Физические методы исследования в строительстве. Физико-химические методы исследования строительных материалов

Свойства материалов в значительной степени определяются его составом и поровой структурой. Поэтому для получения материалов с заданными свойствами важно иметь четкие представления о про­цессах формирования структуры и возникающих новообразований, что изучается на микро - и молекулярно-ионном уровне.

Ниже рассмотрены наиболее распространенные физико­химические методы анализа.

Петрографический метод используется для исследования различных материалов: цементного клинкера, цементного камня, бетонов, стекла, огнеупоров, шлаков, керамики и т. д. Метод свето­вой микроскопии направлен на определение характерных для каждо­го минерала оптических свойств, которые определяются его внут­ренним строением. Главные оптические свойства минералов - по­казатели светопреломления, сила двойного преломления, осность, оптический знак, цвет и др. Существует несколько модификаций
данного метода: поляризационная микроскопия предназначена для изучения образцов в виде порошков в специальных иммерсионных аппаратах (иммерсионные жидкости обладают определенными пока­зателями светопреломления); микроскопия в проходящем свете - для изучения прозрачных шлифов материалов; микроскопия в отра­женном свете полированных шлифов. Для проведения этих исследо­ваний применяют поляризационные микроскопы.

Электронная микроскопия применяется для исследова­ния тонкокристаллической массы. Современные электронные мик­роскопы имеют полезное увеличение до 300 ООО раз, что позволяет видеть частицы размером 0,3-0,5 нм (1 нм = 10‘9 м). Такое глубокое проникновение в мир малых частиц стало возможным благодаря ис­пользованию в микроскопии электронных лучей, волны которых во много раз короче видимого света.

С помощью электронного микроскопа можно изучить: форму и размеры отдельных субмикроскопических кристаллов; процессы роста и разрушения кристаллов; процессы диффузии; фазовые пре­вращения при термической обработке и охлаждении; механизм де­формации и разрушения.

В последнее время применяются растровые (сканирующие) электронные микроскопы. Это прибор, в основу которого положен телевизионный принцип развертки тонкого пучка электронов (или ионов) на поверхности исследуемого образца. Пучок электронов взаимодействует с веществом, вследствие чего возникает целый ряд физических явлений, регистрируя датчиками излучения и подавая сигналы на кинескоп, получают рельефную картину изображения поверхности образца на экране (рис. 1.1).

Рентгенографический анализ --это метод исследования строения и состава вещества путем экспериментального изучения дифракции рентгеновских лучей в этом веществе. Рентгеновские лу­чи представляют собой такие же поперечные электромагнитные ко­лебания, как видимый свет, но с более короткими волнами (длина волны 0,05-0,25 10"9 м). Получают их в рентгеновской трубке в ре­зультате столкновения катодных электронов с анодом при большой разности потенциалов. Применение рентгеновского излучения для исследования кристаллических веществ основано на том, что его длина волны сопоставима с межатомными расстояниями в кристал­лической решетке вещества, которая является естественной дифрак­ционной решеткой для рентгеновских лучей.

Каждое кристаллическое вещество характеризуется своим набо­ром определенных линий на рентгенограмме. На этом основан каче­ственный рентгенофазовый анализ, задача которого состоит в опре­делении (идентификации) природы кристаллических фаз, содержа­щихся в материале. Порошковая рентгенограмма полиминерального образца сравнивается либо с рентгенограммами составляющих ми­нералов, либо с табличными данными (рис. 1.2).

68 64 60 56 52 48 44 40 36 32 28 24 20 16 12 8 4

Рис. 1.2. Рентгенограммы образцов: а) цемента; б) цементного камня

Рентгенофазовый анализ используется для контроля сырья и го­товой продукции, для наблюдения технологических процессов, а также для дефектоскопии.

Дифференциально-термический анализ используется для опре­деления минерально-фазового состава строительных материалов (ДТА). Основа метода в том, что о фазовых превращениях, происхо­дящих в материале, можно судить по сопровождающим эти превра­щения тепловым эффектам. При физических и химических процес­сах превращения вещества энергия в виде теплоты может погло­щаться или выделяться из него. С поглощением тепла идут, напри­мер, такие процессы, как дегидратация, диссоциация, плавление - это эндотермические процессы.

Выделение тепла сопровождают окисление, образование новых соединений, переход из аморфного состояния в кристаллическое - это экзотермические процессы. Приборами для ДТА являются дери - ватографы, которые в процессе анализа записывают четыре кривых: простую и дифференциальную кривые нагревания и соответственно кривые потери массы. Суть ДТА в том, что поведение материала сравнивается с эталоном - веществом, не испытывающим никаких тепловых превращений. Эндотермические процессы дают на термо­граммах впадины, а экзотермические - пики (рис. 1.3).

