Моделирование и оптимизация технологии газобетона

Строительное материаловедение d

УДК 666.97

А.Д. Жуков, А.В. Чугунков, П.К. Гудков

ФГБОУ ВПО «МГСУ»

МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИИ ГАЗОБЕТОНА

Теплоизоляционный ячеистый бетон, получаемый в условиях вариотропии давлений, может использоваться как для изготовления штучных изделий, так и в монолитном строительстве. Оптимизация позволяет исключить перерасход основных компонентов и получать изделия с заданными характеристиками.

Ключевые слова: ячеистый бетон, напряженное состояние, технология, оптимизация, конструктивное качество.

Описание технологического процесса. В технологии ячеистых бетонов используют тонкодисперсные композиции. Тонкому измельчению подвергаются кремнеземистый компонент. Содержание воды в песчаном шламе поддерживается на уровне, обеспечивающем хорошую текучесть суспензии (плотность шлама около 1,6 г/см3).

Приготовление смеси включает дозирование и смешивание всех компонентов до получения однородного раствора с заданными технологическими свойствами. Приготовление формовочной газобетонной смеси состоит в следующем. Отдозированные компоненты ячеистобетонной смеси загружаются в вертикальный самоходный газобетоносмеситель принудительного действия вместимостью до 5 м3 при включенном перемешивающем механизме в такой последовательности: песчаный шлам, вода, вяжущее и газообразователь в виде суспензии.

Формы устанавливают вдоль пути передвижения газобетономешалки, при этом обеспечиваются условия, предотвращающие какие-либо перемещения или сотрясение форм после заливки газобетонного раствора до завершения вспучивания и схватывания ячеистобетонной смеси.

Основным способом управления процессами вспучивания и структурообразова-ния газобетонных смесей является сбалансирование скоростей этих процессов, причем в начале газовыделения пластично-вязкие свойства массы должны возрастать медленно, а в конце — быстро.

Тепловая обработка изделий осуществляется под термоколпаками, оснащенными теплоэлектронагревателями (ТЭНами). Продолжительность тепловой обработки 6 ч с предварительной выдержкой в формах 4 ч. Без тепловой обработки выдержка изделий на поддонах составляет 14 сут.

Решение оптимизационных задач. При анализе априорной информации установлено 17 характеристик технологического процесса, оказывающих на результаты (функции У и У2) влияние с различной степенью интенсивности. В качестве результирующих функций приняты: У — средняя плотность газобетона, кг/м3; У2 — прочность газобетона при сжатии, МПа.

Для вещественной оценки влияния (расчета коэффициентов bt при одиночных X) был запланирован эксперимент для 17 факторов, матрица которого представлена в табл. 1. Условия эксперимента приведены в табл. 1 (столбцы 1—4). В результате проведения активного эксперимента определены коэффициенты уравнений регрессии при одиночных значениях факторов (табл. 1, столбцы 5 и 6).

© Жуков А.Д., Чугунков А.В., Гудков П.К., 2012

155

Табл. 1. Условия эксперимента по ранжированию и определению значимости факторов

Наименование фактора Символ X,- Среднее значение фактора X Интервал варьирования ДХ,- Величина коэффициента при Х

X У2

1 2 3 4 5 6

Расход газообразователя, кг/м3 Х1 6,5 2,5 -25 -0,19

Коэффициент активности газообразователя Х2 1,45 0,25 -30 0,15

Расход песка, кг/м3 Х3 55 23 17 -0,10

Расход портландцемента, кг/м3 Х4 170 70 62 0,14

Расход воды, дм3/м3 X 65 35 -16 -0,11

Продолжительность помола песка ть мин Хб 40 10 7 0,10

Коэффициент загрузки мельницы а Х7 0,5 0,2 6 0,08

Продолжительность приготовления смеси т2, мин Х8 14 4 -16 0,11

Частота вращения вала смесителя «!, мин-1 Х9 40 10 -12 0,09

Температура смеси Гь °С Х10 35 15 -19 0,10

Степень заполнения формы смесью Х11 0,4 0,2 -30 -0,14

Время выдержки в форме т3, мин Х12 60 30 7 0,11

Температура выдержки Г2, °С Х13 40 20 -14 0,08

Подъем температуры в камере тепловой обработки т4, ч Х14 4 1 8 0,07

Выдержка при постоянной температуре т5, ч Х15 6 1 10 0,09

Температура тепловой обработки Г3, °С Х16 80 15 7 0,07

Снижение температуры до 30 °С, т6, ч Х17 4 1 10 0,08

Доверительный интервал ДЬ 18 0,11

Коэффициенты, выделенные полужирным шрифтом, меньше (по абсолютной величине) доверительного интервала ДЬ, являются незначимыми и приравниваются к 0 (bi = 0).

