Содержание к диссертации
Введение
1 Технология, структура и свойства ячеистого силикатного бетона как объекта оптимизации и управления качеством готовой продукции 14
1.1 Современное состояние отрасли и актуальность проблемы 14
1.2 Влияние структуры ячеистого бетона на показатели его качества 25
1.2.1 Общие подходы к решению поставленной проблемы 25
1.2.2 Роль макроструктуры ячеистого бетона в формировании
1.2.3 Роль микроструктуры ячеистого бетона в формировании
1.3 Анализ процессов и факторов структурообразования ячеистого
1.3.1 Общая характеристика решаемой проблемы 35
1.3.2 Анализ факторов и процессов, обеспечивающих структурообразование ячеистого силикатного бетона в доавтоклавный период (раннее структурообразование) 36
1.3.2.1 Роль воды в процессах раннего структурообразования ячеистого силикатного бетона 36
1.3.2.2 Роль молотой негашеной извести в процессах раннего структурообразования ячеистого силикатного бетона 42
1.3.2.3 Роль химических добавок-регуляторов скорости гидратации извести в процессах раннего структурообразования ячеистого силикатного бетона 45
1.3.2.4 Роль минералов портландцементного клинкера в процессах раннего структурообразования ячеистого силикатного
1.3.2.5 Роль активных минеральных добавок в процессах раннего структурообразования ячеистого силикатного бетона 49
1.3.2.6 Особенности применения газообразующих добавок для формирования ячеистой пористости и их влияние на другие процессы доавтоклавного периода 50
1.3.2.7 Особенности применения пластифицирующих добавок в технологии ячеистого силикатного бетона 55
1.3.3 Анализ факторов и процессов, обеспечивающих структурообразование ячеистого силикатного бетона в автоклавный
1.3.3.1 Особенности процессов структурообразования в системе «известь-кремнеземистый компонент-вода» 59
1.3.3.2 Влияние химических и минеральных добавок на процессы структурообразования в автоклавный период 65
1.4 Принципы разработки основных положений оптимального управления технологией ячеистого силикатного бетона 68
2 Методика выполнения работы 82
2.1 Общие положения методологии экспериментальных исследований и характеристика объекта исследования 82
2.2 Этапы экспериментальных исследований 84
2.3 Характеристики основных сырьевых материалов 85
2.4.1 Стандартные методики исследований 88
2.4.1.1 Методика определения свойств сырьевых материалов 88
2.4.1.2 Методика определения свойств формовочной смеси 89
2.4.1.3 Методика определения свойств силикатного ячеистого
2.4.1.4 Методика определения минералогического состава сырьевых компонентов и силикатного ячеистого бетона 90
2.4.2 Нестандартные методики исследований 91
2.4.2.1 Модифицированная методика определения реологических характеристик смеси 91
2.4.2.2 Методика определения кинетики тепловыделения на
малых объемах формовочной смеси 92
2.4.2.3 Методика определения кинетики тепловыделения непосредственно в формах 94
2.4.2.4 Методика моделирования кинетики тепловыделения на основе нейросетевого подхода 96
2.4.2.5 Методика определения эффективности добавок, замедляющих гидратацию извести 99
2.4.2.6 Методика определения эффективности пластифицирующих добавок 100
2.4.2.7 Методика определения динамики газовыделения и
2.4.2.8 Неразрушающая методика непрерывного измерения реологических характеристик вспучивающейся смеси 102
2.4.2.9 Методика морфометрической идентификации параметров макроструктуры ячеистого бетона 103
2.4.2.9.1 Методика изготовления образцов-шлифов ячеистого бетона и получения цифровых изображений его поверхности с применением красящего состава 104
2.4.2.9.2 Методика изготовления образцов-шлифов ячеистого бетона и получения цифровых изображений его поверхности с применением оптического яркостного
2.4.2.9.3 Методика программной обработки и морфометрической идентификации параметров макроструктуры ячеистого бетона по цифровым изображениям шлифов 107
2.4.2.10 Методика программного расчета значений рецептурно-технологических факторов, обеспечивающих оптимальное
протекание процессов структурообразования 112
2.4.3 Полная методика подготовки силикатной смеси и образцов силикатного ячеистого бетона для проведения экспериментальных
3 Исследования влияния рецептурно-технологических факторов на свойства формовочной смеси с позиций формирования общей мультипараметрической модели 117
3.1 Исследование влияния рецептурно-технологических факторов на
температурные и вязко-пластичные свойства формовочной смеси 117
3.1.1 Результаты экспериментальных исследований тепловыделения формовочной смеси в зависимости от температуры воды затворения 117
3.1.2 Результаты экспериментальных исследований кинетики тепловыделения формовочной смеси в зависимости от В/Т-отношения 119
3.1.3 Результаты экспериментальных исследований начальных реологических и температурных характеристик формовочной смеси в зависимости от В/Т-отношения 122
3.1.4 Результаты экспериментальных исследований тепловыделения формовочной смеси в зависимости от тонкости помола ИПВ 124
3.1.5 Результаты экспериментальных исследований тепловыделения формовочной смеси в зависимости от длительности хранения ИПВ 126
3.1.6 Результаты экспериментальных исследований процесса гидратации извести в зависимости от дозировки добавок, замедляющих гидратацию извести, в системе «известь - вода
3.1.7 Результаты экспериментальных исследований влияния пластифицирующих добавок на температурные и реологические
