Цель работы: 1. Ознакомиться с основными методами исследования свойств строительных материалов.

2. Проанализировать основные свойства строительных материалов.

1. Определение истинной (абсолютной) плотности материала

(пикнометрический метод) (ГОСТ 8269)

Для определения истинной плотности берут раздробленные строительные материалы: кирпич, известняковый щебень, керамзитовый гравий, их измельчают, пропускают через сито с ячейкой менее 0,1 мм и отбирают навеску массой по 10 г каждая (m).

Каждую навеску высыпают в чистый высушенный пикнометр (Рис. 1) и наливают в него дистиллированную воду в таком количестве, чтобы пикнометр был заполнен не более чем на половину своего объема, затем пикнометр встряхивают, смачивая весь порошок, ставят на песчаную баню и нагревают содержимое не до кипения в наклонном положении в течение 15-20 минут для удаления пузырьков воздуха.

Рис. 1 – Пикнометр для определения истинной плотности материала

Затем пикнометр обтирают, охлаждают до комнатной температуры, доливают до метки дистиллированную воду и взвешивают (m 1), после чего пикнометр освобождают от содержимого, промывают, наполняют до метки дистиллированной водой комнатной температуры и еще раз взвешивают (m 2). В тетради чертят таблицу, в которую заносят массы каждого материала и последующих расчетов.

Истинная плотность материала определяется по формуле:

где масса навески порошка, г.;

Масса пикнометра с навеской и водой после кипячения, г.;

Масса пикнометра с водой, г.;

Плотность воды, равная 1 г/см 3 .

2. Определение средней плотности образца правильной геометрической формы (ГОСТ 6427)

Среднюю плотность лучше определять у тех же материалов- кирпича, куска известняка и керамзитового гравия. Объем образцов правильной геометрической формы (кирпича) определяют по геометрическим размерам в соответствии с рисунком, измеренным с погрешностью не более 0,1 мм. Каждый линейный размер вычисляют как среднее арифметическое трех измерений. Образцы должны быть сухими.

Объем образцов неправильной формы определяют по вытесненной воде, опуская в мерный цилиндр с водой кусок известняка или гравия, который тонет, с отметкой объема вытесненной жидкости. 1мл=1см 3 .

Рис. 1 – Измерение линейных размеров и объема образца

призмы цилиндра

Средняя плотность определяется по формуле:

где масса сухого образца, г.;

Объем образца, см 3 .

№ п/п	Материал								П, %
	кирпич
	известняк
	керамзит
	кв. песок

3. Определение пористости материала (ГОСТ 12730.4)

Зная истинную плотность и среднюю плотность кирпича, известняка, керамзитового гравия, определяют пористость материала П, %, по формуле:

где средняя плотность материала, г/см 3 или кг/м 3 ;

Истинная плотность материала, г/см 3 или кг/м 3 .

Сравнительная плотность разных материалов приведена в приложении А. Результаты заносятся в таблицу.

4. Определение насыпной плотности (ГОСТ 8269)

Сыпучий материал (песок, керамзитовый гравий, щебень) в объеме, обеспечивающем проведение испытания, высушивают до постоянной массы. Материал насыпают в предварительно взвешенный мерный цилиндр (m) с высоты 10 см до образования конуса, который снимают стальной линейкой вровень с краями (без уплотнения) движением к себе, после чего цилиндр с навеской взвешивают (m 1).

Рис. 3. Воронка для определения насыпной плотности песка

1 – воронка; 2 – опоры; 3 – заслонка

Насыпная плотность материала определяется по формуле:

где масса мерного цилиндра, г;

Масса мерного цилиндра с навеской, г;

Объем мерного цилиндра, л.

Результаты заносятся в таблицу.

5. Определение пустотности (ГОСТ 8269)

Пустотность (V пуст, %) сыпучего материала определяют, зная насыпную и среднюю плотность сыпучего материала по формуле:

где насыпная плотность материала, кг/м 3 ;

Средняя плотность материала, кг/м 3 .

Средняя плотность песка кварцевого не определяется, её принимают такой, как истинная – 2,65 г/см 3 .

6. Определение влажности материала (ГОСТ 8269)

Пробу материала в количестве 1,5 кг насыпают в сосуд и взвешивают , затем высушивают до постоянной массы в сушильном шкафу (это надо делать заранее). Чтобы определить влажность на уроке, можно сделать наоборот: взвесить в сосуде произвольное количество сухого песка и намочить его произвольно, опять взвесить, получив и .

Влажность W ,%, определяется по формуле:

где масса влажной пробы, г;

Масса пробы в сухом состоянии, г.

