Компромісна оптимізація властивостей пінобетону нормального твердіння

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОДЕСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ БУДІВНИЦТВА ТА АРХІТЕКТУРИ

УДК 666.973.6:517.8

Компромісна оптимізація властивостей пінобетону нормального твердіння

05.23.05. Будівельні матеріали та вироби

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Мартинов Євген Володимирович

Одеса 2009

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Одеській державній академії будівництва та архітектури Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: Заслужений діяч науки і техніки України, доктор технічних наук, професор ВОЗНЕСЕНСЬКИЙ Віталій Анатолійович, Одеська державна академія будівництва та архітектури, завідувач кафедрою «Процеси і апарати в технології будівельних матеріалів»

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор КОНДРАЩЕНКО Олена Володимирівна - Харківська національна академія міського господарства (м. Харків), професор кафедри технології будівельного виробництва та будівельних матеріалів.

кандидат технічних наук, доцент КРОВЯКОВ Сергій Олексійович - Одеська державна академія будівництва та архітектури (м. Одеса), доцент кафедри міського будівництва та господарства

Захист відбудеться 10 березня 2009 р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.085.01 Одеської державної академії будівництва та архітектури за адресою: 65029, м. Одеса, вул. Дідріхсона, 4.

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

Автореферат розісланий 6 лютого 2009 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 41.085.01, канд.техн.наук, доцент Карпюк В.М.

пінобетон неавтоклавний наповнювач будівельний

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Вітчизняний і закордонний досвід будівництва та експлуатації житлових і цивільних будинків і споруджень показав ефективність використання елементів огороджуючих конструкцій з ніздрюватих бетонів. Серед розмаїття ніздрюватих бетонів особливе місце займають неавтоклавні пінобетони. Це зв'язано з порівняно простою технологією їхнього виробництва, розповсюдженою сировинною базою та невисокою енергоємністю неавтоклавних пінобетонів. У останній час все більше поширення одержує малоповерхове котеджне будівництво. Завдяки мінімальним часовим і матеріальним витратам оптимальним матеріалом для такого будівництва є неавтоклавний пінобетон.

Зв'язок роботи з науковими програмами. Робота виконана відповідно до пріоритетних напрямків розвитку науки і техніки до 2006 року, та Закону України від 11 липня 2001 р. № 2623-ІІІ «Про пріоритетні напрямки розвитку науки і техніки» напрямок №6 «Новітні технології та ресурсозберігаючі технології в енергетиці, промисловості та агропромисловому комплексі» і держбюджетними темами: "Фундаментальні принципи й методи комп'ютерного матеріалознавства високоякісних композитів для спеціальних будівельних об'єктів" (№ г/р 0106U000949) і “Методологія комп'ютерного матеріалознавства при пошуку компромісних рецептурно-технологічних умов гарантованої якості будівельних композитів" (№ г/р 0103U000509.)

Мета роботи. Поліпшення будівельно-експлуатаційних показників і зниження витрати клінкерного в'яжучого за рахунок компромісної оптимізації складів і властивостей неавтоклавного пінобетону.

Задачі досліджень:

- розробити блок-схему досліджень, що забезпечить одержання достовірних оцінок основних властивостей пінобетону та дозволить на основі експериментально-статистичних моделей (ЕС-моделей), з використанням методів комп'ютерного матеріалознавства, визначити раціональні склади неавтоклавного пінобетону зі зниженими витратами клінкерного цементу;

- оцінити однорідність розподілу властивостей неавтоклавного пінобетону по висоті масиву;

- оцінити вплив бімінерального наповнювача, водопотреби розчинної цементно-піщаної суміші та хімічної добавки на зміну структури і фізико-механічних характеристик пінобетону;

- побудувати і проаналізувати кореляційні поля показників структури та властивостей пінобетону;

- проаналізувати взаємозв'язок між характеристиками структури пінобетону, оцінюваними фрактальною розмірністю і фізико-механічними властивостями пінобетону;

- на підставі отриманих ЕС-моделей провести компромісну оптимізацію і вибрати склади пінобетонів, які задовольняють нормативним вимогам ДСТУ Б В.2.7-45-96 і мають поліпшені фізико-технічні показники при зниженій витраті цементу;

- оцінити техніко-економічну ефективність і виготовити дослідно-промислову партію пінобетону з оптимальними компромісними рівнями якості.

Об'єкт досліджень. Конструкційно-теплоізоляційний пінобетон нормального твердіння.

Предмет досліджень. Закономірності впливу складу пінобетону на його фізико-механічні властивості та структурні характеристики.

Методи досліджень. Експеримент проводився на зразках-циліндрах. Фізико-механічні показники пінобетону визначали відповідно до нормативних документів. Всі експериментальні роботи проведені із застосуванням математико-статистичних методів досліджень. Як план експерименту використали спеціальний синтезований 41-точковий D-оптимальний план для побудови неповних кубічних моделей. При визначенні структурних характеристик застосовано експериментально-розрахунковий метод. Фрактальну розмірність структур пінобетону обчислювали на ПК по розробленій при участі автора програмі обробки фотофіксацій фрагментів структури пінобетону.

