Sažetak: Fizičko-hemijske metode za proučavanje građevinskih materijala.

Uvod

Čovječanstvo kroz svoj razvoj koristi zakone kemije i fizike u svom djelovanju kako bi riješilo različite probleme i zadovoljilo mnoge potrebe.

U davna vremena, ovaj proces se odvijao na dva različita načina: svjesno, na osnovu akumuliranog iskustva ili slučajno. Živopisni primjeri svjesne primjene zakona kemije uključuju: kiseljenje mlijeka i njegovu naknadnu upotrebu za pripremu proizvoda od sira, pavlake i drugih stvari; fermentacija nekih sjemenki, na primjer, hmelja i naknadna proizvodnja pivarskih proizvoda; fermentacija sokova različitog voća (uglavnom grožđa, koje sadrži veliku količinu šećera), kao rezultat, dala je vinske proizvode, ocat.

Otkriće vatre bilo je revolucija u životu čovječanstva. Ljudi su počeli koristiti vatru za kuhanje, za toplinsku obradu proizvoda od gline, za rad s raznim metalima, za proizvodnju drvenog uglja i još mnogo toga.

S vremenom ljudi imaju potrebu za funkcionalnijim materijalima i proizvodima na njihovoj osnovi. Njihovo znanje iz oblasti hemije imalo je ogroman uticaj na rešenje ovog problema. Hemija je igrala posebno važnu ulogu u proizvodnji čistih i ultračistih supstanci. Ako u proizvodnji novih materijala prvo mjesto pripada fizičkim procesima i tehnologijama koje se temelje na njima, onda se sinteza ultračistih tvari u pravilu lakše provodi pomoću kemijskih reakcija [

Fizičko-hemijskim metodama proučavaju fizičke pojave koje nastaju u toku hemijskih reakcija. Na primjer, u kolorimetrijskoj metodi intenzitet boje se mjeri ovisno o koncentraciji tvari, u konduktometrijskoj metodi se mjeri promjena električne provodljivosti otopina, a optičke metode koriste odnos između optičkih svojstava tvari. sistema i njegovog sastava.

Za sveobuhvatno proučavanje građevinskih materijala koriste se i fizikalno-hemijske metode istraživanja. Korištenje takvih metoda omogućuje vam dubinsko proučavanje sastava, strukture i svojstava građevinskih materijala i proizvoda. Dijagnostika sastava, strukture i svojstava materijala u različitim fazama njegove proizvodnje i rada omogućuje razvoj progresivnih tehnologija za uštedu resursa i energije [

U ovom radu prikazana je opšta klasifikacija fizičkih i hemijskih metoda za proučavanje građevinskih materijala (termografija, radiografija, optička mikroskopija, elektronska mikroskopija, atomska emisiona spektroskopija, molekularna apsorpciona spektroskopija, kolorimetrija, potenciometrija) i detaljnije se razmatraju metode kao što su termička i X- fazna analiza zraka, kao i metode za proučavanje porozne strukture [ Priručnik za građevinara [Elektronski izvor] // Ministarstvo urbane i ruralne izgradnje Bjeloruske SSR. URL: www.bibliotekar.ru/spravochnick-104-stroymaterialy.html].

1. Klasifikacija fizičkih i hemijskih metoda istraživanja

Fizičke i hemijske metode istraživanja zasnivaju se na bliskoj vezi između fizičkih karakteristika materijala (na primjer, sposobnost apsorpcije svjetlosti, električna provodljivost i drugo) i strukturne organizacije materijala sa stanovišta hemije. Dešava se da se čisto fizičke metode istraživanja izdvajaju kao posebna grupa od fizičko-hemijskih metoda, čime se pokazuje da se u fizičko-hemijskim metodama razmatra određena hemijska reakcija, za razliku od čisto fizičkih. Ove metode istraživanja se često nazivaju instrumentalnimi, jer uključuju upotrebu različitih mjernih uređaja. Instrumentalne metode istraživanja, po pravilu, imaju svoju teorijsku osnovu, ova baza odstupa od teorijske osnove hemijskih studija (titrimetrijska i gravimetrijska). Zasnovala se na interakciji materije sa različitim energijama.

U toku fizičko-hemijskih studija, da bi se dobili potrebni podaci o sastavu i strukturnoj organizaciji supstance, eksperimentalni uzorak se podvrgava uticaju neke vrste energije. Ovisno o vrsti energije u tvarima mijenjaju se energetska stanja njenih sastavnih čestica (molekula, jona, atoma). To se izražava u promjeni određenog skupa karakteristika (na primjer, boja, magnetna svojstva i drugo). Kao rezultat registrovanja promjena u karakteristikama supstance dobijaju se podaci o kvalitativnom i kvantitativnom sastavu ispitivanog uzorka, odnosno podaci o njegovoj strukturi.

Prema raznolikosti uticajnih energija i karakteristikama koje se proučavaju, fizikalno-hemijske metode istraživanja se dijele na sljedeći način.

Tabela 1. Klasifikacija fizičkih i hemijskih metoda

Pored onih navedenih u ovoj tabeli, postoji dosta privatnih fizičko-hemijskih metoda koje se ne uklapaju u takvu klasifikaciju. Zapravo, optičke, kromatografske i potenciometrijske metode se najaktivnije koriste za proučavanje karakteristika, sastava i strukture uzorka [ Galuzo, G.S. Metode proučavanja građevinskog materijala: nastavno sredstvo / G.S. Galuzo, V.A. Bogdan, O.G. Galuzo, V.I. Kovazhnkov. - Minsk: BNTU, 2008. - 227 str.].

2. Metode termičke analize

Termička analiza se aktivno koristi za proučavanje različitih građevinskih materijala - mineralnih i organskih, prirodnih i sintetičkih. Njegova upotreba pomaže da se otkrije prisustvo određene faze u materijalu, da se odrede reakcije interakcije, razgradnje i, u izuzetnim slučajevima, da se dobiju informacije o kvantitativnom sastavu kristalne faze. Mogućnost dobivanja informacija o faznom sastavu visoko dispergiranih i kriptokristalnih polimineralnih smjesa bez podjele na polimineralne frakcije jedna je od glavnih prednosti tehnike. Metode termičkog istraživanja zasnivaju se na pravilima konstantnosti hemijskog sastava i fizičkih karakteristika supstance, pod određenim uslovima, a između ostalog i na zakonima korespondencije i karakteristika.