Для определения водопоглощения отбирают три образца любой формы размером от 40 до 70 мм или кирпич, определяют объем . Образцы очистить от пыли металлической щеткой и высушить до постоянной массы. Затем их взвешивают и укладывают в сосуд с водой комнатной температуры так, чтобы уровень воды в сосуде был выше верха образцов не менее чем на 20 мм. В таком положении образцы выдерживают в течение 48 час. После чего их вынимают из воды, удаляют влагу с поверхности отжатой влажной мягкой тканью и каждый образец взвешивают .

Водопоглощение по массе W погл, %, определяется по формуле:

Водопоглощение по объему W о, %, определяется по формуле:

где масса образца в сухом состоянии, г;

Масса образца после насыщения его водой, г;

Объем образца в естественном состоянии, см 3 .

Относительную плотность определяют как:

Коэффициент насыщения материала водой определяют:

Вычислив все показатели с преподавателем, студент получает индивидуальное задание по вариантам задач контрольной №1.

7. Определение предела прочности при сжатии (ГОСТ 8462)

Прочность при сжатии определяют на кубиках размеров 7,07×7,07×7,07 см, 10×10×10 см, 15×15×15 см и 20×20×20 см. Кирпич и балочки сначала испытывают на прочность при изгибе (8), затем половинки испытывают на сжатие.

Для определения прочности при сжатии образцы правильной геометрической формы (балочки, кубики, кирпич) подвергают осмотру, обмеру и испытывают на гидравлическом прессе. Устанавливают образец в центре опорной плиты и прижимают верхней плитой пресса, которая должна плотно прилегать по всей грани образца. При испытании нагрузка на образец должна возрастать непрерывно и равномерно. Наибольшая сжимающая нагрузка соответствует максимальному показанию манометра во время испытания.

При испытании на прочность при сжатии кубов, верхняя грань куба должна стать боковой гранью, чтобы исключить неровности.

Предел прочности при сжатии R сж, МПа, для образцов-кубов из бетона определяется по формуле:

где максимальная разрушающая нагрузка, кН;

Площадь поперечного сечения образца (среднее арифметическое площадей верхней и нижней граней), см 2 .

8. Определение предела прочности при изгибе. (ГОСТ 8462)

Предел прочности при изгибе определяется на образцах – балочках с помощью универсальной машины МИИ-100, которая дает сразу показания прочности в кг/см 2 или на кирпиче с помощью пресса гидравлического с примене нием катков по схеме, предложенной на рисунке 5. Испытания прочности кирпича обязательно надо показать, затем определить прочность половинок при сжатии (9), марку кирпича.

Рис. 4 – Испытательная машина МИИ-100 для определения предела прочности при изгибе

Рис.5 – Схема испытания предела прочности при изгибе

Предел прочности при изгибе R изг, МПа, определяется по следующей формуле:

Расстояние между осями опор, см;

Ширина образца, см;

Высота образца, см.

Материал
кирпич
балочка
кубик

9. Определение коэффициента конструктивного качества (удельной прочности материала)

Результаты вычислений занести в таблицу.

Контрольные вопросы

1. Назовите основные свойства строительных материалов, какие важны для конструкционных материалов?

2. Какие плотности определяют у строительных материалов, как?

3. Что такое истинная плотность? Зачем ее определяют?

4. Что такое насыпная плотность? Как она определяется и для чего?

5. Чтобы определить среднюю плотность, какой объем надо знать? Как определить объем куска щебня?

6. Какая плотность имеет наибольшее числовое выражение у одного и того же материала, какая наименьшее? Почему?

7. Для каких материалов определяют пустотность, чем она отличается от пористости? Сравните истинную, среднюю, и насыпную плотности у кварцевого песка, кирпича, керамзитового гравия или известнякового щебня.

8. В какой зависимости находится общая пористость от плотности? Что такое пористость?

9. Какая пористость может быть в материале? Как ее можно определить?

10. Влияет ли пористость на влажность материала? Что такое влажность?

11. Чем влажность отличается от водопоглощения? О каких свойствах можно судить, зная водопоглощение?

12. Как определить коэффициент водонасыщения? Что он характеризует?

13. Как определить коэффициент размягчения? Каково его значение для воздушных и гидравлических вяжущих?

14. Будет ли меняться водо- и газопроницаемость при изменении плотности, как? При каком виде пористости эти показатели увеличиваются?

15. Влияет ли величина пористости на величину набухания и усадку материала? Какова усадка у ячеистого бетона, какова у тяжелого бетона?

16. Есть ли связь плотности материала с теплопроводностью? Какие материалы лучше защищают от холода? Из какого материала по плотности возводят стены жилых зданий?