Наукова новизна роботи:

- установлені та кількісно оцінені за допомогою чотирьохфакторних неповних кубічних ЕС-моделей закономірності спільного впливу виду і кількості бімінерального наповнювача, водопотреби розчинної цементно-пісчаної суміші та хімічної добавки на основні фізико-механічні та структурні характеристики пінобетону нормального твердіння;

- на підставі обчислювальних експериментів по ЕС-моделям побудовані локальні поля основних властивостей пінобетону; виявлений вплив виду і кількості наповнювачів і встановлено вплив бімінерального наповнювача, зі зміненням мінералогії якого убік підвищення карбонатів приводить до підвищення міцності пінобетону без збільшення його щільності;

- розроблено методику оцінки фрактальної розмірності пінобетону і установлений достовірний кореляційний взаємозв'язок між щільністю пінобетону та фрактальною розмірністю;

- з використанням методів комп'ютерного матеріалознавства, зроблена багатопараметрична компромісна оптимізація властивостей пінобетону, що дозволила визначити склади пінобетону, що забезпечують його нормовані показники властивостей при знижених витратах клінкерного цементу.

Практичне значення отриманих результатів. Комплекс експериментально-статистичних моделей дозволив визначити ступінь і характер впливу досліджуваних факторів на властивості пінобетону. Використання методів компромісної оптимізації дозволило знизити витрати клінкерного портландцементу при забезпеченні нормативних показників пінобетону при мінімальних показниках вологості та водопоглинення пінобетону неавтоклавного твердіння. Рекомендовані склади пройшли дослідно-промислову апробацію на підприємствах м. Одеси - ЗАТ "ПІК" і "21 століття".

Особистий внесок здобувача. Особистий внесок полягає в постановці завдань досліджень, плануванні і реалізації експериментальних робіт, побудові та аналізі ЕС-моделей по вивченню кількісного і якісного впливу включених в експеримент факторів на властивості пінобетону. Автором розроблена програма для визначення фрактальної розмірності структури ніздрюватого пінобетону на персональному комп'ютері, розроблений технологічний регламент на виробництво пінобетону зі зниженим змістом клінкерного портландцементу.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертації доповідалися на міжнародному студентському форумі "Освіта, наука, виробництво" (м. Бєлгород, Росія, 2004); міжнародних семінарах по моделюванню та оптимізації композитів МОК (Одеса, 2004-2008); міжнародних конференціях "Структуроутворення, міцність і руйнування композиційних будівельних матеріалів" (Одеса, 2004-2007); міжнародній науково-технічній конференції "Актуальні питання будівництва " (м. Саранськ, Росія, 2004); науково-технічному семінарі "Інформаційні системи і технології" (м. Одеса, 2006); міжнародній науково-технічній конференції "Сучасні будівельні матеріали, конструкції й технології. Система менеджменту якості (СМС) серії ІSO 9000 на підприємствах" (Новосибірськ, Росія, 2007-2008).

Публікації. За матеріалами дисертаційної роботи опубліковано 9 друкованих видань, у тому числі 5 статей у наукових виданнях, внесених до реєстру ВАК України, та 4 у матеріалах конференцій.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, списку літературних джерел і додатків. Дисертація викладена на 143 сторінках, з яких 127 сторінки основного тексту, включає 53 малюнка і 23 таблиці. Список використаної літератури складається з 151 найменувань на 16 сторінках, є 2 додатки на 7 сторінках.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертаційної роботи зазначений її зв'язок з держбюджетними темами: "Фундаментальні принципи й методи комп'ютерного матеріалознавства високоякісних композитів для спеціальних будівельних об'єктів" (№ г/р 0106U000949) і “Методологія комп'ютерного матеріалознавства при пошуку компромісних рецептурно-технологічних умов гарантованої якості будівельних композитів (№ г/р 0103U000509.), сформульовані мета і завдання досліджень, відзначені наукова новизна і практична цінність отриманих результатів.

У першому розділі дисертаційної роботи наведений короткий огляд історії розвитку ніздрюватого бетону та технологічні особливості одержання його різновидів.

Проведений аналіз літературних джерел дозволив виділити 3 проблемних питання, пов'язаних з ніздрюватими бетонами.

1. Основний метод проектування складів, приведений у літературі (Інструкція СН-277-80), ґрунтується на проектуванні складів, що забезпечує одержання бетону необхідної середньої щільності в сухому стані. При цьому середня щільність забезпечується за рахунок введення певної кількості пороутворювача, при фіксованих значеннях водопотреби, що визначається величиною діаметра розпливу по віскозиметру Суттарда. Недоліки методу в тім, що:

- метод не передбачає розрахунок складів ніздрюватого бетону необхідної міцності;

- у розрахунку використовується багато емпіричних коефіцієнтів, які залежать від якості вихідних матеріалів і початкових рецептурно-технологічних умов. Зокрема при розрахунку пористості, що забезпечує одержання матеріалу необхідної щільності, використовують коефіцієнт виходу пор. При застосуванні піноутворюючих добавок цей коефіцієнт залежить від багатьох факторів, і змінюється в досить широких межах залежно від природи ПАР;

- зміна водопотреби розчинної суміші приводить до зміни щільності ніздрюватого бетону.