Спектральный анализ - физический метод качественного и количественного анализа веществ, основанный на изучении их спектров. При изучении строительных материалов используется в основном инфракрасная (ИК) спектроскопия, которая основана на взаимодействии исследуемого вещества с электромагнитным излу­чением в инфракрасной области. ИК-спектры связаны с колебатель­ной энергией атомов и энергией вращения молекул и являются ха­рактерными для определения групп и сочетаний атомов.

Приборы-спектрофотометры позволяют автоматически регистри­ровать инфракрасные спектры (рис. 1.4).

а) цементного камня без до­бавки; б) цементного камня с добавкой

Кроме указанных методов существуют и другие, позволяющие определить специальные свойства веществ. Современные лаборато­рии оснащены многими компьютеризированными установками, по­зволяющими проводить многофакторный комплексный анализ прак­тически всех материалов.

Введение

Раздел №1. «Строительные материалы и их поведение в условиях пожара».

Тема 1. Основные свойства строительных материалов, методы исследования и оценка поведения строительных материалов в условиях пожара.

Тема 2. Каменные материалы и их поведение в условиях пожара.

Тема 3. Металлы, их поведение в условиях пожара и способы повышения стойкости к его воздействию.

Тема 4. Древесина, ее пожарная опасность, способы огнезащиты и оценка их эффективности.

Тема 5. Пластмассы, их пожарная опасность, методы ее исследования и оценки.

Тема 6. Нормирование пожаробезопасного применения материалов в строительстве.

Раздел №2. «Строительные конструкции, здания, сооружения и их поведение в условиях пожара».

Тема 7. Исходные сведения об объемно-планировочных и конструктивных решениях зданий и сооружений.

Тема 8. Исходные сведения о пожарной опасности зданий и строительных конструкций.

Тема 9. Теоретические основы разработки методов расчета огнестойкости строительных конструкций.

Тема 10. Огнестойкость металлических конструкций.

Тема 11. Огнестойкость деревянных конструкций.

Тема 12. Огнестойкость железобетонных конструкций.

Тема 13. Поведение зданий, сооружений в условиях пожара.

Тема 14. Перспективы совершенствования подхода к определению и нормированию требований к огнестойкости строительных конструкций.

Введение

Структура дисциплины, значение ее в процессе профессиональной подготовки выпускника института. Современные направления в проектировании, строительстве эксплуатации, зданий и сооружений.

Народнохозяйственное значение деятельности сотрудников пожарной охраны по контролю за пожаробезопасным применением строительных материалов и использовании огнестойких строительных конструкций при проектировании, строительстве, реконструкции зданий и сооружений.

Раздел 1. Строительные материалы и их поведение в условиях пожара.

Тема 1. Основные свойства строительных материалов, методы исследования и оценка поведения строительных материалов в условиях пожара.

Виды, свойства, особенности производства и применения основных строительных материалов и их классификация. Факторы, влияющие на поведение строительных материалов в условиях пожара. Классификация основных свойств строительных материалов.

Физические свойства и показатели, их характеризующие: пористость, гигроскопичность, водопоглощение, водо- газо- и паропроницаемость строительных материалов.

Основные формы связи влаги с материалом.

Теплофизические свойства и показатели их характеризующие.

Основные негативные процессы, определяющие поведение неорганических строительных материалов в условиях пожара. Методы экспериментальной оценки изменения механических характеристик строительных материалов, применительно к условиям пожара.

Процессы, протекающие в органических материалах в условиях пожара. Пожарно-технические характеристики строительных материалов, методы их исследования и оценки.

Практическое занятие 1. Определение основных свойств некоторых строительных материалов и прогнозирование поведения этих материалов в условиях пожара.

Цель работы: 1. Ознакомиться с основными методами исследования свойств строительных материалов.

2. Проанализировать основные свойства строительных материалов.

1. Определение истинной (абсолютной) плотности материала

(пикнометрический метод) (ГОСТ 8269)

Для определения истинной плотности берут раздробленные строительные материалы: кирпич, известняковый щебень, керамзитовый гравий, их измельчают, пропускают через сито с ячейкой менее 0,1 мм и отбирают навеску массой по 10 г каждая (m).

Каждую навеску высыпают в чистый высушенный пикнометр (Рис. 1) и наливают в него дистиллированную воду в таком количестве, чтобы пикнометр был заполнен не более чем на половину своего объема, затем пикнометр встряхивают, смачивая весь порошок, ставят на песчаную баню и нагревают содержимое не до кипения в наклонном положении в течение 15-20 минут для удаления пузырьков воздуха.

Рис. 1 – Пикнометр для определения истинной плотности материала

Затем пикнометр обтирают, охлаждают до комнатной температуры, доливают до метки дистиллированную воду и взвешивают (m 1), после чего пикнометр освобождают от содержимого, промывают, наполняют до метки дистиллированной водой комнатной температуры и еще раз взвешивают (m 2). В тетради чертят таблицу, в которую заносят массы каждого материала и последующих расчетов.