17. Влияет ли увлажнение материала на коэффициент теплопроводности? Почему?

18. Каков коэффициент линейного температурного расширения у бетона, стали, гранита, древесины? Когда это имеет значение?

19. Можно ли использовать материалы с К н =1 для изготовления плит дорожного покрытия? Почему?

20. Чем пористость отличается от пустотности, по какой формуле определяют эти показатели?

21. Есть ли материалы, у которых истинная плотность равна средней?

22. Почему образуются поры в кирпиче, влияет ли способ формования кирпича на их количество?

23. Как увеличивают пористость в искусственном камне, зачем?

24. От чего происходит усадка, у каких материалов она больше: плотных или пористых?

25. Зависит ли усадка от водопоглощения материала? Какая вода в структуре материала не испаряется?

26. На каких образцах определяют прочность вяжущих, растворов и бетонов, по какой формуле считают прочность, в каких единицах?

27. От каких показателей зависит прочность, у каких структур она максимальна?

28. Почему прочность при изгибе у одних материалов больше, у других меньше прочности при сжатии? Как называют такие материалы?

29. От каких характеристик зависит морозостойкость?

30. Что называют удельной поверхностью, зависит ли увлажнение от этой характеристики?

Лабораторная работа №4

Гипсовые вяжущие

Цель работы: 1. Ознакомиться с основными свойствами гипса строительного.

2. Проанализировать основные свойства гипса строительного.

Физико-химические свойства строительных композиционных материалов в значительной степени определяются их составом и поровой структурой. Следовательно, для получения материалов с заданными свойствами необходимо иметь точные данные о процессах формирования структуры и образования новых химических соединений, изучаемых на микро- и молекулярно-ионном уровнях.

• ? петрографический;
• ? электронная микроскопия;
• ? инфракрасная спектроскопия;
• ? рентгенографический (рентгеноструктурный) анализ;
• ? дифференциально-термический анализ;
• ? колориметрические методы;
• ? люминесцентный анализ;
• ? магнитоспектроскопические методы;
• ? сорбционные методы.

Петрографический метод. Этот метод используется в основном для исследований неорганических материалов 1: различных горных пород, минералов, цемента, цементного камня, бетонов, стекла, шлаков, керамики.

Исследования проводятся с помощью микроскопов различных конструкций: от обычных световых, позволяющих рассмотреть структуры с расстоянием между элементами до 0,25 мкм, до электронных - порядка 0,01...0,10 нм (1 нм = 1СГ 9 м).

Электронная микроскопия. Этот метод применяется для исследования тонких структур. Современные электронные микроскопы имеют полезное увеличение до 10 6 раз. Такое глубокое проникновение в мир малых частиц стало возможным благодаря использованию в микроскопии электронных лучей, длина волны которых во много раз меньше, чем у видимого света.

Электронный микроскоп позволяет изучить размеры и форму отдельных кристаллов, процессы диффузии, фазовые превращения при тепловой обработке и охлаждении материалов, механизмы деформации и разрушения субмикроскопических структур материалов.

В настоящее время используются растровые (сканирующие) и магнитно-просвечивающие электронные (ПЭМ) микроскопы (рис. 4.1). В основу таких приборов положен телевизионный принцип сканирования (развертывания), т.е. последовательного перемещения от точки к точке тонкого электронного пучка электронов по поверхности исследуемого объекта. При этом пучок электронов, взаимодействуя с веществом, вызывает ряд физических явлений, которые регистрируются датчиками излучения, и их сигналы преобразуются в рельефное изображение поверхности образца на экране дисплея (с возможностью фотографирования; рис. 4.2).

Петрография, или петрология (от греч. petros - камень и grapho - пишу), - наука о горных породах, их минералогическом и химическом составе, структуре и текстуре, условиях залегания, закономерностях распространения, происхождения и изменения в земной коре и на поверхности Земли.

Область сканирования сфокусированным пучком электронов

Флюоресцирующий экран, расположенный внутри ПЭМ

Конечное

изображение

Конденсорная линза

Участок,освеща емый пучком электронов

Промежуточная и проекционная линзы

Первичный

электронов

Образец -*-

Электроны, прошедшие через образец

Конечная

конденсорная

Сцинтиллятор

Усилители и блоки обработки сигналов

Электроннолучевая трубка, расположенная вне электроннооптической колонны

Рис. 4.1. Принципиальные схемы просвечиваемого (а) и растрового (б) электронного микроскопа

Рис. 4.2.

увеличение хЗООО

ПЭМ с высокой разрешающей способностью (2...3 А) - это, как правило, универсальные приборы многоцелевого назначения (рис. 4.3). С помощью дополнительных устройств и приставок в них можно наклонять объект в разных плоскостях на большие углы к оптической оси, нагревать, охлаждать, деформировать его, осуществлять рентгеновский структурный анализ, электронно-графические и другие исследования.

