Fizikalno-kemijske metode raziskovanja materialov. Akustične metode za preučevanje gradbenih materialov

Metode analize snovi

Analiza rentgenske difrakcije

Rentgenska difrakcijska analiza je metoda za preučevanje strukture teles s pojavom rentgenske difrakcije, metoda za preučevanje zgradbe snovi glede na porazdelitev v prostoru in jakosti rentgenskega sevanja, razpršenega na analiziranem predmetu. Difrakcijski vzorec je odvisen od valovne dolžine uporabljenih rentgenskih žarkov in strukture predmeta. Za preučevanje strukture atoma se uporablja sevanje z valovno dolžino reda velikosti atoma.

Z metodami rentgenske difrakcijske analize preučujemo kovine, zlitine, minerale, anorganske in organske spojine, polimere, amorfne materiale, tekočine in pline, molekule beljakovin, nukleinske kisline itd. Rentgenska difrakcijska analiza je glavna metoda za določanje strukture kristalov.

Pri pregledu kristalov daje največ informacij. To je posledica dejstva, da imajo kristali strogo periodičnost v svoji strukturi in predstavljajo difrakcijsko mrežo za rentgenske žarke, ki jih je ustvarila narava sama. Vendar pa zagotavlja tudi dragocene informacije pri preučevanju teles z manj urejeno strukturo, kot so tekočine, amorfna telesa, tekoči kristali, polimeri in drugi. Na podlagi številnih že dešifriranih atomskih struktur je mogoče rešiti tudi inverzni problem: kristalno sestavo te snovi je mogoče ugotoviti iz rentgenskega vzorca polikristalne snovi, na primer legiranega jekla, zlitine, rude, lunine zemlje. , torej se izvede fazna analiza.

Rentgenska difrakcijska analiza omogoča objektivno ugotavljanje strukture kristalnih snovi, vključno s tako kompleksnimi, kot so vitamini, antibiotiki, koordinacijske spojine itd. Popolna strukturna študija kristala pogosto omogoča reševanje povsem kemijskih problemov, na primer določitev ali izboljšanje kemijske formule, vrste vezi, molekulske mase pri znani gostoti ali gostote pri znani molekulski masi, simetrije in konfiguracije molekul. in molekularni ioni.

Rentgenska difrakcijska analiza se uspešno uporablja za proučevanje kristalnega stanja polimerov. Dragocene podatke daje tudi rentgenska difrakcijska analiza pri proučevanju amorfnih in tekočih teles. Rentgenski difrakcijski vzorci takšnih teles vsebujejo več zamegljenih uklonskih obročev, katerih intenzivnost hitro pada z naraščajočo povečavo. Na podlagi širine, oblike in intenzivnosti teh obročev je mogoče sklepati o značilnostih urejenosti kratkega dosega v določeni tekoči ali amorfni strukturi.

Rentgenski difraktometri "DRON"

Rentgenska fluorescenčna analiza (XRF)

Ena od sodobnih spektroskopskih metod za preučevanje snovi z namenom pridobitve njene elementarne sestave, tj. njegovo elementarno analizo. Metoda XRF temelji na zbiranju in kasnejši analizi spektra, pridobljenega z izpostavitvijo proučevanega materiala rentgenskim žarkom. Pri obsevanju atom preide v vzbujeno stanje, ki ga spremlja prehod elektronov na višje kvantne ravni. Atom ostane v vzbujenem stanju izjemno kratek čas, reda velikosti ene mikrosekunde, nato pa se vrne v miren položaj (osnovno stanje). V tem primeru elektroni iz zunanjih lupin bodisi zapolnijo nastala prazna mesta, presežek energije pa se odda v obliki fotona ali pa se energija prenese na drug elektron iz zunanjih lupin (Augerjev elektron). V tem primeru vsak atom oddaja fotoelektron z energijo strogo določene vrednosti, na primer železo ob obsevanju z rentgenskimi žarki oddaja fotone K? = 6,4 keV. Nadalje, glede na energijo in število kvantov, se presoja struktura snovi.

V rentgenski fluorescenčni spektrometriji je mogoče opraviti podrobno primerjavo vzorcev ne le glede na značilne spektre elementov, ampak tudi glede na intenzivnost sevanja ozadja (zavorno sevanje) in obliko pasov Comptonovega sipanja. . To je še posebej pomembno, kadar je kemijska sestava dveh vzorcev po rezultatih kvantitativne analize enaka, vendar se vzorca razlikujeta v drugih lastnostih, kot so velikost zrn, velikost kristalitov, površinska hrapavost, poroznost, vlažnost, prisotnost vode itd. kristalizacija, kakovost poliranja, debelina nanosa itd. Identifikacija se izvede na podlagi podrobne primerjave spektrov. Kemične sestave vzorca ni treba poznati. Vsaka razlika med primerjanimi spektri neizpodbitno kaže na razliko med testnim vzorcem in standardom.

Ta vrsta analize se izvaja, ko je treba ugotoviti sestavo in nekatere fizikalne lastnosti dveh vzorcev, od katerih je eden referenčni. Ta vrsta analize je pomembna pri iskanju razlik v sestavi dveh vzorcev. Področje uporabe: določanje težkih kovin v tleh, padavinah, vodi, aerosolih, kvalitativne in kvantitativne analize prsti, mineralov, kamnin, kontrola kakovosti surovin, proizvodnega procesa in končnih izdelkov, analiza svinčenih barv, merjenje koncentracij dragocenih kovin, ugotavljanje onesnaženosti z oljem in gorivom , določanje toksičnih kovin v živilskih sestavinah, analiza elementov v sledovih v prsti in kmetijskih proizvodih, elementarna analiza, datiranje arheoloških najdb, študij slik, kipov, za analizo in pregled.