2. Призначення ніздрюватих бетонів у першу чергу спрямовано на низьку теплопровідність, що визначає їхню область застосування в повітряно-сухих середовищах.

Кліматичні умови експлуатації будинків у Причорноморському регіоні відрізняються значними коливаннями вологості протягом року. Тому достатній інтерес, особливо для малоповерхового індивідуального будівництва, представляють дослідження властивостей пінобетону, пов'язані з вологовмістом, адсорбцією вологи та вологостійкістю, які в цей час недостатньо досліджені.

3. Пінобетон неавтоклавного твердіння відрізняється досить високою витратою енергоємного цементу. Вартість енергоносіїв постійно підвищується, що позначається на підвищенні вартості цементу і собівартості пінобетону. Крім того, цементний гель, що утворюється в результаті гідратації цементу, є основним джерелом підвищеної вологісної усадки. Внаслідок цього, важливим завданням є завдання зниження витрати цементу і заміщенням його у твердій фазі наповнювачем.

Ці проблеми дозволили сформулювати мету роботи і намітити шляхи досягнення мети, вибір сировинних матеріалів і методи експериментальних робіт.

У другому розділі наведені блок-схема і специфічний план експерименту для побудови неповних кубічних моделей, необхідних для виявлення ролі співвідношення між кварцовим та вапняковим пісками в бінарних сумішах. Наведені характеристики сировинних матеріалів, описані методи експериментальних робіт і обробки їхніх результатів, побудови моделей і обчислювальних експериментів.

Блок-схема (рис. 1) формалізує структуру досліджень і виділяє його етапи, які включають оцінку однорідності властивостей, експериментальне визначення фізико-механічних і структурних характеристик пінобетону, побудова ЕС-моделей, що описують поля властивостей, і обчислювальні експерименти на цих полях з використанням методу Монте-Карло для комп'ютерного пошуку оптимальних складів.

Рисунок 1 Блок-схема досліджень

Проведено два етапи досліджень. На етапі А визначалася однорідність розподілу щільності й міцності в сухому, природному й водонасиченому стані пінобетону. Використовували блоки, зроблені в заводських умовах ТОВ «САС» (м. Одеса), розмірами 600х600х100 мм. Для одержання зразків розміром 100х100х100 мм вони розпилені взаємоперпендикулярно. Обсяг вибірки 250 зразків. Для оцінки однорідності використали двохфакторний дисперсійний аналіз. Де перший фактор - номер блоку, другий - номер шару. Дисперсійний аналіз показав, що обидва фактора значимо не впливають ні на щільність, ні на міцність (у сухому та водонасиченому стані), тобто в пінобетонних блоках немає розшарування. Це дозволило в основному експерименті використати зразки у вигляді циліндрів діаметром 100 мм і висотою 600 мм, які розпилювалися на 5 частин по 100 мм. Та відбирали на випробування у випадковому порядку.

Етап Б включав, проведення експерименту по спеціальному 41-точковому плані, побудова та аналіз моделей, графоаналітичну інтерпретацію його результатів і багатопараметричну комп'ютерну компромісну оптимізацію складів пінобетону.

В експерименті використовували бездомішковий портландцемент виробництва ВАТ «Балцем» (м. Балаклея, Харківська область) марки М500 (ПЦ I-500-Н Д0).

Як наповнювач використовували кварцовий і карбонатний піски фракції менш 0,63 мм.

На попередньому етапі досліджень визначався вплив вологості і поверхнево-активної речовини на щільність (пустотність) бінарного наповнювача (рис. 2.).

У ході експерименту було визначено, що введення ПАР значно знижує пустотність бінарного наповнювача.

Як видно на графіку характер кривих пустотності бімінерального наповнювача в різних станах вологості практично ідентичний - пустотність збільшується в міру збільшення змісту карбонатного наповнювача.

Однак введення ПАР змінює характер кривої пустотності. В області наповнювачів вміщуючих від 50 до 87,5 % карбонатного наповнювача відзначається різке зниження пустотності бінарного наповнювача.

Апроксимування кривої пустотності бімінерального наповнювача дозволило описати її логістичним рівнянням (1):

(1)

де П - пустотність, %;

Н - частка карбонатного наповнювача в суміші наповнювачів.

Таке поводження пустотності (щільності) наповнювачів у присутності ПАР складно оцінити, використовуючи звичайні плани експериментів, що послужило обґрунтуванням для вибору синтезованого D-оптимального 41-точкового плану

Вибір карбонатного наповнювача обумовлений декількома передумовами. По-перше, на відміну від кварцового, карбонатний не є хімічно інертним і вступає у фізико-хімічну взаємодію з новоутвореннями клінкерних мінералів, що сприяє зменшенню водовідділення, водопотреби і розшарування суміші, підвищенню водоутримуючої здатності, пластичності, однорідності, зниженню усадки, а також підвищує водо-, морозо- і кислотостійкість (Зінов И.А., Горбанів С.П.). По-друге, застосування карбонатного наповнювача дає економічний ефект, оскільки в Причорноморському регіоні при дефіциті дорогого кварцового піску, знаходиться велика кількість карбонатних відходів від пиляння каменю-черепашнику.