Zakon korespondencije kaže da se specifični termički efekat može pripisati bilo kojoj promjeni faze u uzorku.

A zakon karakteristika kaže da su termički efekti individualni za svaku hemijsku supstancu.

Osnovna ideja termičke analize je proučavanje transformacija koje nastaju u uslovima povećanja temperaturnih indikatora u sistemima supstanci ili specifičnih jedinjenja u različitim fizičkim i hemijskim procesima, prema termičkim efektima koji ih prate.

Fizički procesi se po pravilu zasnivaju na transformaciji strukturne strukture, odnosno agregativnom stanju sistema sa njegovim konstantnim hemijskim sastavom.

Hemijski procesi dovode do transformacije hemijskog sastava sistema. To uključuje direktnu dehidraciju, disocijaciju, oksidaciju, reakcije izmjene i druge.

U početku, termalne krivulje za krečnjak i glinene stijene je dobio francuski hemičar Henri Louis Le Chatelier 1886-1887. U Rusiji je jedan od prvih koji je proučavao metodu termičkog istraživanja bio akademik N.S. Kurnakov (1904. godine). Ažurirane modifikacije pirometra Kurnakov (aparat za automatsko snimanje krivulja grijanja i hlađenja) i dalje se koriste u većini istraživačkih laboratorija do danas. S obzirom na proučavane karakteristike kao rezultat zagrijavanja ili hlađenja, razlikuju se sljedeće metode termičke analize: diferencijalna termička analiza (DTA) - utvrđuje se promjena energije uzorka koji se proučava; termogravimetrija - promjene mase; dilatometrija - promjena volumena; zapremina gasa - menja se sastav gasne faze; električna provodljivost - promjene električnog otpora.

U toku termičkih istraživanja može se istovremeno primijeniti nekoliko metoda proučavanja, od kojih svaka bilježi promjene u energiji, masi, zapremini i drugim karakteristikama. Sveobuhvatno proučavanje karakteristika sistema tokom procesa grijanja pomaže da se detaljnije i detaljnije prouče osnove procesa koji se u njemu odvijaju.

Jedna od najvažnijih i najčešće korištenih metoda je diferencijalna termička analiza.

Fluktuacije u temperaturnim karakteristikama supstance mogu se otkriti tokom njenog uzastopnog zagrijavanja. Dakle, lončić se puni eksperimentalnim materijalom (uzorkom), stavlja u električnu peć, koja se zagrijava, i počinju mjeriti temperaturne indikatore sistema koji se proučava pomoću jednostavnog termoelementa spojenog na galvanometar.

Registriranje promjene entalpije tvari događa se uz pomoć običnog termoelementa. Ali zbog činjenice da odstupanja koja je moderno vidjeti na temperaturnoj krivulji nisu velika, bolje je koristiti diferencijalni termoelement. U početku je upotrebu ovog termoelementa predložio N.S. Kurnakov. Šematski prikaz samoregistrirajućeg pirometra prikazan je na slici 1.

Ova šematska slika prikazuje par običnih termoparova, koji su međusobno povezani istim krajevima, formirajući takozvani hladni spoj. Preostala dva kraja spojena su na aparat, što vam omogućava da popravite transformacije u krugu elektromotorne sile (EMF) koje se pojavljuju kao rezultat povećanja temperature vrućih spojeva termoelementa. Jedan vrući spoj se nalazi u ispitivanom uzorku, a drugi u referentnoj supstanci.

Slika 1. Šematski prikaz diferencijalnog i jednostavnog termoelementa: 1 - električna peć; 2 - blok; 3 – eksperimentalni uzorak koji se proučava; 4 - referentna supstanca (standard); 5 – vrući spoj termoelementa; 6 – hladni spoj termoelementa; 7 - galvanometar za fiksiranje DTA krive; 8 - galvanometar za fiksiranje temperaturne krive.

Ako su za ispitivani sistem česte neke transformacije koje su povezane sa apsorpcijom ili oslobađanjem toplotne energije, tada njegov temperaturni indeks u ovom trenutku može biti mnogo veći ili niži od referentne referentne supstance. Ova temperaturna razlika dovodi do razlike u vrijednosti EMF-a i, kao rezultat, do odstupanja DTA krive gore ili dolje od nule ili osnovne linije. Nulta linija je linija paralelna sa x-osom i povučena kroz početak DTA krive, to se može vidjeti na slici 2.

Slika 2. Šema jednostavnih i diferencijalnih (DTA) temperaturnih krivulja.

Zapravo, vrlo često nakon završetka neke termičke transformacije, DTA kriva se ne vraća na nultu liniju, već nastavlja da teče paralelno s njom ili pod određenim kutom. Ova linija se naziva bazna linija. Ovo neslaganje između baznih i nultih linija objašnjava se različitim termofizičkim karakteristikama proučavanog sistema supstanci i referentne supstance poređenja [].

3. Metode rendgenske fazne analize

Rentgenske metode za proučavanje građevinskih materijala temelje se na eksperimentima u kojima se koristi rendgensko zračenje. Ova klasa studija se aktivno koristi za proučavanje mineraloškog sastava sirovina i krajnjih proizvoda, faznih transformacija u supstanci u različitim fazama njihove prerade u proizvode spremne za upotrebu i tokom rada, te, između ostalog, za identifikaciju priroda strukturne strukture kristalne rešetke.

Tehnika rendgenskih studija koja se koristi za određivanje parametara elementarne ćelije supstance naziva se tehnika difrakcije rendgenskih zraka. Tehnika, koja se koristi u toku proučavanja faznih transformacija i mineraloškog sastava supstanci, naziva se rendgenska fazna analiza. Metode rendgenske fazne analize (XRF) su od velikog značaja u proučavanju mineralnih građevinskih materijala. Na osnovu rezultata rendgenskih faznih studija dobijaju se informacije o prisustvu kristalnih faza i njihovoj količini u uzorku. Iz ovoga proizilazi da postoje kvantitativne i kvalitativne metode analize.