свойства формовочной смеси 129
3.1.8 Результаты экспериментальных исследований влияния добавки микрокремнезема на температурные и реологические свойства
3.2 Разработка математической модели оптимизации процессов
3.2.1 Многофакторная оптимизация начальных реологических и температурных свойств формовочной смеси 135
3.2.2 Многофакторная оптимизация начальных реологических и температурных свойств формовочной смеси, модифицированной добавками суперпластификатора С-3 и микрокремнезема 146
3.2.3 Многофакторная оптимизация кинетики тепловыделения
4 Исследования влияния рецептурно-технологических факторов на структуру и свойства силикатного микробетона с позиций формирования общей мультипараметрической модели 153
4.1 Результаты экспериментальных исследований влияния рассматриваемых факторов на прочность силикатного микробетона 153
4.2 Оптимизация сырьевого состава по критерию максимума теоретической (предельной) прочности при сжатии ячеистого силикатного
4.3 Результаты экспериментальных исследований влияния рецептурно-технологических факторов на фазовый состав силикатного микробетона 158
5 Исследования влияния рецептурно-технологических факторов на структуру и свойства ячеистого силикатного бетона как композиционного материала 161
5.1 Результаты экспериментальных исследований влияния рецептурно-технологических факторов на прочностные свойства ячеистого
5.1.1 Идентификация математической модели прочностных свойств силикатного ячеистого бетона 163
5.1.2 Оптимизация структуры ячеистого силикатного бетона по критерию обеспечения максимального значения коэффициента
5.2 Результаты экспериментальных исследований влияния рецептурно- технологических факторов на состояние макроструктуры силикатного
5.2.1 Идентификация математической модели состояния макроструктуры силикатного ячеистого бетона 168
5.2.2 Оптимизация параметров макроструктуры ячеистого силикатного
5.3 Обобщающие результаты экспериментально-теоретических изысканий по улучшению качества ячеистого силикатного бетона на основе мультипараметрической модели 178
6 Оценка технико-экономической эффективности практического внедрения результатов исследований 183
6.1 Расчет сокращения производственных затрат при реализации предлагаемых технологических решений на предприятиях по производству стеновых блоков из ячеистого силикатного бетона 183
6.2 Расчет снижения материальных затрат от применения в строительстве изделий из ячеистого силикатного бетона повышенного качества 186
6.3 Суммарные показатели экономической эффективности от внедрения предлагаемых технологических решений 188
Основные выводы по работе
- Общие подходы к решению поставленной проблемы
- Характеристики основных сырьевых материалов
- Результаты экспериментальных исследований кинетики тепловыделения формовочной смеси в зависимости от В/Т-отношения
- Оптимизация сырьевого состава по критерию максимума теоретической (предельной) прочности при сжатии ячеистого силикатного
Введение к работе
Актуальность работы. Ячеистый силикатный бетон на сегодня является одним из основных стеновых материалов, применяемых в строительстве жилых, социально-бытовых и промышленных зданий. Это вполне объясняется многочисленными преимуществами данного материала: он легок и прочен, экологически чист и энергоэкономичен. Благодаря этим свойствам технология ячеистого силикатного бетона широко распространена по всему миру. Однако потенциальные возможности этого материала и его технологии еще не полностью раскрыты и освоены, имеются резервы для дальнейшего совершенствования его структуры и увеличения качественных показателей.
Тем не менее, в настоящее время руководители многих отечественных предприятий ошибочно считают, что единственно возможный способ наладить эффективное производство изделий из ячеистого силикатного бетона заключается в сотрудничестве с зарубежными фирмами-производителями, закупке и использовании их автоматизированных линий и технологических решений. При этом колоссальное количество теоретического и практического материала, накопленного отечественными учеными за десятилетия кропотливой работы, без лишних раздумий отметается. Безусловно, из-за длительного «простоя» нашей науки и техники, западные технологии, касающиеся ячеистого бетона, по некоторым вопросам нас значительно опередили.
Тем не менее, обладая рядом преимуществ, решения зарубежных компаний обладают и определенными существенными недостатками. В силу сложности технологического процесса производства ячеистого силикатного бетона зарубежные автоматизированные линии оптимизированы для работы лишь в достаточно узких диапазонах свойств сырьевых компонентов, как правило, соответствующих европейским стандартам качества. Кроме того, технологический регламент предприятий, работающих по литьевому способу, ориентирован только на высокое качество сырьевых материалов. К сожалению, в России эти требования выполняется не всегда. Как следствие имеет место отклонение от оптимального технологического режима и увеличение брака и убытков.
Ощутив эту проблему, предприятия пытаются приспособить зарубежные производственные линии под реалии российской жизни. Однако без эффективного управления технологией ячеистого силикатного бетона это оказывается бесперспективным. Сказанное осложняется еще и тем, что одни и те же факторы одновременно оказывают влияние на различные структурные (микро- и макро-) уровни ячеистого бетона.