Для поризації пінобетонної суміші використовувався піноутворювач ПБ-2000 виробництва ВАТ «Івхімпром» (Росія, м. Іваново). Для прискорення набору міцності пінобетону в ранній термін твердіння вводили добавку-прискорювач твердіння «Асилін-12», виробник ТОВ «СТРОЙ-БЕТОН» м. Стара Русса, Росія. Твердіння пінобетону проходило в нормальних умовах (температура навколишнього повітря 20±2, вологість 95%, тиск 760±5 мм рт. ст.). Реологічні характеристики розчинної складової визначали за допомогою віскозиметра Суттарда. Істинна щільність матеріалів визначалася пікнометричним способом. Експеримент проводився з використанням методів математичного планування експерименту. У якості плану був обраний синтезований 41-точковий D-оптимальний план, розроблений д.т.н., проф. Ляшенко Т. В. і д.т.н., проф. Вознесенським В.А. Особливістю плану експерименту полягає в можливості визначення кубічних ефектів взаємодії типу х²х, які інформаційно корисні в завданнях змішування зерен різних фракцій та мінералогій.

Обробку результатів робили в системах СОМРЕХ, Microsoft Excel і на спеціально розробленому програмному забезпеченні для визначення фрактальної розмірності. За експериментальним даними побудовані багатофакторні ЕС-моделі.

Останнім часом з'явилося досить робіт, у яких приводяться результати визначення фрактальної розмірності різних композиційних матеріалів. Наприклад, Большаковим В.І., Волчуком В.Н., Дубровим Ю.І. був розроблений метод визначення механічних властивостей металів шляхом аналізу фрактальної розмірності його структурних складових. Куліковим Д.В. описана фрактальна природа процесів структуроутворення матеріалів і процеси їхнього моделювання, запропоновано використати фрактальну геометрію для опису явищ формування й руйнування конструкційних матеріалів. У роботах Макарова Ю.А., Фролкіна О.А., Терешкина І.П. приводяться результати визначення фрактальної розмірності затверділого цементного каменю. Автори припускають, що в результаті визначення фрактальної розмірності і фізико-механічних властивостей у перспективі можливе встановлення кореляційної залежності між ними, що дозволить знизити витрати праці при випробуванні.

Ніздрюватий бетон являє собою типову фрактальну структуру. За результатами експериментів у кожному рядку плану були зроблені фотофіксації структури пінобетону та визначена їх фрактальна розмірність. На підставі чого були побудовані кореляційні поля між властивостями пінобетону та фрактальною розмірністю.

У третьому розділі проведений аналіз впливу факторів на показники різних властивостей і параметрів структури пінобетону.

Розділ включає чотири блоки. У першому блоці наведена інформація про зміну щільності пінобетону при різній вологості (сухому, природної вологості і водонасиченому стані) і водопоглинення залежно від варійованих факторів, а також проаналізовано взаємозв'язок між цими властивостями.

На цьому етапі по ЕС-моделям середньої щільності в сухому стані в дев'ятьох вузлових точках квадрату «дисперсійне середовище» (тобто поризована цементна матриця) побудовані двохфакторні локальні поля щільності пінобетону в координатах «наповнення». Далі аналізуються локальні поля щільності на прикладі пінобетону марки Д600.

В кожній вузловій точці зображений графік зміни щільності з відзначеною областю пінобетонів марки 600 (напівдіапазон 50 кг\м³, що відповідає ризику близько 10% виходу щільності за одну із границь області) і напрямком усередненого градієнта поля (від найменш до найбільш щільних пінобетонів). На несучому квадраті побудована діаграма, що відображує зміну під впливом рухливості суміші (х₁) і вмісту домішки (х₄) частки F(%) площі області припустимих рішень (ОПР) с=600±50 кг/м³.

Інженерну корисність для пошуку пінобетону марки 600 з оптимальним сполученням властивостей мають тільки шість локальних полів, у яких ОДР не менш 30%. Всі вони утворюються при верхніх рівнях рухливості суміші D та/або добавки А. Вектор росту щільності спрямований від підвищеного змісту наповнювача до практично чистого цементного каменю з Н=0,05.

При цьому виявляється істотна роль мінералогії зерен. Перехід походить від карбонатного наповнювача до змішаного (при високій рухливості) і від змішаного до кварцового (при малому D). Градієнти трьох інших полів, можуть мати аналогічні напрямки, що виявляється при регулярному скануванні конкуруючих зон полів. Аномалія пояснюється випадковим переміщенням екстремумів під впливом помилки експерименту.

