книги / Методы физико-химического анализа вяжущих веществ
..pdfмому этим напряжением в направлении его действия: Е = = ог/е[Н/м2]. Для определения Е изготавливают из материала плас тинку или стержень, устанавливают на них в специальном устрой стве груз, вызывающий их прогиб, измеряют величину этого про гиба с точностью до 0,2• 10~6 м (оптическим длинномером ИЗВ-1) и рассчитывают значение показателя. Так как модуль упругости не зависит от величины нагрузки, то значение последней может быть различным (обычно 0,5—0,75 от разрушающей). Модуль уп
ругости образца прямоугольного сечения |
определяют по формуле |
|
E = pPHfb*bt |
|
|
где р — нагрузка, Н; / — расстояние между опорами, |
м; f — стре |
|
ла прогиба, м; б — толщина образца, м; |
b — ширина |
образца, м. |
Модуль упругости определяют также ультразвуковым методом по скорости прохождения ультразвука через образец. Для этого используют различные ультразвуковые установки ИЧМК (СССР), EDT/6 (Англия), E-J Metr Kottas (ФРГ), SBS-40 (Франция) и др.
Твердость. Твердость — это |
свойство |
материала сопротивлять |
|
ся проникновению в него другого тела, |
не |
приобретающего при |
|
этом остаточных деформаций. |
определяют |
методом царапания, |
|
В минералогии твердость |
пользуясь при этом шкалой твердости Мооса. По гладкой поверх ности минерала проводят, слегка надавливая, острым углом мине рала-эталона из шкалы Мооса и анализируют полученную черту. Если она видна и сохраняется после стирания пальцем, то мине рал-эталон тверже испытуемого, если нет — мягче (шкала твердо сти Мооса: 1. Тальк. 2. Гипс. 3. Кальцит. 4. Флюорит. 5. Апатит. 6. Ортоклаз. 7. Кварц. 8. Топаз. 9. Корунд. 10. Алмаз).
Твердость материалов определяют вдавливанием в них сталь ного шарика (по Бринелю), алмазного конуса (по Роквеллу), ал мазной пирамидки — метод микротвердости.
Теплоемкость. Удельная теплоемкость Дж(кг-град) равна ко личеству теплоты (Дж), которое нужно затратить, чтобы повысить температуру единицы массы тела на 1°С. Так как теплоемкость изменяется с изменением температуры тела, то при технических расчетах используют среднее значение теплоемкости в данном ин
тервале температур. Теплоемкость грамм-атома |
химического эле |
||
мента называют |
атомной теплоемкостью, |
моля — м о л я р н о й |
|
теплоемкостью, |
единицы объема (например, |
1 |
м3) — о б ъ е м н о й |
теплоемкостью.
Для определения удельной теплоемкости (С) берут кусковой материал массой 0,100, 0,150 кг, нагревают его до выбранной тем пературы и сбрасывают во внутренний сосуд с водой калориметра, тщательно фиксируя на всех стадиях опыта температуру материа ла и воды. Удельная теплоемкость
(qB+ W) (t — t2) '
°о (Н— о
где Go и схв — соответственно массы исследуемого образца и воды
в сосуде калориметра, кг; /, t\ и t2— температура соответственно максимально нагретой воды в калориметре, нагретого образца, во ды в калориметре в момент погружения в нее нагретого образца,
°С; w — водяной эквивалент (теплоемкость) калориметра, |
Дж. |
Теплопроводность. Теплопроводность — способность |
веществ |
самопроизвольно передавать тепловую энергию в направлении бо лее низкой температуры за счет колебательного движения частиц. Количественная мера теплопроводности — коэффициент теплопро водности Я, Вт(м-град); он равен количеству теплоты, проходяще го за 1 ч через площадку в 1 м2 при разности температур в ГС на 1 см перпендикулярно к этой площадке. Теплопроводность опреде ляют при стационарном или нестационарном тепловом потоке.
Для определения %при стационарном тепловом потоке образец (пластинку) материала закрепляют между металлическими про кладками прибора. Тепловой поток от одной нагреваемой электро током пластинки проходит через образец и поглощается второй пластинкой. Величину %рассчитывают по формуле
\ = Qb/AtS,
где Q — количество теплоты, прошедшей через образец в единицу времени, Дж/с; 5 — площадь образца пластинки, м2; б — толщина пластинки, м; A t— разность температуры нагреваемой и охлаж даемой сторон пластинки, град.