Истинная плотность материала определяется по формуле:

где масса навески порошка, г.;

Масса пикнометра с навеской и водой после кипячения, г.;

Масса пикнометра с водой, г.;

Плотность воды, равная 1 г/см 3 .

2. Определение средней плотности образца правильной геометрической формы (ГОСТ 6427)

Среднюю плотность лучше определять у тех же материалов- кирпича, куска известняка и керамзитового гравия. Объем образцов правильной геометрической формы (кирпича) определяют по геометрическим размерам в соответствии с рисунком, измеренным с погрешностью не более 0,1 мм. Каждый линейный размер вычисляют как среднее арифметическое трех измерений. Образцы должны быть сухими.

Объем образцов неправильной формы определяют по вытесненной воде, опуская в мерный цилиндр с водой кусок известняка или гравия, который тонет, с отметкой объема вытесненной жидкости. 1мл=1см 3 .

Рис. 1 – Измерение линейных размеров и объема образца

призмы цилиндра

Средняя плотность определяется по формуле:

где масса сухого образца, г.;

Объем образца, см 3 .

3. Определение пористости материала (ГОСТ 12730.4)

Зная истинную плотность и среднюю плотность кирпича, известняка, керамзитового гравия, определяют пористость материала П, %, по формуле:

где средняя плотность материала, г/см 3 или кг/м 3 ;

Истинная плотность материала, г/см 3 или кг/м 3 .

Сравнительная плотность разных материалов приведена в приложении А. Результаты заносятся в таблицу.

4. Определение насыпной плотности (ГОСТ 8269)

Сыпучий материал (песок, керамзитовый гравий, щебень) в объеме, обеспечивающем проведение испытания, высушивают до постоянной массы. Материал насыпают в предварительно взвешенный мерный цилиндр (m) с высоты 10 см до образования конуса, который снимают стальной линейкой вровень с краями (без уплотнения) движением к себе, после чего цилиндр с навеской взвешивают (m 1).

Рис. 3. Воронка для определения насыпной плотности песка

1 – воронка; 2 – опоры; 3 – заслонка

Насыпная плотность материала определяется по формуле:

где масса мерного цилиндра, г;

Масса мерного цилиндра с навеской, г;

Объем мерного цилиндра, л.

Результаты заносятся в таблицу.

5. Определение пустотности (ГОСТ 8269)

Пустотность (V пуст, %) сыпучего материала определяют, зная насыпную и среднюю плотность сыпучего материала по формуле:

где насыпная плотность материала, кг/м 3 ;

Средняя плотность материала, кг/м 3 .

Средняя плотность песка кварцевого не определяется, её принимают такой, как истинная – 2,65 г/см 3 .

6. Определение влажности материала (ГОСТ 8269)

Пробу материала в количестве 1,5 кг насыпают в сосуд и взвешивают , затем высушивают до постоянной массы в сушильном шкафу (это надо делать заранее). Чтобы определить влажность на уроке, можно сделать наоборот: взвесить в сосуде произвольное количество сухого песка и намочить его произвольно, опять взвесить, получив и .

Влажность W ,%, определяется по формуле:

где масса влажной пробы, г;

Масса пробы в сухом состоянии, г.

Для определения водопоглощения отбирают три образца любой формы размером от 40 до 70 мм или кирпич, определяют объем . Образцы очистить от пыли металлической щеткой и высушить до постоянной массы. Затем их взвешивают и укладывают в сосуд с водой комнатной температуры так, чтобы уровень воды в сосуде был выше верха образцов не менее чем на 20 мм. В таком положении образцы выдерживают в течение 48 час. После чего их вынимают из воды, удаляют влагу с поверхности отжатой влажной мягкой тканью и каждый образец взвешивают .

Водопоглощение по массе W погл, %, определяется по формуле:

Водопоглощение по объему W о, %, определяется по формуле:

где масса образца в сухом состоянии, г;

Масса образца после насыщения его водой, г;

Объем образца в естественном состоянии, см 3 .

Относительную плотность определяют как:

Коэффициент насыщения материала водой определяют:

Вычислив все показатели с преподавателем, студент получает индивидуальное задание по вариантам задач контрольной №1.

7. Определение предела прочности при сжатии (ГОСТ 8462)

Прочность при сжатии определяют на кубиках размеров 7,07×7,07×7,07 см, 10×10×10 см, 15×15×15 см и 20×20×20 см. Кирпич и балочки сначала испытывают на прочность при изгибе (8), затем половинки испытывают на сжатие.

Для определения прочности при сжатии образцы правильной геометрической формы (балочки, кубики, кирпич) подвергают осмотру, обмеру и испытывают на гидравлическом прессе. Устанавливают образец в центре опорной плиты и прижимают верхней плитой пресса, которая должна плотно прилегать по всей грани образца. При испытании нагрузка на образец должна возрастать непрерывно и равномерно. Наибольшая сжимающая нагрузка соответствует максимальному показанию манометра во время испытания.