Običajno priprava vzorca za vse vrste rentgenske fluorescenčne analize ni težavna. Za izvedbo zelo zanesljive kvantitativne analize mora biti vzorec homogen in reprezentativen, njegova masa in velikost pa nista manjši od tiste, ki jo zahteva postopek analize. Kovine se polirajo, praški se zdrobijo na delce določene velikosti in stisnejo v tablete. Kamnine so zlite do steklastega stanja (to zanesljivo odpravi napake, povezane z nehomogenostjo vzorca). Tekočine in trdne snovi preprosto namestimo v posebne skodelice.

Spektralna analiza

Spektralna analiza- fizikalna metoda za kvalitativno in kvantitativno določanje atomske in molekularne sestave snovi, ki temelji na preučevanju njenih spektrov. Fizična osnova S. in. - spektroskopija atomov in molekul, razvrščena je glede na namen analize in vrste spektrov (glej Optični spektri). Atomic S. a. (ACA) določa elementno sestavo vzorca z atomskimi (ionskimi) emisijskimi in absorpcijskimi spektri, molekularna S. a. (ISA) - molekularna sestava snovi glede na molekularne spektre absorpcije, luminiscence in ramanskega sipanja svetlobe. Emission S. a. proizvedeno glede na emisijske spektre atomov, ionov in molekul, ki jih vzbujajo različni viri elektromagnetnega sevanja v območju od β-sevanja do mikrovalov. Absorpcija S. a. izvedemo glede na absorpcijske spektre elektromagnetnega sevanja analiziranih predmetov (atomi, molekule, ioni snovi v različnih agregatnih stanjih). Atomska spektralna analiza (ASA) Emisijska ASA je sestavljen iz naslednjih glavnih procesov:

1. izbor reprezentativnega vzorca, ki odraža povprečno sestavo analiziranega materiala ali lokalno porazdelitev elementov, ki jih je treba določiti v materialu;
2. vnos vzorca v vir sevanja, pri katerem pride do izparevanja trdnih in tekočih vzorcev, disociacije spojin ter vzbujanja atomov in ionov;
3. pretvorbo njihovega sijaja v spekter in njegovo registracijo (ali vizualno opazovanje) s spektralno napravo;
4. interpretacija dobljenih spektrov s pomočjo tabel in atlasov spektralnih linij elementov.

Ta stopnja se konča kvalitativno KOT. Najučinkovitejša je uporaba občutljivih (t.i. "zadnjih") linij, ki ostanejo v spektru pri najmanjši koncentraciji določenega elementa. Spektrograme gledamo na merilnih mikroskopih, komparatorjih in spektroprojektorjih. Za kvalitativno analizo je dovolj ugotoviti prisotnost ali odsotnost analitičnih linij elementov, ki se določajo. Po svetlosti črt med vizualnim gledanjem lahko podamo grobo oceno vsebnosti določenih elementov v vzorcu.

Kvantitativni ACA izvedemo s primerjavo intenzivnosti dveh spektralnih linij v spektru vzorca, od katerih ena pripada elementu, ki se določa, in druga (primerjalna črta) - glavnemu elementu vzorca, katerega koncentracija je znana, ali na element, ki je posebej vnesen v znani koncentraciji ("notranji standard").

Atomska absorpcija S. a.(AAA) in atomsko fluorescentno S. a. (AFA). Pri teh metodah se vzorec pretvori v paro v razpršilniku (plamen, grafitna cev, plazma stabilizirane RF ali mikrovalovne razelektritve). Pri AAA je svetloba iz vira diskretnega sevanja, ki prehaja skozi to paro, oslabljena, stopnja oslabitve intenzivnosti črt elementa, ki se določa, pa se uporablja za presojo njegove koncentracije v vzorcu. AAA se izvaja na posebnih spektrofotometrih. Tehnika AAA je v primerjavi z drugimi metodami veliko enostavnejša, odlikuje jo visoka natančnost pri določanju ne le majhnih, ampak tudi visokih koncentracij elementov v vzorcih. AAA uspešno nadomešča delovno intenzivne in dolgotrajne kemične analizne metode, ki niso slabše od njih v natančnosti.

Pri AFA se atomske pare vzorca obsevajo s svetlobo resonančnega vira sevanja in zabeleži se fluorescenca elementa, ki se določa. Za nekatere elemente (Zn, Cd, Hg itd.) so relativne meje njihove detekcije s to metodo zelo majhne (10-5-10-6%).

ASA omogoča meritve izotopske sestave. Nekateri elementi imajo spektralne črte z dobro ločeno strukturo (na primer H, He, U). Izotopsko sestavo teh elementov je mogoče izmeriti na običajnih spektralnih instrumentih z uporabo svetlobnih virov, ki proizvajajo tanke spektralne črte (votle katode, RF žarnice brez elektrod in mikrovalovne žarnice). Za izotopsko spektralno analizo večine elementov so potrebni instrumenti z visoko ločljivostjo (na primer Fabry-Perot etalon). Izotopsko spektralno analizo lahko izvedemo tudi z uporabo elektronsko-vibracijskih spektrov molekul z merjenjem izotopskih premikov pasov, ki v nekaterih primerih dosežejo pomembno vrednost.

ASA ima pomembno vlogo v jedrski tehnologiji, proizvodnji čistih polprevodniških materialov, superprevodnikov itd. Več kot 3/4 vseh analiz v metalurgiji se izvede z metodami ASA. S pomočjo kvantometrov se izvaja operativni (v 2-3 minutah) nadzor med taljenjem v odprtem ognju in konverterski industriji. V geologiji in geoloških raziskavah se letno izvede približno 8 milijonov analiz za vrednotenje nahajališč. ASA se uporablja za varstvo okolja in analizo tal, forenzično znanost in medicino, geologijo morskega dna in preučevanje sestave zgornje atmosfere, pri ločevanju izotopov ter določanju starosti in sestave geoloških in arheoloških objektov itd.

infrardeča spektroskopija

IR metoda vključuje zajemanje, proučevanje in uporabo emisijskih, absorpcijskih in odbojnih spektrov v infrardečem območju spektra (0,76-1000 mikronov). ICS se ukvarja predvsem s preučevanjem molekularnih spektrov, saj v IR območju se nahaja večina vibracijskih in rotacijskih spektrov molekul. Najbolj razširjena je študija IR absorpcijskih spektrov, ki izhajajo iz prehoda IR sevanja skozi snov. V tem primeru se energija selektivno absorbira pri tistih frekvencah, ki sovpadajo z rotacijskimi frekvencami molekule kot celote, v primeru kristalne spojine pa z vibracijskimi frekvencami kristalne mreže.