Рис. 4.3.

1 - электронная пушка; 2 - конденсорные линзы; 3 - линза объектива; 4 - проекционные линзы; 5 - световой микроскоп, дополнительно увеличивающий изображение, наблюдаемое на экране; 6 - тубус со смотровыми окнами; 7 - высоковольтный кабель; 8 - вакуумная система; 9 - пульт управления; 10 - стенд; 11 - высоковольтное питающее устройство; 12 - источник питания линз

Метод инфракрасной спектроскопии. Метод состоит в получении и исследовании спектров в ИК-области излучения. Изучают колебательные и вращательные спектры молекул и определяют по ним химический состав и структуру веществ, например, исследуют структурные изменения битумов и их эмульсий.

Инфракрасное излучение - электромагнитное излучение, длины волн которого заключены в пределах от 0,74 мкм до 1...2 мм.

Инфракрасная техника позволяет измерять температуру нагретых тел на расстоянии, что может использоваться в качестве датчиков температуры в технологических процессах получения строительных материалов и контроля за их качеством.

ИК-излучение используется в инфракрасной дефектоскопии - метод контроля изделий, нагревающихся во время их работы или при получении (например, качество керамического кирпича).

ИК-спектроскопия - основной метод исследования состава и строения вещества в строительном материаловедении. Важные преимущества этого метода - наглядность результатов и быстрота проведения исследования с малым количеством вещества.

Сущность метода заключается в следующем. При взаимодействии молекулы вещества с ИК-излучением молекуле исследуемого вещества передается энергия. В результате молекула переходит из одного квантового состояния (невозбужденного) в другое (возбужденное). При возвращении молекулы в исходное состояние она испускает квант энергии.

При облучении исследуемого вещества инфракрасным светом определенные участки спектра излучения поглощаются молекулами вещества, в результате этого луч, проходящий через вещество в области поглощения, будет ослаблен. Регистрируя интенсивность проходящего через вещество ИК-излучения в зависимости от длин волн (или волновых чисел ), получают кривую, на которой видны полосы поглощения (рис. 4.4). Она и называется инфракрасным спектром поглощения, который является «паспортом» вещества. Приборы для автоматической записи ИК-спектров называются спектрометрами (спектрофотометрами ).

Современные лаборатории оснащены специальными компьютеризированными установками, которые позволяют проводить многофакторный комплексный анализ практически всех материалов.

Расшифровка спектров таких сложных систем, как битумы, довольно трудная задача. Пики на спектре (частота, см“ ) соответствуют определенным химическим группам: 1600 -ароматическим, 1700 - карбоксильной и сложноэфирной, 2800 - метиленовой, 3100...3600 - гидроксильной.

Волновое число, см

Рис. 4.4. ИК-спектры поглощения цементного камня без добавки (а) и с добавкой (б)

Рентгенографический (рентгеноструктурный) анализ. Это

метод исследования структуры и состава вещества путем экспериментального изучения дифракции 1 рентгеновских лучей в этом веществе.

Рентгеновские лучи представляют собой такие же электромагнитные колебания, как и видимый свет, но с более короткими длинами волн (длина волны от 10 5 до 10 2 нм). Получают их в рентгеновской трубке в результате столкновения катодных электронов с анодом при большой разности потенциала.

Сущность применения рентгеновского излучения для исследования кристаллических веществ (например, цементного клинкера) состоит в том, что длина волны этого излучения сопоставима с межатомными расстояниями в кристаллической решетке вещества, которая является естественной дифракционной решеткой для рентгеновских лучей.

Метод основан на изучении дифракционной картины, получаемой при отражении рентгеновских лучей атомными плоскостями в структуре кристаллов. Например, если необходимо определить состав цементного клинкера, то для расшифровки рентгенограмм (т.е. количественного определения химических соединений в клинкере) предварительно снимают эталонные смеси с различным содержанием клинкерных материалов и на их основе строят градуировочные графики, по которым и определяют содержание (%) клинкерных минералов в изучаемом образце.

Таким образом, каждое кристаллическое вещество характеризуется своим набором определенных линий на рентгенограмме. Метод сравнительно прост: снятая порошковая рентгенограмма полиминерального образца сравнивается с рентгенограммами составляющих (эталонных) минералов либо с табличными данными. Рентгенофазовый анализ используется для контроля сырья и готовой продукции, для наблюдения за технологическими процессами, а также в дефектоскопии.

