Одеська державна академія

будівництва та АРХІТЕКТУРИ

Ляшенко Тетяна Василівна

УДК 691:519.2

Поля властивостей будівельних матеріалів

( концепція, аналіз, оптимізація )

Спеціальність 05.23.05 Будівельні матеріали та вироби

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Одеса 2003

Дисертацією є рукопис.

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

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Чернявський Вячеслав Леонідович,

Харківський державний технічний університет будівництва та архітектури,

завідуючий кафедрою фізико-хімічної механіки та технології будівельних

матеріалів і виробів;

доктор технічних наук, професор Дорофєєв Віталій Степанович,

Одеська державна академія будівництва та архітектури, завідуючий

кафедрою залізобетонних та кам’яних конструкцій;

доктор технічних наук, професор Статюха Геннадій Олексійович,

Національний технічний університет України “КПІ”, завідуючий

кафедрою кібернетики хіміко-технологічних процесів.

Провідна установа – Київський національний університет будівництва і архітектури, кафедра

будівельних матеріалів, Міністерство освіти і науки України, м. Київ.

Захист відбудеться 4 березня 2003 р. о 11 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради

Д 41.085.01 у Одеській державній академії будівництва та архітектури за адресою:

65029, м. Одеса, вул. Дідріхсона, 4.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Одеської державної академії будівництва

та архітектури за адресою: 65029, м. Одеса, вул. Дідріхсона, 4.

Автореферат розісланий 3 лютого 2003 г.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради, к.т.н., доцент Макарова С.С.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Більшість наукових досліджень в області сучасного будівельного матеріалознавства присвячено високоякісним матеріалам для довговічного будівництва, вони займають усе більшу частину ринку. Високі рівні технологічних і експлуатаційних властивостей конкурентноздатних матеріалів повинні бути гарантовані (з певним ризиком); при цьому, матеріали повинні відповідати критеріям екології і ресурсозбереження. “Висока якість” має на увазі ефективність життя матеріалу, “від народження до смерті” (від ідеї - через дослідження, проектування і виробництво, при експлуатації, до деградації й утилізації). Ефективність матеріалу на всіх етапах існування досягається при реалізації сучасного принципу забезпечення якості – воно повинно бути закладено у продукт на етапі розробки.

Одним з магістральних напрямків забезпечення якості будівельних матеріалів є збільшення багатокомпонентності їхнього складу. Багатокомпонентні матеріали уже ввійшли у практику будіндустрії України (це, насамперед, полімеромінеральні сухі будівельні суміші, випуск яких перевищив 180 тис. т). Очевидно, що для “закладки якості в проект” (для призначення таких багатокомпонентних складів і параметрів технології, що забезпечили б вимоги до властивостей матеріалу на різних етапах його існування) необхідні математичні моделі, що пов'язують властивості з безліччю факторів виготовлення і умов експлуатації.

Можливості спільного використання моделей різного масштабного рівня структури, різного генезису, записаних на різних математичних мовах, відкриває комп'ютерне матеріалознавство. Найбільш результативним напрямком моделювання при рішенні конкретних інженерних задач, причому підготовленим до включення в комп'ютерне будівельне матеріалознавство, є експериментально-статистичне моделювання. Однак для його ефективного використання у рішенні проблем розробок високоякісних багатокомпонентних будівельних матеріалів гарантованої якості потрібні були нові представлення і методи. Пропонується при вирішенні цих проблем розглядати сукупності значень критеріїв якості у координатах складу, параметрів технології і експлуатації (а також у координатах виробу) як поля властивостей матеріалу, використовуючи для їхнього аналізу і оптимізації засоби комп'ютерного матеріалознавства.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація підготовлена при виконанні досліджень:

по планах АН СРСР, проблема 2.16.2.3 “Фізико-хімічна механіка дисперсних структур, як основа одержання матеріалів із заданою дисперсною структурою і підвищення їхньої міцності та довговічності” (1985-90 г.); номера державної реєстрації рабіт 01840008097, 01860038945, 01870039243;

по програмах Міністерства освіти України, з напрямку “Нові речовини і матеріали” (1992-2000 г.); 01940008097, 0196U013791, 0196U017186, 0198U004270.

Мета і задачі дослідження. Мета даної роботи – розробка наукових основ забезпечення якості багатокомпонентних будівельних матеріалів за рахунок аналізу полів їхніх властивостей як елементів комп'ютерного матеріалознавства, що дозволяють витягувати з експериментів інформацію про закономірності поведінки матеріалів і призначати раціональні параметри складу і технології, що гарантують (з певним ризиком) необхідні рівні властивостей.

Для цього вирішуються наступні задачі:

показати доцільність концепції полів властивостей будівельних матеріалів і пов'язаних з нею методів витягу інформації про матеріали з експериментально-статистичних моделей;

розширити можливості обліку ризику при визначенні закономірностей поведінки матеріалів та забезпечення їхньої гарантованої якості на основі помилок пророкування за моделями і методом статистичних випробувань;

розробити систему числових узагальнюючих показників полів властивостей (у координатах конструкції і рецептурно-технологічних координатах), а також методи опису і аналізу їхніх змін під впливом інших факторів на основі “вторинних моделей”;

розробити методики обчислювальних експериментів на полях властивостей, спрямованих на визначення закономірностей матеріалознавства (у тому числі, за інформацією, практично недоступною у натурному експерименті), зі зручним для технолога відображенням результатів;

визначити для ряду багатокомпонентних будівельних композицій на полімерних, полімеромінеральних і силікатних зв’язуючих закономірності поведінки на початкових етапах структуроутворення (технологічні суміші, ранні терміни твердіння) з метою забезпечення раціональних умов приготування й укладання, а також прогнозу функціональних властивостей готового матеріалу;

на основі аналізу полів властивостей ряду модифікованих силікатних і полімерних композиційних матеріалів визначити закономірності впливу багатокомпонентних складів на функціональні властивості (включаючи спеціальні критерії) і знайти оптимальні технологічні рішення;

провести дослідно-промислову перевірку ряду рекомендацій, отриманих при аналізі полів властивостей матеріалів, і масову перевірку ефективності елементів концепції полів властивостей і засобів її реалізації в інших дослідженнях будівельних матеріалів.