Зміна кількості рідкої фази та вмісту в ній ПАР, продуктів гідратації та електролітів приводить до значної зміни конфігурації виділених на рис. 3 ОПР для марки 600, що особливо проявляється при збільшенні рідкої фази (х₁). Досить стійкі до випадкових коливань факторів локальні поля, у яких частка F області припустимих рішень досить велика (F > 50%). Таких полів два при середньому рівні домішки: при середній рухливості, і при високій рухливості (при А=1%).

На наступному етапі був визначений ступінь взаємозв'язку між середньою щільністю пінобетону, вологістю та водопоглиненням. Ступінь взаємозв'язку визначали коефіцієнтом кореляції. Аналіз взаємозв'язків властивостей дозволив зробити висновок, що ріст водопоглинення і вологості виникає одночасно зі зниженням щільності з відносно невеликою кореляцією. Це відкриває перспективи пошуку компромісних варіантів складів пінобетону.

Виявлено високу кореляцію щільності в сухому стані (0,73) і водопоглинення (-0,50) із фрактальною розмірністю. Графіки наведені на рисунку 4.

Високий коефіцієнт кореляції в залежності фрактальної розмірності від щільності в сухому стані пояснюється тим, що щільність прямо залежить від пористості, характер якої (ступінь заповнення твердою фазою) і визначає фрактальну розмірність.

У другий блок об'єднані результати експерименту, пов'язані із складом пінобетону. У ньому наведені фактичні витрати складових з урахуванням реальної щільності пінобетону, отриманої в експерименті, розрахункова витрата води в розчині, а також фактичний її вміст із урахуванням води, що вводили із піною. Проведено кореляційний аналіз складових пінобетону й властивостей, розглянутих у першому блоці. По всіх рядках плану експерименту, розрахована економія клінкерного цементу за рахунок введення наповнювача, що становить від 21 до 336 кг/м³.

У третьому блоці наведені експериментальні дані, а також розрахункові характеристики, що мають першочерговий причинно-наслідковий зв'язок з характером структури пінобетону. Це показники пористості (загальна, відкрита і замкнена), обсяг газової фази в одиниці об'єму пінобетону, коефіцієнт спучування, фактичний коефіцієнт використання піноутворювача. Також побудовані поля властивостей і зроблений кореляційний аналіз цих показників з характеристиками, включеними в перший і другий блок.

Четвертий блок присвячений аналізу міцності пінобетону при різній вологості (сухого, природної вологості і повного водонасичення). На рис. 5 показані локальні поля міцності пінобетону в сухому стані із забезпеченням його нормативних показників для щільності пінобетону 600 кг/м³.

При порівняльному аналізі локальних полів щільності і міцності видно, що зони з більшими площами області припустимих рішень збігаються тільки в бездомішкових складах, що, у свою чергу, ускладнює визначення не тільки оптимального складу, але й області припустимих рішень.

Наведено результати впливу факторів на водостійкість пінобетону (коефіцієнт розм'якшення). Проаналізовано взаємозв'язок міцнісних властивостей пінобетону з характеристиками другого й третього блоку.

У четвертому розділі проводився багатокритеріальний пошук компромісних рішень. Проаналізувавши роботи (Парето В., Дворкіна О.Л. та ін.), було прийнято рішення використати метод компромісних рішень для визначення оптимальних складів, за методом (Ляшенко Т.В., Вознесенського В.А.), який базується на процедурі випадкового сканування полів властивостей з використанням методу Монте-Карло.

ДСТУ Б В.2.7-45-96 указує чіткі рамки для показників щільності і міцності, однак регламентує вологість і водопоглинення лише певними максимальними рівнями для всієї номенклатури пінобетонів. Для проведення компромісної оптимізації було вирішено використати чотири параметри - нормовані ДСТУ Б В.2.7-45-96 щільність і міцність у сухому стані, а також вологість і водопоглинення, які необхідно мінімізувати. Вологість і водопоглинення як оптимізуємі параметри були обрані виходячи з наступних міркувань. До конструкційно-теплоізоляційних матеріалів, виходячи з їхнього функціонального призначення, подаються певні вимоги по теплопровідності і морозостійкості. Непрямою оцінкою теплопровідності теплоізоляційних матеріалів є їхня середня щільність. З іншого боку, з підвищенням вологості збільшується теплопровідність. Тому зниження відпускної та рівноважної вологості дозволяє поліпшити теплотехнічні параметри пінобетону. Морозостійкість матеріалів прямо пов'язана з відкритою пористістю, що оцінюється шляхом водонасичення матеріалу. Зниження водопоглинення дозволяє збільшити кількість циклів заморожування-відтаювання, тобто підвищити морозостійкість.

На першому етапі оптимізації розшукували склад пінобетону щільністю 550 ?с_норм? 650 кг/м³ (додаткові обмеження межа міцність у сухому стані R 1.5 МПа та K_w 0.75). В отриманих складах повинні бути компромісно мінімізовані природна (технологічна) вологість w_e (%) і водопоглинення W (%), що повинне сприяти поліпшенню теплофізичних показників огороджуючих конструкцій, підвищенню морозостійкості і довговічності, а також мінімізувати вміст портландцементу.

