Р.З.РАХИМОВ, чл.-корр. РААСН, д-р техн. наук, проф., М.Г.ГАБИДУЛЛИН, Р.М.ГИЛЬФАНОВ кандидаты техн. наук, Д.С.СМИРНОВ инж. (Казанская государственная архитектурно-строительная академия); В.И.ЖУРАВЛЕВ, инж. (Арендное предприятие институт “Казгражданпро- ект”); Н.М.ХОРЕВ, инж. (ООО “ЖБК-2МС”), Разработка и реализация программного обеспечения “CONCRETE” для проектирования и корректировки высококачественных бетонов
Разработка и реализация программного обеспечения “CONCRETE” для проектирования и корректировки высококачественных бетонов. На сегодняшний день известно множество способов расчета составов бетона с заданными техническими показателями, однако все они не позволяют в полной мере учесть все многообразие факторов, влияющих на свойства смеси и бетона. Помимо этого, условия реального производства не обеспечивают идеальной стабильности по многим технологическим факторам. Обеспечение необходимых свойств бетона является сложной технологической задачей, которая складывается из двух этапов: во-первых, проектирование и лабораторная корректировка составов бетона; во-вторых- производственная адаптация составов.
Ю.Г.Хаютин [1] при рассмотрении технологии приготовления бетона как объекта автоматического управления считает необходимым выделить две существенно различные подсистемы. Объектом управления одной из них является бетонная смесь, другой — бетон. Технологические фазы (бетонная смесь и бетон) существуют в разные промежутки времени, и их параметры не могут в принципе регулироваться и измеряться одновременно. Поэтому в каждой из этих фаз можно выделить входные и выходные параметры подсистемы автоматического регулирования.
Что касается первого этапа, то его решение сводится к получению бетонной смеси заданной консистенции и оптимизации состава бетона, те. к определению соотношений между его составляющими (вяжущего, крупного и мелкого заполнителей, добавок и воды). Составы тяжелого бетона однозначно связаны с таким параметром, как цементно-водное отношение (Ц/В). В соответствии с наиболее широко используемой в технологии бетона методикой расчета [2] этот параметр, а также водопотребность бетонной смеси (В), коэффициент заполнения пустот и раздвижки зерен крупного заполнителя (а) цементно-песчаным раствором, учитываются при определении расходов цемента, крупного и мелкого заполнителей.
Тем не менее, на сегодняшний день нет единого мнения о способе определения Ц/В, и разными учеными предлагается большое количество расчетных формул, позволяющих стой или иной степенью надежности определять этот показатель. Среди них наибольшее распространение на практике получили зависимости, разработанные Ю.М. Баженовым, В.П. Сизовым, Г.И. Горчаковым, А.Е. Шейкиным и др., в которых в качестве критерия эффективности или оптимальности выбираются, как правило, прочностные или другие свойства бетона. Реализация на практике данных зависимости показывает, что все они носят стохастический (вероятностный) характер.
Попытки совершенствования расчета и повышения надежности конечного значения Ц/В были предприняты специалистами Украинской государственной академии водного хозяйства [3], которые пришли к необходимости введения дополнительных расчетных зависимостей при подборах состава бетона, подвергаемых ТВО. В результате этого была предложена окончательная обобщающая зависимость
"Разрешающая способность" формулы или диапазон ее применения, как утверждают сами авторы, определяется в основном величиной мультипликативного коэффициента рА,, количеством и характером учитываемых в нем коэффициентов-множителей А(. Однако последние носят все же эмпирический характер и требуют постоянной статистической обработки. При этом отклонения расчетных значений прочности бетона от средних фактических достигают 17%.
В случае проектирования высококачественных бетонов (ВКБ) при введении в их состав суперпластификаторов (СП) или комплексных модификаторов расчет Ц/В значительно усложняется, и прежде всего это связано с большим разнообразием данных добавок и комплексов, их количественным содержанием в составе бетонной смеси, с учетом методик введения и приготовления.
В связи с этим в [4] для определения В/Ц при проектировании ВКБ была предложена учитывающая в обобщенной форме слияние этих факторов формула
Из вышеизложенного анализа можно сделать вывод, что первому этапу (проектированию и лабораторной корректировке составов) уделяется значительный объем исследований, в то время как второму этапу (промышленной адаптации составов бетона) посвящены лишь отдельные работы [2], и они неудовлетворительно реализуются на предприятиях стройиндустрии, что приводит к существенному снижению однородности качественных показателей продукции.