Для ионизационного способа регистрации (рис. 4.5) в рентгеноструктурном анализе применяют специальные счетчики, что повышает чувствительность и сокращает продолжительность анализа.

Рис. 4.5.

• 1 - стабилизатор; 2 - генератор; 3 - рентгеновская трубка; 4 - образец; 5 - гониометр; 6 - счетчик квантов; 7 - усилитель; 8 - выпрямитель; 9 - интегрирующая схема; 10 - ламповый вольтметр; 11 - самопишущий потенциометр; 12 - электромеханический счетчик;
• 13 - пересчетная схема

Рентгеновские лучи, отраженные от образца, попадают в счетчик, а из него электрические импульсы через усилитель и пересчетную систему передаются на самопишущий прибор. На рис. 4.6 показаны рентгенограммы некоторых материалов.

4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48

Дифракционный угол 20, град

Рис. 4.6. Рентгенограммы силикатных материалов:

а - кварца; б - мусковита

Дифференциально-термический анализ. Дифференциально-термический анализ (ДТА) используется для определения минерально-фазового состава строительных материалов. Основа метода состоит в том, что о фазовых превращениях, происходящих в материале, можно судить по сопровождающим эти превращения тепловым эффектам. При физических и химических процессах превращения вещества энергия в виде теплоты может поглощаться или выделяться. С поглощением тепла идут, например, дегидратация, диссоциация, плавление - это эндотермические процессы.

Выделением тепла сопровождаются окисление, образование новых соединений, переход из аморфного в кристаллическое состояниея - это экзотермические процессы.

Прибор для проведения ДТА назывется дериватографом. В процессе анализа записываются четыре кривые: простая и дифференциальная кривые нагревания и соответственно кривые потери массы. Суть метода ДТА в том, что поведение материала сравнивается с эталоном - веществом, не претерпевающим в данном интервале температур никаких тепловых превращений. На термограммах эндотермическим процессам соответствуют впадины, а экзотермическим - пики (рис. 4.7).

Температура, °С

Рис. 4.7. Термограммы цемента:

1 - негидратированного; 2 - гидратированного в течение 7 сут

Колориметрические методы. Эти методы основаны на изменении светопоглощения растворами окрашенных соединений.

Светопоглощение в исследуемой жидкости сравнивается с поглощением в эталонной (с известным содержанием компонента), после чего по соотношениям, известным как закон Бугера - Ламберта - Бера, рассчитывается концентрация с точностью 10~ 3 ...10" 8 моль/л (в зависимости от рода анализируемого вещества).

Цвет растворов определяется с помощью специальных приборов - фотоэлектроколориметров .

Колориметрические методы применяются для определения различных химических элементов в грунтах, адсорбционной (адгезионной) активности поверхности заполнителя или наполнителя. Например, при исследовании адгезионной активности кварцевого песка в системе «песок - битум» использовался краситель - метиленовый голубой. Песок был взят с аутигенной пленкой (т.е. с пленкой из аутигенных минералов 1) и без нее. Прочность адгезионной связи в системе «песок - битум» можно установить, измерив оптическую плотность на спектрофотометре СФ (светопоглощение в ультрафиолетовой области). Чем выше светопоглощение, тем выше оптическая плотность раствора, а значит, тем больше вяжущего переходит в раствор и тем меньше адгезия битума к песку (рис. 4.8). Количество вяжущего, переведенного в раствор с образцов песка, без аутигенных пленок выше, чем для песка с такими пленками.

Рис. 4.8.

• 1 - песок без аутигенной пленки, обработанный битумом;
• 2 - песок с аутигенной пленкой, обработанный битумом

Люминесцентный анализ. Люминесценция - свечение некоторых веществ, более высокое по сравнению с их тепловым излучением при данной температуре и возбужденное каким-либо источником энергии (возникает под действием света, радиоактивного и рентгеновского излучений, электрического поля, при химических реакциях и механических воздействиях).

В зависимости от длительности свечения веществ различают флуоресценцию (кратковременная) и фосфоресценцию (длительная люминесценция).

На люминесценции основана капиллярная дефектоскопия - проникание в поверхностные макродефекты веществ-

^утигенные (от греч. асйИ^епез - местного происхождения) минералы - минералы осадочных пород, образовавшиеся в процессе седиментации и литогенеза.

люминофоров , а также качественный и количественный люминесцентный анализ (соответственно по виду спектра интенсивности линий).

С помощью люминесценции можно обнаружить новые соединения в битумах, установить распределение в битумной пленке его группового состава, определить устойчивость шлаков к распаду и др.

Магнитоспектроскопические методы. К этим методам относятся ядерный магнитный резонанс (ЯМР) и электронный парамагнитный резонанс (ЭПР).