При испытании на прочность при сжатии кубов, верхняя грань куба должна стать боковой гранью, чтобы исключить неровности.

Предел прочности при сжатии R сж, МПа, для образцов-кубов из бетона определяется по формуле:

где максимальная разрушающая нагрузка, кН;

Площадь поперечного сечения образца (среднее арифметическое площадей верхней и нижней граней), см 2 .

8. Определение предела прочности при изгибе. (ГОСТ 8462)

Предел прочности при изгибе определяется на образцах – балочках с помощью универсальной машины МИИ-100, которая дает сразу показания прочности в кг/см 2 или на кирпиче с помощью пресса гидравлического с примене нием катков по схеме, предложенной на рисунке 5. Испытания прочности кирпича обязательно надо показать, затем определить прочность половинок при сжатии (9), марку кирпича.

Рис. 4 – Испытательная машина МИИ-100 для определения предела прочности при изгибе

Рис.5 – Схема испытания предела прочности при изгибе

Предел прочности при изгибе R изг, МПа, определяется по следующей формуле:

Расстояние между осями опор, см;

Ширина образца, см;

Высота образца, см.

9. Определение коэффициента конструктивного качества (удельной прочности материала)

Результаты вычислений занести в таблицу.

Контрольные вопросы

1. Назовите основные свойства строительных материалов, какие важны для конструкционных материалов?

2. Какие плотности определяют у строительных материалов, как?

3. Что такое истинная плотность? Зачем ее определяют?

4. Что такое насыпная плотность? Как она определяется и для чего?

5. Чтобы определить среднюю плотность, какой объем надо знать? Как определить объем куска щебня?

6. Какая плотность имеет наибольшее числовое выражение у одного и того же материала, какая наименьшее? Почему?

7. Для каких материалов определяют пустотность, чем она отличается от пористости? Сравните истинную, среднюю, и насыпную плотности у кварцевого песка, кирпича, керамзитового гравия или известнякового щебня.

8. В какой зависимости находится общая пористость от плотности? Что такое пористость?

9. Какая пористость может быть в материале? Как ее можно определить?

10. Влияет ли пористость на влажность материала? Что такое влажность?

11. Чем влажность отличается от водопоглощения? О каких свойствах можно судить, зная водопоглощение?

12. Как определить коэффициент водонасыщения? Что он характеризует?

13. Как определить коэффициент размягчения? Каково его значение для воздушных и гидравлических вяжущих?

14. Будет ли меняться водо- и газопроницаемость при изменении плотности, как? При каком виде пористости эти показатели увеличиваются?

15. Влияет ли величина пористости на величину набухания и усадку материала? Какова усадка у ячеистого бетона, какова у тяжелого бетона?

16. Есть ли связь плотности материала с теплопроводностью? Какие материалы лучше защищают от холода? Из какого материала по плотности возводят стены жилых зданий?

17. Влияет ли увлажнение материала на коэффициент теплопроводности? Почему?

18. Каков коэффициент линейного температурного расширения у бетона, стали, гранита, древесины? Когда это имеет значение?

19. Можно ли использовать материалы с К н =1 для изготовления плит дорожного покрытия? Почему?

20. Чем пористость отличается от пустотности, по какой формуле определяют эти показатели?

21. Есть ли материалы, у которых истинная плотность равна средней?

22. Почему образуются поры в кирпиче, влияет ли способ формования кирпича на их количество?

23. Как увеличивают пористость в искусственном камне, зачем?

24. От чего происходит усадка, у каких материалов она больше: плотных или пористых?

25. Зависит ли усадка от водопоглощения материала? Какая вода в структуре материала не испаряется?

26. На каких образцах определяют прочность вяжущих, растворов и бетонов, по какой формуле считают прочность, в каких единицах?

27. От каких показателей зависит прочность, у каких структур она максимальна?

28. Почему прочность при изгибе у одних материалов больше, у других меньше прочности при сжатии? Как называют такие материалы?

29. От каких характеристик зависит морозостойкость?

30. Что называют удельной поверхностью, зависит ли увлажнение от этой характеристики?

Лабораторная работа №4

Гипсовые вяжущие

Цель работы: 1. Ознакомиться с основными свойствами гипса строительного.

2. Проанализировать основные свойства гипса строительного.

Страница 1

Введение.

Человеческая цивилизация на протяжении своего развития, по крайней мере, в материальной сфере постоянно использует химические, биологические и физические закономерности, действующие на нашей планете, для удовлетворения тех или иных своих потребностей. http://voronezh.pinskdrev.ru/ обеденные столы в воронеже.