В данной работе задача эффективного управления технологией ячеистого силикатного бетона в условиях нестабильности свойств сырьевых компонентов решается путем глубокого изучения влияния на ход технологического процесса всех факторов, разработки на этой основе и эффективного применения мультипара-метрической модели, учитывающей проявление этих факторов на различных масштабных уровнях и стадиях процесса. Ее применение в производстве позволяет учитывать реальные проявления свойств сырьевых компонентов, оперативно отрабатывать возникающие отклонения технологических процессов от оптимальных траекторий, и тем самым обеспечивает существенное повышение качества выпускаемой продукции.
Цель диссертационной работы заключается в обосновании методологических принципов оптимального управления комплексом технологических процессов структурообразования ячеистого силикатного бетона, создании необходимой информационной базы и ее адаптации к реальному управлению рассматриваемыми процессами.
Основные задачи работы:
- выявить ключевые направления и возможности дальнейшего совершен
ствования структуры ячеистого силикатного бетона и его технологии;
выявить особенности единичных процессов формирования структуры ячеистого бетона каждого из масштабных уровней с учетом взаимного влияния параметров состояния;
разработать комплекс мероприятий, направленных на совершенствование структуры ячеистого силикатного бетона и определяющих ее процессов;
разработать подходы к реализации оптимального управления технологией ячеистого силикатного бетона;
разработать необходимую экспериментальную базу для исследований, совокупность доступных методик и сопутствующих инструментов для определения комплекса параметров процессов, структуры и свойств ячеистого бетона;
разработать структуру мультипараметрической модели объекта как ориентир для выполнения комплексных исследований;
адаптировать мультипараметрическую модель к полученным экспериментальным результатам и проверить ее работоспособность в условиях реального технологического процесса;
- разработать универсальную адаптивную систему автоматизированного
управления и оптимизации технологии ячеистого силикатного бетона, которая
предполагает обоснование мер, создание необходимых моделей и инструментов,
позволяющих учитывать все существенные связи «технология-структура-
свойства» ячеистого композита и отвечающей требованиям оптимального управ
ления многостадийными динамически развивающимися процессами;
- разработать практические предложения по оптимизации технологии ячеи
стого силикатного бетона для внедрения на действующих предприятиях и оце
нить технико-экономическую эффективность разработанных технологических
решений.
Объект исследований - структура ячеистого силикатного бетона, получаемого по литьевой технологии формования на смешанном вяжущем, формовочная смесь для получения ячеистого бетона, силикатный микробетон, физико-химические процессы различных стадий структурообразования.
Теоретической и методологической основой исследований являются разработки отечественных и зарубежных ученых в области физической и коллоидной химии, системно-структурного материаловедения, технологии ячеистых бетонов, теории управления сложными многостадийными процессами. Для решения задач, поставленных в диссертационной работе, использовались как стандартные, так и разработанные автором нестандартные методики, позволяющие проводить оценку ключевых параметров процессов, структуры и свойств ячеистого силикатного бетона.
Научная новизна работы:
1) научно обоснованы принципы оптимального управления технологией яче-
истого силикатного бетона с привлечением положений исследования и моделирования сложных систем и теории гетерогенных процессов;
3) разработаны новые методические подходы и критерии оценки параметров процессов, структуры и свойств материала, реализованные в виде универсального исследовательского аппаратно-программного комплекса;
2) научно обоснованы направления дальнейшего совершенствования ячеистого силикатного бетона и его технологии с учетом эволюционного подхода к формированию структуры материала;
2) в рамках решения поставленной задачи экспериментально определены механизмы влияния различных рецептурно-технологических факторов, эффективные интервалы их варьирования и возможности совместного применения;
5) разработана мультипараметрическая модель и система оптимального управления на ее основе, учитывающая проявление всех значимых факторов на всех масштабных уровнях и стадиях процесса изготовления ячеистого силикатного бетона и обеспечивающая получение ячеистого бетона высокого качества.
Достоверность полученных результатов обеспечена применением в исследованиях научно обоснованных методик, вероятностно-статистических методов обработки полученных результатов; использованием аттестованного лабораторного оборудования; сопоставимостью полученных результатов с ранее выполненными исследованиями других авторов, а также всесторонними испытаниями и их положительным практическим эффектом.
Практическая значимость работы заключается в разработке мультипара-метрической модели процессов структурообразования ячеистого силикатного бетона, которая создана для широкого класса составов и свойств ячеистого бетона и может быть использована практически на любом производстве; принципов оптимального управления технологией ячеистого силикатного бетона и эффективных подходов для реализации управления; методических подходов и критериев оценки параметров процессов, структуры и свойств материала; универсального исследовательского аппаратно-программного комплекса; структурных элементов системы оптимального управления технологией силикатного ячеистого бетона.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях международного, республиканского и других уровней: на 15 академических чтениях РААСН «Достижения и проблемы материаловедения и модернизации строительной индустрии» (Казань, 2010); на 3 Всероссийской заочной научной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Молодёжь в современном мире: гражданский, творческий и инновационный потенциал» (Старый Оскол, 2012); на Региональной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Инновационные разработки молодых ученых Воронежской области на службу региона» (Воронеж, 2012); на Всероссийский конкурсе научно-исследовательских работ студентов и аспирантов в области информатики и информационных технологий (Белгород, 2012); на I Всероссийской конференции молодых ученых «Наука и инновации XXI века» (Сургут, 2012); IV Всероссийской заочной научной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Молодёжь в современном мире: гражданский, творческий и инновационный потенциал» (Старый Оскол, 2012); на XIII международной научно-практической конференции «Современные проблемы гуманитарных и естественных наук» (Москва, 2012); на Международной научно-практической конференции «Образование и наука: современное со-
стояние и перспективы развития» (Тамбов, 2013); на VII международной научно-практической конференции «Интеграция науки и практики как механизм эффективного развития современного общества» (Москва, 2013); на V Международной научно-практической конференции «Научно-техническое творчество молодежи - путь к обществу, основанному на знаниях» (Москва, 2013); на научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава, научных работников и аспирантов Воронежского ГАСУ «Инновации в сфере науки, образования и высоких технологий» (Воронеж, 2011-2013).
