Акустические методы исследования строительных материалов. Реферат: Физико-химические методы исследования строительных материалов

Методы анализа веществ

Рентгеноструктурный анализ

Рентгеноструктурный анализ это метод исследования строения тел, использующий явление дифракции рентгеновских лучей, метод исследования структуры вещества по распределению в пространстве и интенсивностям рассеянного на анализируемом объекте рентгеновского излучения. Дифракционная картина зависит от длины волны используемых рентгеновских лучей и строения объекта. Для исследования атомной структуры применяют излучение с длиной волны порядка размеров атома.

Методами рентгеноструктурного анализа изучают металлы, сплавы, минералы, неорганические и органические соединения, полимеры, аморфные материалы, жидкости и газы, молекулы белков, нуклеиновых кислот и т.д. Рентгеноструктурный анализ является основным методом определения структуры кристаллов.

При исследовании кристаллов он даёт наибольшую информацию. Это обусловлено тем, что кристаллы обладают строгой периодичностью строения и представляют собой созданною самой природой дифракционную решётку для рентгеновских лучей. Однако он доставляет ценные сведения и при исследовании тел с менее упорядоченной структурой, таких, как жидкости, аморфные тела, жидкие кристаллы, полимеры и другие. На основе многочисленных уже расшифрованных атомных структур может быть решена и обратная задача: по рентгенограмме поликристаллического вещества, например легированной стали, сплава, руды, лунного грунта, может быть установлен кристаллический состав этого вещества, то есть выполнен фазовый анализ.

Рентгеноструктурный анализ позволяет объективно устанавливать структуру кристаллических веществ, в том числе таких сложных, как витамины, антибиотики, координационные соединения и т.д. Полное структурное исследование кристалла часто позволяет решить и чисто химические задачи, например установление или уточнение химической формулы, типа связи, молекулярного веса при известной плотности или плотности при известном молекулярном весе, симметрии и конфигурации молекул и молекулярных ионов.

Рентгеноструктурный анализ с успехом применяется для изучения кристаллического состояния полимеров. Ценные сведения даёт рентгеноструктурный анализ и при исследовании аморфных и жидких тел. Рентгенограммы таких тел содержат несколько размытых дифракционных колец, интенсивность которых быстро падает с увеличением. По ширине, форме и интенсивности этих колец можно делать заключения об особенностях ближнего порядка в той или иной конкретной жидкой или аморфной структуре.


Рентгеновские диффрактометры "ДРОН"

Рентгенофлуоресцентный анализ (РФА)

Один из современных спектроскопических методов исследования вещества с целью получения его элементного состава, т.е. его элементного анализа. Метод РФА основан на сборе и последующем анализе спектра, полученного путём воздействия на исследуемый материал рентгеновским излучением. При облучении атом переходит в возбуждённое состояние, сопровождающееся переходом электронов на более высокие квантовые уровни. В возбуждённом состоянии атом пребывает крайне малое время, порядка одной микросекунды, после чего возвращается в спокойное положение (основное состояние). При этом электроны с внешних оболочек либо заполняют образовавшиеся вакантные места, а излишек энергии испускается в виде фотона, либо энергия передается другому электрону из внешних оболочек (оже-электрон). При этом каждый атом испускает фотоэлектрон с энергией строго определённого значения, например железо при облучении рентгеновскими лучами испускает фотоны К?= 6,4 кэВ. Далее соответственно по энергии и количеству квантов судят о строении вещества.

В рентгено-флуоресцентной спектрометрии имеются возможности провести детальное сравнение образцов не только по характеристическим спектрам элементов, но и по интенсивности фонового (тормозного) излучения и по форме полос Комптоновского рассеяния. Это приобретает особый смысл в случае, когда химический состав двух проб одинаков по результатам количественного анализа, но пробы отличаются другими свойствами, такими, как зернистость, размер кристаллитов, шероховатость поверхности, пористость, влажность, присутствие кристаллизационной воды, качество полировки, толщина напыления и пр. Идентификация выполняется на основании детального сопоставления спектров. При этом нет необходимости знать химический состав пробы. Любое отличие сравниваемых спектров неопровержимо свидетельствует об отличии исследуемого образца от эталона.

Данный вид анализа проводится при необходимости отождествления состава и некоторых физических свойств двух образцов, один из которых является эталонным. Такой вид анализа важен при поиске любых отличий в составе двух образцов. Область применения: определение тяжелых металлов в почвах, осадках, воде, аэрозолях, качественный и количественный анализ почв, минералов, горных пород, контроль качества сырья, производственного процесса и готовой продукции, анализ свинцовых красок, измерение концентраций ценных металлов, определение загрязнений нефти и топлива, определение токсичных металлов в пищевых ингредиентах, анализ микроэлементов в почвах и сельскохозяйственных продуктах, элементный анализ, датирование археологических находок, изучение картин, скульптур, для проведения анализа и экспертиз.