Коэффициент теплового расширения (к.т.р.). Линейным к.т.р. а называется относительное удлинение тела при нагревании его на ГС. Так как величина линейного к.т.р. зависит от температуры, то используют среднее значение в данном интервале температур. Для определения линейного к.т.р. обычно используют дилатометры раз личной конструкции.
Исследуемый образец, имеющий форму цилиндрического стержня (rfж 0,004—0,005 м; /«0,05 м), помещают в жароупорную трубку, находящуюся в печи, присоединяют к одному из его торцов тонкий стержень, соединенный с индикатором — микрометром. При разогреве печи и образца последний расширяется и оказыва ет давление на тонкий стержень, который перемещается на опре деленную величину в соответствии с линейным к.т.р. материала. Величину линейного к.т.р. материала рассчитывают по формуле
где /0 и U— длина образца материала соответственно при начала ной и заданной температурах, м; t0 и tt — соответственно начала ная и заданная температура, °С.
Коэффициент объемного расширения р показывает увеличение единицы объема тела при нагревании на ГС. Величина р^Зц, т. е. объемный к.т.р. в 3 раза больше линейного.
Для определения к.т.р. используют кварцевые и корундовые дИ* латометры ДКВ-1, ДКВ-2 и др.
Уменьшение длины (объема) образцов, происходящее при пО
нижении температуры до —100°С, определяется с помощью низко температурных дилатометров.
Теплота образования. Теплотой образования называется тепло вой эффект реакции образования данного соединения из простых веществ, отвечающих наиболее устойчивому состоянию элементов при данной температуре. Теплоту образования относят к любому количеству вещества, например к 1 кг или к 1 кмолю соединения (Дж/кг; Дж/кмоль). При определении теплот образования соеди нений практически не пользуются прямыми калориметрическими измерениями, а применяют различные косвенные методы.
Теплота гидратации. Это количество теплоты, выделяющееся в результате протекания реакций взаимодействия минералов с во дой. Теплоту гидратации определяют прямым и косвенным мето дами.
При прямом методе в калориметре фиксируют то количество теплоты, которое непосредственно выделяется при протекании процесса гидратации.
Косвенный метод основан на установлении разности теплот растворения исходных вяжущих материалов и этих же материа лов, но после определенного времени гидратации. Разность теплот растворения (AQ) представляет собой количество теплоты, выде ленное системой за прошедший период времени гидратации. Теп лоту гидратации q вычисляют по формуле
q = Q/m,
где т — масса материала, кг; Q — общее количество выделенной теплоты за данный промежуток времени, Дж.
Для нахождения теплот гидратации и растворения использу ют изотермические и адиабатические калориметры различной кон струкции. В последние годы широкое распространение получили микрокалориметры.
Теплота смачивания. Смачивание есть адсорбция4жидкости твердым телом, обусловленная силами электрического притяже ния. Теплота смачивания пропорциональна реагирующей поверх ности и увеличивается с ее возрастанием. Для определения тепло ты смачивания пригодны калориметры различной конструкции, но с высокой чувствительностью измерительных ячеек (например, ТПИ-НИСИ).
Электрическая проводимость. Твердые силикатные матери-алы обнаруживают небольшую электрическую проводимость. Она но сит, как правило, ионный характер, т. е. силикаты относятся к проводникам второго рода. Электрическую проводимость диэлект риков обычно оценивают сопротивлением, выраженным в обрат ных омах [1/(Ом-м)].
Удельное объемное сопротивление pv материала определяют путем измерения силы тока, проходящего через испытуемый обра зец при некоторой разности потенциалов между электродами. Ис пользуют несколько методов; метод зеркального гальванометра, ме тоды мегомметра и электрометра.
