Методы анализа веществ

Рентгеноструктурный анализ

Рентгеноструктурный анализ это метод исследования строения тел, использующий явление дифракции рентгеновских лучей, метод исследования структуры вещества по распределению в пространстве и интенсивностям рассеянного на анализируемом объекте рентгеновского излучения. Дифракционная картина зависит от длины волны используемых рентгеновских лучей и строения объекта. Для исследования атомной структуры применяют излучение с длиной волны порядка размеров атома.

Методами рентгеноструктурного анализа изучают металлы, сплавы, минералы, неорганические и органические соединения, полимеры, аморфные материалы, жидкости и газы, молекулы белков, нуклеиновых кислот и т.д. Рентгеноструктурный анализ является основным методом определения структуры кристаллов.

При исследовании кристаллов он даёт наибольшую информацию. Это обусловлено тем, что кристаллы обладают строгой периодичностью строения и представляют собой созданною самой природой дифракционную решётку для рентгеновских лучей. Однако он доставляет ценные сведения и при исследовании тел с менее упорядоченной структурой, таких, как жидкости, аморфные тела, жидкие кристаллы, полимеры и другие. На основе многочисленных уже расшифрованных атомных структур может быть решена и обратная задача: по рентгенограмме поликристаллического вещества, например легированной стали, сплава, руды, лунного грунта, может быть установлен кристаллический состав этого вещества, то есть выполнен фазовый анализ.

Рентгеноструктурный анализ позволяет объективно устанавливать структуру кристаллических веществ, в том числе таких сложных, как витамины, антибиотики, координационные соединения и т.д. Полное структурное исследование кристалла часто позволяет решить и чисто химические задачи, например установление или уточнение химической формулы, типа связи, молекулярного веса при известной плотности или плотности при известном молекулярном весе, симметрии и конфигурации молекул и молекулярных ионов.

Рентгеноструктурный анализ с успехом применяется для изучения кристаллического состояния полимеров. Ценные сведения даёт рентгеноструктурный анализ и при исследовании аморфных и жидких тел. Рентгенограммы таких тел содержат несколько размытых дифракционных колец, интенсивность которых быстро падает с увеличением. По ширине, форме и интенсивности этих колец можно делать заключения об особенностях ближнего порядка в той или иной конкретной жидкой или аморфной структуре.

Рентгеновские диффрактометры "ДРОН"

Рентгенофлуоресцентный анализ (РФА)

Один из современных спектроскопических методов исследования вещества с целью получения его элементного состава, т.е. его элементного анализа. Метод РФА основан на сборе и последующем анализе спектра, полученного путём воздействия на исследуемый материал рентгеновским излучением. При облучении атом переходит в возбуждённое состояние, сопровождающееся переходом электронов на более высокие квантовые уровни. В возбуждённом состоянии атом пребывает крайне малое время, порядка одной микросекунды, после чего возвращается в спокойное положение (основное состояние). При этом электроны с внешних оболочек либо заполняют образовавшиеся вакантные места, а излишек энергии испускается в виде фотона, либо энергия передается другому электрону из внешних оболочек (оже-электрон). При этом каждый атом испускает фотоэлектрон с энергией строго определённого значения, например железо при облучении рентгеновскими лучами испускает фотоны К?= 6,4 кэВ. Далее соответственно по энергии и количеству квантов судят о строении вещества.

В рентгено-флуоресцентной спектрометрии имеются возможности провести детальное сравнение образцов не только по характеристическим спектрам элементов, но и по интенсивности фонового (тормозного) излучения и по форме полос Комптоновского рассеяния. Это приобретает особый смысл в случае, когда химический состав двух проб одинаков по результатам количественного анализа, но пробы отличаются другими свойствами, такими, как зернистость, размер кристаллитов, шероховатость поверхности, пористость, влажность, присутствие кристаллизационной воды, качество полировки, толщина напыления и пр. Идентификация выполняется на основании детального сопоставления спектров. При этом нет необходимости знать химический состав пробы. Любое отличие сравниваемых спектров неопровержимо свидетельствует об отличии исследуемого образца от эталона.

Данный вид анализа проводится при необходимости отождествления состава и некоторых физических свойств двух образцов, один из которых является эталонным. Такой вид анализа важен при поиске любых отличий в составе двух образцов. Область применения: определение тяжелых металлов в почвах, осадках, воде, аэрозолях, качественный и количественный анализ почв, минералов, горных пород, контроль качества сырья, производственного процесса и готовой продукции, анализ свинцовых красок, измерение концентраций ценных металлов, определение загрязнений нефти и топлива, определение токсичных металлов в пищевых ингредиентах, анализ микроэлементов в почвах и сельскохозяйственных продуктах, элементный анализ, датирование археологических находок, изучение картин, скульптур, для проведения анализа и экспертиз.

Обычно подготовка образцов ко всем видам рентгено-флуоресцентнному анализа не представляет сложностей. Для проведения высоконадежного количественного анализа образец должен быть однородным и представительным, иметь массу и размер не менее требуемого методикой анализа. Металлы шлифуются, порошки измельчаются до частиц заданного размера и прессуются в таблетки. Горные породы сплавляются до стеклообразного состояния (это надежно избавляет от погрешностей, связанных с неоднородностью образца). Жидкости и сыпучие вещества просто помещаются в специальные чашки.

Спектральный анализ

Спектральный анализ - физический метод качественного и количественного определения атомного и молекулярного состава вещества, основанный на исследовании его спектров. Физическая основа С. а. - спектроскопия атомов и молекул, его классифицируют по целям анализа и типам спектров (см. Спектры оптические). Атомный С. а. (АСА) определяет элементный состав образца по атомным (ионным) спектрам испускания и поглощения, молекулярный С. а. (МСА) - молекулярный состав веществ по молекулярным спектрам поглощения, люминесценции и комбинационного рассеяния света. Эмиссионный С. а. производят по спектрам испускания атомов, ионов и молекул, возбуждённым различными источниками электромагнитного излучения в диапазоне от?-излучения до микроволнового. Абсорбционный С. а. осуществляют по спектрам поглощения электромагнитного излучения анализируемыми объектами (атомами, молекулами, ионами вещества, находящегося в различных агрегатных состояниях). Атомный спектральный анализ (АСА) Эмиссионный АСА состоит из следующих основных процессов:

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

На этой стадии заканчивается качественный АСА. Наиболее результативно использование чувствительных (т. н. «последних») линий, сохраняющихся в спектре при минимальной концентрации определяемого элемента. Спектрограммы просматривают на измерительных микроскопах, компараторах, спектропроекторах. Для качественного анализа достаточно установить наличие или отсутствие аналитических линий определяемых элементов. По яркости линий при визуальном просмотре можно дать грубую оценку содержания тех или иных элементов в пробе.

Количественный АСА осуществляют сравнением интенсивностей двух спектральных линий в спектре пробы, одна из которых принадлежит определяемому элементу, а другая (линия сравнения) - основному элементу пробы, концентрация которого известна, или специально вводимому в известной концентрации элементу («внутреннему стандарту»).

Атомно-абсорбционный С. а. (ААА) и атомно-флуоресцентный С. а. (АФА). В этих методах пробу превращают в пар в атомизаторе (пламени, графитовой трубке, плазме стабилизированного ВЧ- или СВЧ-разряда). В ААА свет от источника дискретного излучения, проходя через этот пар, ослабляется и по степени ослабления интенсивностей линий определяемого элемента судят о концентрации его в пробе. ААА проводят на специальных спектрофотометрах. Методика проведения ААА по сравнению с др. методами значительно проще, для него характерна высокая точность определения не только малых, но и больших концентраций элементов в пробах. ААА с успехом заменяет трудоёмкие и длительные химические методы анализа, не уступая им в точности.

В АФА атомные пары пробы облучают светом источника резонансного излучения и регистрируют флуоресценцию определяемого элемента. Для некоторых элементов (Zn, Cd, Hg и др.) относительные пределы их обнаружения этим методом весьма малы (10-5-10-6 %).

АСА позволяет проводить измерения изотопного состава. Некоторые элементы имеют спектральные линии с хорошо разрешенной структурой (например, Н, Не, U). Изотопный состав этих элементов можно измерять на обычных спектральных приборах с помощью источников света, дающих тонкие спектральные линии (полый катод, безэлектродные ВЧ- и СВЧ-лампы). Для проведения изотопного спектрального анализа большинства элементов требуются приборы высокой разрешающей способности (например, эталон Фабри - Перо). Изотопный спектральный анализ можно также проводить по электронно-колебательным спектрам молекул, измеряя изотопные сдвиги полос, достигающие в ряде случаев значительной величины.

Значительную роль АСА играет в атомной технике, производстве чистых полупроводниковых материалов, сверхпроводников и т. д. Методами АСА выполняется более 3/4 всех анализов в металлургии. С помощью квантометров проводят оперативный (в течение 2-3 мин) контроль в ходе плавки в мартеновском и конвертерном производствах. В геологии и геологической разведке для оценки месторождений производят около 8 млн. анализов в год. АСА применяется для охраны окружающей среды и анализа почв, в криминалистике и медицине, геологии морского дна и исследовании состава верхних слоев атмосферы, при разделении изотопов и определении возраста и состава геологических и археологических объектов и т. д.

