Анализ структуры смеси для опилкобетона на основании многофакторного планирования эксперимента

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Строительство. Архитектура


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

ДЕРЕВООБРАБОТКА. ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ
АНАЛИЗ СТРУКТУРЫ СМЕСИ ДЛЯ ОПИЛКОБЕТОНА НА ОСНОВАНИИ МНОГОФАКТОРНОГО
планирования эксперимента
Ф.В. ПОШАРНИКОВ, проф. каф. технологии и оборудования лесопромышленного производства ВГЛТА, д-р техн. наук,
М.В. ФИЛИЧКИНА, асп. каф. технологии и оборудования лесопромышленного производства
вглта
На лесоперерабатывающих и деревообрабатывающих предприятиях лесного комплекса в процессе работы образуется большое количество отходов и наименее из них реализованными являются опилки. В то же время одним из наиболее перспективных и популярных материалов для строительства в Европе и США является опилкобетон, который в СССР начал применяться еще с 60-х годов 20 века. Многолетняя эксплуатация зданий из опилкобетона позволяет судить о долговечности этого материала, его высоких экологических и энергосберегающих свойствах. Наиболее широко опилкобетон может быть использован в малоэтажном строительстве, он выгодно отличается облегченной структурой в сочетании с экологичностью и хорошей теплоизоляцией.
Опилкобетон может найти широкое применение как стеновой материала для наружных стен, внутренних капитальных и перегородок. Поскольку к этим стенам предъявляются различные требования по прочности и теплопроводности, то целесообразно изготовлять изделия из опилкобетона также с различными свойствами, тем более что это напрямую связано с его стоимостью.
С небольшим содержанием цемента в смеси, а следовательно, и более дешевые изделия можно использовать, например, для перегородок и других малонагруженных конструкций. К тому же вследствие большого содержания в изделиях опилок эти стены будут обладать хорошими теплоизоляционными свойствами и, имея крупнопористую структуру, этот материал позволит свести к минимуму расход энергии на обогрев и вентиляцию сооружений и тем самым обеспечить хороший воздухообмен. Для наружных стен зданий и несущих внутренних капи-
tolp@vglta. vrn. ru- mouse32@yandex. ru
тальных стен требуются изделия более прочные, поэтому в смесь вводится большое количество цемента и соответственно меньше опилок.
Таким образом, варьируя содержание в смеси цемента и опилок, можно получать изделия различного назначения и способствовать минимизации затрат на производство опилкобетона.
На кафедре технологии и оборудования лесопромышленного производства ВГЛТА были проведены исследования по определению оптимального состава смеси, прочностные свойства которой регулировались за счет соотношения цемента, взятого в качестве вяжущего, и опилок как наполнителя. В качестве нейтрализатора вредных для кристаллизации цемента выделений из опилок использовалось жидкое стекло, а в качестве ускорителя отвердения цемента — сернокислый алюминий.