Аналитическая оптимизация. Поставленная задача заключалась в получении изделия однородной структуры с минимальной вариацией по плотности. В результате оценки значимости выбраны 4 фактора, оказывающие большее влияние на результат: расход и активность газообразователя; степень заполнения замкнутой формы смесью и расход портландцемента. Контроль и адаптация напряженного состояния осуществлялись за счет применения гибкой мембраны. В качестве функций оптимизации приняты: У — средняя плотность газобетона, кг/м3; У2 — прочность газобетона при сжатии, МПа (табл. 2).

В процессе обработки результатов эксперимента получены полиномы, описывающие зависимость средней плотности газобетона и его прочности при сжатии от варьируемых факторов:

У = 250 - 25Х - 30Х2 + 20ХХ2 - 30Х3 + 62Х4 - 25Х32;

У2 = 0,42 - 0,18Х + 0,14Х2 - 0,12Х3 + 0,13Х4 + 0,10ХХ2.

156 /ББИ 1997-0935. Vestnik МвЭи. 2012. № 4

Строительное материаловедение в

Табл. 2. Условия эксперимента

Наименование фактора Символ Xi Среднее значение фактора XI Интервал варьирования АХ Значения фактора на уровнях

-1 +1

Расход газообразователя Рг, кг/м3 X 6,5 2,5 4,0 9,0

Коэффициент активности газообразователя Аг Х2 1,45 0,25 1,20 1,70

Степень заполнения формы смесью К = Н/Нф Хз 0,4 0,2 0,2 0,6

Расход портландцемента Рпц, кг/м3 Х4 170 70 100 240

Анализ коэффициентов при варьируемых факторах показывает, что на плотность ячеистого бетона наибольшее влияние оказывают расход портландцемента и степень заполнения формы смесью, при этом фактор Х3 является оптимизационным. Прочность изделия в наибольшей степени зависит от расхода газообразователя. Влияние коэффициента активности газообразователя и прочих факторов приблизительно проявляется на одном уровне. Доверительный интервал ДЬ по У равен 18, а по У2 равен 0,11.

1) проводим аналитическую оптимизацию по Х3:

дУ1/дХ3 = -30 - 50Х3 = 0 соответственно Х3 = -30/50 = -0,6.

В натуральном выражении:

Х3 = Х3 + ДХ3 (-0,6) = 0,4 - 0,2 • 0,6 = 0,28.

Для процесса вспучивания в замкнутом объеме при рассматриваемых условиях является оптимальным заполнение формы на 0,28±2 ее высоты, т.е. при высоте изделия 0,4 м форма заполняется на 0,4 -0,3 = 0,12 м;

2) решаем полиномы У = /(X, Х2, Х3, Х4) и У2 = /2(Х, Х2, Х3, Х4) при Х3 = -0,6:

У [Х3 = -0,6] = 255 - 34Х - 41Х2 + 20ХХ + 62Х4;

У2[Х3 = -0,6] = 0,49 - 0,18Х+0,14Х2 + 0,13Х4 + 0,10ХХ2;

3) задачам исследований соответствует интервал изменений Х4 в области низких плотностей; решаем полиномы при Х4 = -0,6

У! [Х4= -0,6] = 214 - 34Х - 41Х2 + 20ХХ

У2[Х4 = -0,6] = 0,30 - 0,18Х1+0,14Х2 + 0,10ХХ2.

Для других интервалов расход портландцемента Х4 можно определить из табл. 3;

Табл. 3. Расходы компонентов газобетонной смеси

Средняя плотность газобетона, кг/м3 Расходы компонентов, кг/м3

Портландцемент Кремнеземистый компонент Вода

100 48,0 32,0 19,4

200 95,0 65,0 39,4

300 129,0 126,0 50,4

400 160,0 170,0 67,4

4) проводим графическую интерпретацию зависимостей У^з^, Х2) и У2=/4(Х1, Х2). В результате получаем номограммы, которые приведены на рис. 1 и 2.

150 кг/м1

l 200 кг/м'

\

\ 0 кг/м»

> \

1,2 1,3 1.4 1,5 1,6 1,7

Коэффициент активности газообразователя, мэ/м*

Рис. 1. Зависимость средней плотности газобетона от характеристик газообразователя

Xl 1ИПа >4), МПа i,3 МПа

4 МПа

---"""OE МПа

1.2 1,3 1.4 1,5

Коэффициент активности газообразователя, »¿/ы?

Рис. 2. Зависимость прочности при сжатии газобетона от характеристик газообразователя

Параметром оптимизации процесса изготовления газобетона является коэффициент конструктивного качества материала. Для его численного определения используем оптимизационную функцию

= У2 _0,3 - 0,18Xl + 0,14X2 + 0.1X, X2

У,

График функции K^f^, X2) для области оптимальных значений представлен на рис. 3.