Svrha kvalitativne rendgenske faze analize je da dobije informacije o prirodi kristalne faze ispitivane supstance. Metode se zasnivaju na činjenici da svaki specifični kristalni materijal ima specifičan rendgenski uzorak sa vlastitim skupom difrakcijskih pikova. U naše vrijeme postoje pouzdani rendgenski podaci o većini kristalnih tvari poznatih čovjeku.

Zadatak kvantitativnog sastava je da dobije informaciju o broju specifičnih faza u polifaznim polikristalnim supstancama, a temelji se na ovisnosti intenziteta difrakcijskih maksimuma o postotku faze koja se proučava. Sa povećanjem količine bilo koje faze, njen intenzitet refleksije postaje veći. Ali za polifazne supstance, odnos između intenziteta i količine ove faze je dvosmislen, jer veličina intenziteta refleksije ove faze zavisi ne samo od njenog procenta, već i od vrednosti μ, koja karakteriše koliko je X- snop zraka je oslabljen kao rezultat prolaska kroz materijal koji se proučava. Ova vrijednost slabljenja materijala koji se proučava ovisi o vrijednostima slabljenja i količini drugih faza koje su također uključene u njegov sastav. Iz ovoga proizilazi da svaka metoda kvantitativne analize mora na neki način uzeti u obzir učinak indeksa slabljenja, kao rezultat promjene u sastavu uzoraka, čime se narušava direktna proporcionalnost između količine ove faze i stepena intenziteta njegove refleksije difrakcije [ Makarova, I.A. Fizičke i hemijske metode istraživanja građevinskih materijala: studijski vodič / I.A. Makarova, N.A. Lokhov. - Bratsk: Iz BrGU, 2011. - 139 str. ].

Opcije za dobijanje rendgenskih snimaka dele se, na osnovu metode registracije zračenja, na fotografske i difraktometrijske. Korištenje metoda prvog tipa uključuje foto-registraciju rendgenskih zraka, pod čijim utjecajem se uočava zamračenje fotografske emulzije. Difraktometrijske metode za dobijanje rendgenskih uzoraka, koje se implementiraju u difraktometrima, razlikuju se od fotografskih metoda po tome što se difrakcijski uzorak dobiva uzastopno tijekom vremena [ Pindyuk, T.F. Metode za proučavanje građevinskih materijala: smjernice za laboratorijski rad / T.F. Pindyuk, I.L. Chulkov. - Omsk: SibADI, 2011. - 60 str. ].

4. Metode za proučavanje porozne strukture

Građevinski materijali imaju heterogenu i prilično složenu strukturu. Unatoč raznolikosti i porijeklu materijala (beton, silikatni materijali, keramika), u njihovoj strukturi uvijek postoje različite pore.

Termin "poroznost" povezuje dva najvažnija svojstva materijala - geometriju i strukturu. Geometrijska karakteristika je ukupni volumen pora, veličina pora i njihova ukupna specifična površina, koji određuju poroznost strukture (materijal s velikim porama ili materijal s finim porama). Strukturna karakteristika je vrsta pora i njihova distribucija po veličini. Ova svojstva se mijenjaju ovisno o strukturi čvrste faze (granulirana, ćelijska, vlaknasta, itd.) i strukturi samih pora (otvorene, zatvorene, komunicirajuće).

Glavni utjecaj na veličinu i strukturu poroznih formacija imaju svojstva sirovine, sastav smjese i tehnološki proces proizvodnje. Najvažnije karakteristike su distribucija veličine čestica, zapremina veziva, procenat vlage u sirovini, metode oblikovanja finalnog proizvoda, uslovi za formiranje konačne strukture (sinterovanje, fuzija, hidratacija i dr.). Specijalizirani aditivi, tzv. modifikatori, imaju snažan utjecaj na strukturu poroznih formacija. Tu spadaju, na primjer, aditivi za gorivo i zapaljivi aditivi, koji se unose u sastav punjenja prilikom proizvodnje keramičkih proizvoda, a osim toga, površinski aktivne tvari se koriste kako u keramici tako iu materijalima na bazi cementa. Pore ​​se razlikuju ne samo po veličini, već i po obliku, a kapilarni kanali koje stvaraju imaju promjenjiv poprečni presjek cijelom dužinom. Sve formacije pora dijele se na zatvorene i otvorene, kao i na kanalotvorne i slijepe.

Strukturu poroznih građevinskih materijala karakteriše kombinacija svih vrsta pora. Porozne formacije mogu biti nasumično locirane unutar supstance, ili mogu imati određeni red.

Pori kanali imaju vrlo složenu strukturu. Zatvorene pore su odsječene od otvorenih pora i ni na koji način nisu povezane jedna s drugom i sa vanjskim okruženjem. Ova klasa pora je nepropusna za plinovite tvari i tekućine i kao rezultat toga ne spada u opasne. Otvorene porozne formacije koje formiraju kanale i slijepe ulice mogu se lako ispuniti vodenim okolišem. Njihovo punjenje se odvija prema različitim shemama i uglavnom ovisi o površini poprečnog presjeka i dužini pornih kanala. Kao rezultat običnog zasićenja, ne mogu se svi porozni kanali napuniti vodom, na primjer, najmanje pore manje od 0,12 mikrona se nikada ne popunjavaju zbog prisustva zraka u njima. Velike porozne formacije se vrlo brzo pune, ali u zraku, kao rezultat niske vrijednosti kapilarnih sila, voda se u njima slabo zadržava.

Količina vode koju apsorbira tvar ovisi o veličini poroznih formacija i o karakteristikama adsorpcije samog materijala.

Da bi se utvrdio odnos između porozne strukture i fizičko-hemijskih karakteristika materijala, nije dovoljno znati samo opću vrijednost volumena poroznih formacija. Opća poroznost ne određuje strukturu tvari; ovdje važnu ulogu igra princip raspodjele veličine pora i prisutnost poroznih formacija određene veličine.