Внедрение результатов работы. Результаты теоретических и экспериментальных исследований, полученные при выполнении диссертационной работы, приняты к практической реализации в рамках реконструкции ЗАО «ВКСМ» в составе общей последовательности организационно-технических мероприятий при организации производства изделий из ячеистого силикатного бетона. Разработаны «Технологические рекомендации (временные) по производству стеновых блоков из ячеистого силикатного бетона с применением системы оптимального управления на основе мультипараметрической модели».
Результаты экспериментальных исследований, полученные при выполнении диссертационной работы, внедрены в учебный процесс в Воронежском ГАСУ по специальностям 270106 «Производство строительных материалов, изделий и конструкций»; 072000 «Стандартизация и сертификация (в строительстве)»; магистрантов направления «Строительство» по программе «Технология строительных материалов, изделий и конструкций».
На защиту выносятся:
закономерности процессов формирования структуры ячеистого бетона каждого из масштабных уровней с учетом взаимного влияния параметров состояния;
подходы к реализации оптимального управления технологией ячеистого силикатного бетона;
научное обоснование методологических принципов оптимального управления комплексом технологических процессов структурообразования ячеистого силикатного бетона;
совокупность разработанных методик и сопутствующих инструментов для определения комплекса параметров процессов, структуры и свойств ячеистого бетона;
результаты экспериментальных исследований влияния рецептурно-технологических факторов на процессы структурообразования, структуру и свойства ячеистого силикатного бетона;
математические модели, отражающие внешние и внутренние связи общей мультипараметрической модели, и ее структура;
результаты применения мультипараметрической модели с оценкой ее эффективности;
практические рекомендации по управлению процессами структурообразования с применением мультипараметрической модели.
Публикации. Результаты исследований изложены в 23 опубликованных работах общим объемом 305 с. (личный вклад автора - 278 с), из них 5 работ - в изданиях из перечня ВАК. На основные программные компоненты разработанного
аппаратно-программного комплекса получены 5 свидетельств о государственной регистрации программ для ЭВМ. Подана заявка 2012114267/08 (11.04.2012) на выдачу патента Российской Федерации на изобретение «Способ получения цифровых изображений поверхности пористого тела с яркостным разделением объектов и фона и устройство для его реализации» как основы для получения адекватной цифровой модели поверхности ячеистого бетона.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав и основных выводов; содержит 164 страницы машинописного текста, 43 рисунка, 22 таблицы, список литературы из 438 наименований и 9 приложений.
Общие подходы к решению поставленной проблемы
Теоретические расчеты показывают, что для полной гидратации извести необходимо 32,13 % воды от содержания СаО [164, 165]. Однако в технологии ячеистого силикатного бетона количество воды затворения значительно превышает этот показатель, что объясняется необходимостью обеспечения целого ряда условий для оптимального протекания процессов. Введение воды, прежде всего, способствует созданию необходимых подвижности и вязкости силикатной смеси, требуемой удобоукладываемости. Вода в силикатной смеси, помимо обеспечения гидратации извести и формирования первичной структуры новообразований, играет стабилизирующую и транспортную функции. Стабилизирующая функция заключается в снижении температуры формовочной смеси за счет большой теплоемкости воды, а транспортная - в непрерывном отводе продуктов реакции и подводе реагентов в реакционную зону. Именно эти процессы обеспечивают создание благоприятных условий для формирования ячеистой пористости с последующим закреплением ее состояния.
Сказанное является лишь «верхушкой айсберга», ибо процессы взаимодействия воды с компонентами сырьевой смеси является очень сложными и многогранными. Особенности этого взаимодействия определяются главным образом наличием многих аномальных, присущих только воде свойств. Аномальны необычно высокая теплота испарения воды, зависимости теплопроводности, вязкости, диэлектрической проницаемости и других физических свойств от давления и температуры [166-168].
Вода состоит из различных изоморфных элементов, содержит пять различных изотопов водорода и девять - кислорода, что объясняет существование 135 видов воды с общей формулой НгО, при этом девять из них устойчивы. Даже абсолютно чистая вода проявляет свойство диссоциации на ионы гидроксила (ОН") и /ТТ / Л+ г г гидроксония (НзО ), что объясняет наличие у чистой воды небольшо электропроводимости (0,75 10" ом" см" при 18 С) [169-172].
