Физико-химические методы исследований материалов. Акустические 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:

1. отбор представительной пробы, отражающей средний состав анализируемого материала или местное распределение определяемых элементов в материале;
2. введение пробы в источник излучения, в котором происходят испарение твёрдых и жидких проб, диссоциация соединений и возбуждение атомов и ионов;
3. преобразование их свечения в спектр и его регистрация (либо визуальное наблюдение) с помощью спектрального прибора;
4. 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:

1. 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.
2. 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.

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 изломы.

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.

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 изломы.

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.

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.

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.

Страница 1

Введение.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Физико-химические методы анализа и их классификация.

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

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

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

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

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

Таблица 2.1.1.

Акустические методы основаны на регистрации параметров упругих колебаний, возбужденных в контролируемой конструкции. Колебания возбуждаются обычно в ультразвуковом диапазоне (что уменьшает помехи) с помощью пьезометрического или электромагнитного преобразователя, удара по конструкции, а также при изменении структуры самой конструкции вследствие приложения нагрузки.

Акустические методы применяют для контроля сплошности (выявления включений, раковин, трещин и др.), толщины, структуры, физико-механических свойств (прочности, плотности, модуля упругости, модуля сдвига, коэффициента Пуассона), изучения кинетики разрушения.

По частотному диапазону акустические методы делят на ультразвуковые и звуковые, по способу возбуждения упругих колебаний -- на пьезоэлектрические, механические, электромагнитоакустические, самовозбуждения при деформациях. При неразрушающем контроле акустическими методами регистрируют частоту, амплитуду, время, механический импеданс (затухание), спектральный состав колебаний. Применяют продольные, сдвиговые, поперечные, поверхностные и нормальные акустические волны. Режим излучения колебаний может быть непрерывным или импульсным.

В группу акустических методов входят теневой, резонансный, эхо-импульсный, акустической эмиссии (эмиссионный), велосимметрический, импедансный, свободных колебаний.

Теневой метод служит для дефектоскопии и основан на установлении акустической тени, образующейся за дефектом вследствие отражения и рассеяния акустического луча. Резонансный метод применяется для дефектоскопии и тол- щинометрии. При этом методе определяются частоты, вызывающие резонанс колебаний по толщине исследуемой конструкции.

Импульсный метод (эхо) используется для дефектоскопии и толщинометрии. Устанавливается отраженный от дефектов или поверхности акустический импульс. Эмиссионный метод (метод акустической эмиссии) основан на излучении волн упругих колебаний дефектами, а также участками конструкции при нагружении. Определяются наличие и место дефектов, уровень напряжений. акустический материал дефектоскопия радиационный

Велосимметрический метод основан на фиксации скоростей колебаний, влиянии дефектов на скорость распространения волн и длину пути волн в материале. Импедансный метод основан на анализе изменения затухания волн в зоне дефекта. В методе свободных колебаний анализируется спектр частот собственных колебаний конструкции после нанесения по ней удара.

При применении ультразвукового метода для возбуждения и приема ультразвуковых колебаний служат излучатели и приемники (или искатели). Они выполнены однотипно и представляют собой пьезопластину 1, помещенную в демпфере 2, который служит для гашения свободных колебаний и для защиты пьезопластины (рис. 1).

Рис. 1. Конструкции"искателей и схемы их установки:

а -- схема нормального искателя (излучателя или приемника колебаний); б -- схема искателя для ввода ультразвуковых волн под углом к поверхности; в -- схема двухэлементного искателя; г -- соосное положение излучателей и приемников при сквозном прозвучивании; д -- то же, диагональное; е -- поверхностное прозвучивание; ж -- комбинированное прозвучивание; 1 -- пьезоэлемент; 2 -- демпфер; 3 -- протектор; 4 -- смазка на контакте; 5 -- исследуемый образец; 6 -- корпус; 7 -- выводы; 8 - призма для ввода волн под углом; 9 -- разделительный экран; 10 -- излучатели и приемники;

Ультразвуковые волны отражаются, преломляются и подвергаются дифракции по законам оптики. Эти свойства используют для улавливания колебаний во многих методах неразрушающего контроля. При этом для исследования материала в заданном направлении применяют узконаправленный пучок волн. Положение излучателя и приемника колебаний в зависимости от цели исследования может быть различным по отношению к изучаемой конструкции (рис. 1, г--ж).

Разработаны многочисленные приборы, в которых использованы перечисленные выше методы ультразвуковых колебаний. В практике строительных исследований используются приборы ГСП УК14П, Бетон-12, УФ-10 П, УЗД- МВТУ, ГСП УК-ЮП и др. Приборы «Бетон» и УК изготовлены на транзисторах и отличаются небольшой массой и габаритами. Приборы УК фиксируют скорость или время распространения волн.

Ультразвуковые колебания в твердых телах делятся на продольные, поперечные и поверхностные (рис. 2, а).

Рис. 2.

а -- ультразвуковые продольные, поперечные и поверхностные волны; б, в -- теневой метод (дефект вне зоны и в зоне прозвучивания); 1 -- направление вибрации; 2 -- волны; 3 -- генератор; 4 -- излучатель; 5 -- приемник; 6 -- усилитель; 7 -- индикатор; 8 исследуемый образец} 9 -- дефект

Существуют зависимости между параметрами колебаний

Таким образом, физико-механические свойства материала связаны с параметрами колебаний. В методах неразрушающего контроля используют эту взаимосвязь. Рассмотрим простые и широко применяющиеся методы ультразвукового контроля: теневой и эхо-метод.