Процедура включала дві ітерації, кожна з яких складається з трьох етапів. Перший - генерація 10000 випадкових складів пінобетону на повних полях п'яти його властивостей. Другий - виділення області припустимих рішень ОПР по нормативах (і кращим результатам W і w_e попередньої ітерації). Третій - мінімізація природної вологості і водопоглинення.

На етапі 1-2 з N=10041 складів в ОПР (де виконані нормативи 550 ? с ? 650 кг/м³, R 1.5 МПа та K_w 0.75) залишаються 10 складів, що визначила границі, у яких буде проводитися наступна ітерація. На стартовому етапі другої ітерації 2-0 з урахуванням розширених границь факторного простору, отриманих під час першої ітерації, знову проводиться генерування 10000 точок. Отримані 10010 складів піддаються сортуванню та виключенню складів, які не підпадають під норматив (с = 600±50 кг/м³, R 1.5 МПа та K_w 0.75). Внаслідок цієї операції на етапі 1-1 залишаються 214 складів, що задовольняють вимогам нормативу (рис. 7, 8).

Аналіз конкуруючих складів, що залишилися на етапі 2-2 (при виконанні трьох нормативних вимог) дозволив визначити склади зі зниженим вмістом цементу, які округлені до зручних для технологічної реалізації значень із інженерної точки зору (табл. 1). Внаслідок цього було прийняте рішення значення факторів у тому числі х₂ і х₃ прирівняти до 1, тобто вводити максимальну кількість карбонатного наповнювача.

Таблиця 1 Етапи компромісної оптимізації для с = 600±50 кг/м³

Фактори та критерії	Етапи ітерацій і число випадкових точок N (курсив)
	1-0	1-1	1-2	2-0	2-1	2-2	3-2
	10041	214	10	10010	91	3	8
x1	-1.00... …100	-0,71...1…1,00	-0,07...0…0,92	-0,27...1…1,00	-0,17...0…0,99	-0,07...0…0,04	-0,04...0…0,11
x2		-1,00...0…0,96	0,01...0…0,90	-0,19...1…1,00	-0,05...0…0,99	0,89...0…0,99	1
x3		-1,00...1…1,00	0,64...0…0,89	0,44...1…1,00	0,44...0…0,97	0,76...0…0,89	1
x4		-0,86...1…1,00	-0,86...0…0,80	-1,00...1…1,00	-0,92...0…0,98	-0,88…-0,83	-0,78…-0,74
с	523...…969	591...…649	633...…648	539...…744	628...…649	639...…646	648...…650
R	0,5...3…3,1	1,5...2…2,1	1,5...1…1,9	0,9...2…2,7	1,5...2…2,0	1,5...1…1,6	1,7...1…1,7
Kw	0,56...1…1,00	0,75...0…0,91	0,75...0…0,80	0,62...0…0,93	0,75...0…0,82	0,76...0…0,77	0,75...0…0,76
W	20,8...43…43,5	25,2...39…39,2	32,1...34…34,0	25,7...44…44,0	30,5...34…34,0	33,3...34…34,0	33,8...34…34,0
we	6,5...28…28,3	14,9...27…27,5	17,7...21…21,7	9,7...28…28,4	15,4...21…21,7	17,3...18…18,6	17,9...18…18,6
Ц	262...…691	305...…532	323...…416	271...…509	319...…416	319...…325	321...…322

Проведена третя ітерація на компромісні результати практично не вплинула.

Після усереднення було отримано склад з діаметром розпливу розчину 200 мм, максимальним змістом карбонатного наповнювача (45 %) при введенні 0,13 % добавки «Асилін-12».

При пошуку оптимальних компромісних рішень по аналогічній процедурі для пінобетону марки 700 максимально досягнутий рівень наповнювача нижче - 30-40%. Наповнювач повинен бути також карбонатним (х₃ = +1), а бетон бездомішковим (х₄ = 1). При цьому можливе істотне зниження W і особливо природної вологості w_е.

Другий етап оптимізації полягав у визначенні складів з максимальним вмістом наповнювача. Склади, отримані при пошуку, були

На третьому етапі розшукували склади, у яких мінімізували вологість w_e (%) і водопоглинення W (%), що повинне сприяти поліпшенню теплофізичних показників огороджуючих конструкцій і підвищенню морозостійкості та довговічності.

Порівнявши склади, отримані в ході оптимізації, було вирішено склад, отриманий у ході першої (основної) версії оптимізації рекомендувати до впровадження.