Geometrijski i strukturni pokazatelji poroznosti građevinskih materijala razlikuju se i na mikro i na makro nivou. G.I. Gorčakov i E.G. Muradov je razvio eksperimentalno-računsku tehniku ​​za identifikaciju ukupne i grupne poroznosti betonskih materijala. Osnova tehnike leži u činjenici da se tokom eksperimenta nivo hidratacije cementa u betonu određuje pomoću kvantitativne rendgenske studije ili približno zapreminom vode vezane cementnim vezivom ω, koja nije isparila tokom sušenja. na temperaturi od 150 ºS: α = ω/ ω max .

Volumen vezane vode sa potpunom hidratacijom cementa je u rasponu od 0,25 - 0,30 (prema masi nekalciniranog cementa).

Zatim se pomoću formula iz tabele 1 izračunava poroznost betona u zavisnosti od nivoa hidratacije cementa, njegove potrošnje u betonu i količine vode [ Makarova, I.A. Fizičke i hemijske metode istraživanja građevinskih materijala: studijski vodič / I.A. Makarova, N.A. Lokhov. - Bratsk: Iz BrGU, 2011. - 139 str. ].

Svojstva materijala u velikoj mjeri su određena njihovim sastavom i strukturom pora. Stoga je za dobijanje materijala sa željenim svojstvima važno imati jasno razumevanje procesa formiranja strukture i novonastalih neoplazmi, što se proučava na mikro- i molekularno-jonskom nivou.

U nastavku se razmatraju najčešće fizikalno-hemijske metode analize.

Petrografska metoda se koristi za proučavanje različitih materijala: cementnog klinkera, cementnog kamena, betona, stakla, vatrostalnih materijala, troske, keramike itd. Metoda svjetlosne mikroskopije usmjerena je na određivanje optičkih svojstava karakterističnih za svaki mineral, a koja su određena njegovim unutrašnjim struktura. Glavna optička svojstva minerala su indeksi prelamanja, dvostruka moć prelamanja, oštrina, optički znak, boja itd. Postoji nekoliko modifikacija
ove metode: polarizaciona mikroskopija je dizajnirana za proučavanje uzoraka u obliku praha u posebnim aparatima za uranjanje (imerzione tekućine imaju određene indekse prelamanja); mikroskopija u propuštenoj svjetlosti - za proučavanje prozirnih dijelova materijala; reflektovana svjetlosna mikroskopija poliranih dijelova. Za ove studije koriste se polarizacijski mikroskopi.

Elektronska mikroskopija se koristi za proučavanje finokristalne mase. Moderni elektronski mikroskopi imaju korisno uvećanje do 300.000 puta, što vam omogućava da vidite čestice veličine 0,3-0,5 nm (1 nm = 10'9 m). Takav duboki prodor u svijet malih čestica postao je moguć zahvaljujući korištenju elektronskih zraka u mikroskopiji, čiji su valovi višestruko kraći od vidljive svjetlosti.

Koristeći elektronski mikroskop, možete proučavati: oblik i veličinu pojedinačnih submikroskopskih kristala; procesi rasta i uništavanja kristala; procesi difuzije; fazne transformacije tokom termičke obrade i hlađenja; mehanizam deformacije i razaranja.

U posljednje vrijeme se koriste rasterski (skenirajući) elektronski mikroskopi. Ovo je uređaj zasnovan na televizijskom principu skeniranja tankog snopa elektrona (ili jona) na površini uzorka koji se proučava. Snop elektrona stupa u interakciju sa supstancom, kao rezultat toga nastaje niz fizičkih pojava, registrirajući zračenje senzorima i primjenom signala na kineskop, dobijaju reljefnu sliku slike površine uzorka na ekranu (slika 1.1. ).

kondenzator

Rentgenska analiza je metoda proučavanja strukture i sastava tvari eksperimentalnim proučavanjem difrakcije rendgenskih zraka u ovoj tvari. Rendgenski zraci su iste poprečne elektromagnetne oscilacije kao i vidljiva svetlost, ali sa kraćim talasima (talasna dužina 0,05-0,25 10"9 m). Dobivaju se u rendgenskoj cevi kao rezultat sudara katodnih elektrona sa anodom sa velika razlika Upotreba X-zraka za proučavanje kristalnih supstanci zasniva se na činjenici da je njegova talasna dužina uporediva sa međuatomskim rastojanjima u kristalnoj rešetki supstance, koja je prirodna difrakciona rešetka za X-zrake.

Svaka kristalna supstanca se karakteriše sopstvenim skupom specifičnih linija na rendgenskom snimku. Ovo je osnova za kvalitativnu rendgensku faznu analizu, čiji je zadatak da odredi (identifikuje) prirodu kristalnih faza sadržanih u materijalu. Difrakcioni uzorak rendgenskih zraka u prahu polimineralnog uzorka uspoređuje se ili sa uzorcima difrakcije rendgenskih zraka sastavnih minerala ili sa tabelarnim podacima (slika 1.2).

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

Rice. 1.2. Radiografije uzoraka: a) cementa; b) cementni kamen

Rendgenska fazna analiza se koristi za kontrolu sirovina i gotovih proizvoda, za praćenje tehnoloških procesa, kao i za detekciju grešaka.

Za određivanje mineralno-faznog sastava građevinskih materijala (DTA) koristi se diferencijalna termička analiza. Osnova metode je da se fazne transformacije koje se dešavaju u materijalu mogu suditi prema toplinskim efektima koji prate ove transformacije. Tokom fizičkih i hemijskih procesa transformacije materije, energija u obliku toplote se može apsorbovati ili oslobađati iz nje. Uz apsorpciju topline, na primjer, procesi kao što su dehidracija, disocijacija, topljenje su endotermni procesi.

Oslobađanje topline je praćeno oksidacijom, stvaranjem novih spojeva, prijelazom iz amorfnog stanja u kristalno - to su egzotermni procesi. Uređaji za DTA su derivatografi, koji tokom analize bilježe četiri krive: jednostavne i diferencijalne krive grijanja i, shodno tome, krivulje gubitka mase. Suština DTA je da se ponašanje materijala upoređuje sa standardom - supstancom koja ne prolazi kroz nikakve termičke transformacije. Endotermni procesi daju depresije na termogramima, a egzotermni procesi daju vrhove (slika 1.3).