Инфракрасная спектроскопия

Метод ИКС включает получение, исследование и применение спектров испускания, поглощения и отражения в инфракрасной области спектра (0,76-1000 мкм). ИКС занимается главным образом изучением молекулярных спектров, т.к. в ИК-области расположено большинство колебательных и вращательных спектров молекул. Наиболее широкое распространение получило исследование ИК спектров поглощения, возникающих при прохождении ИК-излучения через вещество. При этом селективно поглощается энергия на тех частотах, которые совпадают с частотами вращения молекулы как целого, а в случае кристаллического соединения с частотами колебаний кристаллической решетки.

ИК-спектр поглощения - вероятно, уникальное в своем роде физическое свойство. Не существует двух соединений, за исключением оптических изомеров, с различающимися структурами, но одинаковыми ИК-спектрами. В некоторых случаях, таких как полимеры с близким молекулярным весом, различия могут быть практически незаметны, но они всегда есть. В большинстве случаев ИК-спектр является "отпечатком пальцев" молекулы, который легко отличим от спектров других молекул.

Кроме того, что поглощение характеристичное для отдельных групп атомов, его интенсивность прямопропорциональна их концентрации. Т.о. измерение интенсивности поглощения дает после простых вычислений количество данного компонента в образце.

ИК-спектроскопия находит применение в исследовании строения полупроводниковых материалов, полимеров, биологических объектов и непосредственно живых клеток. В молочной промышленности метод инфракрасной спектроскопии применяют для определения массовой доли жира, белка, лактозы, сухих веществ, точки замерзания и т. д.

Жидкое вещество чаще всего снимают в виде тонкой пленки между крышками из солей NaCl или KBr. Твердое вещество чаще всего снимают в виде пасты в вазелиновом масле. Растворы снимают в разборных кюветах.

спектральный диапазон от 185 до 900 нм, двулучевой, регистрирующий, точность длины волны 0.03 нм при 54000 см-1, 0.25 при 11000 см-1, воспроизводимость длины волны соответственно 0.02 нм и 0.1 нм	Прибор предназначен для снятия ИК - спектров твердых и жидких образцов. Спектральный диапазон – 4000…200 см-1; фотометрическая точность ± 0.2%.

Абсорбционный анализ видимой и близкой ультрафиолетовой области

На абсорбционном методе анализа или свойстве растворов поглощать видимый свет и электромагнитное излучение в близком к нему ультрафиолетовом диапазоне основан принцип действия самых распространенных фотометрических приборов для медицинских лабораторных исследований - спектрофотометров и фотоколориметров (видимый свет).

Каждое вещество поглощает только такое излучение, энергия которого способна вызвать определенные изменения в молекуле этого вещества. Иными словами, вещество поглощает излучение только определенной длины волны, а свет другой длины волны проходит через раствор. Поэтому в видимой области света цвет раствора, воспринимаемый глазом человека, определяется длиной волны излучения, не поглощенного этим раствором. То есть наблюдаемый исследователем цвет является дополнительным по отношению к цвету поглощенных лучей.

В основу абсорбционного метода анализа положен обобщенный закон Бугера - Ламберта - Бера, который часто называют просто законом Бера. Он базируется на двух законах:

1. Относительное количество энергии светового потока, поглощенного средой, не зависит от интенсивности излучения. Каждый поглощающий слой одинаковой толщины поглощает равную долю проходящего через эти слои монохроматического светового потока.
2. Поглощение монохроматического потока световой энергии прямо пропорционально числу молекул поглощающего вещества.

Термический анализ

Метод исследования физ.-хим. и хим. процессов, основанный на регистрации тепловых эффектов, сопровождающих превращения веществ в условиях программирования температуры. Поскольку изменение энтальпии?H происходит в результате большинства физ.-хим. процессов и хим. реакций, теоретически метод применим к очень большому числу систем.

В Т. а. можно фиксировать т. наз. кривые нагревания (или охлаждения) исследуемого образца, т.е. изменение температуры последнего во времени. В случае к.-л. фазового превращения в веществе (или смеси веществ) на кривой появляются площадка или изломыБольшей чувствительностью обладает метод дифференциального термического анализа (ДТА), в котором регистрируют во времени изменение разности температур DT между исследуемым образцом и образцом сравнения (чаще всего Аl2О3), не претерпевающим в данном интервале температур никаких превращений.

В Т. а. можно фиксировать т. наз. кривые нагревания (или охлаждения) исследуемого образца, т.е. изменение температуры последнего во времени. В случае к.-л. фазового превращения в веществе (или смеси веществ) на кривой появляются площадка или изломы.

Дифференциальный термический анализ (ДТА) обладает большей чувствительностью. В нем регистрируют во времени изменение разности температур DT между исследуемым образцом и образцом сравнения (чаще всего Аl2О3), не претерпевающим в данном интервале температур никаких превращений. Минимумы на кривой ДТА (см., напр., рис.) соответствуют эндотермическим процессам, а максимумы - экзотермическим. Эффекты, регистрируемые в ДТА, м. б. обусловлены плавлением, изменением кристаллической структуры, разрушением кристаллической решетки, испарением, кипением, возгонкой, а также хим. процессами (диссоциация, разложение, дегидратация, окисление-восстановление и др.). Большинство превращений сопровождается эндотермическими эффектами; экзотермичны лишь некоторые процессы окисления-восстановления и структурного превращения.

В Т. а. можно фиксировать т. наз. кривые нагревания (или охлаждения) исследуемого образца, т.е. изменение температуры последнего во времени. В случае к.-л. фазового превращения в веществе (или смеси веществ) на кривой появляются площадка или изломы.

Мат. соотношения между площадью пика на кривой ДТА и параметрами прибора и образца позволяют определять теплоту превращения, энергию активации фазового перехода, некоторые кинетические константы, проводить полуколичественный анализ смесей (если известны DH соответствующих реакций). С помощью ДТА изучают разложение карбоксилатов металлов, различных металлоорганических соединений, оксидных высокотемпературных сверхпроводников. Этим методом определили температурную область конверсии СО в СО2 (при дожигании автомобильных выхлопных газов, выбросов из труб ТЭЦ и т.д.). ДТА применяют для построения фазовых диаграмм состояния систем с различным числом компонентов (физ.-хим. анализ), для качеств. оценки образцов, напр. при сравнении разных партий сырья.

Дериватография - комплексный метод исследования хим. и физ.-хим. процессов, происходящих в веществе в условиях программированного изменения температуры.

Основана на сочетании дифференциального термического анализа (ДТА) с одним или несколькими физ. или физ.-хим. методами, например, с термогравиметрией, термомеханическим анализом (дилатометрия), масс-спектрометрией и эманационным термическим анализом. Во всех случаях наряду с превращениями в веществе, происходящими с тепловым эффектом, регистрируют изменение массы образца (жидкого или твердого). Это позволяет сразу однозначно определить характер процессов в веществе, что невозможно сделать по данным только ДТА или др. термическими методами. В частности, показателем фазового превращения служит тепловой эффект, не сопровождающийся изменением массы образца. Прибор, регистрирующий одновременно термического и термогравиметрического изменения, называется дериватографом. В дериватографе, действие которого основано на сочетании ДТА с термогравиметрией, держатель с исследуемым веществом помещают на термопару, свободно подвешенную на коромысле весов. Такая конструкция позволяет записывать сразу 4 зависимости (см., напр., рис.): разности температур исследуемого образца и эталона, который не претерпевает превращений, от времени t (кривая ДТА), изменения массы Dm от температуры (термогравиметрическая кривая), скорости изменения массы, т.е. производной dm/dt, от температуры (дифференциальная термогравиметрическая кривая) и температуры от времени. При этом удается установить последовательность превращений вещества и определить кол-во и состав промежуточных продуктов.

Химические методы анализа

Гравиметрический анализ основан на определении массы вещества.
В ходе гравиметрического анализа определяемое вещество или отгоняется в виде какого-либо летучего соединения (метод отгонки), или осаждается из раствора в виде малорастворимого соединения (метод осаждения). Методом отгонки определяют, например, содержание кристаллизационной воды в кристаллогидратах.
Гравиметрический анализ - один из наиболее универсальных методов. Он применяется для определения почти любого элемента. В большей части гравиметрических методик используется прямое определение, когда из анализируемой смеси выделяется интересующий компонент, который взвешивается в виде индивидуального соединения. Часть элементов периодической системы (например, соединения щелочных металлов и некоторые другие) нередко анализируется по косвенным методикам. В этом случае сначала выделяют два определенных компонента, переводят их в гравиметрическую форму и взвешивают. Затем одно из соединений или оба переводят в другую гравиметрическую форму и снова взвешивают. Содержание каждого компонента определяют путем несложных расчетов.

Наиболее существенным достоинством гравиметрического метода является высокая точность анализа. Обычная погрешность гравиметрического определения составляет 0,1-0,2%. При анализе пробы сложного состава погрешность возрастает до нескольких процентов за счет несовершенства методов разделения и выделения анализируемого компонента. К числу достоинств гравиметрического метода относится также отсутствие каких-либо стандартизации или градуировок по стандартным образцам, необходимых почти в любом другом аналитическом методе. Для расчета результатов гравиметрического анализа требуется знание лишь молярных масс и стехиометрических соотношений.

Титриметрический или объемный метод анализа является одним из методов количественного анализа. Титрование – это постепенное прибавление титрованного раствора реагента (титранта) к анализируемому раствору для определения точки эквивалентности. Титриметрический метод анализа основан на измерении объема реагента точно известной концентрации, затраченного на реакцию взаимодействия с определяемым веществом. В основе этого метода лежит точное измерение объемов растворов двух веществ, реагирующих между собой. Количественное определение с помощью титриметрического метода анализа выполняется довольно быстро, что позволяет проводить несколько параллельных определений и получать более точное среднее арифметическое. В основе всех расчетов титриметрического метода анализа лежит закон эквивалентов. По характеру химической реакции, лежащей в основе определения вещества, методы титриметрического анализа подразделяют на следующие группы: метод нейтрализации или кислотно-основного титрования; метод окисления- восстановления; метод осаждения и метод комплексообразования.

