Физико-химические методы оценки состава и структуры. Акустические методы исследования строительных материалов

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.

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.].

Министерство образования Кыргызской Республики

Министерство образования Российской федерации

Кыргызско-Российский славянский университет

Факультет архитектуры дизайна и строительства

Реферат

На тему:

«Роль физико-химических методов исследования в строительных материалах»

Выполнил: Подьячев Михаил гр. ПГС 2-07

Проверила: Джекишева С.Д.

План

1. Введение……………………………………………………………………….……стр. 3

4. Характеристика коррозионных процессов в строительных материалах…. стр. 9-13

5. Физико-химические методы исследования коррозии в строительных материалах………………стр. 13-15

6. Методы защиты строительных материалов от коррозии……………………стр. 15

7. Результаты исследования коррозии на основе физико-химических методов………стр. 16-18

8. Инновационные методы исследования коррозии…………………………стр. 18-20

9.Заключение………………………………………………………………………стр. 20

10. Список литературы……………………………………………………………стр.21

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.

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.

Вид энергии возмущения

Измеряемое свойство

Название метода

Название группы методов

Поток электронов (эле-ктрохимические реак-ции в растворах и на электродах)

Напряжение, потенциал

Потенциометрия

Электрохимические

Ток поляризации электродов

Вольтамперо - метрия, полярография

Сила тока

Амперометрия

Сопротивление, проводимость

Кондуктометрия

Импеданс (сопротивление переменному току, ёмкость)

Осциллометрия, высокочастотная кондуктометрия

Количество электричества

Кулонометрия

Масса продукта электрохимической реакции

Электрограви-метрия

Диэлектрическая проницаемость

Диэлкометрия

Электромагнитное излучение

Длина волны и интенсивность спектральной линии в инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой частях спектра =10-3...10-8 м

Оптические методы (ИК - спектро-скопия, атомно-эмиссионный анализ, атомно-абсорбционный анализ, фотомет-рия, люминис - центный анализ, турбидиметрия, нефелометрия)

Спектральные

То же, в рентгеновской области спектра =10-8...10-11 м

Рентгеновская фотоэлектронная, оже-спектроско-пия

Времена релаксации и химический сдвиг

Спектроскопия ядерномагнитного (ЯМР) и электронного парамагнитного (ЭПР) резонанса

Температура

Термический анализ

Тепловые

Термограви - метрия

Количество теплоты

Калориметрия

Энтальпия

Термометрический анализ (энтальпиметрия)

Механические свойства

Дилатометрия

Энергия химических и физических (Ван-дер-Ваальсо-вые силы) взаимодействий

Электропроводность Теплопроводность Ток ионизации

Газовая, жидкостная, осадочная, ионообменная, гельпроникающая хроматографии

Хроматографические

По сравнению с классическими химическими методами ФХМА отличаются меньшим пределом обнаружения, временем и трудоёмкостью. ФХМА позволяют проводить анализ на расстоянии, автоматизировать процесс анализа и выполнять его без разрушения образца (недеструктивный анализ).

По способам определения различают прямые и косвенные ФХМА. В прямых методах количество вещества находят непосредственным пересчётом измеренного аналитического сигнала в количество вещества (массу, концентрацию) с помощью уравнения связи. В косвенных методах аналитический сигнал используется для установления конца химической реакции (как своеобразный индикатор), а количество определяемого вещества, вступившего в реакцию, находят с помощью закона эквивалентов, т.е. по уравнению, непосредственно не связанному с названием метода.

По способу количественных определений различают без эталонные и эталонные инструментальные методы анализа.