Адаптация составов бетонной смеси заключается в оперативном корректировании основных параметров и коэффициентов, используемых при расчете составов бетона, с учетом фактически достигаемых в производственных условиях значений показателей удобоукла- дываемости бетонной смеси и технических свойств бетона, что представляет собой трудоемкий процесс, выполнение которого значительно облегчается при использовании ПЭВМ.
Известно множество работ [5 - 7], касающихся разработок автоматизированных систем корректировки и расчета составов бетона, причем в качестве критерия эффективности могут приниматься не только характеристики бетона, но и производительность завода или себестоимость продукции.
Предложенный в работе [5] программный комплекс “Лаборатория” позволяет производить входной контроль поступающих материалов, корректирование рецептур бетонной смеси на БСУ, приготовление и ТВО бетона. В [6] предложено производить корректировку бетонных смесей и расчет рабочих дозировок на БСУ по активности цемента, а на основе полученного алгоритма разработана программа “Коррекция”. Большое распространение и широкую рекламу на сегодняшний день получили программные комплексы “Арм Бетон” и “Файнлаб”, разработанные специалистами инженерно-технического центра “Контрос” для расчета рабочих составов среднемарочных бетонов широкого назначения.
В данной статье представлен первый этап работы, направленный на создание программного обеспечения (ПО) “Concrete”, задача которого сводилась к оптимизации составов тяжелых бетонов, в том числе бетонов класса ВКБ, предназначенных для изготовления водонепроницаемых блоков обделки тоннеля Казанского метро. Использование предлагаемой методики расчета способствует снижению отклонения расчетных значений прочности бетона от средних фактических, а также позволит производить оперативную корректировку состава бетона при изменении свойств исходных материалов или введении некоторых добавок на стадии расчета.
При разработке алгоритма исходили из следующих общепринятых положений, используемых при проектировании составов бетонов:
— назначение требований к бетону, исходя из вида и особенностей изготовления и службы конструкций;
— выбор материалов для бетона и получение необходимых данных, характеризующих их свойства;
— определение предварительного состава бетона;
— корректирование состава на пробных замесах;
— контроль качества перемешивания и удобоукладываемости бетонной смеси;
— корректирование состава в процессе производства при колебаниях свойств исходных материалов и других факторов.
В основу алгоритма решения нами была положена традиционная и наиболее распространенная методика расчета состава бетона по “методу абсолютных объемов”. Однако существенными отличиями предложенного алгоритма расчета явились дополнительно введенные целевые функции или функции отклика, где в качестве факторов выступают две добавки С-3 и сульфат натрия (СН), варьируемые в разных интервалах. В полученных двухфакторных зависимостях в качестве критерия эффективности приняты прочность бетона и водопотребность бетонной смеси. В качестве аналога предлагаемого ПО можно привести систему, разработанную специалистами фирмы “Будивельник Букови- ни” [7]. Математически она сводится к расчету расхода вяжущего, воды, заполнителей и добавок в некоторой системе уравнений.
Для решения поставленной задачи и формирования базы данных был проведен спланированный эксперимент по проектированию и подбору составов бетона в лабораторных условиях ООО “ЖБК-2МС”. Определялись следующие характеристики: подвижность и плотность бетонной смеси, прочность при сжатии в возрасте 1, 3 и 28 сут и плотность бетона.
Поскольку, как утверждается в [8], многофакторные модели второго порядка позволяют решить абсолютное большинство инженерных задач в материаловедении и технологии, нами было принято решение для установления вышеназванных зависимостей использовать план второго порядка. После анализа различных планов второго порядка для двух факторов нами был выбран ПФЭ-32. Этот план хоть и более насыщен по сравнению с другими, например таким, как В3, все же является более предпочтительным по таким статистическим характеристикам.
Для вычисления дисперсии воспроизводимости опытов нами было проведено три опыта в центральной точке плана. Таким образом, план экспериментов включал в себя (п = З2 +2 = 11) одиннадцать опытов, представленных в таблице.
