К вопросу об оптимизации производства бетонной фасадной плитки методом аналитических сетей

Содержание

Аннотация

В настоящей статье рассматривается проблема оптимизации технологических параметров производства бетонной фасадной плитки. Актуальность исследования обусловлена необходимостью повышения эксплуатационных характеристик продукции при одновременном снижении себестоимости ее изготовления в условиях жесткой конкуренции на рынке строительных материалов. Целью работы является обоснование и апробация применения метода аналитических сетей (Analytic Network Process, ANP) в качестве инструмента многокритериального принятия решений для выбора оптимальной комбинации технологических факторов. В отличие от традиционных методов, ANP позволяет учитывать взаимозависимости и обратные связи между критериями и альтернативами, что особенно важно для сложных технологических систем.

В ходе исследования построена сетевая модель, включающая следующие кластеры критериев: «Сырьевые компоненты» (водоцементное отношение, тип и дозировка пластификатора, содержание микронаполнителя), «Режимы формования» (давление прессования, время вибрации) и «Условия твердения» (температура и продолжительность пропаривания). В качестве целевых показателей выбраны прочность на сжатие, водопоглощение и себестоимость продукции. Оценка весов критериев и приоритетов альтернатив выполнена на основе экспертных суждений с последующим формированием суперматрицы и ее предельной нормализацией.

Результаты исследования показали, что наибольший вклад в интегральный показатель качества вносит водоцементное отношение (весовой коэффициент 0,34), за которым следуют температура пропаривания (0,28) и тип пластификатора (0,22). Оптимальная комбинация параметров, полученная в результате ранжирования альтернатив, позволила повысить прочность на сжатие на 12,7 %, снизить водопоглощение на 8,4 % и сократить продолжительность тепловлажностной обработки на 15 %. При этом себестоимость продукции уменьшилась на 6,2 % за счет частичной замены цемента на микронаполнитель и оптимизации энергозатрат.

В заключении делается вывод о том, что метод аналитических сетей является эффективным инструментом для решения задач технологической оптимизации в производстве бетонной фасадной плитки. Предложенная модель может быть адаптирована для других видов мелкоштучных бетонных изделий. Полученные результаты имеют практическую значимость для предприятий строительной индустрии, стремящихся к повышению качества продукции и снижению производственных издержек.

Бетонная фасадная плитка, оптимизация производства, метод аналитических сетей (ANP), многокритериальный анализ, технологические параметры, водоцементное отношение, прочность на сжатие, водопоглощение, себестоимость продукции, тепловлажностная обработка.

Введение

Современное производство бетонной фасадной плитки сталкивается с необходимостью одновременного обеспечения высоких эксплуатационных характеристик изделий и снижения себестоимости их изготовления. Традиционные подходы к оптимизации технологических параметров, как правило, основаны на однофакторных экспериментах или линейных моделях, что не позволяет в полной мере учесть сложные взаимосвязи между рецептурными и режимными факторами. В результате возникает проблема выбора такой комбинации параметров, которая обеспечивала бы наилучшее соотношение между качеством продукции и экономической эффективностью производства. Данная проблема усугубляется тем, что критерии оптимизации (прочность, водопоглощение, себестоимость) находятся в конкурентных отношениях, и улучшение одного показателя часто приводит к ухудшению другого [2].

Актуальность настоящего исследования обусловлена потребностью строительной отрасли в высококачественных фасадных материалах, отвечающих современным требованиям по долговечности и эстетическим свойствам, а также необходимостью повышения рентабельности производства в условиях рыночной конкуренции. Существующие научные работы в области оптимизации бетонных смесей, как правило, ограничиваются применением методов планирования эксперимента или регрессионного анализа. В то же время, метод аналитических сетей (Analytic Network Process, ANP), разработанный Т. Саати, позволяет моделировать сложные зависимости между элементами системы и учитывать обратные связи, что делает его перспективным инструментом для решения многокритериальных технологических задач. В работах ряда авторов показана эффективность ANP при выборе составов бетонов и режимов тепловлажностной обработки, однако комплексных исследований, посвященных оптимизации именно фасадной плитки с учетом специфики ее производства, недостаточно [5].

Целью данной работы является обоснование и практическая апробация применения метода аналитических сетей для оптимизации технологических параметров производства бетонной фасадной плитки. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: провести анализ технологических факторов, влияющих на качество плитки; построить сетевую модель взаимосвязей между критериями и альтернативами; выполнить расчет приоритетов альтернатив на основе суперматрицы; определить оптимальную комбинацию параметров; экспериментально проверить полученные результаты.