Без эталонные методы основаны на строгих закономерностях, формульное выражение которых позволяет пересчитать интенсивность измеренного аналитического сигнала непосредственно в количестве определяемого вещества с привлечением только табличных величин. В качестве такой закономерности может выступать, например, закон Фарадея, позволяющий по току и времени электролиза рассчитать количество определяемого вещества в растворе при кулонометрическом титровании. Безэталонных методов очень мало, поскольку каждое аналитическое определение представляет собой систему сложных процессов, в которых невозможно теоретически учесть влияние каждого из многочисленных действующих факторов на результат анализа. В связи с этим при анализах пользуются определёнными приёмами, позволяющими экспериментально учесть эти влияния. Наиболее распространённым приёмом является применение эталонов, т.е. образцов веществ или материалов с точно известным содержанием определяемого элемента (или нескольких элементов). При проведении анализа измеряют определяемое вещество исследуемого образца и эталона, сравнивают полученные данные и по известному содержанию элемента в эталоне рассчитывают содержание этого элемента в анализируемом образце. Эталоны могут быть изготовлены промышленным способом (стандартные образцы, стали-нормали) или приготовляются в лаборатории непосредственно перед проведением анализа (образцы сравнения). Если в качестве стандартных образцов применяют химически чистые вещества (примесей меньше 0.05%), то их называют стандартными веществами.

На практике количественные определения инструментальными методами осуществляют по одному из трёх способов: градуировочной функции (стандартных серий), стандартов (сравнения) или стандартных добавок.

При работе по методу градуировочной функции с помощью стандартных веществ или стандартных образцов получают ряд образцов (или растворов), содержащих различные, но точно известные количества определяемого компонента. Иногда этот ряд называют стандартной серией. Затем проводят анализ этой стандартной серии и по полученным данным вычисляют значение чувствительности К (в случае линейной градуировочной функции). После этого измеряют интенсивность аналитического сигнала А в исследуемом объекте и вычисляют количество (массу, концентрацию) искомого компонента с помощью уравнения связи /> или находят по градуировочному графику (см. рис.2.1.1).

Метод сравнения (стандартов) применим только для линейной градуировочной функции. Определение данного компонента проводят в стандартном образце (стандартном веществе) и получают

Потом определяют в анализируемом объекте

Делением первого уравнения на второе исключают чувствительность

и вычисляют результат анализа

Метод стандартных добавок применим тоже только к линейной градуировочной функции. В этом методе сначала проводят анализ навески исследуемого объекта и получают />, затем к навеске добавляют известное количество (массу, объём раствора) определяемого компонента и после анализа получают

Делением первого уравнения на второе исключают К и получают формулу для расчёта результатов анализа:

Спектр вещества получают, воздействуя на него температурой, потоком электронов, световым потоком (электромагнитной энергией) с определённой длиной волны (частоты излучения) и другими способами. При определённой величине энергии воздействия вещество способно перейти в возбуждённое состояние. При этом происходят процессы, приводящие к появлению в спектре излучения с определённой длиной волны (табл.2.2.1).

Излучение, поглощение, рассеяние или рефракция электромагнитного излучения может рассматриваться как аналитический сигнал, несущий информацию о качественном и количественном составе вещества или о его структуре. Частота (длина волны) излучения определяется составом исследуемого вещества, а интенсивность излучения пропорциональна числу частиц, вызвавших его появление, т.е. количеству вещества или компонента смеси.

Каждый из аналитических методов обычно использует не полный спектр вещества, охватывающий диапазон длин волн от рентгеновских излучений до радиоволн, а только определённую его часть. Спектральные методы обычно различают по диапазону длин волн спектра, являющемуся рабочим для данного метода: ультрафиолетовые (УФ), рентгеновские, инфракрасные (ИК), микроволновые и т.д.

Методы, работающие в УФ, видимом и ИК диапазоне называют оптическими. Они больше всего применяются в спектральных методах вследствие сравнительной простоты оборудования для получения и регистрации спектра.

Атомно-эмиссионный анализ (АЭА) основан на качественном и количественном определении атомного состава вещества путём получения и изучения спектров эмиссии атомов, входящих в состав вещества.

Пи АЭА анализируемая проба вещества вводится в источник возбуждения спектрального прибора. В источнике возбуждения данная проба подвергается сложным процессам, заключающимся в плавлении, испарении, диссоциации молекул, ионизации атомов, возбуждении атомов и ионов.

Возбуждённые атомы и ионы через очень короткое время (~10-7-108с) самопроизвольно возвращаются из неустойчивого возбуждённого состояния в нормальное или промежуточное состояние. Это приводит к излучению света с частотой  и появлению спектральной линии.

Общую схему атомной эмиссии можно представить так:

А + Е  А*  А + h

Степень и интенсивность протекания этих процессов зависит от энергии источника возбуждения (ИВ).