Обычно подготовка образцов ко всем видам рентгено-флуоресцентнному анализа не представляет сложностей. Для проведения высоконадежного количественного анализа образец должен быть однородным и представительным, иметь массу и размер не менее требуемого методикой анализа. Металлы шлифуются, порошки измельчаются до частиц заданного размера и прессуются в таблетки. Горные породы сплавляются до стеклообразного состояния (это надежно избавляет от погрешностей, связанных с неоднородностью образца). Жидкости и сыпучие вещества просто помещаются в специальные чашки.

Спектральный анализ

Спектральный анализ - физический метод качественного и количественного определения атомного и молекулярного состава вещества, основанный на исследовании его спектров. Физическая основа С. а. - спектроскопия атомов и молекул, его классифицируют по целям анализа и типам спектров (см. Спектры оптические). Атомный С. а. (АСА) определяет элементный состав образца по атомным (ионным) спектрам испускания и поглощения, молекулярный С. а. (МСА) - молекулярный состав веществ по молекулярным спектрам поглощения, люминесценции и комбинационного рассеяния света. Эмиссионный С. а. производят по спектрам испускания атомов, ионов и молекул, возбуждённым различными источниками электромагнитного излучения в диапазоне от?-излучения до микроволнового. Абсорбционный С. а. осуществляют по спектрам поглощения электромагнитного излучения анализируемыми объектами (атомами, молекулами, ионами вещества, находящегося в различных агрегатных состояниях). Атомный спектральный анализ (АСА) Эмиссионный АСА состоит из следующих основных процессов:

отбор представительной пробы, отражающей средний состав анализируемого материала или местное распределение определяемых элементов в материале;
введение пробы в источник излучения, в котором происходят испарение твёрдых и жидких проб, диссоциация соединений и возбуждение атомов и ионов;
преобразование их свечения в спектр и его регистрация (либо визуальное наблюдение) с помощью спектрального прибора;
расшифровка полученных спектров с помощью таблиц и атласов спектральных линий элементов.

На этой стадии заканчивается качественный АСА. Наиболее результативно использование чувствительных (т. н. «последних») линий, сохраняющихся в спектре при минимальной концентрации определяемого элемента. Спектрограммы просматривают на измерительных микроскопах, компараторах, спектропроекторах. Для качественного анализа достаточно установить наличие или отсутствие аналитических линий определяемых элементов. По яркости линий при визуальном просмотре можно дать грубую оценку содержания тех или иных элементов в пробе.

Количественный АСА осуществляют сравнением интенсивностей двух спектральных линий в спектре пробы, одна из которых принадлежит определяемому элементу, а другая (линия сравнения) - основному элементу пробы, концентрация которого известна, или специально вводимому в известной концентрации элементу («внутреннему стандарту»).

Атомно-абсорбционный С. а. (ААА) и атомно-флуоресцентный С. а. (АФА). В этих методах пробу превращают в пар в атомизаторе (пламени, графитовой трубке, плазме стабилизированного ВЧ- или СВЧ-разряда). В ААА свет от источника дискретного излучения, проходя через этот пар, ослабляется и по степени ослабления интенсивностей линий определяемого элемента судят о концентрации его в пробе. ААА проводят на специальных спектрофотометрах. Методика проведения ААА по сравнению с др. методами значительно проще, для него характерна высокая точность определения не только малых, но и больших концентраций элементов в пробах. ААА с успехом заменяет трудоёмкие и длительные химические методы анализа, не уступая им в точности.

В АФА атомные пары пробы облучают светом источника резонансного излучения и регистрируют флуоресценцию определяемого элемента. Для некоторых элементов (Zn, Cd, Hg и др.) относительные пределы их обнаружения этим методом весьма малы (10-5-10-6 %).

АСА позволяет проводить измерения изотопного состава. Некоторые элементы имеют спектральные линии с хорошо разрешенной структурой (например, Н, Не, U). Изотопный состав этих элементов можно измерять на обычных спектральных приборах с помощью источников света, дающих тонкие спектральные линии (полый катод, безэлектродные ВЧ- и СВЧ-лампы). Для проведения изотопного спектрального анализа большинства элементов требуются приборы высокой разрешающей способности (например, эталон Фабри - Перо). Изотопный спектральный анализ можно также проводить по электронно-колебательным спектрам молекул, измеряя изотопные сдвиги полос, достигающие в ряде случаев значительной величины.