Принципы ЯМР и ЭПР одинаковы. В методе ЯМР используется свойство ядер атомов ориентироваться в магнитном поле как малые магниты. Ориентация связана с различными квантовыми уровнями энергии, которые и регистрируются в виде спектров. Например, спектр ЯМР эталона (этиловый спирт СН3-СН2-ОН) показывает различное положение трех типов ядер водорода (протонов) в одной молекуле, но в разных группах (рис. 4.9): три протона метиловой группы (-СН3), два - метиленовой (-СН2-) и один - гидроксильной (-ОН). В спектре зарегистрировано три сигнала. Интенсивность резонансных сигналов (площадь под кривыми) пропорциональна числу атомов водорода в группе (отношение площадей равно 3:2:1).

Рис. 4.9.

В ходе анализа сравнивают сигналы от известного (эталонного) вещества и исследуемого. Метод позволяет изучить процесс гидратации неорганических вяжущих материалов, клинкерных минералов, гипса и т.д. и объяснить характер связи молекул воды со структурой минералов в ходе этого процесса.

Метод ЭПР связан с магнитным резонансом неспаренных электронов. Применяется при изучении механизма процессов, идущих с участием свободных радикалов 1 , имеющих неспаренный электрон, в частности для определения свободных радикалов в битумах в процессе окисления гудронов. Например, с помощью ЭПР-спектра окисленного гудрона определяют концентрацию свободных радикалов в системе «битум - доменный гранулированный шлак». Установлено, что их концентрация возрастает при температуре 130 °С, когда происходит интенсивное взаимодействие в системе.

Сорбционные методы. Методы основаны на явлениях адсорбции - самопроизвольном повышении концентрации вещества на поверхности раздела фаз, сопровождающееся понижением межфазной энергии.

Сорбционные методы позволяют:

• ? определять пористость материалов;
• ? проводить разделение многокомпонентных смесей (хроматографический метод).

Например, нефтяные битумы разделяют на компоненты хроматографическим методом в адсорбционной колонке, заполненной адсорбентом.

Через колонку фильтруют вещество. Поскольку компоненты битума обладают различной капиллярной активностью по отношению к адсорбенту, то они адсорбируются в порядке убывания адсорбционной активности. Таким образом, в верхней части концентрируется наиболее капиллярно активное вещество, а в нижней - наименее активное. При промывании колонки растворителем вещества движутся вниз с определенной скоростью, образуя отдельные зоны, каждая из которых содержит только один компонент смеси.

Адсорбционная хроматография позволяет определять групповой состав битумов и разделять масла на узкие фракции. При этом в качестве растворителей применяют петролейный эфир, этанол-ректификат, а в качестве адсорбента - силикагель 1 и оксид алюминия. Полученные фракции идентифицируют по показателю преломления (коэффициенту рефракции), определяемому на рефрактометре - оптическом приборе для измерений показателя преломления света в газах, твердых и жидких веществах.

• Волновое число к связано с длиной волны X зависимостью к =2л/X. к =2п.
• Волновое число к связано с длиной волны X зависимостью к =2л/X. В спектроскопии волновым числом называют величину, обратную длине волны, т.е. к =2п. Дифракция (от лат. бШтас^двз - разломанный) - огибание волнами (световыми, звуковыми и др.) препятствий.
• Люминофоры (от лат. lumen - свет и греч. phoros - несущий) -органические и неорганические вещества, способные светиться (лю-минесцировать) под действием внешних факторов. Свободные радикалы - кинетически независимые частицы (атомы или атомные группы), имеющие неспаренные электроны, например Н, СНз, С6Н5. Они очень реакционноспособны. Силикагель - микропористое тело, получаемое прокаливанием геля поликремниевой КИСЛОТЫ; СОСТОИТ ИЗ 8102-

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 - 176.21 Кб

Саратовский Государственный Технический Университет

Строительно - Архитектурно - Дорожный Институт

Кафедра: «Производство строительных изделий и конструкций»

Контрольная работа по дисциплине:

«Методы исследования строительных материалов»

Саратов 2012

1. Прямые и косвенные методы проведения изменений. Метод градуировочного графика, молярного свойства и добавок. Ограничения применимости методов. 3
2. Потенциометрия: теоретические основы, узлы прибора для потенциометрического титрования (водородный электрод, хлорсеребряный электрод – принцип действия). 10

Список литературы. 16

1. Прямые и косвенные методы проведения измерений. Метод градуировочного графика, молярного свойства и добавок. Ограничения применимости методов.

