2318

BUILDING MATERIALS AND PRODUCTS

МЕТОДЫ ТЕОРИИ ЭРГАТИЧЕСКИХ СИСТЕМ В МАТЕРИАЛОВЕДЕНИИ

А.М. Данилов, И.А. Гарькина

Дается представление технологического процесса как целостной эргатической системы. Описываются проблемы идентификации человека как субъекта управления (оператор рассматривается как лицо, принимающее решение). Осуществляется структуризация технологического процесса. Приводятся методы оценки качества управления в эргатической системе. Затрагиваются вопросы нормализации, ранжировки, существенности критериев; определения по глобальному критерию балльной структуры управляющих воздействий. Представлены результаты практической апробации.

Ключевые слова: сложные системы, эргатические системы, методы исследования, технологические процессы, оператор, структуризация, моделирование

METHODS OF THE THEORY OF ERGATIC SYSTEMS

IN MATERIALS SCIENCE

A.M. Danilov, I.A. Garkina

The representation of the technological process as an integral ergatic system is given. The problems of identification of a person as a subject of management are described (the operator is considered as a decision-maker). The structuring of the technological process is carried out. The methods of assessing the quality of control in the ergatic system are given. The questions of normalization, ranking, importance of criteria are raised; definitions by global criterion of mark structure of the operating influences. Results of practical approbation are specified.

Keywords: complex systems, ergatic systems, research methods, technological processes, operator, structurization, modeling

В теории управления человек в задачах автоматизации технологического процесса рассматривается как оператор эргатической системы (субъект управления, [1]). Ниже анализируются методы оценки качества управления в эргатической системе. Отдается предпочтение методам, которые могли бы использоваться при решении коренной задачи идентификации целостной эргатической системы [2]. Имеющееся обилие литературы по этому вопросу не проясняет трудности идентификации человека как субъекта управления, особенно для формализованного математического описания структурных схем. В частности, многими научными школами человек-оператор

BUILDING MATERIALS AND PRODUCTS

доводится, чтобы избежать формирования ложных навыков). Определение качества управления в эргатической системе является первым шагом в идентификации (возможным и крайне необходимым инструментом).

Оценка качества управления технологическим процессом является многокритериальной задачей, как правило, при противоречивых критериях. Как избежать неопределенности целей, достаточно подробно нами указывалось в [3, 4]. Нередко используется свертывание критериев в один глобальный. Однако это связано с выбором частных критериев, входящих в глобальный критерий. Частные критерии, как правило, являются разноразмерными. Возникают вопросы нормализации критериев, их ранжировки, существенности и, наконец, как по глобальному критерию определить балльную структуру управляющих воздействий. Многие из них освещались в [3, 5…7]:

–разработан единый комплексный алгоритм объективной оценки качества управления, основанный на использовании характеристик центрированных процессов управления;

–дан способ определения кодированных значений частных критериев с учетом интервалов их изменения в ансамбле реализаций;

–весовые константы определяются с учетом корреляционных связей между частными, групповыми и глобальным критериями;

–предложен подход к определению физического смысла каждого критерия;

–дана балльная оценка всего технологического процесса с участием человека в принятой шкале (в оценке участвуют только те процессы, которые укладываются в заданном коридоре, когда уже известно, что оценка положительна).

Показана возможность использования спектральных методов (спектры Фурье, обобщенные ряды Фурье, разложение по высшим трансцендентным функциям, ортогональным полиномам Лягерра и Чебышёва и др.). Однако следует помнить, что определение передаточной функции в частотной области по спектральным характеристикам, вообще говоря, не корректно. Некорректность понимается в смысле малой устойчивости результатов: в зависимости от вида входных процессов ошибка может быть сколь угодно большой. Поэтому к выбору ортонормированной системы при разложении надо подходить осторожно. Оптимальная система определяется выбранным функционалом качества (классический пример аналитического конструирования оптимальных регуляторов); при определении передаточных свойств по спектральным характеристикам (уравнение Винера – Хопфа) нельзя забывать о необходимости использования методов по решению некорректных задач.

Отметим также возможность и правомерность существования и другой точки зрения на идентификацию для обеспечения лишь ограниченного информационного подобия в реальной, а также модельной системе. Допускается деформация динамических характеристик технологического процесса для компенсации информационного дефицита (отсутствие информационного подобия; целенаправленная деформация возможна с использованием методов планирования эксперимента).

Список литературы

1.Гарькина, И.А. Управление в сложных технических системах: методологические принципы проектирования / И.А. Гарькина, А.М. Данилов // Региональная архитектура и строительство. – 2012. – № 1. – С. 39–42.

2.Данилов, А.М. Cложные системы: идентификация, синтез, управление / А.М. Данилов, И.А. Гарькина. – Пенза: ПГУАС, 2011. – 308 с.

3.Системный анализ в строительном материаловедении: монография / Ю.М. Баженов, И.А. Гарькина, А.М. Данилов, Е.В. Королев. – М.: МГСУ: Библиотека научных разработок и проектов, 2012. – 432 с.

4.Преодоление неопределенности целей в задачах многокритериальной оптимизации на примере разработки сверхтяжелых бетонов для защиты от радиации /

СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ

И.А. Гарькина, A.M. Данилов, Е.В. Королев, В.А. Смирнов // Строительные мате-

риалы. – 2006. – № 9. – С. 104–105.

5.Budylina, E.A. Control of multiobjective complex systems / E.F. Budylina, A.M. Danilov, I.A. Garkina // Contemporary Engineering Sciences. – 2015. – Vol. 8, № 9. – Р. 441–445.

6.Будылина, Е.А. Моделирование с позиций управления в технических системах / Е.А. Будылина, А.М. Данилов, И.А. Гарькина // Региональная архитектура и строительство. – 2013. – № 2. – С. 138–142.

7.Гарькина, И.А. Опыт разработки композиционных материалов: некоторые аспекты математического моделирования / И.А. Гарькина, А.М. Данилов // Известия высших учебных заведений. Строительство. – 2013. – № 8 (656). – С. 28–33.

References

1. Garkina, I.A. Control in complex technical systems: methodological principles of design / I.A. Garkina, A.M. Danilov // Regional architecture and engineering. – 2012. – № 1. – P.39–42.

2. Danilov, A.M. Complex systems: identification, synthesis, management / A.M. Danilov, I.A. Garkina. – Penza: PGUAS, 2011. – 308 p.

3.Systems analysis in building materials: monograph / Yu.M. Bazhenov, I.A. Garkina, A.M. Danilov, E.V. Korolev. – M.: Moscow State University of Civil Engineering: Library of scientific developments and projects, 2012. – 432 p.

4.Overcoming uncertainty of the purposes in problems of multicriteria optimization on the example of development of superheavy concrete for protection against radiation / I.A. Garkina, A.M. Danilov, E.V. Korolev, V.A. Smirnov // Construction materials. – 2006. – № 9. – P. 104–105.

5.Budylina, E.A. Control of multiobjective complex systems / E.F. Budylina, A.M. Danilov, I.A. Garkina // Contemporary Engineering Sciences. – 2015. – Vol. 8, № 9. – Р. 441–445.

6. Budylina, E.A. Modeling from positions of control in technical systems / E.A. Budylina, A.M. Danilov, I.A. Garkina // Regional architecture and engineering. – 2013. – № 2. – P. 138–142.

7. Garkina, I.A. Experience of development of composite materials: some aspects of mathematical modeling / I.A. Garkina, A.M. Danilov // News of higher educational institutions. Construction. – 2013. – No. 8 (656). – P. 28–33.

BUILDING MATERIALS AND PRODUCTS

УДК 691.5

ФОРМИРОВАНИЕ КАЧЕСТВА ВНЕШНЕГО ВИДА ПОКРЫТИЙ

НА ОСНОВЕ ПОЛИСИЛИКАТНЫХ РАСТВОРОВ

В.И. Логанина, Е.Б. Мажитов

Приведены результаты исследования качества внешнего вида силикатных покрытий. Установлено, что для покрытий на основе калиевого полисиликатного раствора характерно более равномерное распределение шероховатости поверхности. Показано, что покрытия на основе полисиликатного раствора характеризуются более высоким качеством внешнего вида.

Ключевые слова: полисиликатные растворы, покрытия, шероховатость, качество внешнего вида

FORMATION OF THE QUALITY OF EXTERNAL COATINGS ON

POLYSYLICATE SOLUTIONS

V.I. Loganina, E.B. Mazhitov

The results of the study of the quality of external appearance of silicate coatings are presented. It is established that coatings based on potassium polysilicate solution are characterized by a more even distribution of the surface roughness. It is shown that coatings based on a polysilicate solution are characterized by a higher quality of appearance.

Keywords: polysilicate solutions, coatings, roughness, appearance quality

Для отделки фасадов зданий применяют силикатные краски, покрытия на основе которых отличаются более широкой и насыщенной цветовой гаммой, устойчивостью к воздействию микроорганизмов. Силикатные покрытия характеризуются высокой паропроницаемостью, отличаются незначительным прилипанием пыли и грязи, огнезащитными свойствами, экологичностью. Для повышения стойкости силикатных покрытий предложено использовать в качестве пленкообразующего полисиликатные растворы, полученные смешиванием жидкого стекла с золем кремниевой кислоты [1, 2]. Полисиликатные растворы содержат в своем составе наряду с частицами золя мономер, олигомеры и полимерные разновидности кремнезема [3, 4].

При разработке рецептуры силикатных красок на основе полисиликатных растворов в качестве наполнителя применяли микрокальцит марки МК-2 (ТУ 5743- 001-91892010-2011) и тальк марки МТ-ГШМ (ГОСТ 19284-79), в качестве пигмента – диоксид титана 230 рутильной формы (ТУ 2321-001-1754-7702-2014). Полисиликатные растворы получали путем взаимодействия стабилизированных растворов коллоид-

СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ

ного кремнезема (золей) с водными растворами щелочных силикатов (жидкими стеклами) [5, 6, 7]. Применяли золи кремниевой кислоты Nanosil 20 и Nanosil 30, выпускаемые ПК «Промстеклоцентр». Характеристики кремнезолей приведены в табл. 1. Применяли натриевое жидкое стекло с модулем М=2,78, калиевое жидкое стекло с модулем М=3,29.

Известно, что качество внешнего вида защитно-декоративных покрытий в числе других факторов определяет их стойкость в процессе эксплуатации. Под качеством внешнего вида понимается наличие включений, волнистость, меление и т.д. В связи с этим изучались закономерности формирования качества поверхности покрытий на основе краски с полисиликатным пленкообразующим. Качество внешнего вида покрытий оценивали по шероховатости поверхности.

Для оценки локальной структуры поверхности покрытий применяли методы сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ) [8, 9, 10]. Обработка полученных изображений осуществлялась с помощью программного обеспечения SPIP Image Metrology и заключалась в анализе параметров шероховатости поверхности: Ry – размах высот (максимальный перепад высот между самой верхней и нижней точками поверхности профиля), Ra – средняя арифметическая шероховатость, Rq – среднее квадратическое отклонение, Rz – шероховатость поверхности по выбранным десяти максимальным высотам и впадинам (среднее абсолютное значение пяти наивысочайших пиков и пяти самых глубоких впадин [11, 12]. Результаты исследований приведены на рис. 1 и 2.

Установлено, что шероховатость поверхности покрытий Ra на основе калиевого жидкого стекла составляет 16,208 мкм, а на основе калиевого полисиликатного раствора – 10,880мкм.

Максимальный перепад шероховатости поверхности покрытий на основе калиевого жидкого стекла составляет 65,539 мкм, а для покрытий на основе калиевого полисиликатного раствора – 57,169 мкм. Для покрытий на основе калиевого полисиликатного раствора характерно более равномерное распределение шероховатости поверхности (см. рис. 2,б). Согласно гистограммам распределения по высотам (см. рис. 2) самая высокая относительная частота (0,134) соответствовала значению шероховатости от 25 до 30 мкм для покрытий на основе калиевого жидкого стекла и от 0 до 5 мкм для покрытий на основе калиевого полисиликатного раствора при самой высокой относительной частоте 0,17.

Для покрытий на основе калиевого жидкого стекла характерно наличие высоты рельефа от 40 мкм до 65мкм на площади, составляющей 40 % от измеряемой, а для покрытий на основе калиевого полисиликатного раствора – от 64 до 35 мкм.

Вследствие большего значения поверхностного натяжения калиевого полисиликатного раствора качество поверхности покрытия на их основе несколько хуже по сравнению с покрытиями на основе натриевого полисиликатного раствора. Так, значение шероховатости поверхности покрытий на основе натриевого полисиликатного раствора составляет Ra=9,125 мкм, а на основе калиевого полисиликатного раствора – 10,880 мкм на базе 30 мкм.

Таким образом, применение в качестве связующего полисиликатных растворов способствует получению покрытий с более высоким качеством внешнего вида.

В табл. 2 приведены значения свойств покрытий на основе калиевого полисиликатного раствора.

BUILDING MATERIALS AND PRODUCTS

а

б

Рис.1. Шероховатость поверхности силикатных покрытий:

а – на основе калиевого жидкого стекла; б – на основе калиевого полисиликатного раствора

Рис. 2. Гистограмма распределения шероховатости поверхности покрытий:

а – на основе калиевого жидкого стекла; б – на основе калиевого полисиликатного раствора

СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ

Т а б л и ц а 2

Свойства красочного состава и покрытий на его основе

Краска образует покрытие, характеризующееся ровной однородной матовой поверхностью. Анализ данных, приведенных в табл. 2, свидетельствует, что по своим свойствам краска и покрытия на ее основе соответствуют требованиям, предъявляемым к покрытиям для наружной отделки зданий, обладают более высокой адгезией, достаточной паропроницаемостью

Список литературы

1.Корнеев, В.И. Производство и применение растворимого стекла / В.И. Корнеев, В.В. Данилов. – Л.: Стройиздат, 1991. – 176 с.

2.Figovsky, O. Improvement of Strength and Chemical Resistance of Silicate Polymer Concrete / O. Figovsky, D. Beilin // International Journal of Concrete Structures and Materials. – 2009. – Vol. 3, No. 2. – P. 97–101.

3.Айлер, P. Химия кремнезема: в 2 т. / P. Айлер. – М.: Мир, 1982.

4.Получение и применение гидрозолей кремнезема / под ред. проф. Ю.Г. Фролова // Труды МХТИ им. Менделеева. – M., 1979. – С. 37.

5.Логанина, В.И. Разработка рецептуры золь-силикатной краски / В.И. Логанина, С.Н. Кислицына, Е.Б. Мажитов // Региональная архитектура и строительство. – 2017. –

№3. – С.51–53.

6.Свойства модифицированного связующего для силикатных красок / В.И. Логанина, С.Н. Кислицына, В.С. Демьянова, Е.Б. Мажитов // Региональная архитектура и строительство. – 2017. – №4(33). – С.17–23.

7.Логанина, В.И. Свойства полисиликатных связующих для золь-силикатных красок / В.И. Логанина, С.Н. Кислицына, Е.Б. Мажитов // Вестник ВолгГАСУ. Серия: Строительство и архитектура. – 2018. – Вып. 51(70). – С.78–82.

8.Чижик, С.А., Методы сканирующей зондовой микроскопии в микро- и наномеханике / С.А. Чижик, С.В. Сыроежкин // Приборы и методы измерений. – 2010. – № 1. –

С.85–94.

9.Миронов, В.Л. Основы сканирующей зондовой микроскопии / В.Л. Миронов. – Н. Новгород: Химия, 2004. – С. 376.

10.Бухараев, А.А. Диагностика поверхности с помощью сканирующей силовой микроскопии / А.А. Бухараев, А.А. Овчинников // Заводская лаборатория. – 2004. – No5. – С. 10–27.

11.ГОСТ 2789-73. Шероховатость поверхности . Параметры и характеристики.

BUILDING MATERIALS AND PRODUCTS

12. ГОСТ Р 8.700-2010 Государственная система обеспечения единства измерений (ГСИ). Методика измерений эффективной высоты шероховатости поверхности с помощью сканирующего зондового атомно-силового микроскопа.

References

1.Korneev, V.I. Production and use of soluble glass / V.I. Korneev, V.V. Danilov. – L.: Stroiizdat, 1991. – 176 p.

2.Figovsky, O. Improvement of Strength and Chemical Resistance of Silicate Polymer Concrete / O. Figovsky, D. Beilin // International Journal of Concrete Structures and Materials. – 2009. – Vol. 3, No. 2. – P. 97–101.

3.Ailer P. Chemistry of silica: in 2 vol. / P. Ailer. – M: Mir, 1982.

4.Preparation and use of silica hydrosols / ed. prof. Yu.G. Frolova // Proceedings of the Moscow Art Theater. Mendeleyev. – M., 1979. – P. 37.

5.Loganina, V.I. Development of the formulation of sol-silicate paint / V.I. Loganina, S.N. Kislitsyna, E.B. Mazhitov // Regional architecture and engineering. – 2017. – №3 – P.51–53.

6.Properties of the modified binder for silicate paints / V.I. Loganina, S.N. Kislitsyna, V.S. Demyanova, E.B. Majitov // Regional architecture and engineering. – 2017. – №4 (33). – P.17–23.

7.Loganina, V.I. Properties of polysilicate binders for sol silicate paints / V.I. Loganina, S.N. Kislitsyna, E.B. Mazhitov // Vestnik VolgGASU Series: Construction and Architecture. – 2018. – Issue 51 (70). –P.78–82.

8.Chizhik, S.A. Methods of scanning probe microscopy in microand nanomechanics / S.A. Chizhik, S.V. Syroezhkin // Devices and measurement methods. – 2010. – № 1. – P.85–94.

9.Mironov, V.L. Basics of scanning probe microscopy / V.L. Mironov. – N. Novgorod: Chemistry, 2004. – P. 376.

10.Bukharaev, A.A. Surface diagnostics with the help of scanning force microscopy / A.A. Bukharaev, A.A. Ovchinnikov // Factory laboratory. – 2004. – No5. – P. 10–27.

11.GOST 2789-73. Roughness of the surface. Parameters and characteristics.

12 GOST R 8.700-2010 State system for ensuring the uniformity of measurements. Methods of surface roughness effective height measurements by means of scanning probe atomic force microscope.

СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ

УДК 691.5

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОНИЦАЕМОСТИ ЗОЛЬ-СИЛИКАТНЫХ ПОКРЫТИЙ

В.И. Логанина, Е.Б. Мажитов

Приведены сведения о свойствах золь-силикатной краски на основе калиевого полисиликатного связующего. Показано, что структура покрытия на основе полисиликатного связующего характеризуется более равномерным распределением пор по размерам. Приведены значения проницаемости покрытия.

Ключевые слова: полисиликатное связующее, покрытия, структура, проницаемость

INVESTIGATION OF SOL SILICATE COATINGS PERMEABILITY

V.I. Loganina, E.B. Mazhitov

Information on the properties of sol-silicate paint based on the potassium polysilicate binder is presented. It is shown that the structure of the coating based on the polysilicate binder is characterized by a more uniform pore size distribution. The permeability values of the coating are given.

Keywords: polysilicate binder, coatings, structure, permeability

В практике отделочных работ хорошо зарекомендовали себя силикатные краски, применяемые в том числе и для отделки фасадов зданий. Срок службы таких покрытий составляет 5–6 лет. С целью повышения срока службы силикатных покрытий предложена модификация пленкообразующего – жидкого стекла – полимерными добавками (дисперсиями, кремнийорганическими соединениями и др.) [1–3]. В работах [4, 5] предложено использовать в качестве связующего в силикатных красках полисиликатные растворы, имеющие силикатный модуль от 4 до 25. Нами разработан состав краски на основе полисиликатного связующего, полученного смешиванием жидкого стекла с золем кремниевой кислоты [6, 7]. Было установлено, что покрытия на основе полисиликатных растворов характеризуются более быстрым отверждением. Пленки на основе полисиликатных растворов обладают более высокой когезионной прочностью. Прочность при растяжении пленки на основе калиевого жидкого стекла составляет Rр =0,392 МПа, а прочность при растяжении пленки на основе полисиликатного раствора (15 % Nanosil 20) – 1,1345 МПа. Увеличение прочности, на наш взгляд, обусловлено увеличением доли высокополимерных фракций кремнекислородных анионов (ККА) в структуре полисиликатного связующего по сравнению с жидким стеклом [8]. Для изучения структуры жидких стекол применяли молибдатный метод, основанный на различной скорости взаимодействия мономерных, олигомерных и полимерных ККА с молибденовой кислотой [9–11]. Нами установлено, что с увеличением содержания золя доля полимерной формы кремнезема возрастает. В калиевом