В древности это происходило двумя путями: осознанно или стихийно. Нас, естественно, интересует первый путь. Примером осознанного использования химических явлений могут служить:

Скисание молока, используемое для получения сыра, сметаны и других молокопродуктов;

Брожение некоторых семян, например, хмеля в присутствии дрожжей с образованием пива;

Возгонка пыльцы некоторых цветов (мака, конопли) и получение наркотиков;

Брожение сока некоторых плодов (в первую очередь, винограда), содержащего много сахара, в результате чего получали вино, уксус.

Революционные преобразования в жизни человека внес огонь. Человек начал использовать огонь для приготовления пищи, в гончарном производстве, для обработки и выплавки металлов, переработки древесины в уголь, выпаривания и сушки продуктов на зиму.

Со временем у людей возникала потребность все в новых и новых материалах. Неоценимую помощь в их создании оказывала химия. Особенно велика роль химии в создании чистых и сверхчистых материалов (в дальнейшем сокращенно – СЧМ). Если в создании новых материалов, на мой взгляд, лидирующее положение занимают всё же физические процессы и технологии, то получение СЧМ зачастую более эффективно и продуктивно с помощью химических реакций. А так же возникла потребность в защите материалов от коррозии в этом собственно и состоит основная роль физико-химических методов в строительных материалах. С помощью физико-химических методов изучают физические явления, которые происходят при химических реакциях. Например, в колориметрическом методе измеряют интенсивность окраски в зависимости от концентрации вещества, в кондуктометрическом анализе измеряют изменение электрической проводимости растворов и т. д.

В данном реферате изложены некоторые виды коррозийных процессов, а так же способы борьбы с ними, что является основной практической задачей физико-химических методов в строительных материалах.

Физико-химические методы анализа и их классификация.

Физико-химические методы анализа (ФХМА) основаны на использовании зависимости физических свойств веществ (например, светопоглощения, электрической проводимости и т.д.) от их химического состава. Иногда в литературе от ФХМА отделяют физические методы анализа, подчёркивая тем самым, что в ФХМА используется химическая реакция, а в физических - нет. Физические методы анализа и ФХМА, главным образом в западной литературе, называют инструментальными, так как они обычно требуют применения приборов, измерительных инструментов. Инструментальные методы анализа в основном имеют свою собственную теорию, отличную от теории методов химического (классического) анализа (титриметрии и гравиметрии). Базисом этой теории является взаимодействие вещества с потоком энергии.

При использовании ФХМА для получения информации о химическом составе вещества исследуемый образец подвергают воздействию какого-либо вида энергии. В зависимости от вида энергии в веществе происходит изменение энергетического состояния составляющих его частиц (молекул, ионов, атомов), выражающееся в изменении того или иного свойства (например окраски, магнитных свойств и т.п.). Регистрируя изменение этого свойства как аналитический сигнал, получают информацию о качественном и количественном составе исследуемого объекта или о его структуре.

По виду энергии возмущения и измеряемого свойства (аналитического сигнала) ФХМА можно классифицировать следующим образом (табл.2.1.1).

Кроме перечисленных в таблице существует множество других частных ФХМА, не подпадающих под данную классификацию.

Наибольшее практическое применение имеют оптические, хроматографические и потенциометрические методы анализа.

Таблица 2.1.1.

Человечество в течение всего своего развития, использует в своей деятельности законы химии и физики, для решения разнообразных задач и удовлетворения множества потребностей.

В древние времена этот процесс шел двумя различными путями: осознанно, исходя из накопленного опыта или случайно. К ярким примерам осознанного применения законов химии относятся: скисание молока, и его последующие применение для приготовления сырных продуктов, сметаны и прочего; брожение некоторых семян, к примеру, хмеля и последующие изготовление пивоваренных продуктов; брожение соков различных плодов (главным образом, винограда, который содержит большое количество сахара), в итоге давало винные продукты, уксус.

Революцией в жизни человечества стало открытие огня. Люди стали применять огонь для приготовления еды, для термической обработки глиняных изделий, для работы с различными металлами, для получения древесного угля и много другого.

С течением времени у людей появилась необходимость в более функциональных материалах и продуктах на их основе. Огромное влияние на решение этой проблемы оказали их знания в области химии. Особенно большую роль химия сыграла, при получении чистых и сверхчистых веществ. Если при изготовлении новых материалов, первое место принадлежит физическим процессам и технологиям на их основе, то синтез сверхчистых веществ, как правило, более легко осуществить при помощи химических реакций [

Используя физико-химические методы, изучают физические явления, которые возникают при протекании химических реакциях. К примеру, в колориметрическом методе измеряют интенсивность окраски в зависимости от концентрации вещества, в кондуктометрическом методе измеряют изменение электрической проводимости растворов, оптические методы используют связь между оптическими свойствами системы и ее составом.