При измерении р методом мегомметра используют ламповые мегомметры типа МОМ-2М для измерения сопротивления от 102 до Ю9Ом и мегомметры типа МОМ-3 для сопротивлений от 102 до 10й Ом. Для измеренйя более высоких сопротивлений используют тераомметры типа Ф-507 с пределами измерений от 10® до 1013 Ом. Плоский испытуемый образец подключают к калиброванному со противлению прибора и через систему пропускают ток, производя соответствующие измерения. Удельное объемное сопротивление (ру Ом-м) рассчитывают по формуле
о
Pv- 45 «и,
где R v — измеренное значение объемного сопротивления. Ом; D0— |
||
d ■I |
d |
' |
вычисляется из соотношения D0 = 1 |
2 (dl — диаметр измеритель |
ного электрода, м; е?2 — внутренний диаметр охранного кольца, м); б — толщина образца, м.
Удельное поверхностное сопротивление ps, Ом-м, материала
_ * 3 _ R
Ps — g Rs
где Rs — измеренное значение поверхностного сопротивления, Ом; g — зазор между электродами, м.
Электропроводность растворов и расплавов. Измерение элект ропроводности проводят методом компенсации, т. е. сравнением не известного сопротивления с известным, используя различные схе мы электрических цепей. Пробу водного раствора электролита по мещают в кювету с электродами и измеряют сопротивление рас
твора Rx (Ом)
Rx = RmAB/BB,
где Rm — величина стандартного сопротивления, Ом; АБ и БВ — левое и правое плечо реохорда, м.
При определении электропроводности расплавов ячейку и элект роды изготавливают из платины, а измерительные устройства ос тавляют прежними.
Диэлектрическая проницаемость. Диэлектрическая проницае мость е, Ф/м, численно равна отношению силы взаимодействия то чечных электрических зарядов в вакууме к силе взаимодействия их в однородном диэлектрике. Она обусловлена поляризацией диэлект рика.
Величину диэлектрической проницаемости находят при помощи мостов переменного тока и резонансных схем. При использовании куметра Е9-4 готовят плоский или трубчатый образец и включают его в приборе параллельно конденсатору переменной емкости. Ис пользуя резонансный метод, определяют изменение емкости конден сатора. Диэлектрическую проницаемость вычисляют по формуле
14,4Схь ,
6 = — т + р*
где Сх — емкость образца, Ф; б — толщина образца, |
м; D — диа |
метр образца, м; р — относительная поправка на |
краевую ем |
кость, Ф. |
|
Величина е некоторых веществ: эбонит 2,7—2,9; вода 81, кварц 3,5—3,6; стекло 5—16.
Диэлектрические потери. Диэлектрическими потерями называют ту часть электрической энергии, которая при прохождении пере менного тока через материал превращается в теплоту. Величина потерь возрастает с увеличением напряжения на обкладках' конден сатора, силы тока и cos© (0 — угол сдвига фаз между током и на пряжением). Угол 0 у идеального диэлектрика равен 90°, а у ре альных — меньше 90° на величину б, поэтому диэлектрические по тери прийято измерять величиной рассеянной мощности, отнесенной к единице объема, а чаще всего углом сдвига фаз б — «углом ди электрических потерь» или тангенсом этого угла.
Угол диэлектрических |
потерь определяют на тех же образцах |
|
и приборах, что и диэлектрическую проницаемость, он равен: |
||
. ? |
Ci (Qi — Q2) |
|
tgо |
= ----------------- » |
|
|
Q1Q2 (Cl |
c2) |
где Cj и Сг — соответственно емкость |
конденсатора без присоеди |
|
нения образца к прибору и с образцом, Ф; Q\ и Q2 — соответствую |
||
щие значения добротности |
конденсатора (Q ^ l/tg 6). |
Гальваномагнитные эффекты. Одним из гальваномагнитных эф фектов является эффект Холла — явление возникновения в полу проводнике с текущим по нему током поперечного электрического поля под действием магнитного поля. Методика и аппаратура, ос нованные на использовании эффекта Холла, позволяют определять удельную электропроводность материала, тип электропроводимос ти, подвижность и концентрацию носителей заряда, ЭДС и посто янную Холла.