Об'єкт дослідження – силікатні і полімервмісткі композиційні будівельні матеріали спеціального призначення, для яких необхідно забезпечити гарантовані рівні з багатьох критеріїв якості.

Предмет дослідження – експериментально-статистичні закономірності, які адекватно відображають зв'язки між складом, параметрами технології й експлуатації композиційних будівельних матеріалів та їх структурними характеристиками, технологічними й експлуатаційними властивостями.

Методи дослідження. Комплексні дослідження включали натурні й обчислювальні експерименти. У натурних експериментах, виконаних у ряді наукових лабораторій (в Одесі, Києві, Харкові, в Болгарії, Угорщині і Ізраїлі), використовувалися методи реометрії, ядерно-магнітного резонансу, калориметрії, визначення фізико-механічних властивостей матеріалів (границь міцності, модулів пружності, декремента затухання коливань, коефіцієнтів температурного розширення, жаростійкості та ін.). Натурний і обчислювальний експерименти виконані за оптимальними планами, у тому числі, спеціально синтезованими. Обчислювальні експерименти виконані за авторськими методиками, у тому числі, які використовують метод Монте-Карло й інші інструменти комп'ютерного матеріалознавства.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:

запропонована концепція полів властивостей матеріалів і розроблені спеціальні засоби її реалізації, що дозволяють за допомогою обчислювальних експериментів витягати із реальних експериментальних даних більш повну інформацію про закономірності поведінки багатокомпонентних будівельних матеріалів і призначати раціональні параметри складу і технології, що гарантують (з певним ризиком) необхідні рівні властивостей;

запропоновані способи обліку ризику при визначенні закономірностей матеріалознавства і оцінці гарантованої якості на основі перетворення модельно-детермінованого рівня властивості у будь-якій точці поля у випадковий за рахунок обліку пов'язаної з експериментом помилки моделі;

на основі аналізу полів властивостей встановлено ряд закономірностей впливу складів, параметрів технології та експлуатації на реологічні, структурні і функціональні характеристики полімерних і силікатних матеріалів і визначені (з використанням методу Монте-Карло і принципу керованого послідовного стиску компромісної області) оптимальні технологічні рішення, що гарантують необхідні рівні для великого числа критеріїв якості;

розроблено новий підхід до аналізу взаємозв'язків властивостей будівельних матеріалів, що дозволяє кількісно оцінювати і враховувати при забезпеченні якості трансформацію цих зв'язків під впливом змін у складі, технології і експлуатації (в залежності від окремих досліджуваних факторів або будь-якої їхньої комбінації);

виявлені закономірності впливу складу на ряд спеціальних критеріїв структуроутворення і функціонування матеріалів (показники тиксотропії, темп руйнування структури суміші при плині, миттєві і середні швидкості зміни показників пластометрії і ядерно-магнітного резонансу, імовірність руйнування при заданому рівні напруг, співвідношення пружних і непружних властивостей матеріалу, жорсткий імовірний критерій стійкості);

установлено, що факт зниження в'язкості композицій (при незмінних швидкості зсуву, масовій кількості наповнювача і його питомої поверхні) тільки за рахунок оптимізації розподілу частинок багатофракційного наповнювача (за розміром, за формою, за речовинним складом) інваріантний до виду дисперсійного середовища і дисперсної фази.

Практичне значення отриманих результатів. Розроблені і випробувані у наукових організаціях (України, Росії, Болгарії) елементи нової технології дослідження і проектування високоякісних багатокомпонентних будівельних матеріалів, що дозволяють за рахунок синтезу й аналізу полів властивостей витягати із експериментів інформацію про закономірності поведінки матеріалів і призначати раціональні параметри складу і технології, що гарантують (з певним ризиком) необхідні рівні властивостей. Видані методичні рекомендації з аналізу й оптимізації складу, технології і властивостей композиційних матеріалів.

На основі отриманих результатів здійснена дослідно-промислова перевірка технічних рішень у Державній корпорації “Укрбудматеріали”. В Асоціації виробників сухих сумішей перевірені суміші з полімерною фіброю при ремонті більше 200 м2 плит аеродромних покрить і модифіковані суміші для декоративної фасадної штукатурки бетонних поверхонь (в обсязі близько 20 тонн, при економії 600 кг полімерного редиспергованого порошку), що враховано при підготовці інститутом “Академресурсоенергопроект” ДБН “Улаштування покрить з застосуванням сухих будiвельних сумiшей” (і відповідних технічних умов). На двох заводах корпорації (за результатами досліджень, виконаних разом з НДІВМ ім. В.Д. Глуховського, у рамках програми “Ресурсозбереження”) виготовлена захисна футеровка вагонеток тунельних печей із модифікованого термостійкого бетону (площа футеровки 150 м2, об’єм 18 м3, економічний ефект більше 2 тис. гр./м3).

