Планирование эксперимента при поиске оптимальной дозировки комплексной добавки

Современное производство бетона и железобетона предполагает широкое применение различного рода добавок – модификаторов, изучение их структуры и свойств. Они регулируют водопотребность цемента и значительно – на 25% и больше снижают В/Ц – отношение.

В последние годы на заводах сборного железобетона и в практике монолитного строительства все чаще стали применяться добавки нового поколения,    которые    позволяют получать высокоподвижные, самоуплотняющиеся смеси с высокой “живучестью”[1]. Эти добавки обычно изготавливаются на поликарбоксилатной основе, они имеют комплексный механизм действия, сочетающий в цементных системах электростатический и пространственный (стерический)эффекты.Одним из представителей таких добавок является гиперпластификаторGienium-30(производство-Германия).

В данной работе решается задача поиска оптимальной дозировки комплексной добавки, состоящей из двух компонентов: минерального порошка МП-1, полученного из шлака – отхода сталелитейного производства ОАО”Оскольский электрометаллургический комбинат”, и органического компонента – Gienium-30.

Оценивалось совместное действие применяемых добавок на водопотребность цемента, на прочностные показатели цементного камня. Конечной целью являлось определение оптимальной дозировки комплексной органоминеральной добавки.

Для решения поставленной задачи было выполнено математическое планирование эксперимента типа 32, где 3 – число уровней изучаемых факторов(в кодированном виде это

“ +1 ” и “ –1 ”); 2 – число факторов (независимых переменных), то есть х 1 – количество минерального порошка МП-1(изучалось в пределах от 10% до 30% от массы цемента),х 2 – количество поверхностно активной добавки Glenium-30(изучалось в пределах от 0,5 до 2,5 % от массы цемента).

Критерием оптимальности явился предел прочности при сжатии образцов цементного камня в возрасте 14 суток нормального твердения.

План эксперимента, состоящий из 9 опытов, где изучаемые факторы даны в кодированном виде и где также представлены результаты экспериментов (отклики), имеет вид, представленный в таблице 1.

Таблица1

План эксперимента 3

Примечание к таблице1:

Опыты 10 и 11 в плане необходимы для оценки дисперсии воспроизводимости при дальнейшем выполнении дисперсионного анализа с целью оценки адекватности математической модели. Опыт 12 – эталон – необходим для сравнения полученных результатов по оптимизации дозировки добавки.

В процессе выполнения эксперимента оценивался также пластифицирующий эффект вводимых добавок при постоянном В/Ц – отношении. Эти данные представлены на рис.1.

Рис.1.Зависимость подвижности цементного теста от количества добавок

Установлено, что изучаемые смеси, содержащие добавкуGienium-30, отличаются повышенной подвижностью(на 20-37% по сравнению с эталонным значением).

Полученные данные по прочности цементного камня при сжатии показывают, что при введении 20% минерального порошка МП-1 и 2,5% Gienium-30 среднее значениеRсж = 75,0 МПа, что более чем в 3 раза выше эталонного значения.

Для подтверждения достоверности результатов эксперимента был выполнен дисперсионный анализ: определялись оценки коэффициентов уравнения регрессии(математической модели) и их значимость по критерию Стьюдента[2].

Установленный вид математической модели, отражающей зависимость прочности цементного камня от количества вводимых добавок, представлен полиномом:

y = 57,26 - 4,07x 1 + 8,4x 2 + 5,16 x 1 x 2 + 7,8x 2 ².

Проверка по критерию Фишера показала, что полученная модель адекватно отражает экспериментальные данные, так как F расч =15,94табл.=230,2.

Выводы по работе:

• 1.    Выполненные исследования позволили установить оптимальный состав комплексной добавки, включающей минеральный порошок МП-1 иGienium-30. Дозировка добавки: 20 % МП-1 + 2,5 %Gienium-30позволяет получить высокопрочный цементный камень, что достигается за счет модифицирования ею структуры.

• 2.    Установлено, что при введенииминерального порошка МП-1 иGlenium-30 удается получить смеси высокой подвижности, например, на 35 % выше эталона, если используется комплексная добавка 30 % МП-1 + 2,5 %Gienium-30.

• 3.    Применение метода математического планирования эксперимента позволило получить искомый оптимум, что существенно сократило трудоемкость работы и материальные затраты на исследования.