Физико-химические методы анализа - это методы, в которых анализируемые вещества подвергают химическим превращениям, а анализируемый сигнал является физической величиной, зависящей от концентрации определённого компонента. Химические превращения способствуют выделению, связыванию анализируемого компонента или переводу его в форму, легко поддающуюся идентификации. Таким образом, детектируемая среда образуется в ходе самого анализа.

Почти во всех физико-химических методах анализа применяются два основных методических приёма: метод прямых измерений и метод титрования (метод косвенных измерений).

Прямые методы

При прямых измерениях используется зависимость аналитического сигнала от природы анализируемого вещества и его концентрации. В спектроскопии, например, длина волны спектральной линии, определяет свойство природы вещества, а количественной характеристикой является интенсивность спектральной линии.

Поэтому, при проведении качественного анализа фиксируют сигнал, а при проведении количественного анализа - измеряют интенсивность сигнала.

Между интенсивностью сигнала и концентрацией вещества всегда существует зависимость, которая может быть представлена выражением:

I =K · С,

где: I - интенсивность аналитического сигнала;

K - константа;

С - концентрация вещества.

В аналитической практике наибольшее распространение получили следующие методы прямого количественного определения:

1) метод градуировочного графика;

2) метод молярного свойства;

3) метод добавок.

Все они основаны на использовании стандартных образцов или стандартных растворов.

Метод градуировочного графика.

В соответствии с законом Бугера - Ламберта - Бера график зависимости оптической плотности от концентрации должен быть линейным и проходить через начало координат.

Готовят серию стандартных растворов различной концентрации и измеряют оптическую плотность в одинаковых условиях. Для повышения точности определения число точек на графике должно быть не меньше трех - четырех. Затем определяют оптическую плотность исследуемого раствора А х и по графику находят соответствующее ей значение концентрации С х (рис.1.).

Интервал концентраций стандартных растворов подбирают таким образом, чтобы концентрация исследуемого раствора соответствовала примерно середине этого интервала.

Метод является наиболее распространенным в фотометрии. Основные ограничения метода связаны с трудоемким процессом приготовления эталонных растворов и необходимостью учитывать влияние посторонних компонентов в исследуемом растворе. Чаще всего метод применяется для проведения серийных анализов.

Рис.1. Градуировочный график зависимости оптической плотности от концентрации.

В этом методе измеряется интенсивность аналитического сигнала I у нескольких стандартных образцов и строится градуировочный график обычно в координатах I = f(с), где с – концентрация определяемого компонента в стандартном образце. Затем в этих же условиях измеряется интенсивность сигнала у анализируемой пробы и по градуировочному графику находится концентрация анализируемого вещества.

Если градуировочный график описывается уравнением y = b C, то он может быть построен по одному эталону, а прямая будет выходить из начала координат. В этом случае измеряются аналитические сигналы для одного стандартного образца и пробы. Далее рассчитываются погрешности, и строится корректирующий график.

Если градуировочный график строится по уравнению y = a + b C, то необходимо использовать как минимум два эталона. Реально для уменьшения погрешности используются от двух до пяти эталонов.

Интервал концентраций на градуировочном графике должен охватывать предполагаемую область анализируемых концентраций, а состав стандартного образца или раствора должен быть близок к составу анализируемого. На практике это условие редко достигается, поэтому желательно иметь широкий набор стандартных образцов разнообразного состава.

В уравнении прямой y = a + b C величина b характеризует наклон прямой и называется коэффициентом инструментальной чувствительности. Чем больше b , тем больше наклон графика и тем меньше погрешность определения концентрации.

Может применяться и более сложная зависимость, кроме того, перевод функций в логарифмические координаты позволяет ослабить влияние побочных процессов и предотвращает появление ошибки.

Градуировочный график должен строиться непосредственно перед измерениями, однако в аналитических лабораториях при выполнении серийных анализов используют постоянный, заранее полученный график. В этом случае необходимо проводить периодические проверки правильности результатов анализов во времени. Частота контроля зависит от величины серии проб. Так, для серии из 100 проб выполняют один контрольный анализ на каждые 15 проб.

Метод молярного свойства.

Здесь также измеряется интенсивность аналитического сигнала (I = Ac) у нескольких стандартных образцов и рассчитывается молярное свойство А, т.е. интенсивность аналитического сигнала, пропорциональная 1 моль вещества: А = I/c ст. .

Или рассчитывается среднее молярное свойство по выражению:

Ā=1/n i ∑I/С, (1.7.4)

где: Ā – среднее молярное свойство;

n i – количество измерений i-х стандартных образцов;

I – интенсивность сигнала;

С – концентрация

Затем в тех же условиях измеряется интенсивность сигнала у анализируемой пробы и по соотношению с х = I/A рассчитывается концентрация анализируемого компонента.