Розробки здобувача знайшли відображення у підручнику і у навчальному посібнику для студентів спеціальності “Виробництво будівельних виробів і конструкцій”, у ряді методичних матеріалів, використовуються при підготовці інженерів, магістрів і аспірантів; вони ввійшли у практику будівельного матеріалознавства (застосовані більше, ніж у 30 докторських і кандидатських дисертаціях, за якими отримано значний економічний ефект).

Особистий внесок здобувача складають: концепція полів властивостей матеріалів і спеціальні засоби її реалізації, включаючи обчислювальні експерименти на полях властивостей; способи обліку ризику при визначенні закономірностей матеріалознавства й оцінці гарантованої якості; підхід до аналізу взаємозв'язків властивостей будівельних матеріалів, який дозволяє виявити і кількісно оцінити трансформацію цих зв'язків під впливом досліджуваних факторів. В опублікованих роботах зі співавторами здобувачу належать:

* реологічні моделі й обчислювальні експерименти у дослідженнях полімерних композицій [1, 8, 17, 19, 25, 42, 52, 53], пояснення ефекту зниження в'язкості [1, 4, 27, 30, 43];

* аналіз полів властивостей з використанням узагальнюючих показників і вторинних моделей [14, 26, 29, 33, 34, 41, 43,], зокрема, при дослідженні бетонів (легких [37], гідратних [10], жаростійких [26, 48]) і полімерних композитів [1, 4, 6, 12, 36, 40, 46];

* синтез оптимальних планів експерименту з урахуванням особливостей матеріалу [1, 3, 11, 26, 32, 35, 48] і структуровані моделі для систем “суміші, технології” [1, 3, 5, 11, 26], з аналізом результатів на діаграмах “поле властивості на поле узагальнюючого показника” [26, 29, 35, 40, 43, 48, 50], зокрема, при дослідженні полімерних композицій [1, 4, 6, 11, 12], гідратних [10] і жаростійких [26, 33] бетонів;

* аналіз полів властивостей і багатокритеріальний вибір раціональних складів і технологічних параметрів [15, 28, 26, 41], зокрема, для жаростійких в'яжучих [48], бетонів на полімерних зв’язуючих [1, 11, 29, 36, 40, 46] і демпфіруючих композитів [12, 50];

* ізопараметричний аналіз [1, 9, 28, 26, 35] і аналіз трансформацій взаємозв'язків властивостей [24, 46] бетонів (звичайних [39], дрібнозернистих [18, 23, 51], жаростійких [48]) і силікатних [16], полімеромінеральних [25, 52, 53] і полімерних композицій;

* аналіз полів імовірних критеріїв якості матеріалів [8, 9, 29, 32, 35, 36], у тому числі, імовірності руйнування [7], з визначенням їхніх довірливих інтервалів бутстреп-методом [29, 44];

* аналіз полів спеціальних властивостей будівельних матеріалів і виявлення закономірностей впливу складу на темп руйнування структури суміші і на тиксотропію [17, 19, 27, 42, 52, 53], на визначені методами пластометрії і ядерно-магнітного резонансу показники структуроутворення [22, 38, 45, 49], на жорсткий імовірний критерій стійкості [29, 44].

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень розглянуті в доповідях на міжнародних конференціях з механіки і технології композиційних матеріалів (Софія – 1985, 91, 94 і 97, Варшава – 91, 94, 97 і 2000), з реології (Порторож, Словенія – 98, Патрас, Греція – 01, Софія – 01), з будівельних матеріалів (Бєлгород – 93, Казань – 96, Веймар, Німеччина – 97, 2000), з хімії цементу (Ґетеборг, Швеція – 97), з лужних цементів і бетонів (Київ – 94 і 99), з полімерів у бетоні (Остенде, Бельгія – 95, Іоганесбург, ПАР – 97, Болонья, Італія – 98), з бетону і залізобетону (Санфіорд, Норвегія – 95, Кошице, Словаччина – 98, Київ – 99 і 02), з будівельних споруджень (Одеса – 94 і 97, Ржешов, Польща – 95, Дубляни, Польща – 97, Кошице, Словаччина – 97, Штуттгарт, Німеччина – 99, Жиліна, Словаччина – 99 і 02, Львів – 01), з моделювання і статистичних методів у науці і промисловості (Ополо, Польща – 85, Русе, Болгарія – 86, Москва – 92 і 93, Даллас, США – 95, Одеса – 96-02).

Публікації. Основні положення дисертації опубліковані в монографії і підручнику, 26 статтях у наукових журналах і збірниках наукових праць, 26 доповідях на міжнародних конференціях.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація викладена на 449 сторінках і складається з введення, 7 розділів, висновків, списку використаних джерел з 319 назв, містить 128 рисунків, 44 таблиці і додаток на 9 сторінках.

ЗМІСТ РОБОТИ

У першому розділі розглянуті проблеми дослідження і проектування високоякісних будівельних матеріалів.

Аналіз доповідей ряду міжнародних наукових конференцій останнього десятиліття показав, що одним з магістральних напрямків забезпечення якості будівельних матеріалів стає багатокомпонентність складів.

