2780.Методы физико-химического анализа вяжущих веществ

мому 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

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.

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

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,

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.

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.

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

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.