Определение дефекта теневым методом происходит следующим образом (см. рис. 2, б): генератор 3 через излучатель 4 непрерывно излучает колебания в исследуемый материал 8, а через него -- в приемник колебаний 5. В случае отсутствия дефекта 9 колебания воспринимаются приемником 5почти без затухания и фиксируются через усилитель 6 индикатором 7 (осциллографом, вольтметром). Дефект 9 отражает часть энергии колебаний, затеняя таким образом приемник 5. Принятый сигнал уменьшается, что свидетельствует о наличии дефекта. Теневой метод не позволяет определить глубину расположения дефекта и требует двустороннего доступа, что ограничивает его возможности.

Дефектоскопия и толщинометрия эхо-импульсным методом осуществляется так (рис. 3): генератор 1 через излучатель 2 посылает в образец 4 короткие импульсы, а ждущая развертка на экране осциллографа позволяет видеть посланный импульс 5. Вслед за посылкой импульса излучатель переключается на прием отраженных волн. Отраженный от противоположной стороны конструкции донный сигнал 6 наблюдают на экране. Если на пути волн находится дефект, то отраженный от него сигнал поступает на приемник раньше, чем донный сигнал. Тогда на экране осциллографа виден еще один сигнал 8, свидетельствующий о дефекте в конструкции. По расстоянию между сигналами и по скорости распространения ультразвука судят о глубине расположения дефекта.

Рис. 3.

а -- эхо-метод без дефекта; 6 -- то же, с дефектом; в определение глубины трещины; г -- определение толщины; 1 -- генератор; 2 -- излучатель; 3 -- отраженные сигналы; 4 -- образец; 5 -- посланный импульс;6 -- донный импульс; 7 дефект; 8 -- средний импульс; 9 -- трещина;10 -- полуволны

При определении глубины трещины в бетоне излучатель и приемник располагают в точках А и В симметрично относительно трещины (рис. 3, в). Колебания из точки А в точку В приходят по кратчайшему пути АСВ = V 4№ + а2;

где V -- скорость; 1Н -- время, определяемое в опыте.

При дефектоскопии бетона с помощью ультразвукового импульсного метода используют сквозное прозвучивание и продольное профилирование. Оба метода позволяют обнаружить дефект за счет изменения значения скорости продольных волн ультразвука при прохождении через дефектный участок.

Метод сквозного прозвучивания можно применять и при наличии арматуры в бетоне, если удается избежать непосредственного пересечения трассой прозвучивания самого стержня. Последовательно прозвучивают участки конструкции и отмечают на координатной сетке точки, а затем и линии равных скоростей -- изоспиды, или линии равного времени -- изохоры, рассматривая которые можно выделить участок конструкции, на котором имеется дефектный бетон (зона пониженных скоростей).

Метод продольного профилирования позволяет вести дефектоскопию при расположении излучателя и приемника на одной поверхности (дефектоскопия дорожных и аэродром- н.IX покрытий, фундаментных плит, монолитных плит перекрытий и т. д.). Этим методом можно также определить глубину (от поверхности) поражения бетона коррозией.

Толщину конструкции при одностороннем доступе можно определить резонансным методом с использованием серийно выпускаемых ультразвуковых толщинометров. В конструкцию с одной из сторон непрерывно излучают продольные ультразвуковые колебания (рис. 2.4, г). Отраженная от противоположной грани волна 10 идет в обратном направлении. При равенстве толщины Н и длины полуволн (или при кратности этих величин) прямые и отраженные волны совпадают, что ведет к резонансу. Толщина определяется по формуле

где V -- скорость распространения волн; / -- резонансная частота.

Прочность бетона можно определить при помощи измерителя амплитудного затухания ИАЗ (рис. 2.5, а), работающего с использованием резонансного метода. Колебания конструкции возбуждаются мощным динамиком, располагаемым на расстоянии 10--15 мм от конструкции. Приемник преобразует колебания конструкции в электрические, показываемые на экране осциллографа. Частоту вынужденных колебаний плавно меняют до совпадения с частотой собственных колебаний и получения резонанса. Частота резонанса регистрируется на шкале генератора. Предварительно строят калибровочную кривую для бетона испытываемой конструкции, по которой и определяют прочность бетона.

Рис.4.

а -- общий вид измерителя амплитудного затухания; б -- схема определения частоты собственных продольных колебаний балки; в -- схема определения частоты собственных изгибных колебаний балки; г -- схема для испытания ударным методом; 1 -- образец; 2, 3 -- излучатель (возбудитель) и приемник колебаний; 4 -- генератор; 5 --усилитель; 6 -- блок регистрации частоты собственных колебаний; 7 -- пусковая система с генератором счетных импульсов и микросекундомером; 8 -- ударная волна

При определении частот изгибных, продольных и крутильных колебаний образец 1, возбудитель 2 и приемник колебаний 3 устанавливают в соответствии со схемами на рис.4, б, е. При этом образец должен быть установлен на опоры стенда, частота собственных колебаний которого больше в 12--15 раз, чем частота собственных колебаний испытываемого элемента.

Прочность бетона может быть определена ударным методом (рис. 4, г). Метод применяется при достаточно большой длине конструкции, так как низкая частота колебаний не позволяет получить большую точность измерений. На конструкцию устанавливают два приемника колебаний с достаточно большим расстоянием между ними (базой). Приемники через усилители связаны с пусковой системой, счетчиком и микросекундомером. После нанесения удара по торцу конструкции ударная волна достигает первого приемника 2, который через усилитель 5 включает счетчик времени 7. При достижении волной второго приемника 3 счет времени прекращается. Скорость V рассчитывается по формуле

V = -- где а -- база; I-- время прохождения базы.