Введение

Раздел №1. «Строительные материалы и их поведение в условиях пожара».

Тема 1. Основные свойства строительных материалов, методы исследования и оценка поведения строительных материалов в условиях пожара.

Тема 2. Каменные материалы и их поведение в условиях пожара.

Тема 3. Металлы, их поведение в условиях пожара и способы повышения стойкости к его воздействию.

Тема 4. Древесина, ее пожарная опасность, способы огнезащиты и оценка их эффективности.

Тема 5. Пластмассы, их пожарная опасность, методы ее исследования и оценки.

Тема 6. Нормирование пожаробезопасного применения материалов в строительстве.

Раздел №2. «Строительные конструкции, здания, сооружения и их поведение в условиях пожара».

Тема 7. Исходные сведения об объемно-планировочных и конструктивных решениях зданий и сооружений.

Тема 8. Исходные сведения о пожарной опасности зданий и строительных конструкций.

Тема 9. Теоретические основы разработки методов расчета огнестойкости строительных конструкций.

Тема 10. Огнестойкость металлических конструкций.

Тема 11. Огнестойкость деревянных конструкций.

Тема 12. Огнестойкость железобетонных конструкций.

Тема 13. Поведение зданий, сооружений в условиях пожара.

Тема 14. Перспективы совершенствования подхода к определению и нормированию требований к огнестойкости строительных конструкций.

Введение

Структура дисциплины, значение ее в процессе профессиональной подготовки выпускника института. Современные направления в проектировании, строительстве эксплуатации, зданий и сооружений.

Народнохозяйственное значение деятельности сотрудников пожарной охраны по контролю за пожаробезопасным применением строительных материалов и использовании огнестойких строительных конструкций при проектировании, строительстве, реконструкции зданий и сооружений.

Раздел 1. Строительные материалы и их поведение в условиях пожара.

Тема 1. Основные свойства строительных материалов, методы исследования и оценка поведения строительных материалов в условиях пожара.

Виды, свойства, особенности производства и применения основных строительных материалов и их классификация. Факторы, влияющие на поведение строительных материалов в условиях пожара. Классификация основных свойств строительных материалов.

Физические свойства и показатели, их характеризующие: пористость, гигроскопичность, водопоглощение, водо- газо- и паропроницаемость строительных материалов.

Основные формы связи влаги с материалом.

Теплофизические свойства и показатели их характеризующие.

Основные негативные процессы, определяющие поведение неорганических строительных материалов в условиях пожара. Методы экспериментальной оценки изменения механических характеристик строительных материалов, применительно к условиям пожара.

Процессы, протекающие в органических материалах в условиях пожара. Пожарно-технические характеристики строительных материалов, методы их исследования и оценки.

Практическое занятие 1. Определение основных свойств некоторых строительных материалов и прогнозирование поведения этих материалов в условиях пожара.

Министерство образования Кыргызской Республики

Министерство образования Российской федерации

Кыргызско-Российский славянский университет

Факультет архитектуры дизайна и строительства

Реферат

На тему:

«Роль физико-химических методов исследования в строительных материалах»

Выполнил: Подьячев Михаил гр. ПГС 2-07

Проверила: Джекишева С.Д.

План

1. Введение……………………………………………………………………….……стр. 3

2 . Физико-химические методы анализа и их классификация ………………….стр. 3-8

3.Основные строительные материалы исследуемые физико-химическими методами….стр. 8-9

4. Характеристика коррозионных процессов в строительных материалах…. стр. 9-13

5. Физико-химические методы исследования коррозии в строительных материалах………………стр. 13-15

6. Методы защиты строительных материалов от коррозии……………………стр. 15

7. Результаты исследования коррозии на основе физико-химических методов………стр. 16-18

8. Инновационные методы исследования коррозии…………………………стр. 18-20

9. Заключение………………………………………………………………………стр. 20

10. Список литературы……………………………………………………………стр.21

Введение.

Человеческая цивилизация на протяжении своего развития, по крайней мере, в материальной сфере постоянно использует химические, биологические и физические закономерности, действующие на нашей планете, для удовлетворения тех или иных своих потребностей.

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

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

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

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

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

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

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

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

Физико-химические методы анализа и их классификация.

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

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

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

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

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

Таблица 2.1.1.

Вид энергии возмущения	Измеряемое свойство	Название метода	Название группы методов
Поток электронов (эле-ктрохимические реак-ции в растворах и на электродах)	Напряжение, потенциал	Потенциометрия	Электрохимические
	Ток поляризации электродов	Вольтамперо - метрия, полярография
	Сила тока	Амперометрия
	Сопротивление, проводимость	Кондуктометрия
	Импеданс (сопротивление переменному току, ёмкость)	Осциллометрия, высокочастотная кондуктометрия
	Количество электричества	Кулонометрия
	Масса продукта электрохимической реакции	Электрограви-метрия
	Диэлектрическая проницаемость	Диэлкометрия
Электромагнитное излучение	Длина волны и интенсивность спектральной линии в инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой частях спектра?=10-3...10-8 м	Оптические методы (ИК - спектро-скопия, атомно-эмиссионный анализ, атомно-абсорбционный анализ, фотомет-рия, люминис - центный анализ, турбидиметрия, нефелометрия)	Спектральные
	То же, в рентгеновской области спектра?=10-8...10-11 м	Рентгеновская фотоэлектронная, оже-спектроско-пия
	Времена релаксации и химический сдвиг	Спектроскопия ядерномагнитного (ЯМР) и электронного парамагнитного (ЭПР) резонанса
	Температура	Термический анализ	Тепловые
		Термограви - метрия
	Количество теплоты	Калориметрия
	Энтальпия	Термометрический анализ (энтальпиметрия)
	Механические свойства	Дилатометрия
Энергия химических и физических (Ван-дер-Ваальсо-вые силы) взаимодействий	Электропроводность Теплопроводность Ток ионизации	Газовая, жидкостная, осадочная, ионообменная, гельпроникающая хроматографии	Хроматографические

По сравнению с классическими химическими методами ФХМА отличаются меньшим пределом обнаружения, временем и трудоёмкостью. ФХМА позволяют проводить анализ на расстоянии, автоматизировать процесс анализа и выполнять его без разрушения образца (недеструктивный анализ).

По способам определения различают прямые и косвенные ФХМА. В прямых методах количество вещества находят непосредственным пересчётом измеренного аналитического сигнала в количество вещества (массу, концентрацию) с помощью уравнения связи. В косвенных методах аналитический сигнал используется для установления конца химической реакции (как своеобразный индикатор), а количество определяемого вещества, вступившего в реакцию, находят с помощью закона эквивалентов, т.е. по уравнению, непосредственно не связанному с названием метода.

По способу количественных определений различают без эталонные и эталонные инструментальные методы анализа.

Без эталонные методы основаны на строгих закономерностях, формульное выражение которых позволяет пересчитать интенсивность измеренного аналитического сигнала непосредственно в количестве определяемого вещества с привлечением только табличных величин. В качестве такой закономерности может выступать, например, закон Фарадея, позволяющий по току и времени электролиза рассчитать количество определяемого вещества в растворе при кулонометрическом титровании. Безэталонных методов очень мало, поскольку каждое аналитическое определение представляет собой систему сложных процессов, в которых невозможно теоретически учесть влияние каждого из многочисленных действующих факторов на результат анализа. В связи с этим при анализах пользуются определёнными приёмами, позволяющими экспериментально учесть эти влияния. Наиболее распространённым приёмом является применение эталонов, т.е. образцов веществ или материалов с точно известным содержанием определяемого элемента (или нескольких элементов). При проведении анализа измеряют определяемое вещество исследуемого образца и эталона, сравнивают полученные данные и по известному содержанию элемента в эталоне рассчитывают содержание этого элемента в анализируемом образце. Эталоны могут быть изготовлены промышленным способом (стандартные образцы, стали-нормали) или приготовляются в лаборатории непосредственно перед проведением анализа (образцы сравнения). Если в качестве стандартных образцов применяют химически чистые вещества (примесей меньше 0.05%), то их называют стандартными веществами.

На практике количественные определения инструментальными методами осуществляют по одному из трёх способов: градуировочной функции (стандартных серий), стандартов (сравнения) или стандартных добавок.

При работе по методу градуировочной функции с помощью стандартных веществ или стандартных образцов получают ряд образцов (или растворов), содержащих различные, но точно известные количества определяемого компонента. Иногда этот ряд называют стандартной серией. Затем проводят анализ этой стандартной серии и по полученным данным вычисляют значение чувствительности К (в случае линейной градуировочной функции). После этого измеряют интенсивность аналитического сигнала А в исследуемом объекте и вычисляют количество (массу, концентрацию) искомого компонента с помощью уравнения связи или находят по градуировочному графику (см. рис.2.1.1).