Физико-химические методы исследование применяют и для комплексного изучения строительных материалов. Использование таких методов позволяет углубленно изучать состав, структуру и свойства строительных материалов и изделий. Диагностика же состава, структуры и свойств материала на разных этапах его изготовления и эксплуатации позволяет разрабатывать прогрессивные ресурсосберегающие и энергосберегающие технологии [

В приведенной работе показана общая классификация физико-химических методов исследования строительных материалов (термография, рентгенография, оптическая микроскопия, электронная микроскопия, атомная эмиссионная спектроскопия, молекулярная абсорбционная спектроскопия, колориметрия, потенциометрия) и более подробно рассмотрены такие методы, как термический и рентгенофазовый анализ, а также методы изучения пористой структуры [ Справочник строителя [Электронный ресурс] // Министерство городского и сельского строительства Белорусской ССР. URL: www.bibliotekar.ru/spravochnick-104-stroymaterialy.html].

1. Классификация физико-химических методов исследования

Физико-химические методы исследования опираются на тесную связь физических характеристик материала (к примеру, способности поглощать свет, электропроводимости и прочих) и структурной организации материала с точки зрения химии. Бывает так, что из физико-химических методов, как отдельную группу выделяют чисто физические методики исследования, показывая таким образом, что в физико-химических методиках рассматривается некая химическая реакция, в отличие от чисто физических. Данные методы исследования, довольно часто называют инструментальными, потому что они предполагают использование различных измерительных аппаратов. Инструментальные методики исследований, как правило, обладают своей собственной теоретической базой, эта база расходится с теоретической базой химических исследований (титриметрических и гравиметрических). Основанием ей послужило взаимодействие вещества с разнообразными энергиями.

В ходе физико-химических исследований, чтобы получить необходимые данные о составе, структурной организации вещества, экспериментальную пробу подвергают влиянию какой-нибудь энергии. В зависимости от разновидности энергии в веществах изменяются энергетические состояния составляющих его частиц (молекул, ионов, атомов). Это выражается в изменении некоторого определенного набора характеристик (к примеру, цвета, магнитных свойств и прочих). В результате регистрации перемены характеристик вещества, получают данные о качественном и количественном составе исследуемой пробы, либо данные о ее структуре.

По разновидности воздействующих энергий и исследуемых характеристик, физико-химические методы исследования разделяют ниже приведенным способом.

Таблица 1. Классификация физико-химических методов

Кроме приведенных в данной таблице, имеется довольно много частных физико-химических методик, которые не подходят под такую классификацию. На деле наиболее активно используются оптические, хроматографические и потенциометрические методики исследования характеристик, состав и структуры пробы [ Галузо, Г.С. Методы исследования строительных материалов: учебно-методическое пособие / Г.С. Галузо, В.А. Богдан, О.Г. Галузо, В.И. Коважнкова. – Минск: БНТУ, 2008. – 227 с.].

2. Методы термического анализа

Термический анализ активно используется для изучения различных стройматериалов – минеральных и органических, натуральных и синтетических. Его использование помогает выявить присутствие в материале той или иной фазы, определить реакции взаимодействия, разложения и, в исключительных случаях, получить сведения о количественном составе кристаллической фазы. Возможность получения информации о фазовом составе высокодисперсных и скрытокристаллических полиминеральных смесей без деления на полиминеральные фракции является одним из главных достоинств методики. Термические методы исследования основываются на правилах постоянства химического состава и физических характеристиках вещества, в конкретных условиях, а кроме прочего на законах соответствия и характеристичности.

Закон соответствия говорит о том, что к любому фазовому изменению пробы можно соотнести конкретный термический эффект.

А закон характеристичности гласит о том, что термические эффекты индивидуальны для каждого химического вещества.

Основная идея термического анализа состоит в исследовании преобразований, которые протекают в условиях повышения температурных показателей в системах веществ или конкретных соединениях при разнообразных физических и химических процессах, по сопутствующим им термическим эффектам.

Физические процессы, как правило, основаны на преобразовании структурного строения, либо агрегатного состояния системы при ее постоянном химическом составе.

Химические процессы ведут к преобразованию химического состава системы. К таким принадлежит непосредственно дегидратация, диссоциация, окисление, реакция обмена и прочие.

Изначально термические кривые для известняковых и глинистых пород были получены французским ученым химиком Анри Луи Ле Шателье в 1886 – 1887 годах. В России одним из первых методику термических исследований стал изучать академик Н.С. Курнаков (в 1904 году). Обновленные модификации пирометра Курнакова (аппарат для автоматической записи кривых нагревания и охлаждения) и по сей день применяются в большинстве исследовательских лабораторий. Относительно исследуемых характеристик в результате нагревания или охлаждения выделяют такие методы термического анализа: дифференциально-термический анализ (ДТА) – определяется изменение энергии исследуемого образца; термогравиметрия – изменяется масса; дилатометрия – изменяется объемы; газоволюметрия – изменяется состав газовой фазы; электропроводность – изменяется электрическое сопротивление.