IR absorpcijski spekter je verjetno edinstvena fizikalna lastnost te vrste. Ni dveh spojin, razen optičnih izomerov, z različnimi strukturami, vendar enakimi IR spektri. V nekaterih primerih, na primer pri polimerih s podobno molekulsko maso, razlike morda niso opazne, vendar vedno obstajajo. V večini primerov je IR spekter "prstni odtis" molekule, ki se zlahka razlikuje od spektrov drugih molekul.

Poleg tega, da je absorpcija značilna za posamezne skupine atomov, je njena intenzivnost premosorazmerna z njihovo koncentracijo. to. merjenje intenzivnosti absorpcije daje po enostavnih izračunih količino dane komponente v vzorcu.

IR spektroskopija se uporablja pri preučevanju strukture polprevodniških materialov, polimerov, bioloških predmetov in neposredno živih celic. V mlečni industriji se infrardeča spektroskopija uporablja za določanje masnega deleža maščobe, beljakovin, laktoze, trdnih snovi, zmrziščne točke itd.

Tekočo snov najpogosteje odstranimo kot tanek film med solnimi kapami NaCl ali KBr. Trdna snov se najpogosteje odstrani kot pasta v tekočem parafinu. Raztopine se odstranijo v zložljivih kivetah.

spektralno območje od 185 do 900 nm, dvožarkovno, snemanje, natančnost valovne dolžine 0,03 nm pri 54000 cm-1, 0,25 pri 11000 cm-1, ponovljivost valovne dolžine 0,02 nm oziroma 0,1 nm	Naprava je namenjena jemanju IR - spektrov trdnih in tekočih vzorcev. Spektralno območje – 4000…200 cm-1; fotometrična natančnost ± 0,2 %.

Absorpcijska analiza vidnega in bližnjega ultravijoličnega območja

Na absorpcijski analizni metodi oziroma lastnosti raztopin, da absorbirajo vidno svetlobo in elektromagnetno sevanje v ultravijoličnem območju, ki je blizu nje, temelji princip delovanja najpogostejših fotometričnih instrumentov za medicinske laboratorijske raziskave - spektrofotometrov in fotokolorimetrov (vidna svetloba). .

Vsaka snov absorbira samo takšno sevanje, katerega energija je sposobna povzročiti določene spremembe v molekuli te snovi. Z drugimi besedami, snov absorbira samo sevanje določene valovne dolžine, medtem ko svetloba druge valovne dolžine prehaja skozi raztopino. Zato je v vidnem območju svetlobe barva raztopine, ki jo zazna človeško oko, določena z valovno dolžino sevanja, ki ga ta raztopina ne absorbira. To pomeni, da je barva, ki jo opazuje raziskovalec, komplementarna barvi absorbiranih žarkov.

Absorpcijska metoda analize temelji na splošnem Bouguer-Lambert-Beerovem zakonu, ki se pogosto imenuje preprosto Beerov zakon. Temelji na dveh zakonih:

1. Relativna količina energije svetlobnega toka, ki jo absorbira medij, ni odvisna od jakosti sevanja. Vsaka absorbcijska plast enake debeline absorbira enak delež monokromatskega svetlobnega toka, ki prehaja skozi te plasti.
2. Absorpcija monokromatskega toka svetlobne energije je neposredno sorazmerna s številom molekul absorbirajoče snovi.

Termična analiza

Raziskovalna metoda fiz.-kem. in kem. procesi, ki temeljijo na registraciji toplotnih učinkov, ki spremljajo transformacijo snovi v pogojih temperaturnega programiranja. Ker se sprememba entalpije?H pojavi kot posledica večine fizičnih. procesov in kem. reakcije, je metoda teoretično uporabna za zelo veliko število sistemov.

V T. a. lahko popravite tako imenovani. grelne (ali ohlajevalne) krivulje preskusnega vzorca, tj. sprememba temperature skozi čas. V primeru k.-l. fazne transformacije v snovi (ali zmesi snovi) se na krivulji pojavi ploščad ali prelomi Večjo občutljivost ima metoda diferencialne termične analize (DTA), pri kateri se sprememba temperaturne razlike DT med preskusnim vzorcem in referenčni vzorec (najpogosteje Al2O3), ki pri tem ni podvržen nobenim transformacijam v temperaturnem območju.

V T. a. lahko popravite tako imenovani. grelne (ali ohlajevalne) krivulje preskusnega vzorca, tj. sprememba temperature skozi čas. V primeru k.-l. fazne transformacije v snovi (ali mešanici snovi), se na krivulji pojavi platforma ali pregibi.

Diferencialna toplotna analiza(DTA) je bolj občutljiv. Sčasoma zazna spremembo temperaturne razlike DT med preskusnim in referenčnim vzorcem (najpogosteje Al2O3), ki se v tem temperaturnem območju ne transformira. Minimumi na krivulji DTA (glej na primer sliko) ustrezajo endotermnim procesom, medtem ko maksimumi ustrezajo eksotermnim. Učinki, registrirani v DTA, m.b. zaradi taljenja, spremembe kristalne strukture, uničenja kristalne mreže, izhlapevanja, vrenja, sublimacije, pa tudi kem. procesi (disociacija, razgradnja, dehidracija, oksidacijsko-redukcijska itd.). Večino transformacij spremljajo endotermni učinki; eksotermni so le nekateri procesi oksidacijsko-redukcijske in strukturne transformacije.