Сучасний принцип “забезпеченості якості” здійснюється через проектування – якість закладається на стадії розробки матеріалу. При цьому задачі дослідження й проектування матеріалів доцільно розділяти не тільки за базовими інгредієнтами або за областей застосування, але і за групами проблем, актуальних для всіх багатокомпонентних будівельних матеріалів. Це проблеми кількісного аналізу і забезпечення властивостей, які відносяться до різних стадій існування матеріалу. Виділено чотири взаємопов’язаних напрямки: 1) реологія технологічних сумішей; 2) структуроутворення; 3) багатокритеріальний пошук складів, які забезпечують комплекс функціональних властивостей; 4) забезпечення стійкості матеріалу.

Для вирішення цих проблем необхідні математичні моделі Y(x) зв'язків між властивостями – критеріями якості Y, і параметрами складу, технології й експлуатації – рецептурно-технологічними (РТ) факторами x. Розвиток моделювання і комп'ютерний технологічний стрибок обумовили формування комп'ютерного матеріалознавства. Синтетичне за своєю суттю, воно може інкорпорувати моделі будь-якої генерації, дозволяє реалізувати обчислювальні експерименти (ОЕ) на моделях і накопичувати бази знань про матеріали для експертних систем. У будівельному матеріалознавстві розвиваються три вітки моделювання.

До першої відносяться дослідження на основі закономірностей термодинаміки, тепломасоперенесення, механіки деформованого твердого тіла і т.д., зокрема, твердіння і корозії в'яжучих, структуроутворення на границях розділу “полімер-наповнювач”, впливів зовнішнього середовища на матеріал (А.М. Бобришев, Б.В. Гусєв, А.М. Підвальний, В.П. Селяєв, В.І. Соломатов, О.С. Файвусович, A. Brandt, D. Van Gemert, F. Tomosawa і ін.). Однак рішення проблем багатокомпонентності складів на такій основі поки не представляється можливим.

Ближче до рішення цих проблем імітаційні моделі, зокрема, моделі упакування гранул (різних розмірів, форм, субстанцій), нейронні мережі для прогнозування властивостей, структурно-функціональні моделі змін у матеріалі (В.О. Воробйов, В.Ю. Дубницький, Ю.В. Зайцев, В.І. Кондращенко, В.Л. Чернявський, J. Dewar, J. Kasperkiewicz, P. Stroeven, F. Wittmann і ін.). Але для них потрібні спеціальні системні засоби, що поки роблять їх ексклюзивними.

При вирішенні конкретних інженерних задач найбільш ефективним напрямком виявилося експериментально-статистичне моделювання (ЕСМ). Це сукупність уявлень, методів і алгоритмів, яка пов'язує математичне планування експерименту (ПЕ) і засоби прикладної статистики зі змістовним аналізом одержуваних моделей і спрямована на повний витяг з дослідних даних інформації про матеріал. ЕСМ включає чотири основних блоки: 1) обґрунтований вибір умов експерименту, 2) планування оптимального багатофакторного експерименту з урахуванням особливостей матеріалу, 3) побудова ЕС-моделей, очищених від незначущих ефектів, 4) рішення наукових і технічних задач за кожною окремою ЕС-моделлю і їх комплексом.

У будівельному матеріалознавстві ЕСМ почало розвиватися в 60-х роках як прикладне ПЕ, пройшовши стадії становлення (до середини 70-х) і масового застосування (В.А. Вознесенський, Л.І. Дворкін, С.В. Коваль, Є.М. Львівський, О.П. Мчедлов-Петросян, В.Б. Рєзник, Е.Н. Репйов, А.Є. Рохваргер, Е.Г. Соркин, М.Ш. Файнер, В. Вєлєв, Я. Іванов, І. Ніколов, L. Czarnecki, Z. Piasta і ін.). Уже на першій стадії проявилася обмеженість результатів досліджень, у яких використовувалося тільки формальне ПЕ. Тому до початку 90-х років були виконані роботи з розвитку всіх блоків ЕСМ.

Проте сучасне будівельне матеріалознавство і виробництво вимагали створення нової технології досліджень і проектування високоякісних багатокомпонентних матеріалів. Знадобилися уявлення і методи, які дозволи б не втрачати згорнуте в ЕС-моделях знання про матеріали, а витягати його, у тому числі за допомогою обчислювальних експериментів. Для змістовної постановки ОЕ і одержання матеріалознавчих результатів необхідно, щоб експерименти на будь-яких моделях одержали деяку загальну фізичну основу.

Таке модельне уявлення – поле фізичної величини у тривимірному просторі. Більш загальне математичне поняття поля величини Y визначає його як функцію точки в області багатомірного простору, тобто як сукупність значень Y для всіх можливих значень x. Ці поняття дозволили запропонувати корисний для матеріалознавства перехід від поля властивості в геометричних координатах до поля властивості матеріалу в k координатах складу, технології, умов експлуатації, тобто, зміна координат за суттю при необмеженому збільшенні їхнього числа. При цьому ЕС-моделі включаються в комп'ютерне будівельне матеріалознавство як моделі полів властивостей.

Особливості нової технології дослідження і проектування високоякісних композиційних будівельних матеріалів визначають п'ять базових елементів: ідеологічна установка – оптимальність матеріалу; ключова концепція – поле властивості матеріалу; інформаційна база (первинна) – планований натурний експеримент; основна форма узагальнення даних і їхнього перетворення у факти – структурована ЕС-модель; ключовий спосіб витягу нової інформації (вторинної) – обчислювальний експеримент.

У другому розділі сформульовані базові положення концепції полів властивостей будівельних матеріалів і визначена її операційна складова, яка проаналізована при вирішенні задач аналізу й оптимізації властивостей ряду матеріалів: модифікованого розчину для реставраційних робіт, товарного бетону для монолітних каркасних споруджень, епоксидного сполучного з гарантованими рівнями критеріїв якості та ін.