Наличие водородных связей, склонных к легкому разрушению и быстрому восстановлению, полярность молекул воды, наличие в них частично нескомпенсированных электрических зарядов является причиной объединения молекул воды в так называемые ассоциаты с образованием своеобразной структуры. Таким образом, вода склонна к кластерообразованию, а пространственное упорядочение молекул воды носит статистический характер [169, 171, 173, 174]. Ассоциативность воды во многом объясняет и наличие аномалий ее свойств [171, 175]. Описанные особенности свойств воды нельзя не учитывать при анализе процессов гидратации извести. Поскольку физические свойства воды находятся во взаимосвязи с ее температурой, то на протяжении всего процесса гидратации извести (и формирования ячеистой пористости) свойства воды непрерывно меняются, что в свою очередь оказывает влияние на протекание ряда других физико-химических процессов доавтоклавного периода. Общий вид изменений свойств свободной воды в зависимости от кинетики тепловыделения извести наглядно иллюстрирует рис. 1.3.1. Кинетическая кривая получена автором для формовочной смеси (без газообразователя) при В/Т=0,6 и температуре воды затворения 20 С. Для построения кривых изменения физических свойств воды использованы экспериментальные зависимости, полученные другими авторами [176] и хорошо согласующиеся со справочными данными [177-180].
Аномальность свойств воды может прояснить ряд важных моментов. Например, особенность температурного изменения удельной теплоемкости воды заключается в ее снижении в диапазоне температур от 0 до 37 С с последующим возрастанием при увеличении температуры выше 37 С [178]. Минимальное значение удельной теплоемкости воды приходится на температуру 36,79 С, что в совокупности с особенностями процесса гидратации извести (эти особенности будут рассмотрены в следующем пункте настоящей работы) является одной из причин наличия индукционного плато на кривой тепловыделения силикатной смеси и ее характерного вида.
Интенсивному росту температуры до отметки 36,79 С на кривой тепловыделения способствует снижение теплоемкости воды и соответствующее этому снижение общей теплоемкости системы. После достижения 36,79 С теплоемкость воды начинает увеличиваться, а рост температуры замедляется, что меняет вид кривой тепловыделения. В зависимости от условий (в данном случае В/Т-отношения) характерные участки могут сдвигаться относительно отметки 36,79 С, что обусловлено влиянием протекающих химических реакций.
Благодаря полярности и ассоциациативности молекул воды, а также в силу гидрофильности сухих компонентов формовочной смеси, их поверхность хорошо смачивается водой. При смачивании дисперсных материалов небольшим количеством воды (до 6 - 9 % от массы твердых частиц) в силу значительной избыточной энергии твердой фазы практически вся вода адсорбируется и распределяется на ее частицах. При этом образуются структурированные пленки вокруг минеральных зерен толщиной от нескольких нанометров до 200...250 нм [163, 181-184].
Кинетика тепловыделения при затворении компонентов формовочной смеси водой О 5 10 15 20 25 30 35 40 Время с момента затворения т, мин Рисунок 1.3.1 - Экспериментальная кривая тепловыделения формовочной смеси и соответствующие ей расчетные кривые изменения физических свойств свободной воды в системе Благодаря поверхностному натяжению и способности к смачиванию, вода может подниматься по узким вертикальным каналам на высоту большую, чем допускает сила тяжести, т.е. вода обладает свойством капиллярности [167, 171].
Таким образом, помимо свободного состояния, вода может встречаться и в других состояниях: в связанном (адсорбционная вода и вода кристаллической решетки) и переходном (осмотически поглощенная и капиллярная) [185-193]. При этом полностью меняются ее структура и свойства.
Адсорбционно связанная вода образуется за счет адсорбционного притяжения молекул воды к активным адсорбционным центрам поверхности минеральных компонентов и, как было уже сказано, образует адсорбционные пленки толщиной в один или несколько молекулярных слоев [194, 195]. Ее физические свойства в наибольшей степени отличаются от свойств свободной воды и являются аномальными даже по отношению к уже названным аномалиям. Эти отличия обусловлены искажением и перестройкой структуры связанной воды вблизи поверхности, т.е. изменением и искривлением сетки межмолекулярных водородных связей под влиянием поля поверхностных сил.
Аномальные особенности связанной воды исследовались многими поколениями ученых (Б.В. Дерягин, А.В. Думанский, П.А. Ребиндер, Н.В. Чураев, А.Ф. Лебедев, Е.М. Сергеев, Ф.Д. Овчаренко, Ю.И. Тарасевич, Р.И. Злочевская и др.) и прежде всего были установлены для таких ее свойств, как плотность, вязкость и др. Долгое время в литературе приводились противоречивые данные о плотности связанной воды, которая, по некоторым экспериментальным данным, намного превышала плотность свободной воды и составляла 1,2-1,4 г/см , и даже доходила до 1,84-2,4 г/см . Однако в настоящее время установлено, что плотность связанной воды немногим выше плотности свободной (в тонких пленках толщиной около 5 нм - на 1,5 %) и составляет в среднем около 1,02 г/см [196].
Следствием изменения структуры связанной воды является снижение ее способности к растворению, а также замедление скорости химических реакций. Таким образом, процесс гидратации извести в зависимости от состояния воды может замедляться или ускоряться.