V T. a. lahko popravite tako imenovani. grelne (ali ohlajevalne) krivulje preskusnega vzorca, tj. sprememba temperature skozi čas. V primeru k.-l. fazne transformacije v snovi (ali mešanici snovi), se na krivulji pojavi platforma ali pregibi.

Mat. Razmerje med površino vrha na krivulji DTA in parametri naprave in vzorca omogoča določitev toplote transformacije, aktivacijske energije faznega prehoda, nekaterih kinetičnih konstant in izvedbo pol -kvantitativno analizo zmesi (če so znani DH ustreznih reakcij). S pomočjo DTA preučujemo razgradnjo kovinskih karboksilatov, različnih organokovinskih spojin, oksidnih visokotemperaturnih superprevodnikov. Ta metoda je bila uporabljena za določitev temperaturnega območja pretvorbe CO v CO2 (med naknadnim zgorevanjem avtomobilskih izpušnih plinov, emisije iz cevi CHP itd.). DTA se uporablja za izdelavo faznih diagramov stanja sistemov z različnim številom komponent (fizikalno-kemijska analiza), za kvalitete. vzorčne ocene, npr. pri primerjavi različnih serij surovin.

Derivatografija- kompleksna metoda za preučevanje kem. in fiz.-kem. procesi, ki potekajo v snovi v pogojih programirane spremembe temperature.

Na podlagi kombinacije diferencialne termične analize (DTA) z eno ali več fizikalnimi. ali fiz.-kem. metode, kot so termogravimetrija, termomehanska analiza (dilatometrija), masna spektrometrija in emanacijska termična analiza. V vseh primerih se poleg transformacij v snovi, ki se pojavijo s toplotnim učinkom, zabeleži sprememba mase vzorca (tekoče ali trdne). To omogoča takojšnjo nedvoumno določitev narave procesov v snovi, česar ni mogoče storiti zgolj z uporabo podatkov DTA ali drugih termičnih metod. Zlasti toplotni učinek, ki ga ne spremlja sprememba mase vzorca, služi kot indikator fazne transformacije. Naprava, ki hkrati beleži toplotne in termogravimetrične spremembe, se imenuje derivatograf. Pri derivatografu, ki temelji na kombinaciji DTA s termogravimetrijo, je držalo s preizkušano snovjo nameščeno na termočlen, ki prosto visi na tehtnici. Ta zasnova omogoča snemanje 4 odvisnosti hkrati (glej na primer sl.): temperaturna razlika med preskusnim vzorcem in standardom, ki ni podvržen transformacijam v času t (krivulja DTA), sprememba mase Dm glede na temperaturo (termogravimetrična krivulja), hitrost spreminjanja mas, tj. derivat dm/dt, temperatura (diferencialna termogravimetrična krivulja) in temperatura v odvisnosti od časa. V tem primeru je mogoče določiti zaporedje transformacij snovi ter določiti število in sestavo vmesnih produktov.

Kemijske metode analize

Gravimetrična analiza ki temelji na določitvi mase snovi.
Pri gravimetrični analizi se analit bodisi oddestilira v obliki neke hlapne spojine (metoda destilacije) bodisi obori iz raztopine v obliki slabo topne spojine (metoda obarjanja). Metoda destilacije določa na primer vsebnost kristalizacijske vode v kristalnih hidratih.
Gravimetrična analiza je ena najbolj vsestranskih metod. Uporablja se za definiranje skoraj katerega koli elementa. Večina gravimetričnih tehnik uporablja neposredno določanje, ko se zanimiva komponenta izolira iz analizirane mešanice, ki se stehta kot posamezna spojina. Nekatere elemente periodičnega sistema (na primer spojine alkalijskih kovin in nekatere druge) pogosto analiziramo s posrednimi metodami. V tem primeru se dve specifični komponenti najprej izolirata, pretvorita v gravimetrično obliko in stehtata. Nato eno od spojin ali obe prenesemo v drugo gravimetrično obliko in ponovno stehtamo. Vsebina vsake komponente je določena s preprostimi izračuni.

Najpomembnejša prednost gravimetrične metode je visoka natančnost analize. Običajna napaka gravimetričnega določanja je 0,1-0,2 %. Pri analizi vzorca kompleksne sestave se napaka poveča na več odstotkov zaradi nepopolnosti metod za ločevanje in izolacijo analizirane komponente. Med prednostmi gravimetrične metode je tudi odsotnost vsakršne standardizacije ali kalibracije po standardnih vzorcih, ki sta nujni pri skoraj vseh drugih analiznih metodah. Za izračun rezultatov gravimetrične analize je potrebno le poznavanje molskih mas in stehiometričnih razmerij.

Titrimetrična ali volumetrična metoda analize je ena izmed metod kvantitativne analize. Titracija je postopno dodajanje titrirane raztopine reagenta (titranta) analizirani raztopini za določitev ekvivalenčne točke. Titrimetrična metoda analize temelji na merjenju prostornine reagenta natančno znane koncentracije, porabljene za reakcijo interakcije z analitom. Ta metoda temelji na natančnem merjenju volumnov raztopin dveh snovi, ki med seboj reagirata. Kvantitativno določanje s titrimetrično metodo analize je precej hitro, kar vam omogoča, da izvedete več vzporednih določitev in pridobite natančnejšo aritmetično sredino. Vsi izračuni titrimetrične metode analize temeljijo na zakonu ekvivalentov. Glede na naravo kemijske reakcije, na kateri temelji določanje snovi, so metode titrimetrične analize razdeljene v naslednje skupine: metoda nevtralizacije ali kislinsko-bazične titracije; oksidacijsko-redukcijska metoda; metoda obarjanja in metoda kompleksiranja.