Поле Y(x1, x2, …, xk) властивості в координатах складу і режимів приготування матеріалу, умов експлуатації і параметрів конструкції з'єднує різноманітність “впливів” РТ-факторів на матеріал з результатами цих впливів (рівнями будь-яких критеріїв якості) і служить аналогом матеріалу в дослідженнях і проектуванні окремих сторін його поведінки.

Замість багатьох ресурсномістких експериментів на реальних матеріалах виконуються ОЕ на полях властивостей. Їхня мета – найбільш повний витяг інформації про матеріали з описуючих поля властивостей ЕС-моделей, побудованих за реальними даними. При цьому задачі ОЕ формулюються, а результати інтерпретуються у термінах будівельного матеріалознавства.

Основа для реалізації концепції полів властивостей при розробці високоякісних багатокомпонентних матеріалів методами комп'ютерного будівельного матеріалознавства – її операційна частина, включаючи інформаційне і методичне забезпечення. В інформаційному забезпеченні обов'язкова: апріорна інформація про матеріали для визначення виду моделі й області факторів, для перетворення шкал і т.і.; оптимальні плани експерименту (при необхідності, синтезовані); аналіз даних про властивості і їхні взаємозв'язки з урахуванням метрології.

Поверхня багатомірного поля властивості замінюється обмеженим набором чисел (характеристиками особливих точок поля, розмірами спеціальних областей і т.п.), які використовуються як узагальнююче поле показника G.

Повне поле властивості описується за даними спланованого натурного експерименту первинною ЕС-моделлю. З повних полів відповідно до мети аналізу й оптимізації виділяються локальні поля, як правило, меншої розмірності. При цьому фактори (як правило, нормалізовані х1) розділяються на формуючі локальне поле градієнтні (xgr) і змінюючі це поле фактори (xch). Перехід від повного поля до локальних дозволяє візуалізувати багатомірні зв'язки факторів і властивостей (зокрема, за допомогою діаграм “квадрати на квадраті”, “трикутники на квадраті” і т.п.).

Показники Gxgr використовуються для порівняння полів і кількісної оцінки відносин між ними, включаючи, взаємозв'язки різних властивостей. Вони можуть служити критеріями при керуванні локальними полями і їхній оптимізації за допомогою вторинних моделей Gxgr(xch).

На рис. 1.a показане повне трьохфакторне поле відношення границь міцності при згині і стиску Kb = 100Rb/R як показника якості структури (І.М. Грушко) модифікованого вапняно-піщаного розчину для реставрації історичних будівель Хеврона. Особливості поля виражають, зокрема, 13 узагальнюючих показників G: Kb.max= 68.9 (при х1= х2= -1 і х3=0), Kb.min = 26.2 (при х1=х3= -1 і х2=+1), медіанне середнє Кb.M = 47.5, абсолютний і відносний перепади = 42.7 і = 2.63, усереднений градієнт = 42.7/(02+22+12)0.5 =18.7 і розмір області припустимих складів {Kb40}=83 (% від всієї області складів). Трансформацію локального поля Kb (х2, х3) під впливом фактора, (х1, рис. 1.б-в) відображають зміни показників G цього поля (зокрема, на рис. 1г), описані вторинними моделями.

Для наближення обчислювального експерименту (вторинного стосовно натурного) до умов реального експерименту, запропоновано модельно-детермінований рівень властивості в будь-якій точці поля перетворювати у випадковий за рахунок обліку відхилень Y=tsed0.5, які включають помилку натурного експерименту se{Y}, значення функції дисперсії передбачення d (яка залежить від структури моделі, плану експерименту і координат точки) і випадкове значення t зі стандартного нормального розподілу.

Модель на рис. 2 описує вплив складу бетону на границю міцності при розтягуванні (se=0.1 МПа; значимі 11 ефектів при ризику =0.05). Модель структурована так, що до блока (а) входять базові фактори вміст цементу (у діапазоні 250-310 кг/м3, при В=200 дм3/м3) і відношення Щ/П (1.98-2.48), а в блок (b) два фактори “модифікації” дозування добавки HGP-1 (0.42-0.7 кг/м3) і тонкомеленого доломіту (10-60 кг/м3). Оцінки в блоці (с) виражають зміни в ефектах базових компонентів при введенні модифікаторів (чи в ефектах модифікаторів, якщо варіюється базовий склад бетону).

Локальне модельно-детерміноване поле Rbt(х1, х2), з градієнтними факторами базового складу при максимальній кількості добавки і наповнювача, показано на рис. 2.а. Цим умовам відповідає поверхня dRbt на рис. 2.б. Методом Монте-Карло генеруються випадкові склади (їхнє число дорівнює числу дослідів, за якими побудована первинна модель), для кожного з яких визначаються відхилення Rbt (рис. 2.в). Їхнє додавання до рівнів поля на рис. 2.а дає одну реалізацію випадкового поля, показаного на рис. 2.г за результатами багаторазових реалізацій.

Поле гарантованого рівня властивості при заданому ризику отримується за рахунок додавання до рівня поля на рис. 2.а довірчого інтервалу Y=tsed0.5 зі знаком, який погіршує рівень властивості за відношенням до нормативу. Це гарантує (з певним ризиком) вірогідність отриманих при аналізі таких полів висновків про закономірності поведінки матеріалів і якість проектованих матеріалів.