300 400 500 600 700 Temperatura, *S Rice. 1.3. Termogrami cementa: 1 - nehidratisan; 2 - hidratiziran 7 dana

Spektralna analiza je fizička metoda za kvalitativnu i kvantitativnu analizu supstanci na osnovu proučavanja njihovih spektra. U proučavanju građevinskih materijala uglavnom se koristi infracrvena (IR) spektroskopija, koja se zasniva na interakciji ispitivane supstance sa elektromagnetnim zračenjem u infracrvenom području. IR spektri su povezani sa vibracijskom energijom atoma i rotacionom energijom molekula i karakteristični su za određivanje grupa i kombinacija atoma.

Instrumenti-spektrofotometri vam omogućavaju automatsko snimanje infracrvenih spektra (slika 1.4).

a) cementni kamen bez aditiva; b) cementni kamen sa dodatkom

Osim ovih metoda, postoje i druge koje vam omogućavaju da odredite posebna svojstva tvari. Moderne laboratorije opremljene su brojnim kompjuterizovanim uređajima koji omogućavaju multivarijantnu kompleksnu analizu gotovo svih materijala.

- 176.21 Kb

Saratovski državni tehnički univerzitet

Građevinarstvo - Arhitektura - Institut za puteve

Sektor: "Proizvodnja građevinskih proizvoda i konstrukcija"

Kontrolni rad na disciplini:

"Metode za proučavanje građevinskih materijala"

Saratov 2012

1. Direktne i indirektne metode promjene. Metoda kalibracione krive, molarna svojstva i aditivi. Ograničenja primjenjivosti metoda. 3
2. Potenciometrija: teorijske osnove, komponente uređaja za potenciometrijsku titraciju (vodikova elektroda, srebrohloridna elektroda - princip rada). 10

Bibliografija. 16

1. Direktne i indirektne metode mjerenja. Metoda kalibracione krive, molarna svojstva i aditivi. Ograničenja primjenjivosti metoda.

Fizičke i hemijske metode analize - to su metode u kojima se analizirane supstance podvrgavaju hemijskim transformacijama, a analizirani signal je fizička veličina koja zavisi od koncentracije određene komponente. Hemijske transformacije doprinose izolaciji, vezivanju analizirane komponente ili njenom pretvaranju u oblik koji je lako prepoznati. Tako se detektibilni medij formira tokom same analize.

U gotovo svim fizičko-hemijskim metodama analize koriste se dvije glavne metodološke tehnike: metoda direktnog mjerenja i metoda titracije (metoda indirektnih mjerenja).

Direktne metode

U direktnim mjerenjima koristi se ovisnost analitičkog signala o prirodi analita i njegovoj koncentraciji. U spektroskopiji, na primjer, talasna dužina spektralne linije određuje svojstvo prirode supstance, a kvantitativna karakteristika je intenzitet spektralne linije.

Dakle, prilikom kvalitativne analize signal je fiksan, a kod kvantitativne analize se mjeri intenzitet signala.

Uvijek postoji veza između intenziteta signala i koncentracije tvari, što se može predstaviti izrazom:

I \u003d K C,

gdje je: I - intenzitet analitičkog signala;

K je konstanta;

C je koncentracija supstance.

U analitičkoj praksi najčešće se koriste sljedeće metode direktnog kvantitativnog određivanja:

1) metoda kalibracione krive;

2) metoda molarnih svojstava;

3) način dopuna.

Svi su bazirani na upotrebi standardnih uzoraka ili standardnih otopina.

Metoda kalibracione krive.

U skladu sa Bouguer - Lambert - Beerovim zakonom, dijagram optičke gustoće u odnosu na koncentraciju mora biti linearan i proći kroz nultu vrijednost.

Pripremite seriju standardnih otopina različitih koncentracija i izmjerite optičku gustoću pod istim uvjetima. Da bi se poboljšala tačnost određivanja, broj tačaka na grafikonu treba da bude najmanje tri do četiri. Zatim se određuje optička gustoća ispitne otopine A x i odgovarajuća vrijednost koncentracije C x nalazi se iz grafikona (Sl. 1.).

Interval koncentracije standardnih otopina je odabran tako da koncentracija ispitne otopine približno odgovara sredini ovog intervala.

Metoda je najčešća u fotometriji. Glavna ograničenja metode povezana su s napornim procesom pripreme standardnih otopina i potrebom da se uzme u obzir utjecaj stranih komponenti u ispitnom rastvoru. Metoda se najčešće koristi za serijske analize.

Fig.1. Kalibracioni dijagram apsorpcije u odnosu na koncentraciju.

U ovoj metodi, intenzitet analitičkog signala I se mjeri za nekoliko standardnih uzoraka i konstruiše se kalibraciona kriva, obično u koordinatama I = f(c), gdje je c koncentracija analita u standardnom uzorku. Zatim se, pod istim uslovima, meri intenzitet signala analiziranog uzorka i iz kalibracionog grafikona utvrđuje koncentracija analizirane supstance.

Ako je kalibracijski graf opisan jednadžbom y = b C, onda se može izgraditi pomoću jednog standarda, a prava linija će izaći iz početka. U ovom slučaju, analitički signali se mjere za jedan standardni uzorak i uzorak. Zatim se izračunavaju greške i pravi korektivni graf.

Ako je kalibracijska kriva izgrađena prema jednačini y = a + b C, tada se moraju koristiti najmanje dva etalona. U stvarnosti, dva do pet standarda se koriste za smanjenje greške.

Interval koncentracije na kalibracionoj krivulji treba da pokriva očekivani opseg analiziranih koncentracija, a sastav standardnog uzorka ili rastvora treba da bude blizak sastavu analiziranog. U praksi se ovaj uslov retko postiže, pa je poželjno imati širok spektar standardnih uzoraka različitih sastava.

U jednačini prave linije y = a + b C, vrijednost b karakterizira nagib prave linije i naziva se instrumentalni koeficijent osjetljivosti. Što je b veći, veći je nagib grafika i manja je greška u određivanju koncentracije.

Može se koristiti i složenija ovisnost, osim toga, prevođenje funkcija u logaritamske koordinate omogućava slabljenje utjecaja sporednih procesa i sprječavanje pojave greške.