Метод сравнения (стандартов) применим только для линейной градуировочной функции. Определение данного компонента проводят в стандартном образце (стандартном веществе) и получают

Потом определяют в анализируемом объекте

Делением первого уравнения на второе исключают чувствительность

и вычисляют результат анализа

Метод стандартных добавок применим тоже только к линейной градуировочной функции. В этом методе сначала проводят анализ навески исследуемого объекта и получают, затем к навеске добавляют известное количество (массу, объём раствора) определяемого компонента и после анализа получают

Делением первого уравнения на второе исключают К и получают формулу для расчёта результатов анализа:

Спектр вещества получают, воздействуя на него температурой, потоком электронов, световым потоком (электромагнитной энергией) с определённой длиной волны (частоты излучения) и другими способами. При определённой величине энергии воздействия вещество способно перейти в возбуждённое состояние. При этом происходят процессы, приводящие к появлению в спектре излучения с определённой длиной волны (табл.2.2.1).

Излучение, поглощение, рассеяние или рефракция электромагнитного излучения может рассматриваться как аналитический сигнал, несущий информацию о качественном и количественном составе вещества или о его структуре. Частота (длина волны) излучения определяется составом исследуемого вещества, а интенсивность излучения пропорциональна числу частиц, вызвавших его появление, т.е. количеству вещества или компонента смеси.

Каждый из аналитических методов обычно использует не полный спектр вещества, охватывающий диапазон длин волн от рентгеновских излучений до радиоволн, а только определённую его часть. Спектральные методы обычно различают по диапазону длин волн спектра, являющемуся рабочим для данного метода: ультрафиолетовые (УФ), рентгеновские, инфракрасные (ИК), микроволновые и т.д.

Методы, работающие в УФ, видимом и ИК диапазоне называют оптическими. Они больше всего применяются в спектральных методах вследствие сравнительной простоты оборудования для получения и регистрации спектра.

Атомно-эмиссионный анализ (АЭА) основан на качественном и количественном определении атомного состава вещества путём получения и изучения спектров эмиссии атомов, входящих в состав вещества.

Пи АЭА анализируемая проба вещества вводится в источник возбуждения спектрального прибора. В источнике возбуждения данная проба подвергается сложным процессам, заключающимся в плавлении, испарении, диссоциации молекул, ионизации атомов, возбуждении атомов и ионов.

Возбуждённые атомы и ионы через очень короткое время (~10-7-108с) самопроизвольно возвращаются из неустойчивого возбуждённого состояния в нормальное или промежуточное состояние. Это приводит к излучению света с частотой? и появлению спектральной линии.

Общую схему атомной эмиссии можно представить так:

А + Е? А* ? А + h?

Степень и интенсивность протекания этих процессов зависит от энергии источника возбуждения (ИВ).

Наиболее распространёнными ИВ являются: газовое пламя, дуговые и искровые разряды, индукционно связанная плазма (ИСП). Их энергетической характеристикой можно считать температуру.

Количественный АЭА основан на зависимости между концентрацией элемента и интенсивностью его спектральных линий, которая определяется формулой Ломакина:

где I - интенсивность спектральной линии определяемого элемента; c - концентрация; a и b - константы.

Величины a и b зависят от свойств аналитической линии, ИВ, соотношения концентраций элементов в пробе, поэтому зависимость обычно устанавливается эмпирически для каждого элемента и каждого образца. На практике обычно пользуются методом сравнения с эталоном.

При количественных определениях используют в основном фотографический способ регистрации спектра. Интенсивность спектральной линии, получаемой на фотопластинке, характеризуется ее почернением:

где S - степень почернения фотопластинки; I0 - интенсивность света проходящего через незачерненную часть пластинки, а I - через зачерненную, т.е. спектральную линию. Измерение почернения спектральной линии проводят по сравнению с почернением фона или по отношению к интенсивности линии сравнения. Полученная разность почернений (?S) прямо пропорциональна логарифму концентрации (с):

При методе трех эталонов на одной фотопластинке фотографируют спектры трех эталонов с известным содержанием элементов и спектр анализируемого образца. Измеряют почернение выбранных линий. Строят градуировочный график, по которому находят содержание изучаемых элементов.

В случае анализа однотипных объектов применяют метод постоянного графика, который строят по большому числу эталонов. Затем в строго одинаковых условиях снимают спектр образца и одного из эталонов. По спектру эталона проверяют не произошло ли смещение графика. Если смещения нет, то неизвестную концентрацию находят по постоянному графику, а если есть, то величину смещения учитывают с помощью спектра эталона.

При количественном АЭА погрешность определения содержания основы составляет 1-5%, а примеси - до 20%. Визуальный метод регистрации спектра быстрее, но менее точен, чем фотографический.

По аппаратурному оформлению можно выделить АЭА с визуальной, фотографической и фотоэлектрической регистрацией и измерением интенсивности спектральных линий.

Визуальные методы (регистрация с помощью глаза) можно использовать только для исследования спектров с длинами волн в области 400 - 700 нм. Средняя спектральная чувствительность глаза максимальна для желто-зеленого света с длиной волны? 550 нм. Визуально можно с достаточной точностью установить равенство интенсивностей линий с ближайшими длинами волн или определить наиболее яркую линию. Визуальные методы делятся на стилоскопические и стилометрические.

Стилоскопический анализ основан на визуальном сравнении интенсивностей спектральных линий анализируемого элемента (примеси) и близлежащих линий спектра основного элемента пробы. Например, при анализе сталей обычно сравнивают интенсивности спектральных линий примеси и железа. При этом используют заранее известные стилоскопические признаки, в которых равенству интенсивности линий определенной аналитической пары соответствует определенная концентрация анализируемого элемента.

Стилоскопы используют для экспресс-анализа, для которого не требуется высокой точности.6-7 элементов определяют за 2-3 мин. Чувствительность анализа 0,01-0,1%. Для анализа применяют как стационарные стилоскопы СЛ-3... СЛ-12, так и переносные СЛП-1... СЛП-4.

Стилометрический анализ отличается от стилоскопического тем, что более яркую линию аналитической пары ослабляют при помощи специального устройства (фотометра) до установления равенства интенсивностей обеих линий. Кроме того, стилометры позволяют сближать в поле зрения аналитическую линию и линию сравнения, что значительно повышает точность измерений. Для анализа применяют стилометры СТ-1... СТ-7.

Относительная погрешность визуальных измерений 1 - 3%. Их недостатками являются ограниченность видимой области спектра, утомительность, отсутствие объективной документации о проведении анализа.

Фотографические методы основаны на фотографической регистрации спектра с помощью специальных приборов-спектрографов. Рабочая область спектрографов ограничена длиной волны 1000 нм, т.е. их можно использовать в видимой области и УФ. Интенсивность спектральных линий измеряют по степени почернения их изображения на фотопластинке или фотопленке.

Основные строительные материалы исследуемые физико-химическими методами. Строительные материалы и изделия, применяемые при строительстве, реконструкции и ремонте различных зданий и сооружений, делятся на природные и искусственные, которые в свою очередь подразделяются на две основные категории: к первой категории относят: кирпич, бетон, цемент, лесоматериалы и др. Их применяют при возведении различных элементов зданий (стен, перекрытий, покрытий, полов). Ко второй категории - специального назначения: гидроизоляционные, теплоизоляционные, акустические и др. Основными видами строительных материалов и изделий являются: каменные природные строительные материалы из них; вяжущие материалы неорганические и органические; лесные материалы и изделия из них; металлические изделия. В зависимости от назначения, условий строительства и эксплуатации зданий и сооружений подбираются соответствующие строительные материалы, которые обладают определёнными качествами и защитными свойствами от воздействия на них различной внешней среды. Учитывая эти особенности, любой строительный материал должен обладать определёнными строительно-техническими свойствами. Например, материал для наружных стен зданий должен обладать наименьшей теплопроводностью при достаточной прочности, чтобы защищать помещение от наружного холода; материал сооружения гидромелиоративного назначения - водонепроницаемостью и стойкостью к попеременному увлажнению и высыханию; материал для покрытия дорого (асфальт, бетон) должен иметь достаточную прочность и малую истираемость, чтобы выдержать нагрузки от транспорта. Классифицируя материалы и изделия, необходимо помнить, что они должны обладать хорошими свойствами и качествами. Свойство - характеристика материала, проявляющаяся в процессе его обработки, применении или эксплуатации. Качество - совокупность свойств материала, обуславливающих его способность удовлетворять определённым требованиям в соответствии с его назначением. Свойства строительных материалов и изделий классифицируют на три основные группы: физические, механические, химические, технологические и др. К химическим относят способность материалов сопротивляться действию химически агрессивной среды, вызывающие в них обменные реакции приводящие к разрушению материалов, изменению своих первоначальных свойств: растворимость, коррозионная стойкость, стойкость против гниения, твердение. Физические свойства: средняя, насыпная, истинная и относительная плотность; пористость, влажность, влагоотдача, теплопроводность. Механические свойства: пределы прочности при сжатии, растяжении, изгибе, сдвиге, упругость, пластичность, жёсткость, твёрдость. Технологические свойства: удобоукладываемость, теплоустойчивость, плавление, скорость затвердевания и высыхания. Физические и химические свойства материалов. Средняя плотность?0 массы m единицы объёма V1 абсолютно сухого материала в естественном состоянии; она выражается в г/см3, кг/л, кг/м3. Насыпная плотность сыпучих материалов?н массы m единицы объёма Vн просушенного свободно насыпанного материала; она выражается в г/см3, кг/л, кг/м3. Истинная плотность? массы m единицы объёма V материала в абсолютно плотном состоянии; она выражается в г/см3, кг/л, кг/м3. Относительная плотность?(%) - степень заполнения объёма материала твёрдым веществом; она характеризуется отношением общего объёма твёрдого вещества V в материале ко всему объёму материала V1 или отношением средней плотности материала?0 к её истинной плотности?: , или . Пористость П - степень заполнения объёма материала порами, пустотами, газо-воздушными включениями: для твёрдых материалов: , для сыпучих: Гигроскопичность - способность материала поглощать влагу из окружающей среды и сгущать её в массе материала. Влажность W(%) - отношение массы воды в материале mв=m1-m к массе его в абсолютно сухом состоянии m: Водопоглащение В - характеризует способность материала при соприкосновении с водой впитывать и удерживать её в своей массе. Различают массовое Вм и объёмное Во водопоглащение. Массовое водопоглащение (%) - отношение массы поглощённой материалом воды mв к массе материала в абсолютно сухом состоянии m: Объёмное водопоглащение (%) - отношение объёма поглощённой материалом воды mв/?в к его объёму в водонасыщенном состоянии V2: Влагоотдача - способность материала отдавать влагу.

