Smart composite in construction Smart composite in construction Умные композиты в строительстве 2782-1919 110674 10.52957/2782-1919-2025-6-4-23-42 Строительные материалы и изделия Construction materials and products Строительные материалы и изделия Comprehensive mathematical modelling in the management of physical and chemical processes during the transportation of concrete mixtures Комплексное математическое моделирование в управлении физико-химическими процессами при транспортировке бетонной смеси Федосов Сергей Викторович Fedosov Sergey Viktorovich fedosov-academic53@mail.ru

доктор технических наук;

doctor of technical sciences;

 Баканов Максим Олегович Bakanov Maksim Olegovich mask-13@mail.ru Александрова Ольга Владимировна Aleksandrova Ol'ga Vladimirovna aleks_olvl@mail.ru

кандидат технических наук;

candidate of technical sciences;

 Разговоров Павел Борисович Razgovorov Pavel Borisovich razgovorovpb@ystu.ru

доктор технических наук;

doctor of technical sciences;

 Кузнецов Илья Александрович Kuznetsov Ilya Aleksandrovich ikuz1999@list.ru Московский государственный строительный университет Moscow State University of Civil Engineering Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет Москва Россия Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет Москва Russian Federation Ярославский государственный технический университет Yaroslavl State Technical University Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России Иваново Россия Ivanovo Fire and Rescue Academy of the State Fire Service of the Ministry of Emergency Situations of Russia Ivanovo Russian Federation 23 12 2025 23 12 2025 6 4 23 42 20 10 2025 26 11 2025 https://chemintech.ru/en/nauka/article/110674/view

Представлена комплексная математическая модель и система адаптивного управления для прогнозирования и поддержания качества бетонной смеси в процессе ее транспортировки в барабанах автобетоносмесителей. Целью исследования является преодоление разрыва между детализированными физико-математическими моделями и задачами оперативного управления в динамических условиях. Разработанный программный комплекс продемонстрировал высокую точность в прогнозировании кинетики гидратации (RMSD = 1.0%) и влажностного режима (RMSD = 2.0%). Показано, что оптимизация управляющего воздействия позволяет снизить скорость вращения барабана на 86.7% (до 2 мин-1), что приводит к снижению функционала стоимости на 85% и расчетному сокращению энергозатрат на 42% без ущерба для качества смеси. Комплексный подход дает возможность перейти от пассивного моделирования к активному управлению качеством бетонной смеси в процессе транспортировки, что подтверждается выявленными аналитическими зависимостями и результатами вычислительных экспериментов.

The paper presents a comprehensive mathematical model and adaptive control system for predicting and maintaining the quality of concrete mix during its transportation in the drums of truck mixers. The purpose of the study is to bridge the gap between detailed physical and mathematical models and operational control tasks in dynamic conditions. The developed software package demonstrated high accuracy in predicting hydration kinetics (RMSD = 1.0%) and moisture content (RMSD = 2.0%). It has been shown that optimising the control action allows the drum rotation speed to be reduced by 86.7% (to 2 min-1). This results in an 85% reduction in the cost function and an estimated 42% reduction in energy consumption without compromising the quality of the mixture. A comprehensive approach makes it possible to move from passive modelling to active control of concrete mix quality during transportation. This is confirmed by the analytical dependencies identified and the results of computational experiments.

 качество бетона тепломассоперенос модель предсказывающего управления метод конечных объемов ансамблевый фильтр Калмана последовательное квадратичное программирование оптимизация скорости вращения concrete quality heat and mass transfer predictive control model finite volume method ensemble Kalman filter sequential quadratic programming rotation speed optimisation