Na podlagi analize optičnih spektrov atomov in molekul so bile ustvarjene spektralne optične metode za določanje kemijske sestave snovi. Te metode so razdeljene na dve: študija emisijskih spektrov proučevanih snovi (emisijska spektralna analiza); preučevanje njihovih absorpcijskih spektrov (absorpcijska spektralna analiza ali fotometrija).

Pri določanju kemijske sestave snovi z metodo emisijske spektralne analize se analizira spekter, ki ga oddajajo atomi in molekule v vzbujenem stanju. Atomi in molekule preidejo v vzbujeno stanje pod vplivom visokih temperatur, doseženih v plamenu gorilnika, v električnem obloku ali v iskrišču. Tako dobljeno sevanje razgradimo v spekter z uklonsko mrežico ali prizmo spektralne naprave in ga zapišemo s fotoelektrično napravo.

Obstajajo tri vrste emisijskih spektrov: črtasti, črtasti in zvezni. Črtne spektre oddajajo vzbujeni atomi in ioni. Progasti spektri nastanejo, ko svetlobo oddajajo vroči pari molekul. Vroča tekoča in trdna telesa oddajajo zvezne spektre.

Kvalitativna in kvantitativna analiza sestave proučevanega materiala se izvaja vzdolž značilnih črt v emisijskih spektrih. Za dešifriranje spektrov se uporabljajo tabele spektralnih linij in atlasi z najbolj značilnimi črtami elementov periodičnega sistema Mendelejeva. Če je treba ugotoviti le prisotnost določenih nečistoč, se spekter proučevane snovi primerja s spektrom referenčne snovi, ki ne vsebuje nečistoč. Absolutna občutljivost spektralnih metod je 10 -6 10 -8 g.

Primer uporabe emisijske spektralne analize je kvalitativna in kvantitativna analiza armature: določanje nečistoč silicija, ogljika, mangana in kroma v vzorcu. Intenziteta spektralnih črt v preskusnem vzorcu se primerja s spektralnimi črtami železa, katerega intenziteta je vzeta za standard.

Med optične spektralne metode preučevanja snovi sodi tudi tako imenovana plamenska spektroskopija, ki temelji na merjenju sevanja raztopine, ki jo vnesemo v plamen. Ta metoda praviloma določa vsebnost alkalijskih in zemeljskoalkalijskih kovin v gradbenih materialih. Bistvo metode je v tem, da se raztopina testirane snovi razprši v območje plamena plinskega gorilnika, kjer preide v plinasto stanje. Atomi v tem stanju absorbirajo svetlobo iz standardnega vira, kar daje črtaste ali črtaste absorpcijske spektre, ali pa sami oddajajo sevanje, ki ga zazna merilna fotoelektronska oprema.

Metoda molekularne absorpcijske spektroskopije omogoča pridobivanje informacij o medsebojni razporeditvi atomov in molekul, znotrajmolekulskih razdaljah, veznih kotih, porazdelitvi elektronske gostote itd. Pri tej metodi prehaja ultravijolično (UV) ali infrardeče (IR) sevanje, kadar je vidno. zgoščena snov, delna ali popolna absorpcija energije sevanja določenih valovnih dolžin (frekvenc). Glavna naloga optične absorpcijske spektroskopije je preučevanje odvisnosti intenzivnosti absorpcije svetlobe s snovjo od valovne dolžine ali frekvence nihanja. Nastali absorpcijski spekter je individualna lastnost snovi in ​​na njegovi podlagi se izvajajo kvalitativne analize raztopin ali na primer gradbenih in barvnih stekel.

Uvod

Oddelek številka 1. Gradbeni materiali in njihovo obnašanje v požarnih razmerah.

Tema 1. Osnovne lastnosti gradbenih materialov, raziskovalne metode in vrednotenje obnašanja gradbenih materialov v požaru.

Tema 2. Kamniti materiali in njihovo obnašanje v požaru.

Tema 3. Kovine, njihovo obnašanje v ognju in načini za povečanje odpornosti na njegove učinke.

Tema 4. Les, njegova požarna nevarnost, metode požarne zaščite in ocena njihove učinkovitosti.

Tema 5. Plastika, njihova požarna nevarnost, metode njenega raziskovanja in vrednotenja.

Tema 6. Racioniranje ognjevarne uporabe materialov v gradbeništvu.

Oddelek 2. "Gradbene konstrukcije, zgradbe, objekti in njihovo obnašanje v požaru."

Tema 7. Začetne informacije o načrtovanju prostora in oblikovalskih rešitvah za zgradbe in objekte.

Tema 8. Začetne informacije o požarni nevarnosti stavb in gradbenih konstrukcij.

Tema 9. Teoretične osnove za razvoj metod za izračun požarne odpornosti gradbenih konstrukcij.

Tema 10. Požarna odpornost kovinskih konstrukcij.

Tema 11. Požarna odpornost lesenih konstrukcij.

Tema 12. Požarna odpornost armiranobetonskih konstrukcij.

Tema 13. Obnašanje zgradb, objektov v požaru.

Tema 14. Možnosti za izboljšanje pristopa k določanju in standardizaciji zahtev za požarno odpornost gradbenih konstrukcij.

Uvod

Struktura discipline, njen pomen v procesu strokovnega usposabljanja diplomanta inštituta. Sodobni trendi v oblikovanju, gradnji, obratovanju, zgradbah in objektih.

Državnogospodarski pomen dejavnosti gasilcev pri nadzoru ognjevarne uporabe gradbenih materialov in uporabe ognjevarnih gradbenih konstrukcij pri projektiranju, gradnji, rekonstrukciji stavb in objektov.

Oddelek 1. Gradbeni materiali in njihovo obnašanje v požaru.