По даним ЗАТ «ПІК» (Одеса), а також Саратовського заводу пінобетонних виробів (Росія) для одержання 1 м³ виробів з пінобетону щільністю 600 кг/м³ необхідно затратити 380-400 кг цементу. Склад, що рекомендовано до впровадження, містить 321 кг цементу. Таким чином, економія цементу становить 60-80 кг або 18,75...25,0 %. Також завдяки оптимізації були знижені показники відпускної вологості та водопоглинення, що в підсумку дозволило зменшити теплопровідність до 0,136 Вт/м^оС і збільшити морозостійкість до марки F25. Наведені фотофіксації фрагментів дослідно-промислового впровадження результатів дисертаційної роботи на ЗАТ «21 століття» (Одеса). У результаті впровадження економічна ефективність склала 26 (ЗАТ «21 століття») і 31 грн/м³ (ЗАТ «ПІК») пінобетону.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. У результаті проведених експериментальних робіт визначені рецептурно-технологічні параметри пінобетону неавтоклавного твердіння з поліпшеними фізико-механічними властивостями.

2. Дисперсійний аналіз фізико-механічних показників (щільність у сухому стані та у стані природної вологості, міцність у сухому та водонасиченому стані) зразків з пінобетонного масиву свідчить про однорідність розподілу цих показників по висоті масиву й відсутності розшарування пінобетонної суміші.

3. На підставі отриманих експериментально-статистичних моделей вдалося виявити вплив груп факторів «наповнювач», «водопотреба», «прискорювач твердіння» на фізико-механічні властивості пінобетону нормального твердіння.

4. Розроблено методику кількісної оцінки структури пінобетону та побудовані кореляційні поля фрактальної розмірності та фізико-механічних властивостей пінобетону.

5. У результаті застосування методу компромісної оптимізації визначені склади пінобетону, що задовольняють вимогам ДСТУ по показникам середньої щільності і міцності при мінімізації показників вологості та водопоглинення, що відрізняються мінімальною витратою клінкерного цементу. Витрата цементу знизилась на 20%, вологість на 20 %, водопоглинення на 15 %, морозостійкість підвищилася на марку з F15 до F25, зменшилась теплопровідність до 0,136 Вт/м·^оС.

6. Рекомендовані склади впровадженні на ЗАТ «ПІК» і ЗАТ «21 століття» при виробництві пінобетонних виробів неавтоклавного твердіння. Економічний ефект становить 26-31 грн на 1 м³ пінобетону. Обсяг виробленої продукції склав близько 5000 м³ пінобетону за 2007 рік.

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНІ В РОБОТАХ

1. Мартынов Е.В. Исследование влияния рецептурно-технологических факторов на водопотребность и прочность неавтоклавного пенобетона / Е.В. Мартынов, Н.В. Казмирчук, Е.Б. Мартынова // Вісник Одеської державної академії будівництва та архітектури, вип. 15, Одеса: “Місто майстрів”, 2004. - С. 220-225.

2. Мартынов В.И. Исследование структуры и свойств пенобетона / В.И. Мартынов, Д.А. Орлов, Е.В. Мартынов // Вісник Одеської державної академії будівництва та архітектури №23. Одеса: “Місто майстрів”, 2006. - С. 195-202.

Внесок здобувача: участь у постановці задач та програми досліджень, проведення експериментальних робіт, побудова математичних моделей фізико-механічних властивостей ніздрюватих бетонів і їх інтерпретація.

3. Мартынов В.И. Фрактальность, структура и свойства пенобетона / В.И. Мартынов, Д.А. Орлов, Е.В. Мартынов // Сб. научн. трудов «Информационные системы и технологии» 4-й семинар, приложение к журналу «Холодильная техника и технология», Одесса, изд-во «Ризограф», 2006. - С. 199-202.

Внесок здобувача: розробка програмного забезпечення для визначення фрактальної розмірності, аналіз та інтерпретація результатів.

4. Вознесенский В.А. Комбинированный поиск компромиссных решений случайным сканированием и совмещением диаграмм полей свойств материала (пенобетон неавтоклавного твердения) / [В.А. Вознесенский, Т.В. Ляшенко, В.И. Мартынов, Е.В. Мартынов] // Вісник Одеської державної академії будівництва та архітектури №27. Одеса: “Зовнішрекламсервіс”, 2007. - С. 68-78.

Внесок здобувача: проведення експериментальних робіт, побудова математичних моделей фізико-механічних властивостей ніздрюватих бетонів і їх інтерпретація, пошук компромісних рішень.

5. Мартынов В.И. Фрактальная размерность и свойства пенобетона неавтоклавного твердения / В.И. Мартынов, Е.В. Мартынов // Вісник «ДонНАБА», № 1(69), Макіївка: ДонНАБА, 2008. - С. 74-78.

Внесок здобувача: розробка програмного забезпечення для визначення фрактальної розмірності, аналіз та інтерпретація результатів.

Додатковий список публікацій результатів дисертації

6. Мартынов Е.В. Послойный анализ неоднородности плотности пенобетона в блоках различной влажности / Е.В. Мартынов // Сборник тезисов докладов «II Международный студенческий форум «Образование, наука, производство», ч. 4., Белгород: изд-во БГТУ, 2004. - С. 79.

7. Вознесенский В.А. Методы компьютерной статистики при оценке параметров стойкости материалов / [В.А. Вознесенский, Т.В. Ляшенко, Ан.А. Гара, Е.В. Мартынов] // В сб. «Актуальные вопросы строительства» материалы Международной науч.-техн. конференции, Саранск, изд-во Мордовского университета, 2004. - с. 268-269.