Значительную роль АСА играет в атомной технике, производстве чистых полупроводниковых материалов, сверхпроводников и т. д. Методами АСА выполняется более 3/4 всех анализов в металлургии. С помощью квантометров проводят оперативный (в течение 2-3 мин) контроль в ходе плавки в мартеновском и конвертерном производствах. В геологии и геологической разведке для оценки месторождений производят около 8 млн. анализов в год. АСА применяется для охраны окружающей среды и анализа почв, в криминалистике и медицине, геологии морского дна и исследовании состава верхних слоев атмосферы, при разделении изотопов и определении возраста и состава геологических и археологических объектов и т. д.

Инфракрасная спектроскопия

Метод ИКС включает получение, исследование и применение спектров испускания, поглощения и отражения в инфракрасной области спектра (0,76-1000 мкм). ИКС занимается главным образом изучением молекулярных спектров, т.к. в ИК-области расположено большинство колебательных и вращательных спектров молекул. Наиболее широкое распространение получило исследование ИК спектров поглощения, возникающих при прохождении ИК-излучения через вещество. При этом селективно поглощается энергия на тех частотах, которые совпадают с частотами вращения молекулы как целого, а в случае кристаллического соединения с частотами колебаний кристаллической решетки.

ИК-спектр поглощения - вероятно, уникальное в своем роде физическое свойство. Не существует двух соединений, за исключением оптических изомеров, с различающимися структурами, но одинаковыми ИК-спектрами. В некоторых случаях, таких как полимеры с близким молекулярным весом, различия могут быть практически незаметны, но они всегда есть. В большинстве случаев ИК-спектр является "отпечатком пальцев" молекулы, который легко отличим от спектров других молекул.

Кроме того, что поглощение характеристичное для отдельных групп атомов, его интенсивность прямопропорциональна их концентрации. Т.о. измерение интенсивности поглощения дает после простых вычислений количество данного компонента в образце.

ИК-спектроскопия находит применение в исследовании строения полупроводниковых материалов, полимеров, биологических объектов и непосредственно живых клеток. В молочной промышленности метод инфракрасной спектроскопии применяют для определения массовой доли жира, белка, лактозы, сухих веществ, точки замерзания и т. д.

Жидкое вещество чаще всего снимают в виде тонкой пленки между крышками из солей NaCl или KBr. Твердое вещество чаще всего снимают в виде пасты в вазелиновом масле. Растворы снимают в разборных кюветах.


спектральный диапазон от 185 до 900 нм, двулучевой, регистрирующий, точность длины волны 0.03 нм при 54000 см-1, 0.25 при 11000 см-1, воспроизводимость длины волны соответственно 0.02 нм и 0.1 нм	Прибор предназначен для снятия ИК - спектров твердых и жидких образцов. Спектральный диапазон – 4000…200 см-1; фотометрическая точность ± 0.2%.

Абсорбционный анализ видимой и близкой ультрафиолетовой области

На абсорбционном методе анализа или свойстве растворов поглощать видимый свет и электромагнитное излучение в близком к нему ультрафиолетовом диапазоне основан принцип действия самых распространенных фотометрических приборов для медицинских лабораторных исследований - спектрофотометров и фотоколориметров (видимый свет).

Каждое вещество поглощает только такое излучение, энергия которого способна вызвать определенные изменения в молекуле этого вещества. Иными словами, вещество поглощает излучение только определенной длины волны, а свет другой длины волны проходит через раствор. Поэтому в видимой области света цвет раствора, воспринимаемый глазом человека, определяется длиной волны излучения, не поглощенного этим раствором. То есть наблюдаемый исследователем цвет является дополнительным по отношению к цвету поглощенных лучей.

В основу абсорбционного метода анализа положен обобщенный закон Бугера - Ламберта - Бера, который часто называют просто законом Бера. Он базируется на двух законах:

Относительное количество энергии светового потока, поглощенного средой, не зависит от интенсивности излучения. Каждый поглощающий слой одинаковой толщины поглощает равную долю проходящего через эти слои монохроматического светового потока.
Поглощение монохроматического потока световой энергии прямо пропорционально числу молекул поглощающего вещества.

Термический анализ

Метод исследования физ.-хим. и хим. процессов, основанный на регистрации тепловых эффектов, сопровождающих превращения веществ в условиях программирования температуры. Поскольку изменение энтальпии?H происходит в результате большинства физ.-хим. процессов и хим. реакций, теоретически метод применим к очень большому числу систем.