Tema 1. Osnovne lastnosti gradbenih materialov, raziskovalne metode in vrednotenje obnašanja gradbenih materialov v požaru.

Vrste, lastnosti, značilnosti proizvodnje in uporabe osnovnih gradbenih materialov ter njihova razvrstitev. Dejavniki, ki vplivajo na obnašanje gradbenih materialov v požaru. Klasifikacija osnovnih lastnosti gradbenih materialov.

Fizikalne lastnosti in kazalniki, ki jih označujejo: poroznost, higroskopnost, vpojnost vode, vodo-plinska in paroprepustnost gradbenih materialov.

Glavne oblike komunikacije vlage z materialom.

Termofizične lastnosti in indikatorji, ki jih označujejo.

Glavni negativni procesi, ki določajo obnašanje anorganskih gradbenih materialov v požaru. Metode za eksperimentalno vrednotenje sprememb mehanskih lastnosti gradbenih materialov glede na razmere požara.

Procesi, ki potekajo v organskih materialih v pogojih požara. Požarno-tehnične lastnosti gradbenih materialov, metode njihovega raziskovanja in vrednotenja.

Vaja 1. Ugotavljanje osnovnih lastnosti nekaterih gradbenih materialov in napovedovanje obnašanja teh materialov v požaru.

stran 1

Uvod.

Človeška civilizacija ves čas svojega razvoja, vsaj na materialnem področju, nenehno uporablja kemijske, biološke in fizikalne zakonitosti, ki delujejo na našem planetu, za zadovoljevanje teh ali drugačnih potreb. http://voronezh.pinskdrev.ru/ jedilne mize v voronežu.

V starih časih se je to dogajalo na dva načina: zavestno ali spontano. Seveda nas zanima prvi način. Primer zavestne uporabe kemičnih pojavov je lahko:

Kisanje mleka za proizvodnjo sira, kisle smetane in drugih mlečnih izdelkov;

Fermentacija nekaterih semen, kot je hmelj, v prisotnosti kvasa, da nastane pivo;

Sublimacija cvetnega prahu nekaterih cvetlic (mak, konoplja) in pridobivanje zdravil;

Fermentacija sokov nekaterih vrst sadja (predvsem grozdja), ki vsebujejo veliko sladkorja, kar povzroči vino, kis.

Ogenj je vnesel revolucionarne spremembe v človeško življenje. Človek je začel uporabljati ogenj za kuhanje, v lončarstvu, za obdelavo in taljenje kovin, predelavo lesa v premog, izparevanje in sušenje hrane za zimo.

Sčasoma ljudje potrebujejo vedno več novih materialov. Neprecenljivo pomoč pri njihovem ustvarjanju je dala kemija. Vloga kemije je še posebej velika pri ustvarjanju čistih in ultra čistih materialov (v nadaljevanju skrajšano SCM). Če po mojem mnenju vodilni položaj pri ustvarjanju novih materialov še vedno zasedajo fizikalni procesi in tehnologije, potem je proizvodnja SCM pogosto učinkovitejša in produktivnejša s pomočjo kemičnih reakcij. In tudi obstajala je potreba po zaščiti materialov pred korozijo, to je pravzaprav glavna vloga fizikalnih in kemičnih metod pri gradbenih materialih. S pomočjo fizikalno-kemijskih metod se preučujejo fizikalni pojavi, ki nastanejo pri kemijskih reakcijah. Na primer, pri kolorimetrični metodi se intenzivnost barve meri glede na koncentracijo snovi, pri konduktometrični analizi se meri sprememba električne prevodnosti raztopin itd.

V tem povzetku so opisane nekatere vrste korozijskih procesov, pa tudi načini njihovega spopadanja, kar je glavna praktična naloga fizikalnih in kemijskih metod v gradbenih materialih.

Fizikalne in kemijske metode analize in njihova razvrstitev.

Fizikalno-kemijske metode analize (PCMA) temeljijo na uporabi odvisnosti fizikalnih lastnosti snovi (na primer absorpcije svetlobe, električne prevodnosti itd.) od njihove kemične sestave. Včasih se v literaturi fizikalne metode analize ločijo od PCMA, s čimer se poudarja, da PCMA uporablja kemijsko reakcijo, fizikalne metode pa ne. Fizikalne metode analize in FHMA, predvsem v zahodni literaturi, se imenujejo instrumentalne, saj običajno zahtevajo uporabo instrumentov, merilnih instrumentov. Instrumentalne metode analize imajo v osnovi svojo teorijo, ki se razlikuje od teorije metod kemijske (klasične) analize (titrimetrije in gravimetrije). Osnova te teorije je interakcija snovi s tokom energije.

Pri uporabi PCMA za pridobivanje informacij o kemični sestavi snovi je preskusni vzorec izpostavljen določeni obliki energije. Glede na vrsto energije v snovi pride do spremembe energijskega stanja njenih sestavnih delcev (molekul, ionov, atomov), ki se izraža v spremembi ene ali druge lastnosti (na primer barva, magnetne lastnosti, itd.). Z registracijo spremembe te lastnosti kot analitičnega signala se pridobijo informacije o kvalitativni in kvantitativni sestavi preučevanega predmeta ali o njegovi strukturi.

Glede na vrsto motenjske energije in izmerjeno lastnost (analitični signal) lahko FHMA razvrstimo na naslednji način (tabela 2.1.1).

Poleg tistih, navedenih v tabeli, obstaja veliko drugih zasebnih FHMA, ki ne spadajo v to klasifikacijo.

Največjo praktično uporabo imajo optične, kromatografske in potenciometrične metode analize.

Tabela 2.1.1.

Akustične metode temeljijo na snemanju parametrov elastičnih nihanj, vzbujenih v kontrolirani strukturi. Nihanja se običajno vzbujajo v ultrazvočnem območju (kar zmanjša motnje) z uporabo piezometričnega ali elektromagnetnega pretvornika, udarca na konstrukcijo in tudi, ko se struktura same konstrukcije spremeni zaradi uporabe obremenitve.