Румянцева В.Е., Красильников И.В., Красильникова И.А., Новикова У.А., Касьяненко Н.С. Исследование влияния температуры на интенсивность массопереноса при коррозии первого вида цементных бетонов // Современные проблемы гражданской защиты. 2022. № 1 (42). С. 24-31. Rumyantseva, V.E., Krasilnikov, I.V., Krasilnikova, I.A., Novikova, U.A. and Kasyanenko, N.S. (2022), "Research of the Effect of Temperature on the Intensity of Mass Transfer in the Process Corrosion of the first Type of Cement Concrete", Modern Problems of Civil Protection, vol. 1, no. 42, pp. 24-31 (in Russian). Беседин П.В., Андрущак С.В., Козлов В.К. Исследование и моделирование процесса движения цементного шлама в лабораторных условиях // Вестник Белгород. гос. технол. ун-та им. В.Г. Шухова. 2015. № 4. С. 113-119. Besedin, P.V., Andrushchak, S.V. and Kozlov, V.K. (2015), "Study and Modeling of the Process of Cement Slurry Movement in Laboratory Conditions", Bull. Belgorod State Technol. Univer. named after V.G. Shukhov, no. 4, pp. 113-119 (in Russian). Li R. et al. Tracking cement transportation carbon emissions in China: Historical assessment and future simulation // Envir. Imp. Assess. Rev. 2025. Т. 110. С. 107696. Li, R. et al. (2025), "Tracking Cement Transportation Carbon Emissions in China: Historical Assessment and Future Simulation", Envir. Imp. Assessment Rev., vol. 110, p. 107696. Gonzalez Marcelo, Navarrete Ivan, Arroyo Paz, Azúa Gabriel, Mena Jose, Contreras Martin. Sustainable decision-making through stochastic simulation: Transporting vs. recycling aggregates for Portland cement concrete in underground mining projects // Jornal of Cleaner Production. 2017. № 159. P. 1-10. Gonzalez, M., Navarrete, I., Arroyo, P., Azúa, G., Mena, J. and Contreras, M. (2017), "Sustainable decision-making through stochastic simulation: Transporting vs. recycling aggregates for Portland cement concrete in underground mining projects", J. Clean. Prod., vol. 159, pp. 1-10. Овчинников С.В. Введение в теорию теплообмена: теплопроводность в твердых телах: учеб. - метод. пособие [Электр. изд.] // Саратов: Саратов. гос. ун-т им. Н.Г. Чернышевского. 2015. Ovchinnikov, S.V. (2015), "Introduction to heat transfer theory: thermal conductivity in solids: a teaching aid" [Electr. publ.]. Saratov: Saratov State Univer. named after N.G. Chernyshevsky (in Russian). Вороненко Б.А., Крысина А.Г., Пеленко В.В., Цуранов О.А. Аналитическое описание процесса нестационарной теплопроводности: учеб. пособие. С-Пб. : Ун-т ИТМО, Ин-т холода и биотехнологий. 2014. 49 с. Voronenko, B.A., Krysina, A.G., Pelenko, V.V. and Tsuranov, O.A. (2014), Analytical description of the process of non-stationary thermal conductivity: tutorial. [Analiticheskoe opisanie protsessa nestatsionarnoi teploprovodnosti: ucheb. posobie], S-Pb: ITMO University, Institute of Cold and Biotechnology, 49 p. (in Russian). Нияковский А.М., Романюк В.М., Чичко А.Н., Яцкевич Ю.В. Верификация нестационарной математической модели твердения бетона в теплотехнологических установках // Наука и техника. 2019. Т. 18 (2). С. 137-145. https://doi.org/10.21122/2227-1031-2019-18-2-137-145. Niyakovskiy, A.M., Romaniyuk, V.N., Chichko, A.N. and Yatskevich, Yu.V. (2019), "Verification of non-stationary mathematical model of concrete hardening in thermal technological installations", Sci. and Techn., vol. 18, no. 2, pp. 137-145. https://doi.org/10.21122/2227-1031-2019-18-2-137-145 (in Russian). Хузин А.Ф. Кинетика тепловыделения при гидратации цемента, модифицированного комплексной наномодифицированной добавкой // Изв. Казан. гос. арх.