Характеристика коррозионных процессов в строительных материалах.

Коррозия металлов - разрушение металлов вследствие физико-химического воздействия внешней среды, при этом металл переходит в окисленное (ионное) состояние и теряет присущие ему свойства.
По механизму коррозионного процесса различают два основных типа коррозии: химическую и электрохимическую.

По внешнему виду коррозию различают: пятнами, язвами, точками, внутрикристаллитную, подповерхностную. По характеру коррозионной среды различают следующие основные виды коррозии: газовую, атмосферную, жидкостную и почвенную.

Газовая коррозия происходит при отсутствии конденсации влаги на поверхности. На практике такой вид коррозии встречается при эксплуатации металлов при повышенных температурах.

Атмосферная коррозия относится к наиболее распространенному виду электрохимической коррозии, так как большинство металлических конструкций эксплуатируются в атмосферных условиях. Коррозия, протекающая в условиях любого влажного газа, также может быть отнесена к атмосферной коррозии.

Жидкостная коррозия в зависимости от жидкой среды бывает кислотная, щелочная, солевая, морская и речная. По условиям воздействия жидкости на поверхность металла эти виды коррозии получают добавочные характеристики: с полным и переменным погружением, капельная, струйная. Кроме того по характеру разрушения различают коррозию равномерную и неравномерную.

Бетон и железобетон находят широкое применение в качестве конструкционного материала при строительстве зданий и сооружений химических производств. Но они не обладают достаточной химической стойкостью против действия кислых сред. Свойства бетона и его стойкость в первую очередь зависит от химического состава цемента из которого он изготовлен. Наибольшее применение в конструкциях и оборудовании находят бетоны на портландцементе. Причиной пониженной химической стойкости бетона к действию минеральных и органических кислот является наличие свободной гидроокиси кальция (до 20%), трехкальциевого алюмината (3CaO×Al 2 O 3) и других гидратированных соединений кальция.

При непосредственном воздействии кислых сред на бетон происходит нейтрализация щелочей с образованием хорошо растворимых в воде солей, а затем взаимодействие кислых растворов со свободным гидрооксидом кальция с образованием в бетоне солей, обладающих различной растворимостью в воде. Коррозия бетона происходит тем интенсивнее, чем выше концентрация водных растворов кислот. При повышенных температурах агрессивной среды коррозия бетонов ускоряется. Несколько более высокой кислотостойкостью обладает бетон, изготовленный на глиноземистом цементе, из-за пониженного содержания оксида кальция. Кислотостойкость бетонов на цементах с повышенным содержанием оксида кальция в некоторой степени зависит от плотности бетона. При большей плотности бетона кислоты оказывают на него несколько меньшее воздействие из-за трудности проникновения агрессивной среды внутрь материала.

Под химической коррозией подразумевают взаимодействие металлической поверхности с окружающей средой, не сопровождающееся возникновением электрохимических (электродных) процессов на границе фаз.
Механизм химической коррозии сводится к реактивной диффузии атомов или ионов металла сквозь постепенно утолщающуюся пленку продуктов коррозии (например окалины) и встречной диффузии атомов или ионов кислорода. По современным воззрениям этот процесс имеет ионно-электронный механизм, аналогичный процессам электропроводности в ионных кристаллах. Примером химической коррозии является взаимодействие металла с жидкими неэлектролитами или сухими газами в условиях, когда влага на поверхности металла не конденсируется, а также воздействие на металл жидких металлических расплавов. Практически наиболее важным видом химической коррозии является взаимодействие металла при высоких температурах с кислородом и др. газообразными активными средами (H S, SO , галогены, водяные пары, CO и др.). Подобные процессы химической коррозии металлов при повышенных температурах носят также название газовой коррозии. Многие ответственные детали инженерных конструкций сильно разрушаются от газовой коррозии (лопатки газовых турбин, сопла ракетных двигателей, элементы электронагревателей, колосники, арматура печей и т.д.). Большие потери от газовой коррозии (угар металла) несет металлургическая промышленность. Стойкость против газовой коррозии повышается при введении в состав сплава различных добавок (хрома, алюминия, кремния и др.). Добавки алюминия, бериллия и магния к меди повышают ее сопротивление газовой коррозии в окислительных средах. Для защиты железных и стальных изделий от газовой коррозии поверхность изделия покрывают алюминием (алитирование).
Под электрохимической коррозией подразумевают процессы взаимодействия металлов с электролитами (в виде водных растворов, реже с неводными электролитами, например с некоторыми органическими электропроводными соединениями или безводными расплавами солей при повышенных температурах).
Процессы электрохимической коррозии протекают по законам электрохимической кинетики, когда общая реакция взаимодействия может быть разделена на следующие, в значительной степени самостоятельные, электродные процессы:
а) Анодный процесс - переход металла в раствор в виде ионов (в водных растворах, обычно гидратированных) с оставлением эквивалентного количества электронов в металле;
б) Катодный процесс - ассимиляция появившихся в металле избыточных электронов деполяризаторами.
Различают коррозию с водородной, кислородной или окислительной деполяризацией.

Типы коррозионных разрушений .
При равномерном распределении коррозионных разрушений по всей поверхности металла коррозию называют равномерной.
Если же значительная часть поверхности металла свободна от коррозии и последняя сосредоточена на отдельных участках, то ее называют местной. Язвенная, точечная, щелевая, контактная, межкресталлическая коррозия - наиболее часто встречающиеся в практике типы местной коррозии. Коррозионное растрескивание возникает при одновременном воздействии на металл агрессивной среды и механических напряжений. В металле появляются трещины транскристаллитного характера, которые часто приводят к полному разрушению изделий. Последние 2 вида коррозионного разрушения наиболее опасны для конструкций, несущих механические нагрузки (мосты, тросы, рессоры, оси, автоклавы, паровые котлы и т.д.)

Электрохимическая коррозия в различных средах .
Различают следующие типы электрохимической коррозии, имеющие наиболее важное практическое значение:
1. Коррозия в электролитах. К этому типу относятся коррозия в природных водах (морской и пресной), а также различные виды коррозии в жидких средах. В зависимости от характера среды различают:
а) кислотную;
б) щелочную;
в) солевую;
г) морскую коррозию.
По условиям воздействия жидкой среды на металл этот тип коррозии также характеризуется как коррозия при полном погружении, при неполном погружении, при переменном погружении, имеющие свои характерные особенности.
2. Почвенная (грунтовая, подземная) коррозия - воздействие на металл грунта, который в коррозионном отношении должен рассматриваться как своеобразный электролит. Характерной особенностью подземной электрохимической коррозии является большое различие в скорости доставки кислорода (основной деполяризатор) к поверхности подземных конструкций в разных почвах (в десятки тысяч раз). Значительную роль при коррозии в почве играет образование и функционирование макрокоррозионных пар вследствие неравномерной аэрации отдельных участков конструкции, а также наличие в земле блуждающих токов. В ряде случаев на скорость электрохимической коррозии в подземных условиях оказывает существенное влияние также развитие биологических процессов в почве.
3. Атмосферная коррозия - коррозия металлов в условиях атмосферы, а также любого влажного газа; наблюдается под конденсационными видимыми слоями влаги на поверхности металла (мокрая атмосферная коррозия) или под тончайшими невидимыми адсорбционными слоями влаги (влажная атмосферная коррозия). Особенностью атмосферной коррозии является сильная зависимость ее скорости и механизма от толщины слоя влаги на поверхности металла или степени увлажнения образовавшихся продуктов коррозии.
4. Коррозия в условиях механического воздействия. Этому типу разрушения подвергаются многочисленные инженерные сооружения, работающие как в жидких электролитах, так и в атмосферных и подземных условиях. Наиболее типичными видами подобного разрушения являются:
а) Коррозионное растрескивание; при этом характерно образование трещин, которые могут распространяться не только межкристаллитно, но также и транскристально. Примером подобного разрушения является щелочная хрупкость котлов, сезонное растрескивание латуней, а также растрескивание некоторых конструкционных высокопрочных сплавов.
б) Коррозионная усталость, вызываемая воздействием коррозионной среды и знакопеременных или пульсирующих механических напряжений. Этот вид разрушения также характерен
образованием меж- и транскристаллитных трещин. Разрушения металлов от коррозионной усталости встречаются при эксплуатации различных инженерных конструкций (валов гребных винтов, рессор автомобилей, канатов, штанг глубинных насосов, охлаждаемых валков прокатных станов и др.).
в) Коррозионная кавитация, являющаяся обычно следствием энергичного механического воздействия коррозионной среды на поверхность металла. Подобное коррозионно-механическое воздействие может приводить к весьма сильным местным разрушениям металлических конструкций (например для гребных винтов морских судов). Механизм разрушения от коррозионной кавитации близок к разрушению от поверхностной коррозионной усталости.
г) Коррозионная эрозия, вызываемая механическим истирающим воздействием другого твердого тела при наличии коррозионной среды или непосредственным истирающим действием самой коррозионной среды. Это явление иногда называют также коррозионным истиранием или фреттинг-коррозией.