Для методичного забезпечення концепції полів розроблені:

система узагальнюючих показників просторово-геометричних і рецептурно-технологічних полів властивостей;

методика обчислювального експерименту для побудови й аналізу залежностей Gxgr(xch) і інших вторинних моделей;

алгоритми експериментів на полях властивостей (з використанням методу Монте-Карло): для одержання розподілу показників G полів властивостей і їхніх взаємозв'язків; для ізопараметричного аналізу з урахуванням довірчих коридорів; для вибору рецептурно-технологічних рішень, що гарантують відповідність вимогам до матеріалу і оптимальність за рядом властивостей;

алгоритм обчислювального експерименту, який дозволяє одержати розподіли і інтервальні оцінки імовірних критеріїв якості за рахунок багаторазового відтворення (бутстреп-методом) результатів випробувань матеріалу у натурному експерименті.

У спеціальних обчислювальних експериментах визначено вплив помилок se, числа генерацій і інших параметрів на точність оцінок, отриманих при використанні розроблених засобів.

Третій розділ присвячений аналізу полів реологічних параметрів плину технологічних сумішей як багатокомпонентних дисперсних систем. Суміші повинні мати специфічні властивості проміжного продукту – комплекс технологічних характеристик Yт, пов'язаних зі здатністю до плину при мінімальній енергоємності гідродинамічних процесів і при збереженні заданої однорідності розподілу елементів дисперсної фази у дисперсійному середовищі. При цьому часто Yт повинні знаходитися у деякому коридорі, вихід за границі якого не перевищує заданого ризику .

Фундаментальну основу створення дисперсних систем і керування їхніми властивостями представляє реологія (з високорозвиненим математичним апаратом, що застосовувається при чітких фізичних передумовах до опису плину). Властивості субстанції відображаються “константами” реологічних моделей. Однак ці “константи” змінюються у широких межах в залежності від складу суміші, технологічних режимів її приготування і т.і., що описується ЕС-моделями. Аналіз цих залежностей для керування за рахунок РТ-факторів плином (при перемішуванні, укладанні і т.д.) технологічних сумішей різного призначення (зв’язуючих, захисно-декоративних композицій, розчинів із сухих сумішей) може бути здійснений на полях реологічних параметрів.

Можливе зниження в кілька разів ефективної в'язкості (Пас) полімерних композицій при постійній швидкості зсуву (з-1) за рахунок використання багатофракційних наповнювачів (одного мінерального складу при незмінних питомій поверхні S і масовому відношенню наповнювач-полімер Н:П). На рис. 3.а наведена діаграма при =1 епоксидної композиції з трифракційним кварцовим наповнювачем при Н:П=2.5:1. Результати ізопараметричного аналізу у коридорі S = 15010 м2/кг (з використанням методу Монте-Карло) показують (рис. 3.б), що за рахунок оптимізації тільки розподілу розміру зерен можна знизити в’язкість в 3-5 раз.

Факт такої пластифікації інваріантний до виду смоли (рис. 3.в). При S=const заміна середніх зерен на суміш дрібних і великих знижує в'язкість композицій експоненціально, =(w2)/{w2=1}= exp{(1-w2)[2.0(1-w2) 3.6]}. При цьому 3/4 варіації обумовлені зміною зернового складу, і тільки 1/4 переходами між дисперсійними середовищами (включаючи модельну систему МС на високов'язкому маслі). Ефект пластифікації дозволяє зменшити полімероємність композицій на 30-40 кг/т, при виконанні вимог до технологічних сумішей і затверділих матеріалів.

Явище пластифікації може бути пояснено утворенням у деформівній неньютонівській рідині структурних агрегатів – асоціатів дрібних і великих частин наповнювача. Це приводить до полімодальності розподілу товщини міжзеренних шарів дисперсійного середовища – навколо асоціатів формуються стовщені плівки, які через знижені частки в них структурованого міжфазного шару відносно легко деформуються, що забезпечує знижену в'язкість усієї системи.

Ефект пластифікації виявлений і при змішуванні волокон різної довжини (целюлозні волокна 200-2500 мкм), і в полімінеральних зернових сумішах (клінкер–кварц–мармур, кварц–граншлак–вапняк, карбід кремнію–андезит при S = const), причому не тільки в полімерних дисперсійних середовищах, але і у водяних суспензіях мінеральних в'яжучих.

Обчислювальний експеримент, який імітує випадкові коливання РТ-факторів за законами розподілу, близькими до виробничих коливань (рис. 4), дозволив встановити рівень компенсаційних впливів, для збереження необхідного рівня в'язкості технологічної суміші. Так, компенсація відхилень у ступеню наповнення зв’язуючого (5%) і від оптимальної гранулометрії наповнювача (5%) вимагають збільшення швидкості зсуву суміші на 30% і відповідного підвищення енерговитрат для збереження (з ризиком 0.1) гарантованого рівня в'язкості 120 Пас.

Зміна в'язкості ряду багатокомпонентних технологічних сумішей зі збільшенням швидкості зсуву описується в обмеженому діапазоні моделлю Оствальда-Вейля = K. ()m, у якій показникm характеризує темп руйнування структури при зрушених деформаціях.

ЕС-моделі за результатами реометричних випробувань нафтополімерних захисно-декоративних композицій дозволили визначити умови заміни аэросилу, який забезпечує тиксотропію, на тонкодисперсний природний цеоліт. Аналіз впливу інгредієнтів на реологічні показники проведений на локальних полях, що відповідають двом “контрастним” групам складів – для високов'язких композицій (HV – мало розчинника і багато каоліну) і низков’язких (LV – багато розчинника і мало наповнювача).