Kalibracionu krivu treba izgraditi neposredno prije mjerenja, međutim, u analitičkim laboratorijama, kada se izvode serijske analize, koristi se konstantna, unaprijed dobijena dijagrama. U tom slučaju je potrebno periodično provjeravati ispravnost rezultata analiza tokom vremena. Učestalost kontrole zavisi od veličine serije uzoraka. Dakle, za seriju od 100 uzoraka radi se jedna kontrolna analiza na svakih 15 uzoraka.

Metoda molarnih svojstava.

Također mjeri intenzitet analitičkog signala (I = Ac) za nekoliko standardnih uzoraka i izračunava molarno svojstvo A, tj. intenzitet analitičkog signala proporcionalan 1 molu supstance: A = I/c st. .

Ili se prosječna molarna svojstva izračunava izrazom:

Ā=1/n i ∑I/S, (1.7.4)

gdje je: Ā – prosječna molarna svojstva;

n i je broj mjerenja i-tog standardnog uzorka;

I je intenzitet signala;

C - koncentracija

Zatim se pod istim uslovima mjeri intenzitet signala analiziranog uzorka i iz omjera sa x = I/A izračunava koncentracija analizirane komponente.

Metoda pretpostavlja usklađenost sa omjerom I = Ac.

aditivna metoda.

Kada je sastav uzorka nepoznat ili nedovoljno podataka, i kada nisu dostupni odgovarajući referentni materijali, koristi se metoda dodavanja. Omogućava da se u velikoj mjeri eliminišu sistematske greške kada postoji neslaganje između sastava standarda i uzoraka.

Metoda dodavanja zasniva se na uvođenju u seriju uzoraka analiziranog rastvora (A x) iste mase i zapremine uzoraka tačno poznate količine komponente koja se određuje (a) sa poznatom koncentracijom (C a). U ovom slučaju, intenzitet analitičkog signala uzorka se mjeri prije uvođenja (I x) i nakon uvođenja dodatne komponente (I x + a).

Ova metoda se koristi za analizu složenih rješenja, jer vam omogućava da automatski uzmete u obzir utjecaj stranih komponenti analiziranog uzorka. Prvo se mjeri optička gustoća ispitne otopine s nepoznatom koncentracijom.

A x \u003d C x,

Zatim se analiziranom rastvoru dodaje poznata količina standardnog rastvora komponente koju treba odrediti (C st) i meri se optička gustina A. x+st :

A x + st \u003d (C x + C st),

gdje

C x \u003d C st ·.

Da bi se poboljšala tačnost, standardno rješenje komponente koja se treba odrediti dodaje se dva puta i rezultat se prosječuje.

Koncentracija analita u metodi dodavanja može se naći grafički (slika 2.).

Fig.2. Kalibracijska kriva za određivanje koncentracije tvari metodom adicija.

Poslednja jednadžba pokazuje da ako izgradite graf od A x + st kao funkcije C st, dobijate pravu liniju, čija ekstrapolacija na presek sa x-osom daje segment jednak - C x. Zaista, kada je A x + st = 0, iz iste jednadžbe slijedi da je - C st \u003d C x.

Stoga se u ovoj metodi prvo mjeri intenzitet analitičkog signala uzorka I x, a zatim se u uzorak unosi poznata zapremina standardne otopine do koncentracije sa ul . i ponovo se meri intenzitet signala I x+st. , dakle

I x \u003d Ac x, I x + st. = A(c x + c st.)

sa x \u003d s čl.

Metoda također pretpostavlja usklađenost sa omjerom I = Ac.

Broj uzoraka sa aditivima promenljivih količina analita može varirati u širokim granicama.

Metoda indirektnih mjerenja

Indirektna mjerenja se koriste u titraciji analiziranog uzorka konduktometrijskim, potenciometrijskim i nekim drugim metodama.

U ovim metodama, tokom titracije, mjeri se intenzitet analitičkog signala - I i crta titraciona kriva u koordinatama I - V, gdje je V zapremina dodanog titranta u ml.

Prema krivulji titracije, nalazi se tačka ekvivalencije i vrši se proračun, prema odgovarajućim analitičkim izrazima:

Q in-va \u003d T g / ml Vml (ekviv.)

Vrste titracionih krivulja su veoma raznovrsne, zavise od metode titracije (konduktometrijska, potenciometrijska, fotometrijska itd.), kao i od intenziteta analitičkog signala, koji zavisi od pojedinačnih faktora uticaja.

1. Potenciometrija: teorijske osnove, komponente uređaja za potenciometrijsku titraciju (vodikova elektroda, srebrohloridna elektroda - princip rada).

Elektrohemijske metode analize su skup metoda kvalitativne i kvantitativne analize zasnovane na elektrohemijskim pojavama koje se javljaju u medijumu koji se proučava ili na granici faze i koje su povezane sa promenom strukture, hemijskog sastava ili koncentracije analita. Uključuje sljedeće glavne grupe: konduktometrija, potenciometrija, voltametrija, kulometrija.

Potenciometrija

Potenciometrijska metoda analize zasniva se na mjerenju elektrodnih potencijala i elektromotornih sila u otopinama elektrolita.

Postoje direktna potenciometrija i potenciometrijska titracija.

Direktna potenciometrija koristi se za direktno određivanje aktivnosti (a) jona u otopini, pod uvjetom da je elektrodni proces (tj. koji se odvija na površini elektrode) reverzibilan. Ako su poznati pojedinačni koeficijenti aktivnosti komponenata (f), tada se koncentracija (c) komponente može direktno odrediti: . Metoda direktne potenciometrije je pouzdana zbog odsustva difuzionog potencijala u otopini, što narušava rezultate analize (potencijal difuzije je povezan s razlikom u koncentracijama analita na površini elektrode i u volumenu elektrode). rješenje).

Kratki opis

Fizičko-hemijske metode analize su metode u kojima se analizirane supstance podvrgavaju hemijskim transformacijama, a analizirani signal je fizička veličina koja zavisi od koncentracije određene komponente. Hemijske transformacije doprinose izolaciji, vezivanju analizirane komponente ili njenom pretvaranju u oblik koji je lako prepoznati. Tako se detektibilni medij formira tokom same analize.