Физико-химические методы исследования коррозии в строительных материалах.

Широкое применение новых высококачественных материалов и повышение долговечности конструкций за счет проведения противокоррозионной защиты - одна из важных народнохозяйственных задач. Практика показывает, что только прямые безвозвратные потери металла от коррозии составляют 10…12% всей производимой стали. Наиболее интенсивная коррозия наблюдается в зданиях и сооружениях химических производств, что объясняется действием различных газов, жидкостей и мелкодисперсных частиц непосредственно на строительные конструкции, оборудование и сооружения, а также проникновением этих агентов в грунты и действием их на фундаменты. Основной задачей, стоящей перед противокоррозионной техникой, является повышение надежности защищаемого оборудования, строительных конструкций и сооружений. Это должно осуществляться за счет широкого применения высококачественных материалов, и в первую очередь эпоксидных смол, стеклопластиков, полимерных подслоечных материалов и новых герметиков.

Щелочестойкость бетонов определяется главным образом химическим составом вяжущих, на которых они изготовлены, а также щелочестойкостью мелких и крупных заполнителей.

Увеличение срока службы строительных конструкций и оборудования достигается путем правильного выбора материала с учетом его стойкости к агрессивным средам, действующим в производственных условиях. Кроме того, необходимо принимать меры профилактического характера. К таким мерам относятся герметизация производственной аппаратуры и трубопроводов, хорошая вентиляция помещения, улавливание газообразных и пылевидных продуктов, выделяющихся в процессе производства; правильная эксплуатация различных сливных устройств, исключающая возможность проникновения в почву агрессивных веществ; применение гидроизолирующих устройств и др.

Непосредственная защита металлов от коррозии осуществляется нанесением на их поверхность неметаллических и металлических покрытий либо изменением химического состава металлов в поверхностных слоях: оксидированием, азотированием, фосфатированием.

Наиболее распространенным способом защиты от коррозии строительных конструкций, сооружений и оборудования является использование неметаллических химически стойких материалов: кислотоупорной керамики, жидких резиновых смесей, листовых и пленочных полимерных материалов (винипласта, поливинилхлорида, полиэтилена, резины), лакокрасочных материалов, синтетических смол и др. Для правильного использования неметаллических химически стойких материалов необходимо знать не только их химическую стойкость, но и физико-химические свойства, обеспечивающие условия совместной работы покрытия и защищаемой поверхности. При использовании комбинированных защитных покрытий, состоящих из органического подслоя и футеровочного покрытия, важным является обеспечение на подслое температуры, не превышающей максимальной для данного вида подслоя.

Для листовых и пленочных полимерных материалов необходимо знать величину их адгезии с защищаемой поверхностью. Ряд неметаллических химически стойких материалов, широко используемых в противокоррозионной технике, содержит в своем составе агрессивные соединения, которые при непосредственном контакте с поверхностью металла или бетона могут вызвать образование побочных продуктов коррозии, что, в свою очередь, снизит величину их адгезии с защищаемой поверхностью. Эти особенности необходимо учитывать при использовании того или иного материала для создания надежного противокоррозионного покрытия.

Материлы, применямые для защиты от коррозии

Лакокрасочные покрытия вследствие экономичности, удобства и простоты нанесения, хорошей стойкости к действию промышленных агрессивных газов нашли широкое применение для защиты металлических и железобетонных конструкций от коррозии. Защитные свойства лакокрасочного покрытия в значительной степени обуславливаются механическими и химическими свойствами, сцеплением пленки с защищаемой поверхностью.

Перхлорвиниловые и сополимерно- лакокрасочные материалы широко используются в противокоррозионной технике.

Лакокрасочные материалы в зависимости от назначения и условий эксплуатации делятся на восемь групп: А - покрытия стойкие на открытом воздухе; АН - то же, под навесом; П - то же, в помещении; Х - химически стойкие; Т - термостойкие; М - маслостойкие; В - водостойкие; ХК - кислостойкие; ХЩ - щелочестойкие; Б - бензостойкие.

Для противокоррозионной защиты применяются химически стойкие перхлорвиниловые материалы: лак ХС-724, эмали ХС и сополимерные грунты ХС-010, ХС-068, а также покрытия на основе лака ХС-724 и каменноугольной смолы, лаки ХС-724 с эпоксидной шпаклевкой ЭП-0010. Защитные покрытия получают последовательным нанесением на поверхность грунта, эмали и лака. Число слоев зависит от условий эксплуатации покрытия, но должно быть не менее 6. Толщина одного слоя покрытия при нанесении пульверизатором 15…20 мкм. Промежуточная сушка составляет 2…3 ч при температуре 18…20°С. Окончательная сушка длится 5 суток для открытых поверхностей и до 15 суток в закрытых помещениях.

Окраска химически стойким комплексом (грунт ХС-059, эмаль 759, лак ХС-724) предназначена для защиты от коррозии наружных металлических поверхностей оборудования, подвергающихся воздействию агрессивных сред щелочного и кислотного характера. Этот комплекс отличается повышенной адгезией за счет добавки эпоксидной смолы. Химически стойкое покрытие на основе композиции из эпоксидной шпаклевки и лака ХС-724 совмещает в себе высокие адгезионные свойства, характерные для эпоксидных материалов и хорошую химическую стойкость, свойственную перхлорвинилам. Для нанесения композиций из эпоксидной шпаклевки и лака ХС-724 рекомендуется готовить следующие два состава:

Состав грунтовочного слоя, 4 по массе

Эпоксидная шпаклевка ЭП-0010 100

Отвердитель №1 8,5

Растворитель Р-4 35…45

Состав переходного слоя, 4 по массе

Эпоксидная шпаклевка ЭП-0010 15

Лак ХС-724 100

Отвердитель №1 1,3

Растворитель Р-4 до рабочей вязкости

Для покрывного слоя используется лак ХС-724.

Состав комплексного пятислойного покрытия, г/м 2

Эпоксидная шпаклевка 300

Лак ХС-724 450

Отвердитель №1 60

Растворитель Р-4 260

Для механического упрочнения покрытия его полируют стеклотканью. Ориентировочный расход материалов при нанесении на металлическую поверхность составляет 550…600 г/м 2 , на бетонную - 600…650 г/м 2 .

Трещиностойкие химически стойкие покрытия применяют на основе хлорсульфированного полиэтилена ХСПЭ. Для защиты от коррозии железобетонных несущих и ограждающих строительных конструкций с шириной раскрытия трещин до 0,3 мм применяют эмаль ХП-799 на основе хлорсульфированного полиэтилена. Защитные покрытия наносят на поверхность бетона после окончания в нем основных усадочных процессов. При этом конструкции не должны подвергаться воздействию жидкости (воды) под давлением противоположной покрытию стороны или это воздействие следует предотвращать специальной гидроизоляцией.

Материалы на основе хлорсульфированного полиэтилена пригодны для работы при температуре -60 до +130°С (выше 100°С - для кратковременной работы в зависимости от термостойкости входящих в состав покрытия пигментов).

Покрытия на основе ХСПЭ, стойкие к озону, парогазовой среде, содержащей кислые газы Cl 2 , HCl, SO 2 , SO 3 , NO 2 и к растворам кислот, могут наноситься краскораспылителем, кистью, установкой для безвоздушного нанесения.

При работе краскораспылителем и кистью лакокрасочные материалы следует разводить до рабочей вязкости ксилолом или толуолом, а при нанесении установкой безвоздушного напыления - смесью ксилола (30%) и сольвента (70%).

Металлизационно-лакокрасочные покрытия находят широкое применение для защиты от коррозии металлических конструкций, эксплуатируемых в атмосферных условиях и агрессивных средах. Такие комбинированные покрытия наиболее долговечны (20 лет и более

Методы защиты строительных материалов от коррозии.

С целью повышения долговечности строительных конструкций, зданий, сооружений проводятся работы в области улучшения противокоррозионной защиты.
Широко применяются следующие основные методы защиты металлических конструкций от коррозии:
1. Защитные покрытия;
2. Обработка коррозионной среды с целью снижения коррозионной активности. Примерами такой обработки могут служить: нейтрализация или обескислороживание коррозионных сред, а также применение различного рода ингибиторов коррозии;
3. Электрохимическая защита металлов;
4. Разработа и производство новых металлических конструкционных материалов повышенной коррозионной устойчивости путем устранения из металла или сплава примесей, ускоряющих коррозионный процесс (устранение железа из магниевых или алюминиевых сплавов, серы из железных сплавов и т.д.), или введения в сплав новых компонентов, сильно повышающих коррозионную устойчивость (например хрома в железо, марганца в магниевые сплавы, никеля в железные сплавы, меди в никелевые сплавы и т.д.);
5. Переход в ряде конструкций от металлических к химически стойким материалам (пластические высокополимерныме материалы, стекло, керамика и др.);
6. Рациональное конструирование и эксплуатация металлических сооружений и деталей (исключение неблагоприятных металлических контактов или их изоляция, устранение щелей и зазоров в конструкции, устранение зон застоя влаги, ударного действия струй и резких изменений скоростей потока в конструкции и др.).

Результаты исследования коррозии на основе физико-химических методов.