Определение величины pH водных растворов потенциометриче ским методом. Потенциометрический метод анализа основан на из мерениях потенциала индикаторного электрода, который зависит от состава исследуемой системы. Водородным показателем pH называ ют отрицательный десятичный логарифм концентрации ионов во дорода. pH нейтрального раствора равняется 7; кислых изменяет ся от 7 до 0, щелочных — от 7 до 14.
pH определяют на специальных приборах различной конструк ции ЛП-58, ЛПУ-01 и др., использующих компенсационный прин цип. В анализируемый раствор погружают 2 электрода: индикатор ный (стеклянный) и электрод сравнения (каломельный). В зависи мости от концентрации ионов водорода в растворе на электродах возникает различная электродвижущая сила, которая компенсиру ется противоположно направленной ЭДС и измеряется. В качестве исследуемого раствора берут непосредственно растворы твердых тел. Можно также измерить pH гидратирующихся цементных паст (но только до начала схватывания) ,
Определение характера распределения веществ в материале (ав торадиографический анализ). При контрастном контактном методе анализа в исследуемое вещество вводят радиоактивный изотоп или облучают вещество потоком ядерных частиц; активированный ма териал приводят в прямой контакт с фотоматериалом и выдержи вают в кассетах в течение необходимого времени (экспозиция). Места пленки, находившиеся в зоне локализации радиоактивного изотопа, засвечиваются и после ее проявления темнеют. Пленку с засвеченными местами качественно и количественно анализируют под микроскопом. Авторадиографический анализ по характеру да ваемой информации близок к рентгеновскому микроанализатору. С его помощью можно установить распределение легирующих эле ментов в спекшихся материалах, однородность порошков и т. п,
Идентификационные характеристики соединений, входящих в состав природных сырьевых материалов
При производстве вяжущих веществ в качестве сырьевых материа лов используются мрамор, мел, известняки, глины, мергели, бокси ты, гипс, магнезит, кварцевые породы, железосодержащие руды, лёсс, каолин и др. В составе природных сырьевых материалов при сутствуют небольшие (1—10%) примеси полевых шпатов, магнези та, доломита, соединений, содержащих марганец, барий, титан, фосфор, хром и другие элементы.
Задача исследования природных материалов поэтому состоит как в индентификации основных минералов, складывающих поро ду, так и определении вида и количества сопутствующих («второ степенных», «малых примесей») веществ.
Крупнокристаллические природные материалы, такие, как из вестняки, мрамор, мел, магнезит, доломит, кварцевые породы, идентифицируются легко, так как при их исследовании все методы физико-химического анализа дают достаточно полную информацию. Мелкокристаллические глинистые породы, содержащие в том или ином количестве аморфные минералы, а также гидрослюды пере менного состава, идентифицируются с трудом. В этом случае осу ществляют специальное препарирование объектов с целью выявле ния какого-либо одного показателя и исследование проводят все ми возможными методами (комплексом методов).
Соединения, содержащиеся в природных материалах в неболь шом количестве, идентифицируются преимущественно или хими ческим, или спектральным методами. Возможности других методов ограничены. Затрудняют идентификацию прорастания кристаллов этих примесей с кристаллами основных минералов.
Минералы, характеристики которых приведены в этой главе, вхо дят в состав многих горных пород, используемых в технологии вя жущих материалов и строительной индустрии.
Аргиллит — осадочная твердая, камнеподобная, не размокаю щая в воде глинистая порода, образовавшаяся из глин в результа те их уплотнения, дегидратации и цементации. Основную массу по роды составляют глинистые минералы — гидрослюды, каолинит, монтмориллонит с примесями кварца, полевых шпатов, слюд, хло ритов и т. д. Отличается высоким содержанием кремнезема (50— 80%), глинозема (20—50%) и небольшим содержанием щелочей.
Асбест— волокнистые минералы, обладающие способностью
расщепляться на тонкие и прочные волокна. По химическому со ставу представляют собой в основном водные силикаты магния, а также двух- и трехвалентного железа, натрия, кальция с примеся ми алюминия, калия, никеля, марганца и т. д. Асбестовые минера лы разделяются на группы серпентина и амфибола, известные на практике под названием хризотил-асбеста и амфибол-асбеста. Наи большее практическое применение имеет хризотил-асбест, мень шее — амфибол-асбесты, к которым относятся крокидолит, амозит, антофиллит и др.