В Т. а. можно фиксировать т. наз. кривые нагревания (или охлаждения) исследуемого образца, т.е. изменение температуры последнего во времени. В случае к.-л. фазового превращения в веществе (или смеси веществ) на кривой появляются площадка или изломыБольшей чувствительностью обладает метод дифференциального термического анализа (ДТА), в котором регистрируют во времени изменение разности температур DT между исследуемым образцом и образцом сравнения (чаще всего Аl2О3), не претерпевающим в данном интервале температур никаких превращений.

Дифференциальный термический анализ (ДТА) обладает большей чувствительностью. В нем регистрируют во времени изменение разности температур DT между исследуемым образцом и образцом сравнения (чаще всего Аl2О3), не претерпевающим в данном интервале температур никаких превращений. Минимумы на кривой ДТА (см., напр., рис.) соответствуют эндотермическим процессам, а максимумы - экзотермическим. Эффекты, регистрируемые в ДТА, м. б. обусловлены плавлением, изменением кристаллической структуры, разрушением кристаллической решетки, испарением, кипением, возгонкой, а также хим. процессами (диссоциация, разложение, дегидратация, окисление-восстановление и др.). Большинство превращений сопровождается эндотермическими эффектами; экзотермичны лишь некоторые процессы окисления-восстановления и структурного превращения.

Мат. соотношения между площадью пика на кривой ДТА и параметрами прибора и образца позволяют определять теплоту превращения, энергию активации фазового перехода, некоторые кинетические константы, проводить полуколичественный анализ смесей (если известны DH соответствующих реакций). С помощью ДТА изучают разложение карбоксилатов металлов, различных металлоорганических соединений, оксидных высокотемпературных сверхпроводников. Этим методом определили температурную область конверсии СО в СО2 (при дожигании автомобильных выхлопных газов, выбросов из труб ТЭЦ и т.д.). ДТА применяют для построения фазовых диаграмм состояния систем с различным числом компонентов (физ.-хим. анализ), для качеств. оценки образцов, напр. при сравнении разных партий сырья.

Дериватография - комплексный метод исследования хим. и физ.-хим. процессов, происходящих в веществе в условиях программированного изменения температуры.

Основана на сочетании дифференциального термического анализа (ДТА) с одним или несколькими физ. или физ.-хим. методами, например, с термогравиметрией, термомеханическим анализом (дилатометрия), масс-спектрометрией и эманационным термическим анализом. Во всех случаях наряду с превращениями в веществе, происходящими с тепловым эффектом, регистрируют изменение массы образца (жидкого или твердого). Это позволяет сразу однозначно определить характер процессов в веществе, что невозможно сделать по данным только ДТА или др. термическими методами. В частности, показателем фазового превращения служит тепловой эффект, не сопровождающийся изменением массы образца. Прибор, регистрирующий одновременно термического и термогравиметрического изменения, называется дериватографом. В дериватографе, действие которого основано на сочетании ДТА с термогравиметрией, держатель с исследуемым веществом помещают на термопару, свободно подвешенную на коромысле весов. Такая конструкция позволяет записывать сразу 4 зависимости (см., напр., рис.): разности температур исследуемого образца и эталона, который не претерпевает превращений, от времени t (кривая ДТА), изменения массы Dm от температуры (термогравиметрическая кривая), скорости изменения массы, т.е. производной dm/dt, от температуры (дифференциальная термогравиметрическая кривая) и температуры от времени. При этом удается установить последовательность превращений вещества и определить кол-во и состав промежуточных продуктов.

Химические методы анализа

Гравиметрический анализ основан на определении массы вещества.
В ходе гравиметрического анализа определяемое вещество или отгоняется в виде какого-либо летучего соединения (метод отгонки), или осаждается из раствора в виде малорастворимого соединения (метод осаждения). Методом отгонки определяют, например, содержание кристаллизационной воды в кристаллогидратах.
Гравиметрический анализ - один из наиболее универсальных методов. Он применяется для определения почти любого элемента. В большей части гравиметрических методик используется прямое определение, когда из анализируемой смеси выделяется интересующий компонент, который взвешивается в виде индивидуального соединения. Часть элементов периодической системы (например, соединения щелочных металлов и некоторые другие) нередко анализируется по косвенным методикам. В этом случае сначала выделяют два определенных компонента, переводят их в гравиметрическую форму и взвешивают. Затем одно из соединений или оба переводят в другую гравиметрическую форму и снова взвешивают. Содержание каждого компонента определяют путем несложных расчетов.