15/

I

0

И

1

I *

4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,

Расход газообразователя, кг/м3

Рис. 3. Зависимость коэффициента конструктивного качества от расхода и активности Аг газооб-разователя

В результате активного эксперимента были оптимизированы расходы основных компонентов, параметры формования и определены зависимость характеристик газобетона (прочности, плотности, коэффициента конструктивного качества) от расхода и активности газообразователя.

Библиографический список

1. Жуков А.Д., Чугунков А.В. Локальная аналитическая оптимизация технологических процессов // Вестник МГСУ. 2011. № 1. 6 с.

2. Жуков А.Д., Чугунков А.В., Рудницкая В.А. Решение технологических задач методами математического моделирования : монография. М. : МГСУ, 2011. 176 с.

Поступила в редакцию в феврале 2012 г.

Об авторах: Жуков Алексей Дмитриевич — кандидат технических наук, профессор кафедры технологий отделочных и изоляционных материалов, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет», г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, tau-rusj @rambler.ru;

158 /SSN 1997-0935. Vestnik MGSU. 2012. № 4

Строи тельное материаловедение ВЕСТНИК

_МГСУ

Чугунков Александр Викторович — начальник отдела обследования зданий КНИЛГ, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет», г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, chugunkov@mail.ru;

Гудков Павел Кириллович — инженер, web-редактор Редакционно-издательского центра, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет», г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, Gudkov.PK@yandex.ru.

Для цитирования: Жуков А.Д., Чугунков А.В., Гудков П.К. Моделирование и оптимизация технологии газобетона // Вестник МГСУ. 2012. № 4. С. 155—159.

A.D. Zhukov, A.V. Chugunkov, P.K. Gudkov

MODELING AND OPTIMIZATION OF THE AEROCONCRETE TECHNOLOGY

Heat-insulating cellular concrete manufactured in the variotropic pressure environment, may be used both for making single-piece products, and for monolithic construction purposes. Optimization of technology-related parameters prevents excessive consumption of principal components, while output products maintain pre-set characteristics. Both the product and the technology are based on the provisions of the general methodology of development of highly porous materials.

The technology is based on the principle of adjustable formation of the state of stress in the variotropic pressure environment. The state of stress maintained in the course of blowout contributes to formation of optimized cellular structure (in accordance with the criteria that include the shape, dimensions of pores, and characteristics of interpore partitions).

The process of manufacturing of the heat-insulating cellular concrete breaks down into the following stages: preparation of raw materials, preparation of the cellular concrete mixture, casting of products, thermal processing or ageing in the natural environment. Products are placed under heating domes, equipped with electric heaters, and exposed to heat treatment for six hours. Before the heat treatment, products are kept in their moulds for four hours. In the absence of heat treatment, products are kept on their pallets for 14 days.

Selection of the appropriate composition and optimal technological parameters is performed with the help of G-BAT-2011 software programme developed at MSUCE. The software is based on the methodology that is based on complete factorial experiments, experiments based on fractional replicates and testing of all essential statistical hypotheses. Linear, incomplete quadratic and quadratic equations generated as a result of experiments make it possible to design a model that represents natural processes in the adequate manner. The model is analytically optimized and interpreted thereafter.

Key words: cellular concrete, stress condition, technology, optimization, construction quality.

References

1. Zhukov A.D., Chugunkov A.V. Lokal'naya anaiiticheskaya optimizatsiya tehnologicheskikh protsessov[Local Analytical Optimization of Technology-related Processes]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2011, no. 4, 6 p.

2. Zhukov A.D., Chugunkov A.V. Rudnitskaya V.A. Reshenie tehnologicheskikh zadach metodami matematicheskogo modelirovaniya [Resolution of Technology-related Problems by Methods of Mathematical Modeling]. Moscow, MSUCE, 2011, 176 p.

About the authors: Zhukov Aleksey Dmitrievich — Candidate of Technical Sciences, Professor, Department of Technology of Finishing and Insulation Materials, Moscow State University of Civil Engineering (MSUCE), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; tau-rusj@rambler.ru;

Chugunkov Aleksandr Viktorovich — Candidate of Technical Sciences, Director, Department of Inspection of Buildings, Moscow State University of Civil Engineering (MSUCE), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; chugunkov@mail.ru;

Gudkov Pavel Kirillovich — Engineer, Web-editor, Editorial and Publishing Centre, Moscow State University of Civil Engineering (MSUCE), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; Gudkov.PK@yandex.ru.

For citation: Zhukov A.D., Chugunkov A.V., Gudkov P.K. Modelirovanie i optimizatsiya tehnologii gazobetona [Modeling and Optimization of the Aeroconcrete Technology]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2012, no. 4, pp. 155—159.