В ходе термических исследований можно параллельно применять сразу несколько способов изучения, каждый из которых фиксирует перемены энергии, массы, объема и прочих характеристик. Всеобъемлющее исследование характеристик системы в процессе нагрева, помогает более подробно и более тщательно изучить основы происходящих в ней процессов.

Одним из самых главных и широко применяемых методов является дифференциально-термический анализ.

Колебания температурных характеристик вещества можно выявить при его последовательном нагреве. Так, тигель заполняют экспериментальным материалом (пробой), помещают его в электрическую печь, которая нагревается, и начинают снимать температурные показатели исследуемой системы при помощи простейшей термопары, соединенной с гальванометром.

Регистрация изменения энтальпии вещества происходит при помощи обыкновенной термопары. Но в результате того, что отклонения, которые модно видеть на температурной кривой, имеют не очень большую величину, то лучше применять дифференциальную термопару. Изначально использование данной термопары было предложено Н.С. Курнаковым. Схематичное изображение саморегистрирующего пирометра представлено на рисунке 1.

На данном схематичном изображении показана пара обыкновенных термопар, которые соединены друг с другом одноименными концами, образующими, так называемый холодный спай. Остальные два конца присоединяются к аппарату, который позволяет зафиксировать преобразования в цепи электродвижущей силы (ЭДС), появляющиеся в результате повышения температуры горячих спаев термопары. Один горячий спай располагается в изучаемом образце, а второй – в эталонном веществе сравнения.

Рисунок 1. Схематичное изображение дифференциальной и простой термопары: 1 – электрическая печь; 2 – блок; 3 – изучаемый экспериментальный образец; 4 – вещество сравнения (эталон); 5 – горячий спай термопары; 6 – холодный спай термопары; 7 – гальванометр для фиксации кривой ДТА; 8 – гальванометр для фиксации температурной кривой.

Если же для изучаемой системы частыми являются какие-нибудь преобразования, которые связаны с поглощением или выделением тепловой энергии, то его показатель температуры в данный момент может быть намного больше или меньше, по сравнению с эталонным веществом сравнения. Данная температурная разница ведет к возникновению различию по значению ЭДС и, как следствие, к отклонению кривой ДТА вверх или вниз от нуля, либо базисной черты. Нулевой называется линия, параллельная оси абсцисс и проведенная через начало хода кривой ДТА, это можно видеть на рисунке 2.

Рисунок 2. Схема простой и дифференциальной (ДТА) температурных кривых.

На самом деле нередко после завершения какого-нибудь термического преобразования кривая ДТА не возвращается к нулевой линии, а продолжает идти параллельно ей или под неким углом. Данная линия имеет название – базисная линия. Это расхождение базисной и нулевой линии объясняется разными теплофизическими характеристиками изучаемой системы веществ и эталонного вещества сравнения [ ].

3. Методы рентгенофазового анализа

Рентгенографические методы исследования стройматериалов основаны на экспериментах, в которых применяется рентгеновское излучение. Данный класс исследований активно используют для изучения минералогического состава сырья и конечных продуктов, фазовых преобразований в веществе на различных этапах их переработки в готовую к использованию продукцию и в ходе эксплуатации, а кроме прочего для выявления характера структурного строения кристаллической решетки.

Методику рентгенографических исследований, применяемую для определения параметров элементарной ячейки вещества, называют рентгеноструктурной методикой. Методика же, которой придерживаются в ходе изучения фазовых превращений и минералогического состава веществ, носит название рентгенофазового анализа. Методы рентгенофазового анализа (РФА) имеют большое значение при изучении минеральных стройматериалов. По итогам рентгенофазовых исследований получают информацию, о наличие кристаллических фаз, и их количества в образце. Из этого следует, что существует количественный и качественный методы анализа.

Предназначение качественного рентгенофазового анализа, это получение информации о природе кристаллической фазы, изучаемого вещества. Методы базируются на том, что каждый конкретный кристаллический материал имеет определенную рентгенограмму со своим собственным набором дифракционных максимумов. В наше время существуют достоверные рентгенографические данные о большинстве известных человеку кристаллических веществ.

Задачей количественного состава, является получение информации о количестве конкретных фаз в полифазных поликристаллических веществах, он основывается на зависимости интенсивности дифракционных максимумов от процентного содержания исследуемой фазы. При повышении количества какой-либо фазы ее интенсивность отражений становится больше. Но для полифазных веществ зависимость между интенсивностью и количеством этой фазы неоднозначна, так как величина интенсивности отражения данной фазы зависит не только от ее процентного содержания, а также от значения μ, которое характеризует то, на сколько, ослабляется рентгеновский пучок в результате прохождении сквозь исследуемый материал. Это значение ослабления изучаемого материала зависит от значений ослабления и количества прочих фаз, которые также входят в его состав. Из этого следует что, каждая методика количественного анализа должна как то учитывать воздействие показателя ослабления, в результате изменения состава образцов, который нарушает прямую пропорциональность между количеством этой фазы и степени интенсивности ее дифракционного отражения [ Макарова, И.А. Физико-химические методы исследования строительных материалов: учебное пособие / И.А. Макарова, Н.А. Лохова. – Братск: Из-во БрГУ, 2011. – 139 с.].