Вопросам проектирования антикоррозионной защиты строительных конструкций уделяют серьезное внимание как у нас в стране, так и за рубежом. Западные фирмы при выборе проектных решений тщательно изучают характер агрессивных воздействий, условия эксплуатации конструкций, моральный срок службы зданий, сооружений и оборудования. При этом широко используются рекомендации фирм, производящих материалы для антикоррозионной защиты и располагающих лабораториями для исследования и обработки защитных систем из выпускаемых ими материалов.
В России накоплен определенный опыт проведения натурных обследований строительных конструкций промышленных зданий для определения скорости коррозионных процессов и методов защиты. Усилены рыботы в области повышения долговечности и улучшения противокоррозионной защиты строительных зданий и сооружений. Работы проводятся комплексно, включая натурные обследования, экспериментальные и производственные исследования и теоретические разработки. При натурных обследованиях выявляются условия работы конструкций, учитывающие особенности влияния на них нагрузок, температурно-влажностных и климатических воздействий, агрессивных сред.
Актуальность решения проблемы противокоррозионной защиты диктуется необходимостью сохранения природных ресурсов, защиты окружающей среды. Эта проблема находит широкое отражение в печати. Издаются научные труды, проспекты, каталоги, устраиваются международные выставки с целью обмена опытом между развитыми странами Мира.
Таким образом необходимость исследования коррозионных процессов является одной из наиболее важных проблем.

Скорость коррозии
Скорость коррозии металлов и металлических покрытий в атмосферных условиях определяется комплексным воздействием ряда факторов: наличием на поверхности фазовых и адсорбционных пленок влаги, загрязненностью воздуха коррозионноагрессивными веществами, изменением температуры воздуха и металла, образованием продуктов коррозии и др.
Оценка и расчет скорости коррозии должны основываться на учете продолжительности и материальном коррозионном эффекте действия на металл наиболее агрессивных факторов.
В зависимости от факторов, влияющих на скорость коррозии, целесообразно следующее подразделение условий эксплуатации металлов, подвергаемых атмосферной коррозии:
1. Закрытые помещения с внутренними источниками тепла и влаги (отапливаемые помещения);
2. Закрытые помещения без внутренних источников тепла и влаги (неотапливаемые помещения);
3. Открытая атмосфера.

Классификация агрессивных сред
По степени воздействия на металлы коррозионные среды целесообразно разделить на неагрессивные, слабоагрессивные, среднеагрессивные и сильноагрессивные.
Для определения степени агрессивности cреды при атмосферной коррозии необходимо учитывать условия эксплуатации металлических конструкций зданий и сооружений. Степень агрессивности среды по отношению к конструкциям внутри отапливаемых и неотапливаемых зданий, зданий без стен и постоянно аэрируемых зданий определяется возможностью конденсации влаги, а также температурно-влажностным режимом и концентрацией газов и пыли внутри здания. Степень агрессивности среды по отношению к конструкциям на открытом воздухе, не защищенным от непосредственного попадания атмосферных осадков, определяется климатической зоной и концентрацией газов и пыли в воздухе. С учетом влияния метеорологических факторов и агрессивности газов разработана классификация степени агрессивности сред по отношению к строительным металлическим конструкциям, которые представлены в таблице 1.
Таким образом, защита металлических конструкций от коррозии определяется агрессивностью условий их эксплуатациию. Наиболее надежными защитными системами металлических конструкций являются алюминиевые и цинковые покрытия.
Наиболее широкое распространение в промышленности получили методы защиты металлических конструкций с помощью лакокрасочных покрытий и полимерных пленок. В металлостроительстве широко применяется низколегированная сталь, не требующая дополнительных методов защиты.

Расчетная часть
В отапливаемых помещениях основными факторами, определяющими скорость коррозии, являются относительная влажность и загрязненность воздуха, а для ограждающих конструкций и искусственно охлаждаемого оборудования - также и температурный перепад между металлом и воздухом.
Величина коррозии К, г/м, в помещениях с относительной влажностью воздуха выше критической, условно принятой нами равной 70%, и загрязненностью сернистым газом или хлором рассчитывается по формуле:

К= (algC+b)xe x ?, где

С - концентрация SO или Cl , мг/м;
? - относительная влажность воздуха вблизи конструкций с учетом?t температурного перепада между металлом и воздухом помещения;
a, b, - постоянные (для каждого металла и вида загрязненности имеют индивидуальное значение);
? - коэффициент регрессии;
- время эксплуатации, ч.
В неотапливаемых помещениях основными факторами, определяющими скорость коррозии, являются относительная влажность и загрязненность воздуха. В зависимости от герметизации и теплоизоляции ограждающих конструкций относительная влажность воздуха и температура в помещениях изменяются либо идентично изменению влажности в открытой атмосфере, либо с некоторым отставанием и сглаживанием амплитуды. Наибольшей коррозия будеет в первом случае. При расчете нужно учитывать фактическое время коррозии, т.е. нахождение металла при влажности выше критической. Величина коррозии рассчитывается по формуле:

К=(algC+b)? e x?, где

Продолжительность градаций влажности воздуха (65-74, 75-84, 85-94, 95-100).
При оценке величины коррозии металлов в различных районах продолжительность действия на металлы основных факторов желательно определять по данным, фиксируемым на метеостанциях. Метеостанции достаточно равномерно расположены на поверхности земного шара. Они накопили множество данных, которые дают возможность оценить скорость коррозии металлов в любом пункте Земли, не проводя длительные экспериментальные исследования коррозии металлов в естественных условиях.
По данным относительной влажности воздуха на ЭВМ было рассчитано фактическое время коррозии металлов под адсорбционными пленками влаги за один усредненный год и продолжительности вышеуказанных градаций влажности. Установлено, что фактическое время коррозии металлов под адсорбционными пленками влаги колеблется от 2500 до 8500 ч в год.
В открытой атмосфере коррозия металлов определяется в основном временем пребывания на поверхности металла фазовых пленок влаги, которые изменяются от 750 до 3500 ч, адсорбционных пленок влаги, загрязненностью воздуха и продуктами коррозии. Время воздействия фазовых пленок влаги складывается из продолжительности дождя, тумана, росы, измороси, оттепели (для конструкций с удерживающимся снежным покровом) и времени высыхания влаги после каждого явления. В общем случае величина коррозии металлов расчитывается по формуле:

К=?(-)К + К? , где

Фактическое время коррозии;
К - скорость коррозии под адсорбционной пленкой влаги;
- продолжительность пребывания фазовых пленок влаги;
К - скорость коррозии под фазовыми пленками влаги;
- коэффициент, учитывающий влияние загрязненности воздуха и образующихся продуктов коррозии.
Учитывая тот факт, что продолжительность пребывания фазовых пленок влаги в основном пропорциональна фактическому времени коррозии, а К значительно больше К, для практических расчетов можно использовать формулу:

К= К" , где

К - скорость коррозии под фазовой и адсорбционной пленкой влаги, рассчитывается на основании данных натурных исследований, когда величина коррозии относится к времени пребывания фазовых пленок влаги.

Инновационные методы исследования коррозии.

Применение в строительных металлических конструкциях коррозионностойких сталей
Коорозионная стойкость стали зависит от ее химического состава. Давно известно, что сталь, содержащая медь, лучше противостоит коррозии в атмосферных условиях, чем сталь без меди.
Небольшая добавка в сталь меди, фосфора и хрома еще больше повышает ее коррозионную стойкость в атмосферных условиях. Повышение коррозионной стойкости таких марок стали в атмосферных условиях связано с природой пленок продуктов коррозии, образующихся в первый период на поверхности металла. На Плакате № 1 приведены данные коррозии углеродистой стали, медистой стали и стали с небольшими добавками фосфора, меди, хрома и никеля.
Из приведенных данных следует, что сталь с фосфором интенсивно корродирует только в первые 1,5-2 года, а далее образующиеся на поверхности стали продукты коррозии практически полностью затормаживают дальнейшее развитие процесса коррозии. Такая сталь может применяться в атмосферных условиях без защитных покрытий. Низколегированные стали уже находят широкое применение за рубежом - в США, Японии, ФРГ.