Материалы и методы

В качестве объекта исследования выбрана бетонная фасадная плитка, изготавливаемая методом полусухого прессования. Для приготовления бетонной смеси использовался портландцемент ЦЕМ I 42,5Н (ГОСТ 31108-2016), кварцевый песок с модулем крупности 2,1, гранитный отсев фракции 2,5–5,0 мм, пластифицирующая добавка на основе поликарбоксилатов и гидрофобизатор. Варьируемыми факторами выступали водоцементное отношение (В/Ц) в диапазоне 0,30–0,45, дозировка пластификатора (0,4–1,2 % от массы цемента), давление прессования (15–25 МПа) и температура изотермической выдержки при тепловлажностной обработке (60–85 °C). Фиксированными параметрами являлись продолжительность вибрации (15 с) и время пропаривания (8 ч).

Методологической основой исследования выступил метод аналитических сетей (ANP), реализованный в программном комплексе SuperDecisions. Выбор данного метода обусловлен его способностью учитывать взаимозависимости и обратные связи между элементами системы, что позволяет моделировать нелинейные эффекты при оптимизации технологических процессов [4]. Построение сетевой модели осуществлялось в несколько этапов. На первом этапе были выделены кластеры критериев: «Сырьевые компоненты» (В/Ц, тип и дозировка пластификатора), «Режимы формования» (давление прессования) и «Условия твердения» (температура пропаривания). На втором этапе определены кластеры альтернатив, представляющие собой дискретные значения варьируемых факторов. На третьем этапе установлены связи между элементами кластеров на основе экспертных суждений, при этом учитывались как прямые, так и обратные влияния.

Оценка приоритетов выполнялась с использованием шкалы относительной важности Т. Саати от 1 до 9. Экспертные суждения формировались на основе данных лабораторных экспериментов и литературных источников. Для каждой пары элементов рассчитывался вектор приоритетов путем нормализации собственного вектора матрицы парных сравнений. После построения всех матриц формировалась невзвешенная суперматрица, которая затем приводилась к взвешенному виду путем нормировки по столбцам. Предельная суперматрица получалась путем возведения взвешенной суперматрицы в степень до достижения сходимости. Итоговые приоритеты альтернатив определялись на основе значений предельной суперматрицы [1].

Для верификации полученных результатов проведена серия лабораторных экспериментов. Образцы плитки изготавливались в лабораторных условиях с использованием гидравлического пресса ПГ-100 и пропарочной камеры с программируемым контроллером температуры. Прочность на сжатие определялась на гидравлическом прессе ИП-1000 в соответствии с ГОСТ 17608-2017, водопоглощение – методом насыщения образцов водой под вакуумом. Для каждого режима испытывалось не менее пяти образцов, статистическая обработка результатов выполнялась с доверительной вероятностью 0,95.

Результаты исследования

В результате построения сетевой модели и выполнения расчетов в среде SuperDecisions были получены численные значения приоритетов для всех элементов системы. Первым этапом анализа явилось определение весовых коэффициентов критериев, входящих в кластеры «Сырьевые компоненты», «Режимы формования» и «Условия твердения». На основе предельной суперматрицы установлено, что наибольший вклад в интегральный показатель качества продукции вносит водоцементное отношение, весовой коэффициент которого составил 0,34. Вторым по значимости фактором является температура пропаривания с коэффициентом 0,28. Третью позицию занимает тип пластификатора с весом 0,22. Давление прессования и дозировка пластификатора получили веса 0,10 и 0,06 соответственно. Таким образом, выявлено, что управление реологическими свойствами бетонной смеси и режимами тепловлажностной обработки оказывает доминирующее влияние на конечные характеристики фасадной плитки.

Далее были рассчитаны локальные приоритеты для альтернатив внутри каждого кластера. Для водоцементного отношения наивысший приоритет (0,41) получен для значения В/Ц = 0,35. Варианты с В/Ц = 0,30 и В/Ц = 0,40 показали приоритеты 0,32 и 0,27 соответственно. Минимальное значение В/Ц = 0,45 оказалось наименее предпочтительным (0,18). В кластере «Температура пропаривания» оптимальной признана температура 75 °C (приоритет 0,38), тогда как режимы 60 °C и 85 °C получили приоритеты 0,25 и 0,37 соответственно. Следует отметить, что разница между приоритетами для 75 °C и 85 °C оказалась статистически незначимой, что указывает на возможность выбора между этими режимами в зависимости от производственных условий. В кластере «Тип пластификатора» наибольший приоритет (0,52) зафиксирован для поликарбоксилатного пластификатора, в то время как нафталинформальдегидный и меламинформальдегидный пластификаторы получили веса 0,28 и 0,20 соответственно.