Характеристики основных сырьевых материалов
При постановке экспериментальных исследований автор работы столкнулся с проблемой, заключающейся в изменении свойств ИПВ в течение времени его хранения. При этом хранение ИПВ производилось в герметичной таре, исключающей влияние карбонизационных и гидратационных процессов. Вероятно, произошедшие изменения связаны с последовательной агрегацией частичек извести [47, 48, 425], и, как следствие, с уменьшением реакционноспособной поверхности известкового компонента. Данный факт подтверждается результатами проведенного исследования кинетики тепловыделения формовочной смеси постоянного состава без газообразователя с ИПВ, различающимся длительностью хранения в герметичной таре.
Измерения осуществляли непосредственно после помола и через каждые 24 часа в течение 3-х суток по методике определения кинетики тепловыделения на малых объемах формовочной смеси (п. 2.4.2.2). За это время свойства извести изменяются настолько, что максимальная температура ее гидратации не достигает начальных значений на 5-6 С, при этом величина удельной поверхности ИПВ на степень изменений практически не влияет.
Таким образом, данный фактор должен учитываться при оптимизации технологии ячеистого силикатного бетона путем внесения соответствующей поправки. Также целесообразно сократить длительность хранения молотого известкового компонента в производственных условиях на срок, не превышающий 1 сутки. В настоящей работе с целью исключения влияния данного фактора все исследования проводились на свежеизготовленных извести и ИПВ.
Снижение В/Т-отношения, вызывающее ускорение гидратации извести в составе формовочной смеси, требует более интенсивного замедления гидратации и, соответственно, введения большего количества гипса. Однако наши исследования показали, что при введении полуводного гипса свыше 2,5 % вместо замедляющего эффекта наблюдается рост температуры смеси в момент заливки, ускорение гидратации извести и повышение вязкости системы. При значениях В/Т ниже 0,6 указанный эффект проявляется интенсивнее, при этом критическая дозировка гипса как эффективного замедлителя снижается. Все это послужило причиной поиска более эффективных добавок-замедлителей.
Анализ литературных источников [67, 68, 71] показал, что для замедления гидратации извести в составе известково-песчаных смесей наиболее целесообразно применение растворимых солей серной кислоты. С учетом этого в данной работе исследовались кристаллогидраты сульфатов железа, меди, магния и алюминия, а также сульфата натрия. Кроме того, для сравнения эффективности этих добавок проведены исследования с полуводным и деуеодным гипсом.
Опыты проводили по методике определения эффективности добавок, замедляющих гидратацию извести, описанной в п. 2.4.2.5 настоящей работы.
Исследования подтвердили низкую эффективность двуводного гипса по сравнению с полуводным. При этом диапазоны применения этих добавок оказались различными. Так, полуводный гипс продолжает снижать скорость гидратации извести при увеличении его дозировки до 3 % от массы извести, что обеспечивает возможность замедления гидратации до 6 и более раз по сравнению со скоростью гидратации извести без добавки. Эффективность деуеодного гипса практически не изменяется при варьировании его дозировки в пределах 2-5 % и позволяет продлить время гидратации до 4 раз.
Из всех изученных добавок наиболее эффективными замедлителями гидратации извести оказались кристаллогидраты сульфатов меди (II) и железа (II). Кристаллогидрат сульфата железа (II) наиболее эффективен как замедлитель при дозировке 5 % от массы извести. В этом случае замедление составляет более чем 6 раз. Замедляющий эффект объясняется склонностью сульфата железа к образованию метастабильных комплексов с гидроксидом кальция, временно экранирующих частички извести от проникновения воды и дальнейшей гидратации с образованием соединений вида: Fe(OH)S04-2H20, Ca6Fe2(S04)3(OH)2-xH20.
Кристаллогидрат сульфата меди (II) способен образовывать с гидроксидом кальция аналогичные по строению комплексы, но более устойчивые и вследствие этого лучше экранирующие от гидратации частички извести [71]: Сщ(ОН)б804, Cu3(S04)(OH)4, CaCii4(S04)2(OH)6-3H20, СабСиз(804)з(ОН)і2-2Н20.
Однако изучение влияния отмеченных добавок-замедлителей на комплекс процессов, протекающих в силикатной смеси при формировании ячеистой пористости, выявил существенный их недостаток. Массивы на основе силикатной смеси с 1-3 % добавок кристаллогидратов сульфатов меди (II) и железа (II) практически не вспучились. На разломе изделий обнаружилось незначительное количество мелких газовых пор, что говорит о резком снижении газообразующей способности смеси. Это можно объяснить тем, что введение указанных добавок совместно с алюминиевой пудрой в качестве газообраз ователя создает предпосылки для возникновения конкурирующих реакций алюминия с водным раствором гидроксида кальция и алюминия с сульфатом соответствующего металла.
Таким образом, применение в реальных газосиликатных системах указанных добавок с технической точки зрения оказалось неэффективным. Следует также учесть относительно высокую (по сравнению с гипсом) стоимость этих добавок. Поэтому возникла необходимость в поиске других решений поставленной задачи. В качестве одного из путей решения рассмотрено применение замедляющего эффекта пластифицирующих добавок. Этому вопросу посвящены следующие подразделы настоящей работы.