Базальт — излившаяся основная горная порода, состоящая в основном из плагиоклазов (лабрадор, битовнит, реже анортит), пироксенов (метасиликатов с цепочечной структурой), оливинов (твер дых растворов в изоморфном ряду 2M g0-Si02— 2Fe0-Si02), био тита, вулканического стекла и некоторых других минералов. В за висимости от текстурных и структурных особенностей имеет много разновидностей, в частности базальты полнокристаллические, тон козернистые, с преобладанием стекловидной фазы и т. д. Обычно плотная порода, но нередко обладает пористой текстурой. Отно сится к наиболее распространенным породам — на долю базальта приходится более 20% магматических пород.
Бентонит — осадочная порода, состоящая в основном из глини стых минералов группы монтмориллонита; кроме них в бентонитах содержатся также гидрослюды, каолинит, сепиолит, палыгорскит и др. Отличается высокой дисперсностью, пластичностью, способно стью к катионному обмену, сорбционными свойствами. Синонимы — бентонитовая глина, отбеливающая глина, местные названия — кил, асканит, гумбрин и т. д.
Боксит — осадочная или элювиальная порода, богатая гидрокси
дами алюминия (гидраргиллитом, |
диаспором, |
бемитом); в нее |
|
также входят гидроксиды железа, |
гематит, |
глинистые минералы, |
|
кальцит, некоторые кремнеземсо'держащие |
породы и т. д. Бокси |
||
ты — твердая камнеподобная, реже |
мягкая |
глиноподобная тонко |
|
дисперсная порода разнообразной окраски |
(преобладают красные |
||
и коричневые бокситы). |
|
|
порода, образовав |
Габбро — глубинная магматическая горная |
шаяся в результате застывания и кристаллизации базальтовой маг мы. Состоит в основном из приблизительно равных количеств ос новных плагиоклазов (от лабрадора до анортита) и моноклинных пироксенов (диопсида, диаллага), а также оливинов и некоторых других примесных минералов. Основные оксиды: БЮг (45—50%); АЬОз (15—25%); СаО (9—11%); MgO (6—8%); FeO (6—8%), а также РегОз, ЫагО, КгО и др. Структура типичного габбро — рав номерная среднезернистая, текстура, как правило, массивная, одно родная, но встречается и полосчатая (ленточная).
Глины — осадочные породы, обладающие пластичностью в при родном состоянии или при увлажнении водой, а при высыхании или обжиге сохраняющие приданную им форму и приобретающие опре деленную прочность. По своему составу относятся к группе водных алюмосиликатов. Преобладающие оксиды: AI2 O3 , БЮг, Н2О, а так-
же Fe20 3, FeO, MgO, CaO, K2O, Na20 и др. Главные минералы, так называемые глинистые минералы, относятся к группам каолинита, монтмориллонита, гидрослюд; кроме того, в глинах присутствуют хлориты, слюды, кварц, глауконит, галлуазит, минералы типа палыгорскита и сепиолита, оксиды и гидроксиды железа и т. д. Гли ны характеризуются высокой дисперностью: более половины час тиц имеют размер < 0,01 мм, в том числе не менее 25% частиц раз мер <0,001 мм. Образуются в природе в результате разрушения и лереотложения коры выветривания осадочных пород, а также хими ческого выветривания кристаллических горных пород, содержа щих, в частности, полевые шпаты. В зависимости от условия обра зования глины отличаются большим разнообразием состава, струк туры и свойств.
Гнейс — метаморфическая горная порода из группы кристалли ческих сланцев, характеризующаяся более или менее выраженной параллельной (сланцеватой или полосчатой) текстурой. Главные породообразующие минералы — полевые шпаты (ортоклаз, микро клин, плагиоклаз) — 40—60%; кварц — 20—30%; другие минералы (биотит, мусковит, амфиболы, пироксены) — 10—30%.
Гравий — 1. В геологии — рыхлая горная порода, состоящая из более или менее окатанных обломков и зерен размером 1— 10 мм, образовавшихся в результате естественного разрушения (выветри вания) плотных горных пород. 2. В строительстве — материал в виде окатанных кусков размером 5—70 мм из камня природного или искусственного происхождения. Природный гравий подразделя ется на речной, озерный, морской и ледниковый. К искусственному гравию относятся, например, керамзитовый гравий, получаемый из легкоплавких глинистых масс; зольный гравий — из топливной зо лы и золошлаковых смесей и т. д.