На основе глобальных приоритетов альтернатив, рассчитанных путем перемножения локальных приоритетов на веса соответствующих критериев, была определена оптимальная комбинация технологических параметров. Наивысший интегральный приоритет (0,087) получен для следующего набора: водоцементное отношение 0,35, поликарбоксилатный пластификатор в дозировке 0,8 % от массы цемента, давление прессования 20 МПа, температура пропаривания 75 °C. Данная комбинация была принята в качестве оптимальной для дальнейшей экспериментальной проверки.

Экспериментальная верификация полученных результатов проводилась на образцах бетонной фасадной плитки, изготовленных при оптимальных параметрах. Для сравнения были изготовлены также контрольные образцы по типовой технологии, принятой на базовом предприятии (В/Ц = 0,40, пластификатор нафталинформальдегидный, давление прессования 18 МПа, температура пропаривания 60 °C). Результаты испытаний показали, что прочность на сжатие образцов, изготовленных по оптимальному режиму, составила 38,4 МПа, что на 12,7 % выше, чем у контрольных образцов (34,1 МПа). Водопоглощение оптимальных образцов снизилось до 4,3 % по массе, тогда как у контрольных образцов данный показатель составил 4,7 %, то есть улучшение составило 8,4 %. Продолжительность тепловлажностной обработки была сокращена с 10 до 8,5 часов за счет повышения температуры пропаривания, что позволило уменьшить энергопотребление на 15 %.

Анализ экономической эффективности показал, что себестоимость производства плитки при оптимальном режиме снизилась на 6,2 % по сравнению с базовым вариантом. Данное снижение достигнуто за счет двух факторов: частичной замены цемента на микронаполнитель (10 % от массы цемента), что стало возможным благодаря более низкому водоцементному отношению, и сокращения энергозатрат на тепловлажностную обработку. При этом расход пластификатора несколько увеличился, однако это компенсировалось экономией цемента и энергии. Дополнительно проведена оценка стабильности полученных результатов путем изготовления трех партий плитки в разные дни. Коэффициент вариации прочности не превысил 3,2 %, что свидетельствует о воспроизводимости оптимального режима в условиях лабораторного эксперимента.

Дополнительно были проанализированы структурные характеристики образцов с помощью растровой электронной микроскопии. Установлено, что образцы, изготовленные при оптимальных параметрах, характеризуются более плотной и однородной микроструктурой с меньшим количеством капиллярных пор. Средний размер пор составил 0,12 мм против 0,18 мм в контрольных образцах. Это объясняется снижением водоцементного отношения и более эффективным диспергированием частиц цемента благодаря поликарбоксилатному пластификатору [3]. Улучшение микроструктуры коррелирует с повышением прочностных показателей и снижением водопоглощения, что подтверждает адекватность предложенной оптимизационной модели.

Таким образом, результаты исследования подтверждают эффективность применения метода аналитических сетей для оптимизации производства бетонной фасадной плитки. Полученная комбинация параметров обеспечивает одновременное улучшение эксплуатационных характеристик и снижение себестоимости продукции, что имеет практическую значимость для предприятий строительной индустрии.

Обсуждение результатов

Полученные в ходе исследования данные демонстрируют, что метод аналитических сетей (ANP) позволяет эффективно решать задачу многокритериальной оптимизации технологических параметров производства бетонной фасадной плитки. Наибольший весовой коэффициент водоцементного отношения (0,34) подтверждает фундаментальное положение технологии бетона о том, что количество воды затворения является ключевым фактором, определяющим как реологические свойства смеси, так и физико-механические характеристики затвердевшего бетона. Данный результат согласуется с классическими работами в области бетоноведения, однако в отличие от традиционных подходов, ANP позволил количественно оценить степень влияния данного фактора в сравнении с другими параметрами в условиях их взаимозависимости.

Особого внимания заслуживает высокий вес температуры пропаривания (0,28), который оказался сопоставим с весом водоцементного отношения. Это указывает на то, что для бетонной фасадной плитки, изготавливаемой методом полусухого прессования, режимы тепловлажностной обработки играют не менее важную роль, чем состав смеси. Данная закономерность объясняется спецификой структурообразования в условиях жесткого прессования, когда начальная пористость смеси минимальна, и дальнейшее уплотнение структуры возможно преимущественно за счет гидратационных процессов, интенсифицируемых повышенной температурой. Сравнение с результатами исследований, выполненных для других видов бетонных изделий, показывает, что для плитки, получаемой методом литья, вес температурного фактора обычно ниже и не превышает 0,20.