U gotovo svim fizičko-hemijskim metodama analize koriste se dvije glavne metodološke tehnike: metoda direktnog mjerenja i metoda titracije (metoda indirektnih mjerenja).

Bibliografija.

Akustičke metode se zasnivaju na snimanju parametara elastičnih vibracija pobuđenih u kontrolisanoj strukturi. Oscilacije se obično pobuđuju u ultrazvučnom opsegu (koji smanjuje smetnje) uz pomoć piezometrijskog ili elektromagnetnog pretvarača, uticajem na konstrukciju, a takođe i kada se struktura same konstrukcije promeni usled primene opterećenja.

Akustičke metode se koriste za kontrolu kontinuiteta (detekcija inkluzija, šupljina, pukotina itd.), debljine, strukture, fizičkih i mehaničkih svojstava (čvrstoća, gustoća, modul elastičnosti, modul smicanja, Poissonov koeficijent), proučavanje kinetike loma.

Prema frekvencijskom opsegu, akustičke metode se dijele na ultrazvučne i zvučne, prema načinu pobuđivanja elastičnih vibracija - na piezoelektrične, mehaničke, elektromagnetno-akustične, samopobudne pri deformacijama. U ispitivanju bez razaranja akustičnim metodama bilježe se frekvencija, amplituda, vrijeme, mehanička impedansa (prigušenje) i spektralni sastav oscilacija. Primijenite uzdužne, posmične, poprečne, površinske i normalne akustične valove. Režim emisije vibracija može biti kontinuiran ili impulsni.

Grupa akustičkih metoda uključuje senku, rezonantnu, eho-pulsnu, akustičnu emisiju (emisija), velosimetričnu, impedansnu, slobodne vibracije.

Metoda sjene koristi se za detekciju grešaka i temelji se na uspostavljanju akustične sjene koja nastaje iza defekta zbog refleksije i raspršivanja akustičnog snopa. Rezonantna metoda se koristi za detekciju grešaka i mjerenje debljine. Ovom metodom se određuju frekvencije koje izazivaju rezonanciju oscilacija duž debljine strukture koja se proučava.

Za detekciju grešaka i mjerenje debljine koristi se pulsna metoda (eho). Postavlja se akustični impuls koji se reflektuje od defekata ili površine. Emisiona metoda (metoda akustične emisije) temelji se na emisiji valova elastične vibracije defektima, kao i dijelovima konstrukcije pod opterećenjem. Određuje se prisutnost i lokacija defekata, razina naprezanja. zračenje detekcije grešaka akustičnog materijala

Velosimetrična metoda se zasniva na fiksiranju brzina vibracija, uticaja defekata na brzinu širenja talasa i dužinu putanje talasa u materijalu. Metoda impedanse zasniva se na analizi promjena slabljenja talasa u zoni defekta. Metoda slobodnih vibracija analizira frekventni spektar prirodnih vibracija konstrukcije nakon udara.

Prilikom primjene ultrazvučne metode, emiteri i prijemnici (ili tragači) služe za pobuđivanje i primanje ultrazvučnih vibracija. Izrađeni su od istog tipa i predstavljaju piezoelektričnu ploču 1 postavljenu u prigušivač 2, koja služi za prigušivanje slobodnih vibracija i zaštitu piezoelektrične ploče (Sl. 1).

Rice. 1. Dizajni "tragača i sheme za njihovu instalaciju:

a - dijagram normalnog tragača (emiter ili prijemnik vibracija); b - šema tražila za unos ultrazvučnih talasa pod uglom prema površini; c - dijagram dvoelementnog tražila; g - koaksijalni položaj emitera i prijemnika sa sondiranjem od kraja do kraja; d - isto, dijagonala; e - površinsko sondiranje; g - kombinovano sondiranje; 1 - piezoelektrični element; 2 -- amortizer; 3 -- zaštitnik; 4 - mast na kontaktu; 5 - uzorak za ispitivanje; 6 - tijelo; 7 - zaključci; 8 - prizma za uvođenje talasa pod uglom; 9 -- pregrada; 10 -- emiteri i prijemnici;

Ultrazvučni talasi se reflektuju, lome i difraktiraju u skladu sa zakonima optike. Ova svojstva se koriste za hvatanje vibracija u mnogim metodama ispitivanja bez razaranja. U ovom slučaju, usko usmjereni snop valova koristi se za proučavanje materijala u datom smjeru. Položaj emitera i prijemnika oscilacija, u zavisnosti od svrhe istraživanja, može biti različit u odnosu na strukturu koja se proučava (slika 1, d-g).

Razvijeni su brojni uređaji u kojima se koriste gore navedene metode ultrazvučnih vibracija. U praksi građevinskih istraživanja koriste se uređaji GSP UK14P, Beton-12, UF-10 P, UZD-MVTU, GSP UK-YUP i dr. Uređaji "Beton" i UK izrađuju se na tranzistorima i odlikuju se malim težina i dimenzije. Instrumenti UK utvrđuju brzinu ili vrijeme širenja talasa.

Ultrazvučne vibracije u čvrstim tijelima dijele se na uzdužne, poprečne i površinske (slika 2, a).

Rice. 2.

a - ultrazvučni uzdužni, poprečni i površinski talasi; b, c - metoda sjene (defekt izvan zone iu zoni sondiranja); 1 -- pravac vibracije; 2 - talasi; 3 - generator; 4 - emiter; 5 -- prijemnik; 6 - pojačalo; 7 -- indikator; 8 test uzorak) 9 - defekt

Postoje zavisnosti između parametara oscilovanja

Dakle, fizička i mehanička svojstva materijala su povezana sa parametrima vibracija. U metodama ispitivanja bez razaranja ovaj odnos se koristi. Razmotrimo jednostavne i široko korištene metode ultrazvučnog testiranja: metode sjene i eho.