Результаты экспериментальных исследований влияния пластифицирующих добавок на температурные и реологические свойства формовочной смеси
Исследования проводились в 3 этапа. На первом этапе изучалось влияние пластифицирующих добавок на процесс гидратации извести в модельной системе «известь - вода - пластифицирующая добавка». Поскольку гидратация извести является экзотермической реакцией, увеличение времени достижения максимальной температуры связано с увеличением срока гидратации и однозначно им определяется. В связи с этим замедляющий эффект добавки оценивался по изменению характера тепловыделения системы.
На втором этапе рассматривались реальные системы на основе силикатных смесей, модифицированных пластифицирующими добавками. Влияние добавки оценивалось по изменению диаметра расплыва смеси по Суттарду и температуры смеси в момент ее заливки в форму. В качестве разжижающих добавок использовались отечественный суперпластификатор С-3 и гиперпластификаторы Glenium АСЕ 30 и ГПМ-Ж.
На третьем этапе изучались возможности совместного применения пластифицирующих добавок различного типа и гипса как традиционной замедляющей добавки.
Экспериментальные исследования влияния пластифицирующих добавок на гидратацию извести в составе системы «известь - вода - пластифицирующая добавка» проводили по методике определения кинетики тепловыделения на малых объемах формовочной смеси (п. 2.4.2.2). В результате исследований установлено, что пластифицирующие добавки оказывают заметное замедляющее действие на скорость гидратации извести лишь при значительных их дозировках. Так, при введении 5 % от массы извести суперпластификатора С-3 наблюдается замедление гидратации в 2 и более раз, а при введении 10 % - уже в 11,5 раз. Для гиперпластификаторов замедление гидратации составляет 2,5 и 2,1 раз соответственно при 5 %-ной дозировке, и 12 и 3,7 раз соответственно - при 10 %-ной дозировке.
Результаты экспериментальных исследований кинетики тепловыделения формовочной смеси в зависимости от В/Т-отношения
Технико-экономическая оценка применения системы оптимального управления на основе разработанной мультипараметрической модели проводилась исходя из улучшения свойств ячеистого силикатного бетона. При этом экономический эффект, который можно получить при реализации предлагаемых решений, целесообразно рассматривать по двум ключевым позициям: - экономический эффект от сокращения производственных затрат; - эффект от применения в строительстве изделий из ячеистого силикатного бетона повышенного качества.
Расчет сокращения производственных затрат при реализации предлагаемых технологических решений на предприятиях по производству стеновых блоков из ячеистого силикатного бетона
Главным направлением снижения себестоимости изделий из ячеистого силикатного бетона является снижение средней плотности изделий при обеспечении заданного уровня прочностных свойств. Расчет снижения производственных затрат выполнен для варианта перехода на выпуск стеновых блоков с марки по плотности D500 на марку D300. Расчеты выполнены для предприятия мощностью 140 тыс. м , работающего по литьевой технологии WEHRHAHN ecoSMART [429]. При выполнении расчетов учтены следующие статьи затрат: - расходы сырьевых материалов; - затраты на технологическую подготовку сырья, в том числе на помол песка; - затраты на автоклавную обработку материала пониженной средней плотности. - дополнительные капитальные вложения на модернизацию формовочного отделения. Расходы материалов по сравниваемым вариантам (базовому и предлагаемому) приведены в табл. 6.1.1. При этом расходы сырьевых материалов на 1 м изделий плотностью 500 кг/м приняты исходя из рекомендаций технологического регламента компании WEHRHAHN [429], а расходы сырья в
Таблица 6.1.1 показывает, что при переходе на выпуск газосиликата от средней плотности 500 кг/м на среднюю плотность 300 кг/м существенно снижается расход песка и извести, незначительно - расход портландцемента. При этом имеет место определенное увеличение дозировки алюминиевой пудры.
При работе предприятия с проектной мощностью (140 тыс. м ) снижение годового расхода компонентов составит: для извести 3640 т, для песка 24780 т, для портландцемента 1540 т, для алюминиевой пудры -8,4 т (увеличение расхода).
Изменение расхода песка затронет энергозатраты на его мокрый помол в шаровой мельнице. При этом следует учитывать, что при производстве изделий с плотностью 300 кг/м повышается требуемая удельная поверхность песка со значения 280 м /кг до 320 м /кг.
На основании результатов исследований, выполненных во ВНИИСтроме [430], а также данных технологического регламента компании WEHRHAHN, затраты электроэнергии на мокрый помол песка базовой удельной поверхности (280 м /кг) составляют около 20 кВт-ч в расчете на 1 т сырья, а при величине удельной поверхности 320 м /кг - около 24 кВт-ч.
Таким образом, снижение расхода электроэнергии составит: (0,335-20 - 0,158-24)-140000 = 407 (тыс. кВт-ч)
В результате снижения средней плотности ячеистого силикатного бетона сокращается расход пара на автоклавную обработку изделий. По данным института НИПИСиликатобетон [431] снижение средней плотности на каждые 100 кг/м ячеистого бетона обеспечивает сокращение пара на 25 кг в расчете на 1 м изделий. Соответственно, сокращение расхода пара на годовой объем производства может составить:
Кроме того, достоинством предлагаемых технологических решений является повышение стабильности процесса поризации и фактически исключение брака продукции на данном этапе. Уровень брака ячеистобетонных изделий, связанный с отклонениями параметров процесса поризации, на разных предприятиях зависит от отлаженности производственного процесса. Условно можно принять средний уровень брака - 2,5 %. Предлагаемые технологические решения позволяют свести его до минимума, составив 0,5 %. В этом случае сокращение брака продукции на годовой объем производства составит 2800 м .
