМВ» випущено дослідно-промислову партію дисперсно армованого газобетону з підвищеною міцністю на стиск на 15-20%, при вигині на 35-50%, при морозостійкості F>35. У листопаді на ТОВ «ЮДК» випущено дослідно-промислову партію автоклавного ніздрюватого бетону, мікроармованого целюлозними волокнами об'ємом 17,5 м³; з нього виготовлені пазогребневі стінові блоки. Одержаний ніздрюватий фібробетон густиною г=388кг/м³ характеризується підвищеними в порівнянні з неармованим ніздрюватим бетоном значеннями міцності (R_с=3,7 МПа, R_b=1,3 МПа), і може бути віднесений до конструкційно-теплоізоляційних ніздрюватих бетонів, за показниками міцності на стиск задовольняє вимогам до бетону блоків зовнішніх стін згідно з ДСТУ Б В.2.7-137:2008.

Результати досліджень включені до звіту НДІБМВ за темою «Дослідження та розробка технологічних параметрів виробництва фібробетону» та лежать в основі заявки №а2010 14087 на патент України «Сировинна суміш та спосіб одержання дисперсно армованого ніздрюватого бетону».

...