Z akustičnimi metodami kontroliramo kontinuiteto (odkrivanje vključkov, votlin, razpok itd.), debelino, strukturo, fizikalne in mehanske lastnosti (trdnost, gostota, modul elastičnosti, strižni modul, Poissonovo razmerje), preučevanje kinetike loma.

Glede na frekvenčno območje so akustične metode razdeljene na ultrazvočne in zvočne, glede na metodo vzbujanja elastičnih vibracij - na piezoelektrične, mehanske, elektromagnetno-akustične, samovzbujanje med deformacijami. Pri neporušnih preiskavah z akustičnimi metodami se beležijo frekvenca, amplituda, čas, mehanska impedanca (slabljenje) in spektralna sestava nihanj. Nanesite vzdolžno, strižno, prečno, površinsko in normalno akustično valovanje. Način oddajanja vibracij je lahko neprekinjen ali impulzen.

Skupina akustičnih metod vključuje senčne, resonančne, eho-pulzne, akustične emisije (emisije), velosimetrične, impedančne, proste vibracije.

Senčna metoda se uporablja za odkrivanje napak in temelji na ugotavljanju akustične sence, ki nastane za napako zaradi odboja in sipanja zvočnega žarka. Resonančna metoda se uporablja za odkrivanje napak in merjenje debeline. S to metodo se določijo frekvence, ki povzročajo resonanco nihanj vzdolž debeline proučevane strukture.

Impulzna metoda (echo) se uporablja za odkrivanje napak in merjenje debeline. Nastavljen je zvočni impulz, ki se odbija od napak ali površine. Emisijska metoda (metoda akustične emisije) temelji na emisiji elastičnih vibracijskih valov zaradi napak, pa tudi odsekov konstrukcije pod obremenitvijo. Določi se prisotnost in lokacija napak, raven napetosti. sevanje za odkrivanje napak akustičnega materiala

Velosimetrična metoda temelji na določanju hitrosti nihanja, vpliva napak na hitrost širjenja valov in dolžine valovne poti v materialu. Impedančna metoda temelji na analizi sprememb slabljenja valov v defektnem območju. Metoda prostih vibracij analizira frekvenčni spekter naravnih vibracij konstrukcije po udarcu.

Pri uporabi ultrazvočne metode oddajniki in sprejemniki (ali iskalci) služijo za vzbujanje in sprejemanje ultrazvočnih vibracij. Izdelane so istega tipa in predstavljajo piezoelektrično ploščo 1, nameščeno v blažilniku 2, ki služi za dušenje prostih vibracij in zaščito piezoelektrične plošče (slika 1).

riž. eno. Zasnove "iskalcev in sheme za njihovo namestitev:

a - diagram normalnega iskalca (oddajnik ali sprejemnik vibracij); b - shema iskalnika za vnos ultrazvočnih valov pod kotom na površino; c - diagram dvoelementnega iskalnika; g - koaksialni položaj oddajnikov in sprejemnikov s sondiranjem od konca do konca; d - enako, diagonalno; e - površinsko sondiranje; g - kombinirano sondiranje; 1 - piezoelektrični element; 2 -- dušilec; 3 -- zaščita; 4 - mast na kontaktu; 5 - preskusni vzorec; 6 - telo; 7 - zaključki; 8 - prizma za uvajanje valov pod kotom; 9 -- razdelilni zaslon; 10 -- oddajniki in sprejemniki;

Ultrazvočni valovi se odbijajo, lomijo in lomijo po zakonih optike. Te lastnosti se uporabljajo za zajemanje vibracij pri številnih metodah nedestruktivnega testiranja. V tem primeru se za preučevanje materiala v določeni smeri uporablja ozko usmerjen žarek valov. Položaj oddajnika in sprejemnika nihanj, odvisno od namena študije, je lahko drugačen glede na proučevano strukturo (slika 1, d-g).

Razvite so bile številne naprave, v katerih se uporabljajo zgoraj naštete metode ultrazvočnih vibracij. V praksi gradbenih raziskav se uporabljajo naprave GSP UK14P, Beton-12, UF-10 P, UZD-MVTU, GSP UK-YUP itd.. Naprave "Beton" in UK so izdelane na tranzistorjih in se odlikujejo po majhnih teža in dimenzije. Instrumenti UK določajo hitrost ali čas širjenja valov.

Ultrazvočne vibracije v trdnih snoveh so razdeljene na vzdolžne, prečne in površinske (slika 2, a).

riž. 2.

a - ultrazvočni vzdolžni, prečni in površinski valovi; b, c - senčna metoda (napaka zunaj cone in v coni sondiranja); 1 -- smer vibracij; 2 - valovi; 3 - generator; 4 - oddajnik; 5 - sprejemnik; 6 - ojačevalnik; 7 -- indikator; 8 preskusni vzorec) 9 - napaka

Obstajajo odvisnosti med parametri nihanja

Tako so fizikalne in mehanske lastnosti materiala povezane s parametri vibracij. Pri metodah nedestruktivnega testiranja se ta odnos uporablja. Oglejmo si preproste in široko uporabljene metode ultrazvočnega testiranja: senčne in odmevne metode.

Določanje napake s senčno metodo poteka na naslednji način (glej sliko 2, b): generator 3 nenehno oddaja vibracije skozi oddajnik 4 v preučevani material 8 in skozi njega v sprejemnik vibracij 5. V odsotnosti okvara 9, sprejemnik 5 zaznava vibracije skoraj brez slabljenja in jih zapiše preko indikatorja 7 ojačevalnika 6 (osciloskop, voltmeter). Napaka 9 odbije del energije vibracij in tako zasenči sprejemnik 5. Prejeti signal se zmanjša, kar kaže na prisotnost okvare. Senčna metoda ne omogoča določanja globine napake in zahteva dvostranski dostop, kar omejuje njene zmožnosti.