Применение противокоррозионных защитных покрытий
Для защиты оборудования и строительных конструкций от коррозии в отечественной и зарубежной противокоррозионной технике применяется большой ассортимент различных химически стойких материалов - листовые и пленочные полимерные материалы, бипластмассы, стеклопластики, углеграфитовые, керамические и другие неметаллические химически стойкие материалы.
В настоящее время расширяеется применение полимерных материалов, благодаря их ценным физико-химическим показателям, меньшему удельному весу и др.
Большой интерес для применения в противокоррозионной технике представляет новый химически стойкий материал - шлакоситалл.
Значительные запасы и дешевизна исходного сырья - металлургических шлаков - обусловливают экономическую эффективность производства и применения шлакоситалла.
Шлакоситалл по физико-механическим показателям и химической стойкости не уступает основным кислотоупорным материалам (керамике, каменному литью), широко применяемым в противокоррозионной техники.
Среди многочисленных полимерных материалов, применяемых за рубежом в противокоррозионной технике, значительное место занимают конструкционные пластмассы, а также стеклопластики, получаемые на основе различных синтетических смол и стекловолокнистых наполнителей.
В настоящее время химическая промышленность выпускает значительный ассортимент материалов, обладающих высокой стойкостью к действию различных агрессивных сред. Особое место среди этих материалов занимает полиэтилен. Он инертен во многих кислотах, щелочах и растворителях, теплостоек до температуры + 70 С и т.д.
Однако большим недостатком данного материала, затрудняющего его широкое применение в противокоррозионной технике, является неполярный характер поверхности полиэтилена.
Другими направлениями использования полиэтилена в качестве химически стойкого материала являются порошкообразное напыление и дублирование полиэтилена стеклотканью.
Широкое применениее полиэтиленовых покрытий объясняется тем, что они будучи одними из самых дешевых, образуют покрытия с хорошими защитными свойствами. Покрытия легко наносятся на поверхность различными способами, в том числе пневматическим и электростатическим распылением.
Используя свойство термопластичнотси пленкообразователя, покрытия получают сплавлением частиц без применения растворителей. Широкое использование порошкообразных покрытий вызвано рядом технико-экономических соображений: доступностью исходного сырья, простотой нанесения, высоким качеством покрытий, огне- и взрывобезопасностью при производстве работ.
Также в противокоррозионной технике особого внимания заслуживают монолитные полы на основе синтетических смол. Высокая механическая прочность, химическая стойкость, декоративный вид - все эти положительные качества делают монолитные полы чрезвычайно перспективными.
Продукция лакокрасочной промышленности находит применение в различных отраслях промышленности и строительства в качестве химически стойких покрытий.
Лакокрасочное пленочное покрытие, состоящее из последовательно наносимых на поверхность слоев грунтовки, эмали и лака, применяют для противокоррозионной защиты конструкций зданий и сооружений (ферм, ригелей, балок, колонн, стеновых панелей), а также наружных и внутренних поверхностей емкостного технологического оборудования, трубопроводов, газоходов, воздуховодов вентиляционных систем, которые в процессе эксплуатации не подвергаются механическим воздействиям абразивных (твердых) частиц, входящих в состав среды. Для повышения механической прочности лакокрасочного покрытия используют армирующие ткани (хлориновую или стеклянную) различных марок.
Одним из новых направлений являются разработка и применение лакокрасочных материалов, не содержащих органических растворителей; разработка и применение порошковых лакокрасочных материалов; водоразбавляемых красок; цинконаполненных комбинированных лакокрасочных материалов и других. Для наненсения лакокрасочных материалов применяются в основном окраска изделий в электростатическом поле и окраска безвоздушным напылением. Возможна также комбинация этих двух способов, то есть окраска безвоздушным напылением в электростатическом поле.
Данные способы окраски находят широкое применение в промышленности и в силу многих своих преимуществ - уменьшения потерь матеериалов, увеличения толщины покрытия, наносимого за один слой, уменьшения расхода растворителей, улучшение условий производства окрасочных работ и т.д.
В последнее время большое внимание уделяется получению и применению комбинированных покрытий, поскольку в ряде случаев использование традиционных методов защиты является неэкономичным. В качестве комбинированных покрытий, как правило, используется цинковое покрытие с последующей окраской. При этом цинковое покрытие играет роль грунтовки.
Перспективно применение резин на основе бутилкаучука, которые отличаются от резин на других основах повышенной химической стойкостью в кислотах и щелочах, включая концентрированную азотную и серную кислоты. Высокая химическая стойкость резин на основе бутилкаучука позволяет более широко применять их при защите химической аппаратуры, например в цветной металлургии при производстве цинка и меди такие аппараты как сгустители, баки для серной кислоты, баки для реагентов, баки для обработанного электролита и другого оборудования.

Заключение.
В результате проведенного анализа современного состояния отечественной и зарубежной практики противокоррозионных работ, можно сделать выводы о необходимости совершенствования основных направлений внедрения новых материалов и ресурсосберегающих технологий.
Производство коррозионностойких сплавов (например, высоколегированной хромовой и хромоникелевой стали) само по себе уже является способом борьбы с коррозией, причем лучшим. Нержавеющие сталь и чугугн, так же как и коррозионностойкие сплавы цветных металлов, - весьма ценный конструкционный материал, однако применение таких сплавов не всегда возможно по причине их высокой стоимости или по технических соображениям.
Можно отметить использование полимерных материалов, занимающих все большее место в противокоррозионной технике. Из них в первую очередь необходимо внедрять в производство конструкционные стеклопластики и бипластмассы.
Перспективным является устройство монолитных покрытий полов на основе синтетических химически стойких смол - эпоксидных, полиэфирных и др. Для широкого внедрения химически стойких монолитных полов взамен штучных кислотоупорных материалов необходимо организовать промышленный выпуск химически стойких эпоксидных, полиэфирных и полиуретановых смол, а также отработать технологию их нанесения.
С целью уменьшения потерь краски, увеличения толщины однослойного покрытия, уменьшения расхода растворителей и улучшения условий окраски целесообразно в широких масштабах применять прогрессивные способы окраски - безвоздушный и в электростатическом поле.
Для повышения производительности труда необходимо разработать и наладить промышленный выпуск механизмов, приспособлений и наборов комплектов инструментов для проведения различных видов химзащитных работ.

Литература.
1. Краткая химическая энциклопедия, ред. кол. И.А.Кнуянц и др. Т.2. М., "Советская энциклопедия", 1963
2. Центральное бюро научно-технической информации "Отечественный и зарубежный опыт производства противокоррозионных работ" (обзор), М., 1972
3. ЦНИИпроектстальконструкция "Антикоррозионная защита металлических конструкций", М., 1975
4. Черняев В.П., Немировский Б.А. "Лакокрасочные и гуммировочные работы", Стройиздат, М., 1973
5. Виткин А.И., Тейндл И.И. "Металлические покрытия листовой и полосовой стали", Металлургия, М., 1971
6. Заикин Б.Б., Москалейчик Ф.К. "Коррозия металлов, эксплуатирующихся во влажном воздухе, загрязненном сернистым газом или хлором", Сборник МДНТП "Натурные и ускоренные испытания", М., 1972
7. Мулякаев Л.М., Дубинин Г.Н., Далисов В.Б. и др. "Коррозионная стойкость диффузионно-хромированной стали в некоторых средах", Защита металлов, Т.1Х, № 1, 1973
8. Никифоров В.М. "Технология металлов и конструкционные материалы" 6-е изд., М., Высшая школа, 1980

9.Материалы сайта http://revolution.allbest.ru

10.материалы сайта http://5ballov.ru

Министерство образования Кыргызской Республики Министерство образования Российской федерации Кыргызско-Российский славянский университет Факультет архитектуры дизайна и строительства Реферат На тему: «Роль физико-химических методов иссл

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Рис. 2.

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

Существуют зависимости между параметрами колебаний

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

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

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

Рис. 3.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Рис.4.

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

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

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

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

На основе анализа оптических спектров атомов и молекул созданы спектральные оптические методы определения химического состава веществ. Эти методы подразделяются на два: изучение спектров испускания исследуемых веществ (эмиссионный спектральный анализ); изучение их спектров поглощения (абсорбционный спектральный анализ, или фотометрия).

При определении химического состава вещества методом эмиссионного спектрального анализа анализируется спектр, испускаемый атомами и молекулами в возбужденном состоянии. Атомы и молекулы переходят в возбужденное состояние под действием высоких температур, достигаемых в пламени горелки, в электрической дуге или в искровом промежутке. Излучение, полученное таким образом, разлагается в спектр дифракционной решеткой или призмой спектрального прибора и регистрируется фотоэлектрическим устройством.

Различают три типа эмиссионных спектров: линейчатые, полосатые и сплошные. Линейчатые спектры испускаются возбужденными атомами и ионами. Полосатые спектры возникают при испускании света раскаленными парами молекул. Сплошные спектры излучаются раскаленными жидкими и твердыми телами.

Качественный и количественный анализ состава исследуемого материала проводят по характерным линиям в спектрах испускания. Для расшифровки спектров применяют таблицы спектральных линий и атласы с наиболее характерными линиями элементов периодической системы Менделеева. Если же необходимо установить лишь наличие тех или иных примесей, то спектр исследуемого вещества сравнивают со спектром эталонного вещества, не содержащего примесей. Абсолютная чувствительность спектральных методов составляет 10 -6 10 -8 г.

Примером применения эмиссионного спектрального анализа служит качественный и количественный анализ арматурной стали: определение примесей кремния, углерода, марганца и хрома в образце. Интенсивности спектральных линий в исследуемом образце сравнивают со спектральными линиями железа, интенсивности которых принимают за эталон.

К оптическим спектральным методам исследования веществ относится также так называемая пламенная спектроскопия, в основе которой лежит измерение излучения вводимого в пламя раствора. Этим методом определяют, как правило, содержание щелочных и щелочноземельных металлов в строительных материалах. Суть метода заключается в том, что раствор исследуемого вещества распыляется в зону пламени газовой горелки, где он переходит в газообразное состояние. Атомы в этом состоянии поглощают свет от стандартного источника, давая линейчатые или полосатые спектры поглощения, или сами испускают излучение, фиксируемое измерительной фотоэлектронной аппаратурой.

Метод молекулярной абсорбционной спектроскопии позволяет получить информацию о взаимном расположении атомов и молекул, внутримолекулярных расстояниях, валентных углах, распределении электронной плотности и пр. В этом методе при прохождении видимого, ультрафиолетового (УФ) или инфракрасного (ИК) излучения через конденсированное вещество происходит частичное или полное поглощение энергии излучения определенных длин волн (частот). Основной задачей оптической абсорбционной спектроскопии является изучение зависимости интенсивности поглощения света веществом от длины волны или частоты колебаний. Полученный спектр поглощения является индивидуальной характеристикой вещества и на егооснове проводят качественные анализы растворов или, например, строительных и цветных стекол.