Для реализации предлагаемых технологических решений требуется модернизация формовочного отделения, а именно: - установка датчиков температуры на расходные бункеры и автоматический суспензатор; - установка датчиков температуры на гидродинамический смеситель; - модернизация уже существующей или вновь разрабатываемой АСУ ТП производства ячеистого силикатного бетона путем внедрения системы оптимального управления на основе мультипараметрической модели, или оборудование АРМ оператора с установкой независимого оптимизационного программного комплекса для ПК с выводом параметров на ЭВМ. Капиталовложения по перечисленным пунктам в ценах 2013 г ориентировочно составят 2270 (тыс. р.). За основу расчетов по данному пункту приняты цены и накладные расходы на оборудование, средства автоматизации, представленные на соответствующих сайтах фирм-производителей [432, 433].
Оптимизация сырьевого состава по критерию максимума теоретической (предельной) прочности при сжатии ячеистого силикатного
Для получения теплоизоляционного и конструкционно теплоизоляционного ячеистого силикатного бетона рассчитываются составы формовочной смеси с оптимальными дозировками извести, молотого кварцево го песка, добавками портландцемента, строительного гипса, алюминиевой пуд ры и поверхностно-активных веществ с использованием мультипараметриче ской модели.
Назначение состава смеси производится при организации нового производства, при изменении свойств применяемого сырья, при переходе на новую марку бетона по средней плотности; корректировка состава - при колебаниях свойств сырьевых компонентов на основе оперативно поступающей информации.
Назначение и корректировка состава предусматривают установление оптимального расхода сырьевых компонентов при заданной средней плотности бетона, обеспечивающего требуемые показатели по прочности, морозостойкости и трещиностойкости и при сложившейся производственной ситуации.
Расчет оптимального состава производится автоматически при помощи мультипараметрической модели следующим образом. Оператор-технолог задает требуемое значение средней плотности ячеистого силикатного бетона и текущие (фактические) характеристики сырьевых компонентов (химический со 233 став и температуру), а также характеристики смесителя (температура, масса, удельная теплоемкость материала), и задает команду на расчет. При реализации мультипараметрической модели как вычислительного модуля АСУ ТП значения температур могут определяться автоматически при помощи первичных и вторичных преобразователей. На основе данных о химическом составе компонентов определяются активность извести и коэффициент основности портландцемента, которые затем совместно с данными о дозировках портландцемента и гипса используются в оптимизационном блоке расчета количества цементирующего вещества. Оптимизация проводится по критерию максимального использования потенциала силикатного микробетона сопротивлению разрушения. На основе включенных в модель экспериментальных зависимостей и данных о требуемой плотности ячеистого бетона вычисляются оптимальные, с точки зрения получения максимально прочной межпоровой перегородки, дозировки и параметры сырьевых компонентов. Затем данные первого блока оптимизации совместно с информацией о температурах сырьевых компонентов, активности извести, коэффициенте основности портландцемента и общей исходной теплоемкости смесителя используются в блоке оптимизации начальных реологических и температурных характеристик формовочной смеси с определением оптимальных значений В/Т-отношения и температуры воды затворения. Завершает расчет определение оптимальных значений дозировок портландцемента и строительного гипса.
При назначении составов должны учитываться технологические потери сырьевых материалов, а также возврат в производство отходов от резки сырца.
Ориентировочный компонентный состав для получения ячеистого силикатного бетона марки по плотности D300, D400 и D500 представлен в таблице А.2. 234 Таблица А.2 - Ориентировочные компонентные составы формовочной смеси Наименование сырьевого компонента Расход на 1 м ячеистого силикатногобетона в зависимости от марки поплотности D300 D400 D500 Известь молотая негашеная (активность 86%), кг 43,95 102,88 76,64 Песок кварцевый молотый, кг 158,12 201,13 269,16 Портландцемент, кг 64,13 38,00 98,80 Гипс строительный, кг 18,81 38,00 30,40 Алюминиевая пудра, кг 0,608 0,541 0,480 ПАВ, кг 0,061 0,054 0,048
Водо-твердое отношение 0,704 0,762 0,617 Составы сырьевых смесей приведены для условий использования извести с массовой долей активных СаО и MgO, равной 86 %. В случае применения извести с другой активностью следует произвести расчет компонентного состава на основе мультипараметрической модели.
При использовании отходов резки сырца компонентный состав должен корректироваться на величину возвращаемых компонентов.
Количество воды затворения рассчитывается системой оптимально го управления таким образом, чтобы обеспечить оптимальные реологические и температурные характеристики формовочной смеси в момент ее заливки в форму: диаметр расплыва по Суттарду для получения ячеистого бетона средней плотности 300 кг/м , 400 кг/м и 500 кг/м - соответственно 38 см, 34 см и 30 см; температуру смеси в момент ее заливки в форму равной 38 С.