В основе количественного формирования смесей из указанных компонентов было принято такое условие, которое определяло назначение строительных изделий, изготовляемых из предлагаемых смесей. Имеется в виду, что в строительных конструкциях предъявляются различные требования к стенам, для которых планируется использовать опилкобетон в виде блоков.
Были изготовлены опытные образцы изделий из опилкобетона, для чего использовались стандартные спаренные металлические контейнеры с размером полости 100 Ч 100 Ч 100 мм (рис. 1) При изготовлении опытных образцов использовались бетономешалка, вибростол, электронные весы и другое лабораторное оборудование. Испытание образцов на прочность проводились на стенде с тари-ровочным устройством.
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2010
111
ДЕРЕВООБРАБОТКА. ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ
Таблица 1
Факторы варьирования и их уровни
Фактор Уровни фактора Интервал варьирования
Наименование компонента смеси Обозначение
натуральное кодированное верхний нижний основной
Цемент, % М х, 80 20 50 30
Жидкое стекло, % М х2 14 6 10 4
Сернокислый алюминий, % М ц хз 1,8 1,2 1,5 0,30
а
б
Рис. 1. а) общий вид контейнеров- б) лабораторные образцы из опилкобетона
Для выбора требуемого сочетания компонентов смеси был проведено планирование многофакторного эксперимента.
В качестве варьируемых факторов были принятии следующие:
Мц — масса цемента в % к общей массе смеси М —
см'
М — масса опилок в % к М —
оп см'
Мн — масса нейтрализатора вредных выделений из опилок в % к массе опилок М —
оп
Мус — масса ускорителя кристаллизации цемента в % к массе цемента Мц-
Выходным параметром процесса был принят предел прочности на сжатие асж.
Значения верхних, нижних и основных уровней факторов, а также их интервалы варьирования приведены в табл. 1.
Масса опилок тоже варьировалась соответственно массе цемента: цемента боль-
ше или меньше, соответственно меньше или больше опилок в смеси определенной массы, т. е. между массой цемента и массой опилок была жесткая коррелируемая связь.
Анализ используемых рецептур смесей для опилкобетона позволил установить, что для внутренних перегородок можно использовать стеновые блоки со сравнительно небольшой прочностью (марки опилкобетона М5, М10 с пределом прочности на сжатие асж = 0,5…1 МПа), поэтому нижний предел для массы цемента был установлен минимальным 20%. С учетом получения более прочного материала, например для наружных стен, максимальное процентное содержание цемента в смеси было принято до 80% (по массе).
Процентное содержание в смеси по массе жидкого стекла было принято в опытах от 6 до 14% относительно массы опилокМ ,
оп
а сернокислого алюминия от 1,2 до 1,8% относительно массы цемента Мц.
Нормализованное значение факторов связано с натуральным соотношением
х = (X — X0) / А,
где х — нормализированное значение фактора-
X — натуральное значение фактора-
X0 — основной уровень фактора X-
А — интервал варьирования фактора X —
Формулы, связывающие нормализованные натуральные значения факторов, имеют вид
х. ^ (1 / 30) хх — 5 / 3- х2 ^ (1 / 4) х2 -- 5 / 2- х3 ^ 3,33×3 — 5.
Для проверки гипотезы о нормальном распределении выходной величины была поставлена отдельная серия из 8 опытов х3 = 20, х2 = 6, х3 = 1,2.
Число повторений 5, уровень значимости 0,05.