В качестве вяжущего применяли Вольский портландцемент марки ПЦ 500 ДО, а в качестве крупного заполнителя, согласно ТУ 5865-001-00043920-96 “Изделия сборные железобетонные для сооружений метрополитена”, использовался гранодиоритовый фракционированный щебень фракций 5-10 и 10-20 мм Шершнинско- го месторождения. Так как в заводских условиях на момент проведения эксперимента не было установки для фракционирования крупного заполнителя, просеивание по фракциям производилось вручную на стандартных ситах. Оптимальное соотношение между фракциями 5-10 и 10-20 мм по значению наименьшей пус- тотности равнялось 1:3. В качестве мелкого заполнителя использовался речной песок Камского месторождения с модулем крупности 2 - 2,5. Для регулирования свойств бетона и повышения показателей прочности и водонепроницаемости в бетонную смесь вводились добавки: суперпластификатор С-3 - для максимально возможного снижения водоцементного отношения бетона, определяемого из условия его пригодности для укладки; сульфат натрия (СН) - для интенсификации сроков твердения и быстрого набора бетоном распалубочной прочности.
По Федеральным (типовым) нормам 82-02-95 расход цемента марки 500 только для бетона класса ВЗО составляет уже 530 кг/м3. Наши расчеты показали возможность экономии цемента. Было приготовлено и испытано одиннадцать составов бетона марки 600, где за постоянные значения приняты расходы исходных компонентов: цемент-480, песок-750, щебень фракции 5-10 мм - 275 кг/м3, щебень фракции 10-20 мм - 825 кг/м3. Расход суперпластификатора С-3 и ускорителя твердения в виде сульфата натрия изменялись. Учитывая конструктивные особенности блоков обделки, густоту их армирования, заданных параметров вибрации в формах “Lovat”, подвижность бетонной смеси, принята постоянной, равной значению П2 (ОК = 5-9 см), хотя в экспериментах осадка конуса была уточнена и скорректирована до 6-8 см.
Технология приготовления бетонной смеси в лабораторных условиях отвечала ГОСТ 27006-86 и заключалась в следующем. Для каждого состава готовили замесы объемом 10 литров. В лабораторную мешалку дозировали необходимое на замес количество щебня фракции 5-10 и 10-20 мм, песок и цемент, затем все компоненты перемешивали в сухом виде до получения однородного цвета и добавляли 2/3 воды затворения, снова перемешивая. Затем вводили оставшуюся 1/3 воды вместе с 10%-ными водными растворами добавок. Общее время перемешивания составило 3 мин. Определение подвижности и средней плотности уплотненной бетонной смеси проводили согласно требованиям ГОСТ 10181.0-81. Формование контрольных образцов-кубов размером 10x10x10 см в количестве 9 штук на каждый замес производилось на стандартной лабораторной виброполощадке типа 435-А с частотой колебаний 3000 об/мин и амплитудой 0,35 мм.
Проверку адекватности построенного уравнения регрессии, для повышения надежности выводов, определяли по трем критериям. Во-первых, проверили значимость коэффициента множественной корреляции (Rm), который по результатам расчетов получился равным для первого уравнения 0,9951, для второго уравнения 0,9690, для третьего уравнения 0,9906 и для четвертого уравнения 0,9997. Проверку значимости коэффициентов множественной корреляции осуществляли при помощи статистической зависимости вида:
В результате этой проверки выявилось, что коэффициенты множественной корреляции для всех четырех уравнений оказались значительными, те. влияние неучтенных факторов по данному критерию несущественно.
Далее по критерию Фишера проверяли адекватность построенных уравнений экспериментальным данным по статистической зависимости вида:
Это позволило сделать вывод, что все уравнения регрессии адекватно описывают экспериментальные данные, и ими можно пользоваться для прогнозирования значений откликов при выбранных значениях Х1 иХ2.
Подобный вывод подтверждается и путем анализа разброса между экспериментальными и расчетными значениями отклика при соответствующих значениях факторов. В случае адекватности уравнения регрессии разброс между ними не должен превышать 10 % [9]. В нашем случае для уравнения (Y1) максимальный процент ошибок составляет 5,373 %, для уравнения (У2) - 6,693 %, для уравнения (Y3) - 3,847 % и (Z) - 2,701 %, те. все уравнения и по данному критерию могут считаться адекватными.
Вывод
Установлено, что в случае использования добавок С-3 и СН полученные уравнения регрессии можно применять для корректировки состава бетона марочной прочностью 600 кг/см2 и выше, с подвижностью бетонной смеси 5 - 9 см.
Полученные уравнения регрессии в дальнейшем использовались при подборах составов ВКБ в ПО “Concrete”. Данные составы прошли лабораторную и промышленную апробацию на заводах ЖБИ “Казметростроя” и “ЖБК-2МС”, и на сегодняшний день успешно используются при производстве железобетонных изделий Казметростроя.
Бетон и железобетон, 2002 №6