Варианты получения рентгенограмм разделяют, исходя из метода регистрации излучения на фотографические и дифрактометрические. Использование методов первого вида подразумевает фоторегистрацию рентгеновского излучения, под влиянием которого наблюдают потемнение фотоэмульсии. Дифрактометрические методы получения рентгенограмм, которые реализуются в дифрактометрах, отличаются с фотографическими методами тем, что дифракционная картина получается последовательно с течением времени [ Пиндюк, Т.Ф. Методы исследования строительных материалов: методические указания к лабораторным работам / Т.Ф. Пиндюк, И.Л. Чулкова. – Омск: СибАДИ, 2011. – 60 с.].

4. Методы изучения пористой структуры

Стройматериалы обладают разнородным и довольно сложным строением. Несмотря на разновидность и происхождение материалов (бетоны, силикатные материалы, керамика) в их структуре постоянно имеются разнообразные поры.

Термин «пористость» связывает два самых главных свойства материала – геометрию и структуру. Геометрическая характеристика, это общий объем пор, размер пор и их общая удельная поверхность, которые определяют пористость структуры (крупнопористый материал или мелкопористый). Структурная характеристика – это вид пор, и их распределение по величине. Эти свойства изменяются, в зависимости от структуры твердой фазы (зернистая, ячеистая, волокнистая и прочие) и структуры непосредственно самих пор (открытые, замкнутые, сообщающиеся).

Основное воздействие на размеры и структуру пористых образований оказывают свойства исходного сырья, состав смеси, технологический процесс производства. Самыми главными характеристиками являются гранулометрический состав, объем связки, процент влажности в исходном сырье, методы формования конечной продукции, условия образования итоговой структуры (спекание, сплавление, гидратация и прочие). Сильное влияние на структуру пористых образований оказывают специализированные добавки, так называемые модификаторы. К ним принадлежат, к примеру, топливные и выгорающие добавки, которые вводят в состав шихты в процессе производства керамических продуктов, а кроме этого ПАВ, их применяют как в керамике, так и в материалах на основе цемента. Поры различаются не только одними размерами, но еще и формой, а создаваемые ими капиллярные каналы обладают переменным сечением по всей своей длине. Все поровые образования классифицируются на закрытые и открытые, а также каналообразующие и тупиковые.

Структура пористых стройматериалов характеризуется совокупностью всех разновидностей пор. Пористые образования могут быть хаотично расположены внутри вещества, а могут иметь некий порядок.

Поровые каналы обладают очень сложным строением. Замкнутые поры отрезаны от открытых пор и никак не связаны друг с другом и с внешней средой. Этот класс пор, является непроницаемым для газообразных веществ и жидкостей и в результате этого не принадлежит к опасным. Открытые же каналообразующие и тупиковые пористые образования водная среда может без труда заполнить. Их заполнение протекает по различным схемам и зависит главным образом, от площади поперечного сечения и длины поровых каналов. В результате обыкновенного насыщения не все пористые каналы могут заполниться водой, к примеру, самые маленькие поры размером меньше 0,12 мкм так и не заполняются из-за присутствия в них воздушной среды. Большие пористые образования очень быстро заполняются, но зато в воздушной среде, в результате невысокого значения капиллярных сил, вода в них плохо удерживается.

Поглощенный веществом объем воды, зависит от размеров пористых образований и от адсорбционных характеристик непосредственно самого материала.

Для определения связи между пористой структурой и физико-химическими характеристиками материала мало знать лишь общее значение объема пористых образований. Общая пористость не обусловливает структуру вещества, здесь важную роль играет принцип распределения пор по размерам и наличие пористых образований конкретного размера.

Геометрические и структурные показатели пористости стройматериалов отличаются как на микроуровне, так и на макроуровне. Г.И. Горчаковым и Э.Г. Мурадовым была разработана экспериментально-расчетная методика для выявления общей и групповой пористости бетонных материалов. Основа методики заключается в том, что в ходе эксперимента определяют уровень гидратации цемента в бетоне при помощи количественного рентгеновского исследования или приблизительно по объему связанной цементным вяжущем воды ω, не испарившейся при сушке под температурой 150 ºС: α = ω/ ω max .

Объем связанной воды при полной гидратации цемента располагается в интервале 0,25 – 0,30 (к массе не прокаленного цемента).

Потом при помощи формул из таблицы 1 высчитывают пористость бетона в зависимости от уровня гидратации цемента, его расхода в бетоне и количества воды [ Макарова, И.А. Физико-химические методы исследования строительных материалов: учебное пособие / И.А. Макарова, Н.А. Лохова. – Братск: Из-во БрГУ, 2011. – 139 с.].