-строит. ун-та. 2016. № 1 (35). С. 216-220. Khuzin, A.F. (2016), "Kinetics of heat release during hydration of cement modified with a complex nanomodified additive", Bull. Kazan State Univer. Arch. Civ. Eng., vol. 1, no. 35, pp. 216-220 (in Russian). Сограби Т.В. Роль взаимодействия газа с поверхностью аэрозольной частицы в ее движении при больших числах Кнудсена: дисс… канд. физ.-мат. наук: 1.3.14. 2022. Sograbi, T.V. The role of gas interaction with the surface of an aerosol particle in its movement at high Knudsen numbers: Ph.D. Thesis: 1.3.14. 2022 (in Russian). Быковских Д.А. Моделирование течения газа Кнудсена в трехмерной области методом Монте-Карло // Тез. докл. Межд. конф. «Математические идеи П.Л. Чебышева и их приложения к современным проблемам естествознания». 2021. С. 205-206. Bykovskikh, D.A. (2021), Modeling of Knudsen gas flow in a three-dimensional domain by the Monte Carlo method: Abstr. Inter. Conf. "Mathematical Ideas of Chebyshev PL and their Applications to Modern Problems of Natural Science", dedicated to. 2021, pp. 205-206 (in Russian). Максимов Г.А. Фазовый переход от вязкоупругости к пластичности. Описание на основе обобщенного вариационного принципа для диссипативной механики сплошных сред // Учен. записки физ. фак-та Мос. ун-та (УЗФФ). 2017. № 5. С. 1751307. Maksimov, G.A. (2017), "Phase transition from viscoelasticity to plasticity. Description based on the generalized variational principle for dissipative continuum mechanics", Sci. Notes Phys. Fac. Moscow Univer., no. 5, p. 1751307 (in Russian). Чадов С.Н. Разработка и исследование высокопроизводительного программного комплекса для решения жестких систем ОДУ на графических процессорах общего назначения // Вестник Иван. гос. энергет. ун-та. 2014. № 1. С. 11. Chadov, S.N. (2014), "Development and study of a high-performance software package for solving stiff ODE systems on general-purpose graphics processor", Bull. Ivanovo State Power Eng. Univer., no. 1, p. 11 (in Russian). Lal R., Huang W., Li Z. An application of the ensemble Kalman filter in epidemiological modelling // Plos one. 2021. Т. 16. № 8. С. e0256227. Lal, R., Huang, W. and Li, Z. (2021), "An application of the ensemble Kalman filter in epidemiological modeling", Plos one, vol. 16, no. 8, p. e0256227. Васильев В.И., Данилов Ю.Г., Еремеев И.С., Попов В.В., Цыпкин Г.Г., Cун Юйжуй, Яндун Чжао. Сравнение математических моделей тепломассопереноса в почвогрунтах // Вестник Сев.-Восточного фед. ун-та им. М.К. Аммосова. 2013. Т. 10. № 4. С. 5-10. Vasiliev, V.I., Danilov, Yu.G., Eremeev, I.S., Popov, V.V., Tsypkin, G.G., Sun, Yu. and Yandong, Zh. (2013), "Comparison of mathematical models of heat and mass transfer in potting soil", Vestnik of North-East. Feder. Univer. named after M.K. Ammosov, vol. 10, no. 4, pp. 5-10 (in Russian). Карпенко Н.И. Общие модели механики железобетона // М.: Стройиздат. 1996. Т. 416. С. 2. Karpenko, N.I. (1996), General models of reinforced concrete mechanics. Moscow: Stroyizdat, Vol. 416, P. 2 (in Russian). Вороненко Б.А., Демидов С.Ф., Беляева С.С. Аналитическое исследование процесса сушки пшеничных зародышей инфракрасным облучением // Науч. журн. НИУ ИТМО. Сер. «Процессы и аппараты пищевых производств». 2013. №. 3. С. 10. Voronenko, B.A., Demidov, S.F. and Belyaeva, S.S. (2013), "Analytical study of the process of drying wheat germ with infrared irradiation", Sci. J. NRU ITMO. Ser. "Processes and equipment for food production", no. 3, p. 10 (in Russian). Гагарин В.Г. Теория состояния и переноса влаги в строительных материалах и теплозащитные свойства ограждающих конструкций зданий: автореф. дисс. …д-ра техн. наук: 05.23.01, 05.23.03. М.: 2000. 