При наближенні до стану граничного руйнування (? > 10 с-1) вплив на ? модифікаторів (бутилкаучука і цеоліту) багаторазово збільшується. У LV-сумішей максимальний ефект від введення бутилкаучука при відсутності цеоліту, а в HV-сумішей – від введення цеоліту при найнижчому вмісті каучуку. У цій зоні швидкостей зміна описана спеціальною нелінійною моделлю = ()m (1+ ln), з параметром , який враховує зниження темпу руйнування, особливо у композицій з підвищеним вмістом розчинника.

Показник тиксотропії Tr (побудований на оцінках ? при збільшенні і зниженні ) чуттєвий до зміни і дисперсійного середовища, і дисперсної фази; він досить сильно пов'язаний з темпом руйнування m. Визначальну роль у тиксотропії композицій грає розчинник, однак, його негативний вплив істотно нівелюється спільним уведенням каоліну з цеолітом. Так, HV-суміші при оптимальному дозуванні каучуку містять 70 м.ч. каоліну, але після додавання 8 м.ч. цеоліту критерій Tr збільшується не пропорційно росту маси мінеральних компонентів, тобто на 11%, а в 3-4 рази, що свідчить про ефективність цеоліту як структуруючого модифікатора, що заміняє аэросил.

В усьому діапазоні модифікації композицій бутилкаучуком і цеолітом проявляється позитивний кореляційний зв'язок між темпом руйнування структури |m| і внутрішніми напруженнями s у затверділому полімерному покритті, що, в свою чергу, негативно впливають на його довговічність. Варіація дозувань розчинника і бутилкаучука у ВЭ виявляє високий рівень негативної кореляції s з атмосферостійкості покрить, поза залежністю від кількості наповнювача і його фракційного складу.

Аналізована при дослідженні сухих будівельних сумішей з редиспергованими добавками Vinnapas ефективна в'язкість () системи “полімермінеральна суміш + вода” описується моделлю Оствальда-Вейля в усьому діапазоні збільшення швидкості зсуву 0.07 134 c1.

Параметри K={=1}, |m| і показники тиксотропії дуже чуттєві до зміни складу, причому в сумішах з полівінілацетатною добавкою V523 в більшій степені, чим з добавкою сополімеру вінілацетату і етилену V551. Найбільш істотний внесок у зміну і K, і |m| вносить вміст метілцелюлози (рис. 5.а,в), а в зміну відносного показника тиксотропії А – введення полімерної фібри (рис. 5.б, г).

Відмінність в темпах руйнування структури |m| приводить до того, що композиції, які мають велику в'язкість при малих можуть виявитися відносно низьков’язкими при високих швидкостях зсуву. За результатами ОЕ для сумішей рівної в'язкості (відповідної різним ) встановлено, що для зниження цього рівня h у 10 разів витрата енергії на збільшення швидкості зсуву в низьков’язких композиціях майже на порядок більше, ніж у високов'язких.

Для всіх досліджених у натурному експерименті композицій зв'язок між |m| і А не виявлений. Однак ОЕ на локальних полях цих показників у координатах складу сумішей (рис. 5.а-г) дозволив “розшарувати” інформацію, згорнуту в ЕС-моделях. Показано, що якщо структура композиції змінюється під впливом полівінілацетатної добавки і фібри, то збільшення темпу руйнування супроводжується зростанням тиксотропії. Але, якщо змінювати структуру, змінюючи кількість і якість метілцелюлози (рис. 5.д-і), то збільшення |m| буде супроводжуватися зростанням WA тільки при підвищеному вмісті полімерної добавки (рис. 5.д); якщо ж її мало, то кореляція між цими показниками може стати негативною (рис. 5.е) – структура композиції під впливом деформацій зсуву буде швидко руйнуватися, не володіючи при цьому помітною тиксотропією.

Визначено склади сумішей (скануванням області полів трьох критеріїв з використанням методу Монте-Карло), які забезпечують кращі рівні за одним з одиничних критеріїв, які відповідають підвищенню ефективності змішувачів (|m|max), якості й однорідності готового розчину (Kmin) і якості опоряджувальних робіт (А.max), а також зона компромісу. Ці результати враховані у ряді нормативних документів на сухі будівельні суміші.

Розділ 4 присвячений аналізу полів властивостей матеріалів на етапі структуроутворення. Структура характеризується вектором структурних показників S (міри макроскопічної або мікроскопічної будови конкретного матеріалу, в залежності від цілей аналізу). Причинно-наслідкові зв'язки R(S) споживчих властивостей матеріалу, що оцінюються критеріями якості R, визначають ряд проблем аналізу структуроутворення.

Так, більшість структурних показників змінюються в часі t, що повинно бути описано функціями S(t), які дозволяють аналізувати кінетику структуроутворення, використовуючи, зокрема, миттєві швидкості v=d/dt. Для порівняння процесів структуроутворення в різних РТ-ситуаціях функції S(t) варто представити числовими характеристиками – узагальнюючими показниками GS{t} (зокрема, екстремумами, координатами інших “особливих” точок, по можливості, які допускають фізичну інтерпретацію). Таким чином, процеси S(t) у рамках концепції полів властивостей розглядаються як одномірні тимчасові поля структурних показників.

При керуванні структуроутворенням аналізуються РТ-поля GS(x) – показники GS виступають на цьому етапі існування матеріалу у ролі критеріїв якості (таких як, час досягнення заданого рівня пластичної міцності, максимальна швидкість тепловиділення, кількість зв'язаної води), що доповнюють комплекс критеріїв R.