Наиболее существенным достоинством гравиметрического метода является высокая точность анализа. Обычная погрешность гравиметрического определения составляет 0,1-0,2%. При анализе пробы сложного состава погрешность возрастает до нескольких процентов за счет несовершенства методов разделения и выделения анализируемого компонента. К числу достоинств гравиметрического метода относится также отсутствие каких-либо стандартизации или градуировок по стандартным образцам, необходимых почти в любом другом аналитическом методе. Для расчета результатов гравиметрического анализа требуется знание лишь молярных масс и стехиометрических соотношений.

Титриметрический или объемный метод анализа является одним из методов количественного анализа. Титрование – это постепенное прибавление титрованного раствора реагента (титранта) к анализируемому раствору для определения точки эквивалентности. Титриметрический метод анализа основан на измерении объема реагента точно известной концентрации, затраченного на реакцию взаимодействия с определяемым веществом. В основе этого метода лежит точное измерение объемов растворов двух веществ, реагирующих между собой. Количественное определение с помощью титриметрического метода анализа выполняется довольно быстро, что позволяет проводить несколько параллельных определений и получать более точное среднее арифметическое. В основе всех расчетов титриметрического метода анализа лежит закон эквивалентов. По характеру химической реакции, лежащей в основе определения вещества, методы титриметрического анализа подразделяют на следующие группы: метод нейтрализации или кислотно-основного титрования; метод окисления- восстановления; метод осаждения и метод комплексообразования.

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 .

№ п/п	Материал	П, %
	кирпич
	известняк
	керамзит
	кв. песок

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.

Материал
кирпич
балочка
кубик

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.

На основе анализа оптических спектров атомов и молекул созданы спектральные оптические методы определения химического состава веществ. Эти методы подразделяются на два: изучение спектров испускания исследуемых веществ (эмиссионный спектральный анализ); изучение их спектров поглощения (абсорбционный спектральный анализ, или фотометрия).

При определении химического состава вещества методом эмиссионного спектрального анализа анализируется спектр, испускаемый атомами и молекулами в возбужденном состоянии. Атомы и молекулы переходят в возбужденное состояние под действием высоких температур, достигаемых в пламени горелки, в электрической дуге или в искровом промежутке. Излучение, полученное таким образом, разлагается в спектр дифракционной решеткой или призмой спектрального прибора и регистрируется фотоэлектрическим устройством.

Различают три типа эмиссионных спектров: линейчатые, полосатые и сплошные. Линейчатые спектры испускаются возбужденными атомами и ионами. Полосатые спектры возникают при испускании света раскаленными парами молекул. Сплошные спектры излучаются раскаленными жидкими и твердыми телами.

Качественный и количественный анализ состава исследуемого материала проводят по характерным линиям в спектрах испускания. Для расшифровки спектров применяют таблицы спектральных линий и атласы с наиболее характерными линиями элементов периодической системы Менделеева. Если же необходимо установить лишь наличие тех или иных примесей, то спектр исследуемого вещества сравнивают со спектром эталонного вещества, не содержащего примесей. Абсолютная чувствительность спектральных методов составляет 10 -6 10 -8 г.

Примером применения эмиссионного спектрального анализа служит качественный и количественный анализ арматурной стали: определение примесей кремния, углерода, марганца и хрома в образце. Интенсивности спектральных линий в исследуемом образце сравнивают со спектральными линиями железа, интенсивности которых принимают за эталон.

К оптическим спектральным методам исследования веществ относится также так называемая пламенная спектроскопия, в основе которой лежит измерение излучения вводимого в пламя раствора. Этим методом определяют, как правило, содержание щелочных и щелочноземельных металлов в строительных материалах. Суть метода заключается в том, что раствор исследуемого вещества распыляется в зону пламени газовой горелки, где он переходит в газообразное состояние. Атомы в этом состоянии поглощают свет от стандартного источника, давая линейчатые или полосатые спектры поглощения, или сами испускают излучение, фиксируемое измерительной фотоэлектронной аппаратурой.

Метод молекулярной абсорбционной спектроскопии позволяет получить информацию о взаимном расположении атомов и молекул, внутримолекулярных расстояниях, валентных углах, распределении электронной плотности и пр. В этом методе при прохождении видимого, ультрафиолетового (УФ) или инфракрасного (ИК) излучения через конденсированное вещество происходит частичное или полное поглощение энергии излучения определенных длин волн (частот). Основной задачей оптической абсорбционной спектроскопии является изучение зависимости интенсивности поглощения света веществом от длины волны или частоты колебаний. Полученный спектр поглощения является индивидуальной характеристикой вещества и на егооснове проводят качественные анализы растворов или, например, строительных и цветных стекол.

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).

Конденсорная

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).

300 400 500 600 700

Температура, *С

Рис. 1.3. Термограммы цемента:

1 - негидратированного; 2 - гидратированного в течение 7 сут

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.