Испытание и исследование строительных материалов
 Скачать 13.91 Mb.
|
|
5.2. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ШЛАКОВ Свойства шпаков и материалов на их основе прежде всего определяются их минералогическим (фазовым) составом — содержанием различных соединений и свободных окислов. Минералогический состав можно определить прямым или косвенным методами. Прямые методы позволяют установить фазовый состав вещества непосредственно. К ним относятся такие методы физико-химического анализа, как рентгеноструктурный, термический, спектральный и др. Косвенные методы основаны на том, что первоначально в материале путем химического анализа устанавливают содержание отдельных химических элементов и окислов, а затем рассчитывают количественный фазовый состав исследуемого вещества. Химический состав шлака независимо от происхождения характеризуют наличием следующих окислов: SiО2 , СаО , Al2O3 , МgО и др> Анализируя химический состав шлаков, можно установить его активность, основность и предварительно судить о возможности применения в тех или других композициях. Наибольший эффект дает одновременное использование различных методов, когда пробы параллельно подвергаются нескольким видам исследований по следующей схеме: микроскопия ————> рентгенофазовый анализ ————> термографический анализ ————> рентгенофазовый анализ ————> микроскопия ————> выводы. Сначала снимается рентгенограмма, анализ которой позволяет сделать предварительные выводы о фазовом составе вещества. Затем производят термографический анализ. По экзотермическим эффектам делаются предположения о процессах гидратации, кристаллизации, фазовых превращениях отдельных компонентов, а по эндотермическим эффектам — о дегидратации, декарбонизации, диссоциации и т. д. Рентгенограмма, снятая после термического анализа, должна показать превращения, которые претерпевают компоненты исследуемого вещества: изменяется профиль рассеивания, исчезают или появляются новые пики, свидетельствующие об изменении кристаллической структуры вещества. Микроскопия, проводимая параллельно с этими анализами, показывает на снимках появление или исчезновение кристаллических фаз, локальные изменения в стуктуре вещества, передислокацию аморфных и кристаллических зон, изменение формы и размеров кристаллов и т. д. ЭЛЕКТРОННАЯ МИКРОСКОПИЯ Это совокупность методов исследования с помощью электронных микроскопов (МЭ) микроструктуры тел, их локального состава и локализированных на поверхности или в микрообъемах тел различных новообразований и т. д. Современные электронные микроскопы имеют полезное увеличение до 300 000 раз, что позволяет видеть частицы размером 3—5А. Такое глубокое проникновение в мир малых частиц стало возможным в результате использования в микроскопии электронных лучей, волны которых во много раз короче волн видимого света. МЭ бывают просвечивающие, отражательные, зеркальные, растровые и др. К специальным методам электронно-микроскопического анализа относится растровая сканирующая электронная микроскопия. Растровый электронный микроскоп (РЭМ) — прибор, основанный на телевизионном принципе развертки тонкого пучка электронов на поверхности непрозрачного исследуемого образца. Пучок электронов, падающий на поверхность образца, взаимодействует с веществом, в результате возникает целый ряд физических явлений, таких, как световое или инфракрасное излучение, рентгеновское излучение, вторичные электроны и др. Регистрируя датчиками излучение и подавая сигналы на кинескоп, получают картину изображения поверхности образца на экране. Принципиальная схема растрового (сканирующего) электронного микроскопа (РЭМ) дана на рис. 5.2. Пучок электронов проходит систему из двух магнитных линз (2 и 4) и фокусируется в плоскости образца (1). Возникающий при этом вторичные электроны в результате разности потенциалов втягиваются в коллектор (10) и разгоняются до энергии 6—10 кВ. Попадая в сцинтиллятор, электроны вызывают его свечение, которое передается по светопроводу на фотокатод умножителя, формирующего видеоканал. Возникший видеосигнал после прохождения усилителя (9) модулирует ток в луче кинескииа (6). Развертка электронного луча (5) по образцу (в растр) осуществляется отклоняющей катушкой (3), а в электроннолучевой трубке — отклоняющей катушкой (7). Синхронизация отклонения лучей осуществляется с помощью генератора пилообразных сигналов. На контраст сканирующего изображения в РЭМ решающее влияние оказывает топография поверхности объекта и его химический состав. Количество отраженных электронов зависит от химического состава и микрорельефа поверхности, поэтому можно получить и два соответствующих изображения: распределение химических элементов по поверхности образца и микрорельеф поверхности. РЭМ позволяет получить фотоснимки изображения поверхности объекта с экрана кинескопа. Большим преимуществом растровой электронной микроскопии является то, что исследуемый образец не требует какой-либо специальной подготовки, он помещается в прибор в том состоянии, которое необходимо по замыслу опыта.