Метод предполагает соблюдение соотношения I = Ac.

Метод добавок.

Когда состав пробы неизвестен или о нём имеется недостаточно данных, а также когда отсутствуют адекватные стандартные образцы, применяется метод добавок. Он позволяет в значительной степени устранить систематические погрешности, когда существует несоответствие между составом эталонов и проб.

Метод добавок основан на введении в серию одинаковых по массе и объёму проб анализируемого раствора (А х) точно известного количества определяемого компонента (а) с известной концентрацией (С а). При этом измеряется интенсивность аналитического сигнала пробы до введения (I x) и после введения дополнительного компонента (I х+а).

Этот метод применяют для анализа сложных растворов, т. к. он позволяет автоматически учитывать влияние посторонних компонентов анализируемого образца. Сначала измеряют оптическую плотность исследуемого раствора с неизвестной концентрацией

А х = С х,

Затем в анализируемый раствор добавляют известное количество стандартного раствора определяемого компонента (С ст) и измеряют оптическую плотность А х+ст :

А х+ст = (С х + С ст),

откуда

С х = С ст · .

Для повышения точности добавку стандартного раствора определяемого компонента делают дважды и полученный результат усредняют.

Концентрацию анализируемого вещества в методе добавок можно найти графическим путем (рис.2.).

Рис.2. Градуировочный график для определения концентрации вещества по методу добавок.

Последнее уравнение показывает, что если строить график А х+ст как функции С ст, то получится прямая, экстраполяция которой до пересечения с осью абсцисс дает отрезок, равный - С х. Действительно, при А х+ст = 0 из этого же уравнения следует, что - С ст = С х.

Следовательно, в этом методе сначала измеряют интенсивность аналитического сигнала пробы I x , затем в пробу вводится известный объем стандартного раствора до концентрации с ст . и снова измеряется интенсивность сигнала I x+ст. , следовательно

I x = Ac x , I x+ст. = A(c x + c ст.)

с х = с ст.

Метод также предполагает соблюдение соотношения I = Ac.

Число проб с добавками переменных количеств определяемого компонента может варьироваться в широких пределах.

Метод косвенных измерений

Косвенные измерения применяются при титровании анализируемой пробы кондуктометрическим, потенциометрическим и некоторыми другими методами.

В этих методах в процессе титрования измеряется интенсивность аналитического сигнала - I и строится кривая титрования в координатах I - V, где V - объем добавляемого титранта в мл.

По кривой титрования находится точка эквивалентности и проводится расчет, по соответствующим аналитическим выражениям:

Q в-ва = Т г/мл · Vмл(экв)

Виды кривых титрования весьма многообразны, они зависят от метода титрования (кондуктометрическое, потенциометрическое, фотометрическое и т.д.), а также от интенсивности аналитического сигнала, зависящего от отдельных влияющих факторов.

1. Потенциометрия: теоретические основы, узлы прибора для потенциометрического титрования (водородный электрод, хлорсеребряный электрод – принцип действия).

Электрохимические методы анализа - это совокупность методов качественного и количественного анализа, основанных на электрохимических явлениях, происходящих в исследуемой среде или на границе раздела фаз и связанных с изменением структуры, химического состава или концентрации анализируемого вещества. Включают следующие основные группы: кондуктометрию, потенциометрию, вольтамперометрию, кулонометрию.

Потенциометрия

Потенциометрический метод анализа основан на измерении электродных потенциалов и электродвижущих сил в растворах электролитов.

Различают прямую потенциометрию и потенциометрическое титрование.

Прямая потенциометрия используется для непосредственного определения активности (a) ионов в растворе при условии обратимости электродного процесса (т.е. протекающего на поверхности электрода). Если известны индивидуальные коэффициенты активности компонентов (f), то можно определить непосредственно концентрацию (с) компонента: . Метод прямой потенциометрии надёжен благодаря отсутствию диффузионного потенциала в растворе, искажающего результаты анализа (диффузионный потенциал связан с разностью концентраций определяемого компонента на поверхности электрода и в объёме раствора).

Краткое описание

Физико-химические методы анализа - это методы, в которых анализируемые вещества подвергают химическим превращениям, а анализируемый сигнал является физической величиной, зависящей от концентрации определённого компонента. Химические превращения способствуют выделению, связыванию анализируемого компонента или переводу его в форму, легко поддающуюся идентификации. Таким образом, детектируемая среда образуется в ходе самого анализа.

Почти во всех физико-химических методах анализа применяются два основных методических приёма: метод прямых измерений и метод титрования (метод косвенных измерений).

Список литературы.

Страница 1

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. http://voronezh.pinskdrev.ru/ обеденные столы в воронеже.

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