Наиболее распространёнными ИВ являются: газовое пламя, дуговые и искровые разряды, индукционно связанная плазма (ИСП). Их энергетической характеристикой можно считать температуру.

Количественный АЭА основан на зависимости между концентрацией элемента и интенсивностью его спектральных линий, которая определяется формулой Ломакина:

где I - интенсивность спектральной линии определяемого элемента; c - концентрация; a и b - константы.

Величины a и b зависят от свойств аналитической линии, ИВ, соотношения концентраций элементов в пробе, поэтому зависимость /> обычно устанавливается эмпирически для каждого элемента и каждого образца. На практике обычно пользуются методом сравнения с эталоном.

При количественных определениях используют в основном фотографический способ регистрации спектра. Интенсивность спектральной линии, получаемой на фотопластинке, характеризуется ее почернением:

где S - степень почернения фотопластинки; I0 - интенсивность света проходящего через незачерненную часть пластинки, а I - через зачерненную, т.е. спектральную линию. Измерение почернения спектральной линии проводят по сравнению с почернением фона или по отношению к интенсивности линии сравнения. Полученная разность почернений (S) прямо пропорциональна логарифму концентрации (с):

При методе трех эталонов на одной фотопластинке фотографируют спектры трех эталонов с известным содержанием элементов и спектр анализируемого образца. Измеряют почернение выбранных линий. Строят градуировочный график, по которому находят содержание изучаемых элементов.

В случае анализа однотипных объектов применяют метод постоянного графика, который строят по большому числу эталонов. Затем в строго одинаковых условиях снимают спектр образца и одного из эталонов. По спектру эталона проверяют не произошло ли смещение графика. Если смещения нет, то неизвестную концентрацию находят по постоянному графику, а если есть, то величину смещения учитывают с помощью спектра эталона.

При количественном АЭА погрешность определения содержания основы составляет 1-5%, а примеси - до 20%. Визуальный метод регистрации спектра быстрее, но менее точен, чем фотографический.

По аппаратурному оформлению можно выделить АЭА с визуальной, фотографической и фотоэлектрической регистрацией и измерением интенсивности спектральных линий.

Визуальные методы (регистрация с помощью глаза) можно использовать только для исследования спектров с длинами волн в области 400 - 700 нм. Средняя спектральная чувствительность глаза максимальна для желто-зеленого света с длиной волны  550 нм. Визуально можно с достаточной точностью установить равенство интенсивностей линий с ближайшими длинами волн или определить наиболее яркую линию. Визуальные методы делятся на стилоскопические и стилометрические.

Стилоскопический анализ основан на визуальном сравнении интенсивностей спектральных линий анализируемого элемента (примеси) и близлежащих линий спектра основного элемента пробы. Например, при анализе сталей обычно сравнивают интенсивности спектральных линий примеси и железа. При этом используют заранее известные стилоскопические признаки, в которых равенству интенсивности линий определенной аналитической пары соответствует определенная концентрация анализируемого элемента.

Стилоскопы используют для экспресс-анализа, для которого не требуется высокой точности.6-7 элементов определяют за 2-3 мин. Чувствительность анализа 0,01-0,1%. Для анализа применяют как стационарные стилоскопы СЛ-3… СЛ-12, так и переносные СЛП-1… СЛП-4.

Стилометрический анализ отличается от стилоскопического тем, что более яркую линию аналитической пары ослабляют при помощи специального устройства (фотометра) до установления равенства интенсивностей обеих линий. Кроме того, стилометры позволяют сближать в поле зрения аналитическую линию и линию сравнения, что значительно повышает точность измерений. Для анализа применяют стилометры СТ-1… СТ-7.

Относительная погрешность визуальных измерений 1 – 3%. Их недостатками являются ограниченность видимой области спектра, утомительность, отсутствие объективной документации о проведении анализа.

Фотографические методы основаны на фотографической регистрации спектра с помощью специальных приборов-спектрографов. Рабочая область спектрографов ограничена длиной волны 1000 нм, т.е. их можно использовать в видимой области и УФ. Интенсивность спектральных линий измеряют по степени почернения их изображения на фотопластинке или фотопленке.