Внесок здобувача: проведення експериментальних робіт, побудова математичних моделей фізико-механічних властивостей ніздрюватих бетонів і їхня інтерпретація

8. Вознесенский В.А. Многофакторные ЭС-модели с переменной канонической формой парабол (анализ критериев качества пенобетонов)/ [В.А. Вознесенский, Т.В. Ляшенко, В.И. Мартынов, Е.В. Мартынов] // В сб. «Моделирование и оптимизация в материаловедении» МОК-46, Одесса: Астропринт, 2007. - с. 90-95.

Внесок здобувача: проведення експериментальних робіт, побудова математичних моделей фізико-механічних властивостей ніздрюватих бетонів і їхня інтерпретація

9. Мартынов Е.В. Моделирование влияния состава пенобетона с биминеральным наполнением на объем газовой фазы / Е.В. Мартынов // У зб. наукових праць «Прогрессивные материалы и технологии в современном строительстве» НГАУ. - Новосибірськ: «Копир». - 2007-2008. - С. 21-26.

АНОТАЦІЇ

Мартинов Євген Володимирович. Компромісна оптимізація властивостей пінобетону нормального твердіння. Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.23.05 - Будівельні матеріали та вироби. - Одеська державна академія будівництва та архітектури, Одеса, 2009 р.

Дисертація присвячена поліпшенню будівельно-експлуатаційних показників і зниженню витрати клінкерного в'яжучого за рахунок компромісної оптимізації сумішей і властивостей неавтоклавного пінобетону нормального твердіння з використанням бімінерального наповнювача.

Для вивчення впливу бімінерального наповнювача використовувався синтезований 41-точковий D-оптимальний план для побудови неповних кубічних моделей. Знайдений кореляційний зв'язок між фрактальною розмірністю та фізико-механічними властивостями.

У результаті застосування методу компромісної оптимізації визначені склади пінобетону зі зниженим змістом клінкерного цементу.

Ключові слова: неавтоклавний пінобетон, компромісна оптимізація, фрактальна розмірність, бімінеральний наповнювач.

Мартынов Евгений Владимирович. Компромиссная оптимизация свойств пенобетона нормального твердения. Рукопись. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.05 - Строительные материалы и изделия. - Одесская государственная академия строительства и архитектуры, Одесса 2009 г.

Диссертация посвящена улучшению строительно-эксплуатационных показателей и снижению расхода клинкерного вяжущего за счет компромиссной оптимизации составов и свойств неавтоклавного пенобетона нормального твердения с использованием биминерального наполнителя.

Анализ литературных источников показал отсутствие информации о влиянии смеси карбонатного и силикатного наполнителей на свойства пенобетона нормального твердения, а также влиянии ПАВ на физико-механические свойства наполнителей. Результаты эксперимента показали, что введение ПАВ ведет к повышению плотности. Определено соотношение песков в смеси, при котором достигается максимальное значение плотности.

Проведен эксперимент по оценке однородности распределения свойств, в котором результаты были обработаны с помощью дисперсионного анализа и показано, что расслоения в показателях плотности и прочности нет.

Особенностью основного эксперимента заключается в использовании синтезированного 41-точечного D-оптимального плана для построения неполных кубических моделей вида x²x.

На основании полученных экспериментально-статистических моделей удалось выявить влияние составляющих на физико-механические свойства пенобетона неавтоклавного твердения. Проанализирована взаимосвязь между характеристиками структуры пенобетона, оцениваемыми физико-механическими свойствами пенобетона и фрактальною размерностью;

В результате применения метода компромиссной оптимизации определены составы пенобетона, удовлетворяющие требованиям ДСТУ и отличающиеся минимальным расходом клинкерного цемента.

Рекомендованные составы прошли апробацию на ЗАО «ПИК» и ЗАО «21 век» при производстве пенобетонных изделий неавтоклавного твердения.

Ключевые слова: неавтоклавный пенобетон, компромиссная оптимизация, фрактальная размерность, биминеральный наполнитель.

Martynov Eugene Vladimirovich. Compromise optimisation of properties normal hardening foam concrete. The manuscript. The dissertation on competition of a scientific degree of Cand.Tech.Sci. on a speciality 05.23.05 - Building materials and products. - Odessa state academy of building and architecture, Odessa, 2009.

The dissertation is devoted improvement of building-operational indicators and expense decrease clinker knitting at the expense of compromise optimisation of structures and properties unautoclave foam concrete normal hardening with use bimineral filler.

The synthesised 41-dot D-optimum plan for construction of incomplete cubic models was used for studying influence bimineral filler.

Correlation communication between fractal dimension and physicomechanical properties is found. As a result of application of a method of compromise optimisation structures of foam concrete with the lowered maintenance clinker cement are defined.

Key words: unautoclave foam concrete, compromise optimisation, fractal dimension, bimineral filler.

Размещено на Allbest.ru

...