Određivanje defekta metodom senke odvija se na sledeći način (vidi sliku 2, b): generator 3 neprekidno emituje vibracije kroz emiter 4 u materijal koji se proučava 8, a preko njega u prijemnik vibracija 5. U nedostatku kvar 9, vibracije se percipiraju prijemnikom 5 gotovo bez slabljenja i snimaju se preko pojačala 6 indikatora 7 (osciloskop, voltmetar). Defekt 9 reflektuje deo energije vibracije, zatamnjujući prijemnik 5. Primljeni signal se smanjuje, što ukazuje na prisustvo defekta. Metoda sjene ne dozvoljava određivanje dubine defekta i zahtijeva bilateralni pristup, što ograničava njegove mogućnosti.

Detekcija kvarova i merenje debljine metodom eho-pulsa vrši se na sledeći način (slika 3): generator 1 šalje kratke impulse uzorku 4 preko emitera 2, a skeniranje na čekanju na ekranu osciloskopa omogućava vam da vidite poslati impuls 5 Nakon slanja impulsa, emiter se prebacuje da prima reflektovane talase. Na ekranu se posmatra donji signal 6 reflektovan sa suprotne strane konstrukcije. Ako postoji defekt na putu valova, tada signal koji se odbija od njega dolazi do prijemnika prije donjeg signala. Zatim je na ekranu osciloskopa vidljiv još jedan signal 8, što ukazuje na nedostatak u dizajnu. Udaljenost između signala i brzina širenja ultrazvuka se koristi za procjenu dubine defekta.

Rice. 3.

a - eho metoda bez defekta; 6 - isto, sa defektom; u određivanju dubine pukotine; g - određivanje debljine; 1 - generator; 2 - emiter; 3 - reflektovani signali; 4 - uzorak; 5 - poslati impuls 6 - donji impuls; 7 defekt; 8 -- prosječni impuls; 9 - pukotina; 10 - poluval

Prilikom određivanja dubine pukotine u betonu, emiter i prijemnik se nalaze u točkama A i B simetrično u odnosu na pukotinu (sl. 3, c). Oscilacije od tačke A do tačke B dolaze duž najkraćeg puta DIA = V 4n + a2;

gdje je V brzina; 1H je vrijeme određeno u eksperimentu.

Prilikom detekcije mana betona ultrazvučnom pulsnom metodom koristi se sondiranje i uzdužno profiliranje. Obje metode omogućavaju otkrivanje defekta promjenom vrijednosti brzine uzdužnih valova ultrazvuka pri prolasku kroz defektno područje.

Metoda sondiranja može se koristiti i u prisustvu armature u betonu, ako je moguće izbjeći direktno prelaženje sondažnog puta same šipke. Sekcije konstrukcije se uzastopno ozvučavaju i označavaju tačke na koordinatnoj mreži, a zatim linije jednakih brzina - izobrzine, ili linije jednakog vremena - izohore, s obzirom na koje je moguće razlikovati dio konstrukcije na kojem je neispravan beton (zona smanjenih brzina).

Metoda uzdužnog profiliranja omogućava izvođenje detekcije grešaka kada se emiter i prijemnik nalaze na istoj površini (defektoskopija putnih i aerodromskih premaza, temeljnih ploča, monolitnih podnih ploča itd.). Ovom metodom se također može odrediti dubina (sa površine) oštećenja betona korozijom.

Debljina konstrukcije s jednostranim pristupom može se odrediti rezonantnom metodom korištenjem komercijalno dostupnih ultrazvučnih mjerača debljine. Uzdužne ultrazvučne vibracije kontinuirano se emituju u konstrukciju s jedne strane (slika 2.4, d). Talas 10 reflektiran od suprotnog lica ide u suprotnom smjeru. Ako su debljina H i poluvalna dužina jednake (ili ako se ove vrijednosti pomnože), izravni i reflektirani valovi se poklapaju, što dovodi do rezonancije. Debljina je određena formulom

gdje je V brzina prostiranja talasa; / -- rezonantna frekvencija.

Čvrstoća betona može se odrediti pomoću IAP mjerača prigušenja amplitude (slika 2.5, a), koji radi rezonantnom metodom. Vibracije konstrukcije pobuđuju se snažnim zvučnikom koji se nalazi na udaljenosti od 10-15 mm od konstrukcije. Prijemnik pretvara vibracije konstrukcije u električne vibracije koje se prikazuju na ekranu osciloskopa. Frekvencija prisilnih oscilacija se glatko mijenja sve dok se ne poklopi sa frekvencijom prirodnih oscilacija i dobije se rezonancija. Rezonantna frekvencija se snima na skali generatora. Za beton konstrukcije koja se ispituje preliminarno se gradi kalibracijska kriva prema kojoj se određuje čvrstoća betona.

Fig.4.

a - opšti prikaz merača slabljenja amplitude; b - šema za određivanje frekvencije prirodnih uzdužnih vibracija grede; c - šema za određivanje frekvencije prirodnih vibracija savijanja grede; g - šema za ispitivanje metodom udara; 1 - uzorak; 2, 3 -- emiter (uzbuđivač) i prijemnik vibracije; 4 - generator; 5 - pojačalo; 6 -- blok registracija frekvencije sopstvenih oscilacija; 7 - startni sistem sa generatorom impulsa za brojanje i mikroštopericom; 8 -- udarni talas

Prilikom određivanja frekvencija savijanja, uzdužnih i torzijskih vibracija, uzorak 1, pobudnik 2 i prijemnik vibracija 3 ugrađuju se u skladu sa dijagramima na slikama 4, b, f. -15 puta od prirodne frekvencije ispitivanog elementa.

Čvrstoća betona se može odrediti udarnom metodom (slika 4, d). Metoda se koristi kada je dužina konstrukcije dovoljno duga, jer niska frekvencija oscilovanja ne omogućava postizanje veće točnosti mjerenja. Na konstrukciju su postavljena dva prijemnika vibracija s dovoljno velikim razmakom između njih (baza). Prijemnici su preko pojačivača povezani na startni sistem, brojač i mikroštopericu. Nakon što udari u kraj konstrukcije, udarni val stiže do prvog prijemnika 2, koji preko pojačala 5 uključuje mjerač vremena 7. Kada val stigne do drugog prijemnika 3, odbrojavanje vremena prestaje. Brzina V se izračunava pomoću formule

V \u003d - gdje je a baza; Ja-- bazno tranzitno vrijeme.