47 с. Gagarin, V.G. (2000), Theory of the state and transfer of moisture in building materials and heat-protective properties of building envelopes: Abstract of D. Sc. diss.: 05.23.01, 05.23.03. Moscow (in Russian). Гелдиева Г., Денлиев Н.Д. Исследование механизмов гидратации цемента с использованием методов молекулярного моделирования // Всемир. ученый. 2024. Т. 1. № 23. С. 362-367. Geldieva, G. and Denliev, N.D. (2024), "Study of the mechanisms of cement hydration using molecular modeling methods", World sci., vol. 1, no. 23, pp. 362-367 (in Russian). Лотов В.А. О взаимодействии частиц цемента с водой или вариант механизма процессов гидратации и твердения цемента // Изв. Томск. политех. ун-та. Инжиниринг георесурсов. 2018. Т. 329. № 1. С. 99-110. Lotov, V.A. (2018), "On the interaction of cement particles with water, or a variant of the mechanism of cement hydration and hardening processes", Bull. Tomsk Polytech. Univer. Georesources Eng, vol. 329, no. 1, pp. 99-110 (in Russian). Леденев В.В., Худяков А.В. Механические и реологические модели оснований и фундаментов. 2012. Ledenev, V.V. and Khudyakov, A.V. (2012), Mechanical and rheological models of foundations and foundations (in Russian). Стебновский С.В. Обобщенная реологическая модель кавитирующих конденсированных сред // Прикл. механика и техн. физика. 2001. Т. 42. № 3. С. 116-129. Stebnovskiy, S.V. (2001), "Generalized rheological model of cavitating condensed media", Appl. Mechan. Techn. Phys., vol. 42, no. 3, pp. 116-129 (in Russian). Методы решения СЛАУ большой размерности: учеб. пособие для студ. фак-та прикл. математики (напр. 510200, спец. магистер. подгот. 510202, 510204) / М.Ю. Баландин, Э.П. Шурина; Мин-во науки и образования Рос. Федерации, Новосиб. гос. техн. ун-т. Новосибирск: НГТУ, 2000. 69 с. Methods for solving large-dimensional SLAEs Textbook for students of the Faculty of Applied Mathematics. Mathematics (major 510200, master's degree specializations 510202, 510204) / M.Yu. Balandin, E.P. Shurina; Ministr. Educ. Russ. Feder., Novosibirsk State Techn. Univer. Novosibirsk: NSTU, 2000. 69 p. (in Russian). Федосов С.В. Тепломассоперенос в технологических процессах строительной индустрии: монография / С.В. Федосов; Мин-во науки и образования Рос. Федерации, Гос. образ. учр. высш. проф. образования «Иван. гос. арх.-строит. ун-т». Иваново: ПресСто, 2010. 363 с. Fedosov, S.V. (2010), Heat and Mass Transfer in Technological Processes of the Construction Industry: Monogr.; Ministr. Educ. Sci. of the Russian Federation, Ivanovo State Univer. Arch. Civ. Eng. Ivanovo: PresSto. (in Russian). Houtekamer P.L., Mitchell H.L. Data assimilation using an ensemble Kalman filter technique // Monthly Weather Rev. 1998. Т. 126. № 3. С. 796-811. Houtekamer, P.L. and Mitchell, H.L. (1998), "Data assimilation using an ensemble Kalman filter technique", Monthly Weather Rev., vol. 126, no. 3, pp. 796-811. Черешко А.А. Методы управления технологическими процессами на основе ассоциативных прогнозирующих моделей: автореф. дисс. ... канд. техн. наук: 2.3.3 / Алексей Анатольевич Черешко; [Место защиты: ФГБУН Ин-т проблем управления им. В.А. Трапезникова Росс. акад. наук; Дисc. совет 24.1.107.01 (Д 002.226.01)]. Москва, 2022. 22 с. Chereshko, A.A. (2022), Methods of technological process control based on associative predictive models: Abstract of Ph.D. dissertation: 2.3.3 / Aleksey Anatolyevich Chereshko; [Place of thesis defence: V.A. Trapeznikov Institute of Control Sci. of the Russ. Acad. Sci.; Diss. Council 24.1.107.01 (D 002.226.01)]. Moscow (in Russian). Boggs P.T., Tolle J.W. Sequential quadratic programming //Acta numerica. 1995. Т. 4. С. 1-51. Boggs, P. T. and Tolle, J.W. (1995), "Sequential quadratic programming", Acta numerica, vol. 4, pp. 1-51.