Оптимизация факторов, влияющих на эффективность обработки пенобетонных смесей воздействием переменного электрического поля.

Аннотация

Е.М. Щербань, С.А. Стельмах, И.А. Серебряная, Ю.И. Гольцов, Х.С. Явруян

Дата поступления статьи: 18.11.2013

Проведена оптимизация факторов, влияющих на эффективность электрофизической активации пенобетонных смесей. Для этой цели было применено математическое планирование эксперимента. В качестве варьируемых факторов приняты размер фракций зерен песка, величина приложенного напряжения и длительность обработки. Получены математические модели для прочности, средней плотности и коэффициента конструктивного качества.

Ключевые слова: Переменное электрическое поле, пенобетонная смесь, коэффициент конструктивного качества, математическая модель, уравнение регрессии, фактор, отклик, план Бокса-Бенкина.

05.23.05 - Строительные материалы и изделия

Неавтоклавный пенобетон является одним из наиболее востребованных теплоизоляционных материалов в современном строительстве. Поэтому актуальной проблемой в технологии пенобетонных изделий становится возможность направленного структурообразования материала [1].
Эффективным способом улучшения физико-механических свойств пенобетонов является воздействие переменного электрического поля на пенобетонную смесь [2, 3, 4, 5].
На качество пенобетонных изделий оказывает влияние множество технологических факторов. Часть из них являются контролируемыми и регулируемыми, часть – контролируемыми, но нерегулируемыми, и часть воздействует на объект независимо от наших знаний о них.
По этой причине при производстве пенобетонных изделий наблюдается высокая неоднородность его физико-механических свойств. Поэтому, с целью оптимизации технологических факторов, влияющих на физико-механические характеристики изделий из пенобетонных смесей, обработанных воздействием переменного электрического поля, было применено математическое планирование эксперимента.
За переменные факторы были приняты следующие: X₁ – размер фракции используемого заполнителя (песок кварцевый), X₂ – подаваемое электрическое напряжение, X₃ – время обработки. Уровни варьирования факторов представлены в таблице 1. В качестве откликов были выбраны следующие характеристики готовых пенобетонных изделий:
Y₁ – прочность при сжатии Rсж, МПа;
Y₂ – средняя плотность ρ, кг/м³;
Y₃ – коэффициент конструктивного качества (ККК), МПа.
Таблица № 1
Уровни варьирования факторов

Из априорной информации [6, 7, 8] известно, что каждый из выбранных факторов в указанных интервалах варьирования может влиять на контролируемые параметры (Rсж, ρ, ККК) нелинейно, поэтому для описания системы был выбран полином второй степени:
,    (1)                                                   
где: y – контролируемый параметр;
x_i – варьируемые факторы;
x_i, x_j – эффекты взаимодействия;
b₀, b_i, b_ii, b_ij  – коэффициенты уравнения регрессии.
Для решения поставленной задачи был выбран план Бокса-Бенкина В3 [9]. Матрица планирования эксперимента и значения откликов представлены в таблице 2.

Таблица №2
Матрица планирования эксперимента.

Расчет коэффициентов уравнений регрессий проведен с использованием программы MS Excel по нижеприведенным  расчетным формулам.
Оценка значимости коэффициентов уравнения и адекватности  полученных моделей проводилась в соответствии с [10].
Результаты расчета представлены в таблице 3.

Таблица №3
Значения коэффициентов уравнения регрессии

Выводы.
1. Для всех рассматриваемых параметров (ККК, R_сж, ρ) влияние технологических факторов носит нелинейный характер.
2. Максимальное влияние на прочность пенобетона оказывает фактор X₁ (размер фракции зерен заполнителя), причем при переходе от фракции <0,16 мм к 0,315 – 0,63 мм прочность пенобетона уменьшается.
Влияние всех факторов в данных опытах взаимозависимо, так как все эффекты взаимодействия (b_ij) отличны от нуля. Наибольшее влияние оказывают совместное влияние факторов (X₁X₃ и X₁X₂). Причем прочность пенобетона будет возрастать в случае одновременного увеличения  одного из факторов и уменьшения другого.
3. Максимальное влияние на плотность пенобетона оказывает время обработки (X₃) и подаваемое электрическое напряжение (X₂). Причем с увеличением времени обработки от 0,5 до 1,5 минут плотность пенобетона увеличивается. Совместное влияние контролируемых факторов показывает, что наибольшее воздействие на плотность пенобетона оказывают сочетания факторов X₁X₂ и X₁X₃.
4. Влияние факторов и характер этого влияния на коэффициент конструктивного качества аналогичны их влиянию на прочность, что логично, так как ККК связан с прочностью прямо пропорциональной зависимостью.

Литература:

1. Портик А.А. Все о пенобетоне. – СПб.: 2003. – 224 с.
2. Щербань Е.М., Ткаченко Г.А., Гольцов Ю.И., Стельмах С.А. О влиянии обработки пенобетонной смеси переменным электрическим полем на свойства пенобетона [Электронный ресурс] // «Современные проблемы науки и образования», 2012, №1 – Режим доступа: http://science-education.ru/101-5445 (доступ свободный) – Загл. с экрана. – Яз. рус.
3. Щербань Е.М., Гольцов Ю.И., Ткаченко Г.А., Стельмах С.А. Рецептурно-технологические факторы и их роль в формировании свойств пенобетонов, полученных из смесей, обработанных переменным электрическим полем [Электронный ресурс] // «Инженерный вестник Дона», 2012, № 3 – Режим доступа:  http://ivdon.ru/magazine/archive/n3y2012/899 (доступ свободный) – Загл. с экрана. – Яз. рус.
4. Гольцов Ю.И., Щербань Е.М., Стельмах С.А., Явруян Х.С. Обработка пенобетонной смеси переменным электрическим полем как фактор улучшения конструкционных свойств пенобетонов [Электронный ресурс] // «Науковедение», 2012, №4 – Режим доступа: http:// naukovedenie.ru/PDF/11rgsu412.pdf  (доступ свободный) – Загл. с экрана. – Яз. рус.
5. Мальцев В.Т., Ткаченко Г.А., Мальцев Н.В. О некоторых физико-химических методах воздействия на формирование структуры пенобетонов и их свойства [Электронный ресурс] // «Инженерный вестник Дона», 2012,  № 1 – Режим доступа: http:// ivdon.ru/magazine/archive/n1y2012/726 (доступ свободный) – Загл. с экрана. – Яз. рус.
6. Роговенко Т.Н., Серебряная И.А., Топилин И.В. Основы теории надежности и планирования эксперимента учебное пособие [Текст]. Учебное пособие. – Ростов-н/Д: Рост гос строит. ун-т, 2006 – 176 с.
7. Mandelbrot B.B. The fractal geometry of nature. – New York (USA): Freeman, 1983. – 480p.
8. Вознесенский В.А. Статистические методы планирования эксперимента в технико-экономических исследованиях [Текст]. – М: Статистика, 1974 г – 192 с.
9. Currie R.J. Reinforced autoclaved aerated concrete planks designed before 1980. -Garston; Watford, 1996. – 8 p.: illInformation paper/Building research establishment(Garston/Watford);10/96).
10. Серебряная И.А., Налимова А.В. Методические указания к лабораторной работе по дисциплине «Математическое планирование эксперимента» [Текст]. – Ростов-н/Д: Рост. гос. строит. ун-т, 2008, 19 с.