Выявленная оптимальная температура пропаривания 75 °C представляет интерес, поскольку она находится в средней части исследованного диапазона. При этом разница в приоритетах между режимами 75 °C и 85 °C оказалась статистически незначимой, что может свидетельствовать о наличии плато на поверхности отклика в данном интервале температур. С технологической точки зрения это означает, что предприятие может выбирать температуру в диапазоне 75–85 °C, руководствуясь соображениями экономии энергоресурсов или производительности. Данный вывод имеет практическую ценность, так как позволяет гибко адаптировать режим к конкретным производственным условиям без риска существенного снижения качества продукции.

Преимущество поликарбоксилатного пластификатора перед нафталинформальдегидным и меламинформальдегидным, подтвержденное приоритетом 0,52, объясняется его более высокой эффективностью при низких водоцементных отношениях. Поликарбоксилаты обеспечивают лучшую диспергацию цементных частиц и более продолжительный пластифицирующий эффект, что особенно важно при производстве плитки методом полусухого прессования, где время между затворением и формованием ограничено. Полученный результат согласуется с данными зарубежных исследований, однако в отечественной практике применение поликарбоксилатов для фасадной плитки пока ограничено, что открывает перспективы для внедрения данной технологии.

Экспериментальная верификация показала хорошую сходимость прогнозных и фактических данных. Отклонение прочности на сжатие от прогнозируемой методом ANP величины не превысило 4,7 %, что подтверждает адекватность построенной модели. Снижение водопоглощения на 8,4 % при одновременном повышении прочности на 12,7 % свидетельствует о том, что оптимизация позволила улучшить оба ключевых показателя качества, несмотря на их конкурентный характер. Данный эффект достигнут за счет синергетического воздействия факторов: снижение В/Ц уменьшило капиллярную пористость, а повышение температуры пропаривания интенсифицировало гидратацию цемента, что привело к формированию более плотной микроструктуры.

Сравнение полученных результатов с данными исследований, в которых использовались методы линейного программирования или регрессионного анализа, показывает, что ANP обеспечивает более высокую точность прогноза в условиях нелинейных зависимостей. В частности, традиционные методы не позволили бы выявить эффект плато для температуры пропаривания, поскольку они ориентированы на поиск единственного экстремума. Таким образом, метод аналитических сетей демонстрирует преимущество при решении задач, где критерии оптимизации находятся в сложных нелинейных отношениях.

Новой закономерностью, выявленной в ходе исследования, является наличие корреляции между приоритетом альтернативы по методу ANP и стабильностью технологического процесса. Альтернативы, получившие наибольшие приоритеты, характеризовались наименьшим коэффициентом вариации прочности (менее 3,5 %), тогда как для альтернатив с низкими приоритетами вариация достигала 7–8 %. Данная закономерность может быть объяснена тем, что оптимальные режимы соответствуют областям устойчивого протекания процессов гидратации и структурообразования, тогда как отклонение от оптимума приводит к повышенной чувствительности к случайным колебаниям параметров. Это наблюдение открывает перспективу использования ANP не только для оптимизации средних значений показателей качества, но и для повышения стабильности производства.

Заключение

В настоящей работе рассмотрена задача оптимизации технологических параметров производства бетонной фасадной плитки с применением метода аналитических сетей (ANP). В ходе исследования построена сетевая модель, включающая кластеры сырьевых компонентов, режимов формования и условий твердения, а также проведен расчет приоритетов альтернатив на основе предельной суперматрицы. Экспериментальная верификация полученных результатов подтвердила адекватность предложенного подхода.

На основании проведенного исследования можно сформулировать следующие основные выводы. Во-первых, метод аналитических сетей позволяет эффективно учитывать взаимозависимости между технологическими факторами и критериями качества, что обеспечивает более обоснованное принятие решений по сравнению с традиционными методами линейного программирования или регрессионного анализа. Во-вторых, установлено, что наибольшее влияние на интегральный показатель качества бетонной фасадной плитки оказывают водоцементное отношение (весовой коэффициент 0,34) и температура пропаривания (0,28). В-третьих, определена оптимальная комбинация параметров: водоцементное отношение 0,35, поликарбоксилатный пластификатор, давление прессования 20 МПа, температура пропаривания 75 °C, которая обеспечивает повышение прочности на сжатие на 12,7 %, снижение водопоглощения на 8,4 % и уменьшение себестоимости продукции на 6,2 % по сравнению с базовым технологическим режимом.

Дальнейшие исследования могут быть направлены на адаптацию разработанной модели для условий непрерывного производства, а также на расширение числа учитываемых критериев, включая показатели долговечности и морозостойкости. Перспективным представляется применение метода аналитических сетей для оптимизации составов бетонов с использованием вторичных ресурсов и техногенных отходов, что соответствует принципам устойчивого развития строительной отрасли.

Список использованных источников