Электронно-микроскопическая картина полиминеральных и поликристаллических материалов сложна и трудно расшифровывается. Вместе с тем существующая информация по электронно-микроскопическим снимкам вяжущих материалов и изделий позволило ученым обобщить внешний вид кристаллов при больших увеличениях. С помощью табл. 5.5 можно идентифицировать минералы в шлаках и шлаковых композициях. В качестве примера рассматривается микроскопический снимок (рис.5.3) образца из гравийно-песчаной смеси на золоизвестковом вяжущем на границе "вяжущее — заполнитель" (увеличение х3000). На снимке видны слабо закристаллизированные продукты взаимодействия извести и золы. Мелкие иглообразные кристаллы и дендритоподобная структура свидетельствуют о наличии минералов тоберморитовой группы. Таблица 5.1. Идентификация минералов под электронным микроскопом
Волокнистая структура образовалась при кристаллизации низкоосновных гидросиликатов(CSH).Просматриваются гелевидные продукты — CSH-гель. Учитывая сложность расшифровки микроскопических снимков, метод электронной микроскопии рекомендуется использовать для изучения конкретных вопросов в проводимом исследовании. РЕНТГЕНОСТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ Это метод исследования материалов с помощью рентгеновских лучей. При исследовании строительных материалов обычно используется качественный рентгенофазовый анализ, задача которого заключается в идентификации природы кристаллических фаз, содержащихся в исследуемом материале. Способность рентгеновских лучей проникать через тела непрозрачные для обычного света, позволяет изучать внутреннее строение и, в частности, строение кристаллов. При прохождении через кристалл они частично пропускаются, частично поглощаются, последнее ведет к снижению интенсивности первичного пучка. Одним из первых открытий в кристаллографии было установление факта, что углы между гранями кристалла одного и того же вещества неизменны, и. следовательно, для характеристики кристаллического материала достаточно измерить эти углы. При падении пучка рентгеновских лучей на кристалл происходит их дифракция, они интерферируют, в результате чего в одних направлениях происходит их усиление, в других — ослабление. При исследовании вещества в виде зернистой массы, состоящей из множества беспорядочно ориентированных кристаллов, дифракционная картина представляет собой набор линий с пиками, называемый порошковой рентгенограммой. Фиксируя положение линии на порошковой рентгенограмме, определяют угол между гранями кристалла, после чего всю рентгенограмму можно проидентифицировать. На практике измеряют расстояния между пиниями порошковой рентгенограммы, так называемые межплоскостные расстояния d кристаллической решетки, являющиеся одной из основных характеристик кристаллического вещества. Интенсивность определяется высотой пика. Рентгеновский дифрактометр, используемый для структурного анализа, состоит из гониометра (источника излучения), в который помещают образец детектора излучения и электронного измерительно-регистрирующего устройства. Рентгенограмму получают за счет перемещения счетчика,, регистрирующего попавшую в него энергию излучения за определенный промежуток времени. Кристаллы обладают строгой периодичностью строения и представляют собой созданную самой природой дифракционную решетку. Чем ниже степень упорядоченности атомного строения, тем более диффузный, размытый характер имеет рассеянное им рентгеновское излучение. По рентгенограмме определяют сначала угол отражения Q по горизонтальной прямой, на которой нанесены развернутые углы в град. в линейном масштабе, а затем межплоскостные расстояния d и интенсивность линий 1. Интенсивность линий оценивается количественно — в баллах, процентах — или качественно: очень слабая — о.сл., слабая — сл., средняя — ср., сильная — с., и очень сильная — о. с. Сравнивая межплоскостные расстояния и интенсивность линий с табличными данными, производят идентификацию материалов и устанавливают фазовый состав. На рис. 5.4 представлена рентгенограмма золошлакового образца с известью, снятого на дифрактометре "ДРОН-1". Идентификация фаз начинается с нахождения Q, d, 1. Для анализа выбирают наиболее интенсивную линию на рентгенограмме. По справочным данным выбирают соединения, имеющие интенсивную линию с аналогичным значением d. Затем выбирают еще 2—3 интенсивные линии и в случае их совпадения с эталонной рентгенограммой сопоставляют все остальные линии. Анализ существенно облегчается, если известен химический состав материалов. В данном примере известно, что материал состоит из кварцевого песка, извести, золы и др. составляющих. Твердение такого состава происходит, главным образом, за счет кристаллизации Са(ОН)2 и последующей карбонизации с образованием СаСО3. Поэтому выбирается эталонная рентгенограмма кальцита (Са СО3) с наиболее интенсивной линией. Сопоставление всех остальных пиний Са СО3 эталонной рентгенограммы с рентгенограммой золоизвесткового образца с учетом интенсивности показывает их полное совпадение. Таким образом, одной из главной фаз является кальцит. Из оставшихся линий опять выбирается наиболее интенсивная, и операция повторяется. Так были идентифицированы кварц (SiO2) и портландит (Са (ОН)2). Чувствительность метода не позволила зафиксировать на рентгенограмме низкоосновные гидросиликаты (СаО • SiO2 • nН2О), образующиеся в результате взаимодействия золы и извести. Рентгенофазовый анализ позволяет наиболее достоверно судить о минералогическом составе материалов. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