Odkrivanje napak in merjenje debeline z metodo odmevnih impulzov se izvede na naslednji način (slika 3): generator 1 pošilja kratke impulze v vzorec 4 skozi oddajnik 2, čakajoče skeniranje na zaslonu osciloskopa pa vam omogoča, da vidite poslani impulz 5 Po pošiljanju impulza oddajnik preklopi na sprejem odbitih valov. Spodnji signal 6, ki se odbija od nasprotne strani konstrukcije, se opazuje na zaslonu. Če je na poti valov napaka, potem signal, ki se odbija od njega, prispe do sprejemnika prej kot spodnji signal. Nato je na zaslonu osciloskopa viden še en signal 8, ki kaže na napako v zasnovi. Za presojo globine defekta se uporablja razdalja med signali in hitrost širjenja ultrazvoka.

riž. 3.

a - odmevna metoda brez napake; 6 - enako, z napako; pri določanju globine razpoke; g - določitev debeline; 1 - generator; 2 - oddajnik; 3 - odbiti signali; 4 - vzorec; 5 - poslani impulz 6 - spodnji impulz; 7 napaka; 8 -- povprečni impulz; 9 - razpoka; 10 - pol val

Pri določanju globine razpoke v betonu se oddajnik in sprejemnik nahajata v točkah A in B simetrično glede na razpoko (slika 3, c). Nihanja od točke A do točke B prihajajo po najkrajši poti DIA \u003d V 4n + a2;

kjer je V hitrost; 1H je čas, določen v poskusu.

Pri odkrivanju napak betona z ultrazvočno impulzno metodo se uporablja sondiranje in vzdolžno profiliranje. Obe metodi omogočata odkrivanje napake s spreminjanjem vrednosti hitrosti vzdolžnih valov ultrazvoka pri prehodu skozi okvarjeno območje.

Metoda skozi sondiranje se lahko uporablja tudi v prisotnosti armature v betonu, če se je mogoče izogniti neposrednemu prečkanju sondirane poti same palice. Odseki konstrukcije so zaporedno ozvočeni in na koordinatni mreži označene točke, nato pa črte enakih hitrosti - izohitrosti ali črte enakega časa - izohore, glede na katere je mogoče ločiti odsek konstrukcije, na katerem je okvara. beton (območje zmanjšanih hitrosti).

Metoda vzdolžnega profiliranja omogoča odkrivanje napak, ko se oddajnik in sprejemnik nahajata na isti površini (defektoskopija cestnih in letaliških premazov, temeljnih plošč, monolitnih talnih plošč itd.). S to metodo je mogoče določiti tudi globino (s površine) poškodovanosti betona zaradi korozije.

Debelino konstrukcije z enostranskim dostopom lahko določimo z resonančno metodo z uporabo komercialno dostopnih ultrazvočnih debelincev. Vzdolžne ultrazvočne vibracije se nenehno oddajajo v strukturo z ene strani (slika 2.4, d). Val 10, ki se odbija od nasprotne strani, gre v nasprotno smer. Če sta debelina H in polvalovna dolžina enaki (ali če se te vrednosti pomnožijo), direktni in odbiti valovi sovpadajo, kar vodi do resonance. Debelina je določena s formulo

kjer je V hitrost širjenja valov; / -- resonančna frekvenca.

Trdnost betona je mogoče določiti z merilnikom slabljenja amplitude IAP (slika 2.5, a), ki deluje z resonančno metodo. Strukturne vibracije vzbuja močan zvočnik, ki se nahaja na razdalji 10–15 mm od konstrukcije. Sprejemnik pretvarja vibracije strukture v električne vibracije, ki so prikazane na zaslonu osciloskopa. Frekvenca prisilnih nihanj se gladko spreminja, dokler ne sovpada s frekvenco lastnih nihanj in doseže se resonanca. Resonančna frekvenca se zabeleži na skali generatorja. Za beton preskušane konstrukcije se predhodno zgradi kalibracijska krivulja, po kateri se določi trdnost betona.

Slika 4.

a - splošen pogled na merilnik slabljenja amplitude; b - shema za določanje frekvence naravnih vzdolžnih vibracij žarka; c - shema za določanje frekvence naravnih upogibnih vibracij žarka; g - shema za testiranje z udarno metodo; 1 - vzorec; 2, 3 -- oddajnik (vzbujalnik) in sprejemnik vibracij; 4 - generator; 5 - ojačevalnik; 6 -- blok registracije frekvence lastnih nihanj; 7 - zagonski sistem z generatorjem impulzov za štetje in mikroštoparico; 8 -- udarni val

Pri določanju frekvenc upogibnih, vzdolžnih in torzijskih vibracij so vzorec 1, vzbujalnik 2 in sprejemnik vibracij 3 nameščeni v skladu z diagrami na sliki 4, b, f -15-krat večja od lastne frekvence preskušanega elementa.

Trdnost betona je mogoče določiti z udarno metodo (slika 4, d). Metoda se uporablja, ko je dolžina konstrukcije dovolj dolga, saj nizka frekvenca nihanja ne omogoča doseganja večje merilne natančnosti. Na konstrukcijo sta nameščena dva sprejemnika vibracij z dovolj veliko razdaljo med njima (podstavek). Sprejemniki so preko ojačevalcev povezani z zagonskim sistemom, števcem in mikroštoparico. Po udarcu v konec konstrukcije udarni val doseže prvi sprejemnik 2, ki preko ojačevalnika 5 vklopi števec časa 7. Ko val doseže drugi sprejemnik 3, se štetje časa ustavi. Hitrost V se izračuna po formuli

V \u003d - kjer je a osnova; Jaz-- osnovni tranzitni čas.