Аналізовані композиції на основі портландцементу (у т.ч., з полімерними добавками і волокнами) відрізняються, по-перше, дослідженим діапазоном часу структуроутворення (початковий період до 12 годин або “марочний” період до 28 діб), по-друге, вектором структурних показників S (процес зміни або пластичної міцності, або тепловиділення, або розподілу води між фазами), по-третє, інструментальним забезпеченням (важільний пластометр, автоматичний калориметр, комп'ютеризований спектрометр ЯМР).

Ріст пластичної міцності Pm (кПа) на початкових стадіях структуроутворення (до = 12 г) у системах “полімеромінеральна суміш – вода” (із сухих будівельних сумішей з полімерною фіброю) описано експоненціально-поліноміальними моделями (рис. 6). Вони дозволяють одержати криві миттєвої і середньої швидкостей структуроутворення. В інтервалі між мінімумами цих кривих локалізується перехід структури з коагуляційного в коагуляційно-кристалізаційний стан.

Закономірності спільної дії полімерної добавки і полімерної фібри проаналізовані на полях критеріїв структуроутворення GS(x). Введення фібри скорочує час досягнення заданого рівня Pm на 2-3 г; на початковій стадії твердіння фібра збільшує Pm (за рахунок опору об'ємного каркаса). Середня швидкість росту Pm збільшується в 1.5 рази, у зв'язку зі стоншенням шарів цементної пасти і пристінними ефектами в поверхні полімерних волокон. Полівінілацетатна добавка, блокуючи доступ води до зерен цементу, сповільнює швидкість структуроутворення, але, по мірі збільшення кількості фібри ступінь цього впливу знижується.

Швидкість процесу структуроутворення у тверднучих системах ефективно оцінюється за термокінетичною інформацією, визначеною при калориметричному аналізі.

Максимальна швидкість тепловиділення q = (dQ/dt)max, Вт/кг, і час її досягнення tq, г, з моменту утворення системи “цемент + вода” розглядалися як узагальнюючі показники GS процесів структуроутворення. Поля GS у координатах ТО (період попередньої витримки t0, час підйому температури tDT , температура ізотермічної витримки Т) побудовані за кривими гідратації трьох цементів: мономінерального алітового, швидкотверднучого і пластифікованого. ЕС-моделі впливу параметрів ТО на q і tq для фіксованого цементу розширені введенням символу-фактора цементу. Маркером вибрана оцінка q при t0 = 2 ч, tDT = 4 ч, Т = 80С. Це дозволило порівняти термокінетичні властивості цементів з урахуванням метричних відстаней між ними й оцінити на полях показників тепловиділення спільний вплив переходу між цементами і кожного параметра ТО.

Так, максимальна швидкість тепловиділення q удвічі менш чутлива до зміни режиму ТО, ніж час її досягнення Dt; найбільше сильно це виявляється при зміні температури ТО в швидкотверднучого і пластифікованого цементів. Період t0 єдиний фактор ТО, при подовженні якого і q, і Dt трьох цементів змінюються в одному напрямку: q лінійно знижується і скорочується період Dt. Збільшення tDT знижує q і подовжує Dt у півтора разі, причому найбільше його подовження відповідає малим швидкостям нагрівання.

Запропоновано доповнити “Бази знань” інформаційної технології “Термобет” ЕС-моделями впливу режимів ТО на термокінетичні криві гідратації в'яжучих речовин і методиками аналізу полів властивостей в'яжучих і бетонів. Символ-фактори рекомендується використовувати при порівнянні декількох добавок, причому найбільш корисні результати можна чекати у задачах зі зміною двох рядів добавок, і хімічних, і мінеральних.

Структурні зміни при більш тривалому гідратаційному твердінні дозволяє охарактеризувати метод ядерно-магнітного резонансу. Цим методом можна вимірити кількість вологи з різною енергією зв'язку з елементами структури матеріалу. Процес структуроутворення характеризується початковим вологовмістом U0 (г/кг сух.) і кількістю вологи, пов'язаної з поверхнею новоутворень U за період (доби). Поля вологовмісту U0, U1 і U28 матриці товарного бетону в координатах кількості цементу Ц (x1), добавки Д (x3) і наповнювача Н (x4) представлені на рис. 7 а-в.

Аналіз полів вологовмісту, а також визначених за функцією U() миттєвих і середніх швидкостей переходу вологи з товстих плівок у гельову і капілярну складові структури показав, що процес структуроутворення більш інтенсивний у композиціях з низьким U0. Після першої доби твердіння цей перехід складає від 10 до 20% U0. Максимумам відносних значень U / U0 відповідають або склади з високим U0, або композиції з високим вмістом цементу чи добавки. По мірі гідратації основний ефект у прирості U починає визначати кількість цементу.

Відповідність процесів збільшення в цементному камені вологи U, з високою енергією зв'язку, і процесів формування властивостей бетону відкриває можливості побудови моделей для прогнозу властивостей, зокрема, усадки (мм/м). На це вказує зниження по мірі гідратації кореляції з кількістю вільної вологи U (рис. 7.г, оцінка за 18 композиціями), при одночасному збільшенні кореляції усадки з U. На основі сигналів ЯМР за 3 побудована модель, яка дозволяє прогнозувати тенденції усадки бетону (рис. 7.д) за оцінками вмісту вологи у ранній термін твердіння.

У