112
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2010
ДЕРЕВООБРАБОТКА. ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ
Таблица 2
Матрица планирования полнофакторного эксперимента
№ опыта Х1 Х2 Х3 Х1Х2 Х1Х3 Х2Х3 Х1Х2Х3 Уср
1 20 6 1,2 120 24 7,2 144 0,548
2 80 6 1,2 480 96 7,2 576 5,742
3 20 14 1,2 280 24 16,8 336 0. 679
4 80 14 1,2 1120 96 16,8 1344 6,802
5 20 6 1,8 120 36 10,8 216 0,77
6 80 6 1,8 480 144 10,8 864 7,282
7 20 14 1,8 280 36 25,2 504 0,748
8 80 14 1,8 1120 144 25,2 2016 7,3
Таблица 3
Прочность образцов из опилкобетона
Масса сернокислого алюминия Мус в % от цемента Мц Масса жидкого стекла М в % от массы опилок Моп Масса цемента Мц в % от массы смеси Мсм
20 50 80
' 1,2 10 0,51 3,51 5,72
1,5 10 0,69 5,48 6,98
1,8 10 0,71 5,51 7,18
1,5 6 0,45 4,61 4,73
1,5 10 0,69 5,48 6,98
1,5 14 0,72 5,49 7,22
Матрица полнофакторного планирования эксперимента третьего порядка в нормализованных обозначениях факторов приведена в табл. 2.
По полученным результатам эксперимента математическую модель процесса будем искать в виде уравнения множественной
регрессии третьего порядка
У = Ъ0 + Ъ1Х1 + b2X2 + Ъ3Х3 + В12Х1Х2 +
+ B13X1X3 + B 23X2X3 + B123X1X2X 3.
Проверяем однородность дисперсии в
опытах и определяем дисперсии отклика.
Для каждой строки матрицы вычисляем дисперсию по формуле
M-1
У disi
? (yjm — Уср)
M -1
гдеydis. — дисперсия в параллельных опытах-
У — значение откликов в параллельных
S jm 1
опытах-
у — среднее значение откликов в параллельных опытах-
i — номер опыта (строки в матрице),
M — число параллельных опытов.
Однородность дисперсии обычно оценивается по критерию Корхена. Для этого определяется отношение наибольшей дисперсии к сумме всех дисперсий
G
S'-
N-1
? Уdisj
i=0
Расчетное значение критерия Кор-хена Gp = 0,405. Коэффициент из матрицы значений критерия Корхена для значимости Q = 0,05 имеет табличное значение GT = 0,518. Расчетные значения Gp & lt- Gt, дисперсии являются однородными. После того как мы установили однородность дисперсии в опытах, можно определять дисперсию отклика по формуле
N-1
? Уdisn
Sy = ¦n=°---- S = 0,081.
y N y
После этого можно определить коэффициенты уравнения регрессии по формулам
N-1
? Усрп
Ъ = --------
Ъ N
N-1
? (Ycpj-1 • xj-1)
Ъ = ¦n=°------------------
j N
где Ъ0 — свободный член уравнения-
Ъ. — коэффициенты при факторах.
Проверку значимости (статистического отличия от нуля) коэффициентов уравнения регрессии удобно проводить построением критической области:
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2010
113
ДЕРЕВООБРАБОТКА. ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОЕИИ
о, МПа
Мц,%
0,75
0,5
0,25
5 10 15 20
Мн,%
о, МПа
Мц,%
15 20
Мц,%
2
0
с, МПа
0
0
5
15
20
10 Мн,%
Рис. 2. Зависимость предела прочности опытных образцов из опилкобетона о от содержания в смеси ускорителя отвердевания цемента — сернокислого алюминия М по массе в % от мас-
ц
сы цемента, Мц и нейтрализатора вредных ядов жидкого стекла, М по массе в % от массы опилок, М для различного содержания в смеси, М: а — М = 20%- б — 50%- в — 80%
После расчета коэффициентов регрессия будет иметь вид
_у1(х1×2×3) = 3,734+3,048×1 + 0,148×2 +
+ 0,291×3 + 0,121x1x2 +0,218x1x3 +
+ (-0,149)x2x3 — 0,11 1x1x2x3.
Проверка адекватности модели выполняется следующим образом
n-i.
Е (Ус, — yf])
Ydlspad = Л--------,
N — m
где у^ - значение функции отклика.
ydlSFad = 3,759
Для проверки гипотезы адекватности можно использовать критерий Фишера при степенях свободы
F1 = N — m = 3-
F2 = N (M — 1) = 32, используя формулу
F = у… / S.
p y aispaa у
Полученное значение критерия Фишера равно Fp = 0,89, Так как расчетное значение критерия Фишера не превышает табличное значение Ft = 1, то уравнение регрессии адекватно.
Прочность опытных образцов из опилкобетона, МПа приведена в табл. 3.
На основании данных табл. 3 были построены пространственные графики зависимостей предела прочности опытных образцов на сжатии осж от содержания ускорителя отвердевания цемента сернокислого алюминия по массе, Мц в % от массы Мц нейтрализатора ядов жидкого стекла по массе, Мн в % от массы опилок М
оп
Анализ данных табл. 3 и графика на рис. 1 показывает, что для любого содержания цемента в смеси существует некоторое оптимальное содержание добавок в виде ускорителя отвердевания цемента (сернокислый аллюминий) и нейтрализатора вредных ядов древесных опилок (жидкое стекло), которое оказывает наиболее эффективное действие на обеспечение требуемой прочности опилкобетона для сернокислого алюминия 1,5% от массы цемента, а для жидкого стекла 10% от массы опилок. Меньшие значения не позволяют эффективно действовать на смесеобразование — предел прочности на сжатие снижается. Следует отметить, что влияние добавок
114
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2010
а
1
2
0
б
5
4
3
1
в
8
6
4
2

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой