Прогрессивные технологии в строительном материаловедении

Всегда стремятся к тому, чтобы технологии на производстве, в инженерных проектах, научных разработках и других аналогичных случаях были наиболее прогрессивными, передовыми. Однако в настоящее время отсутствует научно-обоснованная критериальная оценка уровня прогрессивности технологий строительных материалов. При необходимости оценку состояния технологии производят по одному из главных ее элементов — качеству готовой продукции, сырью, оборудованию, энергетике, экономике, экологии. Нередко для сопоставления приводится зарубежный опыт или опыт передовых отечественных предприятий аналогичного профиля. В результате формируется сравнительная оценка технологии по одному, двум или большему числу показателей, что приносит пользу в изыскании способов дальнейшего улучшения технологических параметров. И все же метод сравнительной оценки показателей отдельных технологических переделов (операций) не может дать полной и научно обоснованной характеристики прогрессивной технологии; тем более он не может предопределить круг мероприятий, в совокупности с воздействием других факторов, по эффективному совершенствованию технологии в целом. В этом методе отсутствует главное — обобщения, составляющие, как известно, силу всякой науки и, в том числе, строительного материаловедения. При научных обобщениях метод может оказаться приемлемым не только для однотипных, но и различающихся между собой технологий.

Для достижения этих целей вначале потребуется: а) четко и достаточно полно охарактеризовать то состояние производства, которое правомерно отнести к прогрессивной, передовой технологии как в смысловом, так и в количественном выражениях; б) располагать информацией об уровне мировых достижений в соответствующей технологии; в) произвести необходимые критериальные вычисления и оценки технологии. Очевидно, что без этих трех принципиальных данных проводимые изыскания по обеспечению прогрессивности технологий, хотя и могут быть полезными, но носят абстрактный характер как в части оценки, так и совершенствования технологий. Ниже более подробно излагается анализ каждого из этих трех исходных положений.

СМЫСЛОВЫЕ И КОЛИЧЕСТВЕННЫЕ КРИТЕРИИ

Детальный анализ состояния технологий строительных материалов показал, что к прогрессивным, передовым относятся те из них, которые удовлетворяют определенному комплексу экстремумов обязательных показателей, выраженных как в смысловом, так и количественных значениях. К этому определенному комплексу относятся следующие экстремумы: выпуск продукции высокого гарантированного качества; высшая производительность на производстве при минимуме времени для выработки единицы продукции; максимум сбережения природного сырья при возможно более широком использовании техногенного и ему аналогичного; минимум расхода топлива, особенно традиционного, при максимальной экономии тепловой энергии; наивысшая экономия электроэнергии (общей и удельной); максимум обеспечения экологической чистоты как в технологии, так и в материалах; максимальное снижение материалоемкости, особенно металлоемкости готовой продукции и технологического оборудования; минимальные капитальные вложения в единицу продукции, тем более при осуществлении нового или модернизируемого производства; минимальные сроки окупаемости технологии при минимальной себестоимости готовой продукции; максимум элементов высокой культуры в технологии и на производстве в целом; высокая и устойчивая конкурентоспособность продукции на внутреннем и внешнем рынках.

Вышеуказанные показатели прогрессивности технологий составляют комплексную систему, в которую можно привнести дополнительные или исключить отдельные из них, но при непременном сохранении ее взаимосвязанности и целостности. Кратко остановимся на каждом показателе.

Первое место по удельной значимости в комплексе показателей прогрессивности занимает высшее качество выпускаемой продукции. Под высшим качеством понимается, во-первых, безусловное соответствие продукции нормативным требованиям стандартов или технических условий и, во-вторых, массовая однородность выпускаемой продукции по одному или нескольким ключевым параметрам (свойствам, составу, структуре, внешним признакам и др.). В качестве ключевого параметра при определении однородности весьма целесообразно принимать оптимальную структуру. Ее наличие у ИСК фиксируется совпадением нормируемых показателей свойств с их экстремальными значениями, что следует из обратного действия закона створа. Только при оптимальных структурах и, следовательно, экстремумах свойств на уровне заданных (или стандартом обусловленных) с соблюдением статистической однородности массовой продукции возникает и развивается теснейшая взаимосвязь последней с технологией производства, с практическими способами влиять через технологию на качество готовой продукции.

При любых положительных характеристиках технология не может быть отнесена к прогрессивной, если продукция не удовлетворяет заданным требованиям или ниже по качеству аналогичной продукции, выпускаемой по другим технологиям. Заданные требования могут быть как на уровне мировых стандартов (достижений), так и выше их. К этим требованиям относится также долговечность материала (изделия) в конструкции, слагаемая из трех ее временных элементов. Не всегда высокий уровень качества продукции, фиксируемый в предэксплуатационный период, служит автоматическим гарантом долговечности материала в конструкциях.

Второй основной показатель прогрессивной технологии — высшая производительность предприятия по выпуску готовой продукции, которая адекватна, как правило, наивысшей производительности труда, приходящейся на одного работающего или одного рабочего. Чем больше за единицу времени выпускается продукции высшего качества и, следовательно, больше приходится ее при расчете на одного рабочего (или работающего), тем прогрессивнее технология по этому показателю. В результате обеспечиваются наивысшая производительность и мощность предприятия в целом. Руководство и коллектив получают повышенную прибыль и возможность обновлять оборудование, развивать производство на предприятии с использованием последних достижений в научно-техническом прогрессе.

Третий показатель прогрессивности технологий обусловлен минимальным расходом природного сырья по отношению к его общему потреблению на данном производстве строительных материалов и изделий, или на единицу продукции. Чем в меньших количествах потребляется горных пород и минералов, включая воду, и с минимальными отходами при переработке их в готовую продукцию, чем больше для этих целей используется техногенного сырья, а также попутных продуктов горно-обогатительных комбинатов, нетрадиционного местного сырья или синтезированного, тем прогрессивнее данная технология. Сюда же следует добавить и низкий процент отбракованной продукции, уменьшение плотности и размеров изделий и другие факторы. Необходимость включения всемерной экономии природного сырья в комплексный критерий прогрессивности следует из очень тревожных реалий нарастания в нем острого дефицита и неблагополучной экологической обстановки в районах его разработки. В нашей стране приходится добывать из недр Земли свыше 2 млрд, т природного сырья для производства строительных материалов, причем при очень низком коэффициенте его использования. Значительно больше половины направляется его в отвалы. В особой заботе нуждается природный минерал из группы оксидов, в жидком состоянии именуемый водой, а в твердом — льдом. Пресная вода относится к самому ценному полезному ископаемому, к тому же крайне дефицитному, так как ее количество на Земле не превышает двух процентов от общего объема воды.

Четвертый показатель прогрессивности технологий — минимальное расходование традиционных топлив (нефти, газа, каменного угля) как ценнейших видов природного сырья для химической промышленности и весьма необходимых, и важных для других нужд в стране. Этот показатель включает также необходимость максимального снижения удельного топливопотребления и максимальную экономию тепловой энергии. Показатель прогрессивности по минимальному расходованию топлива и тепловой энергии возрастает по мере снижения количества теплоты, потребляемой на единицу производимой продукции на предприятии в единицу времени без потери ее качества.

Пятый показатель характеризует максимальную экономию электроэнергии либо по общему расходу, либо, что более наглядно, по удельному, отнесенному к единице продукции или иной единичной величине, либо с помощью обеих величин. Приходится учитывать, что электрическая энергия продолжает оставаться самым главным энергоносителем и всегда требуется ее максимальная экономия, в частности за счет всемерного снижения тепловых потерь, избыточного электроосвещения, электроперегрузок в технологическом оборудовании. Четвертый и пятый показатели прогрессивной технологии характеризуют уровень ресурсои энергосохраняющей технологии.

Шестой показатель прогрессивной технологии устанавливается по эффективному решению в ней двух главнейших экологических проблем в строительном материаловедении. Первая — охрана окружающей среды при производстве строительных материалов и изделий, вторая — охрана строительных материалов, изделий и конструкций, получаемых по данной прогрессивной технологии, от негативного воздействия на них окружающей среды.

Решение первой проблемы, кроме упомянутого выше минимума расхода природного сырья, минимума расходования воды, особенно пресной, предотвращения загрязнения водоемов, предусматривает полное исключение выделения вредных веществ в атмосферу, сточную воду или почву. В связи с этим следует отметить, что в глобальном масштабе в результате хозяйственной деятельности человека в атмосферу ежегодно выбрасывается во всем мире 25−10⁹ т загрязнителей: пыли, газов, аэрозолей. В нашей стране в загрязнении атмосферы доля промстройматериалов составляет 12% среди других отраслей промышленности. Такое выделение загрязнителей связано с переработкой некоторых разновидностей сырья, транспортированием, хранением и применением изготовляемых из такого сырья материалов. Выделения возможны также на стадии эксплуатации изделий и конструкций в зданиях и сооружениях, особенно при большой их поверхности или протяженности, например, дорожных покрытий, аэродромов, кровельных покрытий.

Кроме опасного загрязнения среды, другим источником экологических потрясений оказался, как уже отмечалось в третьем показателе прогрессивности технологий, быстро сокращающийся резерв природных ресурсов сырья. Тем не менее эксплуатация коренных месторождений продолжается и не в сокращающихся размерах. В настоящее время в нашей стране возросла опасность еще и массового появления местных карьеров по добыче сырья для нужд малых предприятий. Множество карьеров и ям, возникающих при добыче песка, гравия, глины, гипса и других полезных ископаемых открытым способом, не только занимают обширные плодороднейшие земельные площади, но и сосредоточивают вокруг себя крупные скопления пустых пород (вскрыши) и отходов (около 30%) от камнеобработки. Кроме того, имеется постоянная необходимость в тщательной и систематической проверке инертности используемого природного сырья и используемых отходов производства с помощью дозиметров (радиометров).

Решение второй экологической проблемы, нередко именуемой как «экология материалов», заключается в предотвращении воздействия окружающей среды на материалы, изделия и конструкции, находящиеся в эксплуатации. Эти негативные воздействия завершаются обычно либо биоповреждениями мико-, бактерио-, альголихоно-, гербодесгруктурами, либо коррозией от неорганических и органических реагентов. Те и другие реагенты могут содержаться в окружающей среде одновременно. Примером служат сточные воды многих предприятий, в особенности химической промышленности, причем состав реагентов во времени не остается постоянным, осложняя борьбу с коррозией.

Эффективное решение обеих экологических проблем технологическими методами имеет приоритетное значение в оценке показателя прогрессивности технологии производства.

Седьмой показатель прогрессивности технологии фиксирует минимальную величину материалоемкости, особенно металлоемкости, действующего основного и вспомогательного оборудования (аппаратуры). Этот показатель отражает также общее снижение расходования материалов, особенно металлов, потребляемых для изготовления готовой продукции по принятой технологии.

Восьмой показатель указывает размер реальных капитальных вложений при организации новых технологий или модернизации (реорганизации) действующих. Очевидно, что чем ниже объем капвложений в пересчете на единицу продукции, тем прогрессивнее принятая технология, что влияет на уровень повышения данного показателя. Во всех случаях целесообразно использовать специализированную инструкцию по определению эффективности капитальных вложений в строительство или реконструкцию предприятия по производству строительных материалов и изделий.

Девятый показатель прогрессивности характеризует высокую культуру технологии и производства в целом. Он является комплексным, так как содержит весьма разнородные компоненты. К ним относятся: состояние охраны труда, техники безопасности и социального комфорта, санитарно-гигиенические условия труда, обеспеченность внутризаводской коммуникацией и коммунальной благоустроенностью, озеленение заводской площадки и предзаводской территории. Каждый компонент этого комплексного показателя оценивают обычно по отдельности и сопоставляют с аналогичными технологиями различных производств, а чаще — в сопоставлении с нормативными указаниями, например, с правилами по технике безопасности, производственной санитарии и др.

Прогрессивные предприятия и цеха как новых, так и реконструируемых объектов должны отвечать требованиям действующих Са нитарных норм, Строительных норм и правил и др. Освещенность заводов и цехов, производственных площадок и рабочих мест регламентируется правилами устройства электрических установок. То же в отношении противопожарных требований с возможной безопасной эвакуацией людей через соответствующие выходы.

Этот показатель трудно поддается количественному измерению. Для этих целей могут служить балльная и экспертная системы оценок^[1].

Десятый показатель прогрессивности производства характеризует высокую организацию использования современных средств технического контроля и управления, базируется на достижениях четвертой части общей теории ИСК (см. с. 139), а также служит продолжением и развитием критерия высокой культуры технологии и в целом всего производства (девятого показателя, см. с. 152).

Одиннадцатый показатель — экономический. Обобщающими значениями его обычно служат приведенные затраты на единицу продукции, величина себестоимости, показатель рентабельности, срок окупаемости технологии. Своеобразным экономическим показателем является и отношение стоимости к единице измерения требуемого ключевого свойства, например, прочности. Возможны и другие технико-экономические показатели производства. Среди них: удельный расход сырьевых материалов; то же — топлива технологического, электроэнергии силовой, пара технологического и т. п. Все они могут соотноситься с расходом денежных средств.

Нередко нахождение экономического показателя тесно увязывают с задачей оптимизации технологического процесса. Математически формализованная задача оптимизации технологии заключается обычно в определении условий экстремума некоторой функции конечного числа переменных, слагаемых в экономическую эффективность продукции.

Очевидно, что этот важнейший показатель прогрессивности технологии, подобно некоторым другим, отражает в себе комплекс факторов, от которых он зависит, — производительность труда, материалоемкость, срок окупаемости капитальных вложений и др.

Двенадцатый показатель характеризует технологию с позиций ее способности обеспечивать конкурентоспособность готовой продукции на внутреннем и внешнем рынках. Этот показатель находится в прямой зависимости от первого показателя — качества, однако, он имеет и свои важные особенности, которые помогают обеспечивать конкурентоспособность готовой продукции. В частности, он непосредственно связан с показателем уровня культуры производства, поскольку только при безупречных технологических условиях можно достичь надежной конкурентоспособности.

Таким образом, комплексом показателей возможно оценить состояние технологий, хотя естественно предположить, что двенадцати может оказаться недостаточно и потребуются дополнительные. Но возможно, что и двенадцати окажется слишком много для характеристики какой-либо конкретной технологии; тогда целесообразно уменьшить их численность.

В такой обобщенной форме выраженная смысловая характеристика прогрессивной технологии является необходимой, но важно еще каждый показатель выразить количественной величиной с соблюдением соответствующей ему размерности, а затем перейти к критериальной оценке. Последнее достигается посредством критериев оптимальности в их безразмерном выражении, т. е. отнесением реальных числовых значений к показателям мировых достижений. Если отсутствуют данные о последних, тогда — к аналогичным экстремумам иного характера, включая расчетно-теоретические для некоторой «идеализированной» технологии. Однако необходимо использовать все возможности — публикации, патентный анализ, бюллетени, деловой контакт и т. п. для получения информации о последних достижениях мировой практики, включая отечественную, в отношении этой технологии.

Критерий оптимальности из двенадцати вышеуказанных в их числовом выражении можно определить с помощью симплексных величин. Их простейшие значения получают делением фактического достижения предприятия по данному показателю прогрессивности технологии в его числовом выражении на аналогичную величину на другом предприятии, принятую обоснованно в качестве «уровня мировых достижений». Если такая симплексная величина является единственной для изучаемого показателя прогрессивности, то она после ее определения становится числовым безразмерным критерием оптимальности. Если же фактическое состояние уровня показателя прогрессивности потребовалось оценивать по нескольким симплексным величинам, тогда необходима их индексация. И критерий оптимальности будет слагаться как сумма симплексных величин после определения их как частных делений числового значения реального уровня предприятия на экстремальное значение уровня мировых достижений, поделенная на число симплексов:

где S/ — текущий симплекс, п — число симплексов.

Очевидно, что чем ближе каждая симплексная величина к единице, тем выше и критерий оптимальности, а, следовательно, тем эффективнее технология по рассматриваемому показателю прогрессивности. Однако, возможен вариант, когда критерий оптимальности окажется равным или выше 1. Чаще все же требуется реализовать оптимизирующие факторы, которые приблизят критерий к 1. Симплекс может быть и больше 1, например, при повышенной себестоимости по сравнению с передовой технологией, если, например, расход горных пород и минералов на единицу продукции выше по сравнению с передовыми предприятиями, на которых больше употребляется техногенного сырья взамен природного. Но и тогда требуется путем реализации соответствующих оптимизирующих факторов обеспечить снижение симплекса до 1 (см. 6.4). Таким образом, возможно, как увеличение положительных значений, так и уменьшение отрицательных значений симплексов, но с достижением в обоих случаях оптимальных их величин, равных 1.

Для прогрессивной технологии каждый показатель прогрессивности в количественном отношении характеризуется критерием оптимальности максимальной величины, равной 1. При оценке технологии с помощью 11 показателей прогрессивности, т. е. при одиннадцатибалльной системе, прогрессивная технология оценивается суммарной величиной, равной 11. При других балльных системах потребуются и соответствующие им величины критериев оптимальности, например, при 10 показателях — величиной 10, при 12 показателях — величиной 12 и т. д. Если же суммарные значения критерия оптимальности нс достигают предельно высоких значений, тогда реальную величину прогрессивности вычисляют путем деления фактической суммы на число критериев оптимальности. Так, например, если при одиннадцатибалльной шкале оценок фактическая величина критерия оптимальности оказалась равной 8,7, тогда степень прогрессивности технологии оценивается величиной 8,7/11=0,8 (точнее — 0,79), т. с. на 20% ниже уровня мировых достижений в данном производстве готовых изделий (материалов). По рекомендованной в теории ИСК классификация оценок технологий выглядит так: непрогрессйвная — 0,01—0,21; малопрогрессивная 0,22—0,41; среднепрогрессивная 0,42—0,75; высокой прогрессивности — 0,76—1,00; суперпрогрессивная, когда критерий оптимальности свыше 1,00. Отсюда очевидно, что вышеописанная технология относится к технологии высокой прогрессивности. В отношении се могут быть найдены дополнительные резервы оптимизирующих факторов, способных поднять технологию на следующий, более высокий уровень прогрессивности.

Вышеизложенный метод оценки степени прогрессивности технологий позволяет перейти от описательно-смысловой характеристики по экстремальным значениям соответствующих показателей к числовой оценке с учетом полного комплекса показателей прогрессивности. Но в этом методе имеется и определенный недостаток, влияющий на точность оценки в сторону, как правило, занижения эффективности воздействия оптимизирующих факторов при их реализации. Этот недостаток связан с тем, что, принимая для упрощения расчетов среднеарифметическое значение симплексных величин, предполагалось последовательное воздействие факторов на технологию. В реальных же условиях на производстве факторы чаще всего действуют не последовательно, а совмещенно друг с другом. Одновременное же воздействие нескольких или всех факторов приводит к синергизму с усилением (очень редко с ослаблением) конечного эффекта по сравнению с простым суммированием эффектов от факторов, воздействовавших по отдельности, в последовательном порядке их чередования. Синергетический эффект трудно установить аналитически, но он может быть определен эмпирически с последующей математической обработкой опытных данных, пользуясь в частности, методом математического планирования эксперимента. В нем за нижний предел варьирования может быть принят количественный эффект от реализации фактора без учета синергизма, за верхний предел — единица; ей равен симплекс при наивысшем значении числителя, равного знаменателю, как уровню мировых достижений. Его результаты обычно выражаются сложной функцией в виде многочленных полиномов или уравнений регрессии. В последнем коэффициенты косвенным образом отражают приоритетность того или иного фактора или нескольких факторов перед всеми другими, принимавшимися для совершенствования технологии.

При расчете коэффициентов уравнений регрессии некоторые из них принимают настолько малые числовые значения, что они не способны, как правило, заметно повлиять на величину обобщенного критерия оптимальности. Тогда их можно опустить и решение уравнения регрессии упрощается. Важно, однако, произвести предварительную проверку по критериям Фишера и Стыодента.

• [1] Ефименко А.З. Применение метода экспертных оценок в строительной индустрии. М: МГСУ, 2001.