Гранит—плотная магматическая полнокристаллическая глубин ная порода, богатая кремнеземом и состоящая из полевого шпата (40—60%) и кварца (30—35%) с примесью других минералов (биотита, мусковита, амфиболов и др.)- Одна из наиболее распро страненных горных пород.
Грунты — любые горные породы, служащие объектом инженер но-строительной деятельности человека. По происхождению могут относиться к магматическим, осадочным или метаморфическим об разованиям. По основным свойствам различают: скальные грунты с высокой механической прочностью (кристаллические, извержен ные или метаморфические, а также плотно сцементированные оса дочные породы); полускальные грунты (сцементированные осадоч ные породы, например гипс, ангидрит, известняки-ракушечники, вулканические туфы и др.); мягкие глинистые грунты (глины, су глинки, лёссы); рыхлые несвязанные грунты (галечник, гравий, пес ки) ; мягкие рыхлые легко деформирующиеся грунты (почва, торф, илы, плывунные пески).
Диатомит— легкая рыхлая или слабосцементированная осадоч ная горная порода, состоящая преимущественно из микроскопиче ских кремнистых панцирей одноклеточных диатомитовых водорос
лей, иногда небольшого количества радиолярий и спикул губок. Основной оксид — активный кремнезем (70—98%). В качестве при месей содержит карбонаты, глинистые вещества, кварц, полевые шпаты, глауконит. В зависимости от условий образования различа ют диатомиты континентального (озерного, ледникового) и мор ского происхождения. При вторичных изменениях переходит в тре пел и опоку.
Известняк — осадочная карбонатная горная порода, состоящая главным образом из кальцита, очень редко — из аргонита. Обычные примеси в известняках представлены глиной, кремнеземом, оксида ми железа, иногда глауконитом и др. В зависимости от происхож дения различают несколько разновидностей известняков, в частнос ти органогенные известняки (например, мел, известняк-ракушеч ник), состоящие из остатков известковых раковин и панцирей раз личных организмов; обломочные известняки из карбонатных зерен различного размера; перекристаллизованные известняки (например, мрамор) из микрозернистого кальцита и т. д. Известняки весьма разнообразны по своей текстуре (слоистые, массивные, комкова тые и т. д.), структуре (обломочные, кристаллически-зернистые, оолитовые, зоогенные и т. д.) и свойствам (плотные, мягкие, пори стые и т. д.).
Каолин — глинистая порода, в состав которой входит преиму щественно минерал каолинит, нередко с примесью галлуазита.
Кварцит — метаморфическая массивная ийи сланцевая горная порода, содержащая в основном зерна кварца, слившиеся вплот ную, прочную массу или сцементированные аморфной кремниевой кислотой. В практике кварцитами называют плотные и прочные по роды, состоящие почти исключительно из кремниевой кислоты в любой ее разновидности (собственно кварциты, опаловые песчани ки, окремненные породы). Кроме кварца в кварцитах присутствуют примеси полевых шпатов, слюд, гематита, хлоритов, роговой об манки и других минералов. Кварциты могут содержать до 95—97% кремнезема. Образуются при метаморфизме в результате перекрис таллизации кварцевых песчаников и некоторых магматических пород.
Лёсс — однородная тонкозернистая, обычно неслоистая рыхлая горная порода из мельчайших зерен кварца (в пылевидных и песча ных фракциях до 80—95%), глины, карбоната кальция с примесью гидроксидов железа, слюды, полевых шпатов и других силикатов, вулканического стекла и т. д. Для лёссов характерны значительная пористость и водопроницаемость. Образуются различным путем, обычно преобладают эоловые лёссы (перенесенные ветром).
Маршаллит — тонкодисперсная осадочная рыхлая или слабоуп лотненная кварцевая горная порода, состоящая в основном из пы левидных угловатых неокатанных зерен кварца с небольшой при месью более крупных зерен кварца, глинистых частиц, полевых шпатов и пр. Содержание кварца достигает 90—95%. Размер час тиц в основном <0,01 мм. По технологическим свойствам подобен молотому кварцу или кварциту.