Прогнозування властивостей композиційних матеріалів

Размещено на http://allbest.ru

Міністерство освіти і науки України

Київський національний університет будівництва і архітектури

Реферат

На тему:

«Прогнозування властивостей композиційних матеріалів»

Київ 2013



Зміст

Вступ

1. Класифікація композиційних будівельних матеріалів

2. Структура композиційних будівельних матеріалів

3. Принципи одержання композиційних будівельних матеріалів

4. Методи оцінки складу й структури композиційних матеріалів

5. Підвищення якісних показників композиційних матеріалів

6. Спеціальні галузі застосування будівельних композиційних матеріалів

Список використаних джерел.



Вступ

Композиційний матеріал - неоднорідний суцільний матеріал, що складається з

двох або більше компонентів.

Основні компоненти композиційних матеріалів:

- Захисний шар;

- Включення - армуюче волокно;

- Міжфазна межа;

- Матриця;

Армуючі елементи забезпечують необхідні механічні характеристики матеріалу, матриця - спільну роботу армуючих елементів.

Метою створення КМ є об'єднання схожих або різнорідних компонентів для отримання матеріалу з новими заданими властивостями і характеристиками.

Механічна поведінка композиту визначається співвідношенням властивостей армуючих елементів і матриці, а також міцністю зв'язку між ними.

Ефективність і працездатність матеріалу залежать від правильного вибору вихідних компонентів і технології їх суміщення, покликаної забезпечити міцний зв'язок між компонентами при збереженні їх початкових характеристик. У результаті суміщення армуючих елементів і матриці утворюється комплекс властивостей композиту, не тільки відображає вихідні характеристики його компонентів, але і включає властивості, якими ізольовані компоненти не володіють.

Відмінні ознаки композиційних матеріалів:

- Композиція повинна являти собою поєднання хоча б двох різнорідних матеріалів з чіткою межею поділу між фазами.

- Компоненти композиції утворюють її своїмоб'ємним поєднанням.

- Композиція повинна мати властивості, яких немає ні у одного з її компонентів окремо.

Більшість сучасних будівельних матеріалів, таких як будівельні розчини, бетони, склокристалічні та керамічні матеріали можна класифікувати як композити.



1. Класифікація композиційних будівельних матеріалів

Номенклатура композиційних будівельних матеріалів досить різноманітна. Серед композиційних матеріалів останнього покоління особливу увагу заслуговують полімерно-цементні композити, бетонні полімерні композити й фібробетони, бетони з мікронаповнювачами.

Будівельні композиційні матеріали можуть бути класифіковані залежно від їх:

- походження;

- призначення;

- складу (з урахуванням виду в'яжучої речовини, розмірів і виду армуючих компонентів);

- технології одержання;

- способу твердіння.

За походженням композити бувають:

- природні;

- синтезовані штучно;

За призначенням композити ділять на:

- конструкційні;

- ізоляційні;

- оздоблювальні;

- зі спеціальними фізичними й хімічними властивостями.

За типом матриці композити бувають:

- неметалічні (полімерні, керамічні, скляні),

- металеві,

- напівпровідникові.

За формою й розміром компонентів, які використовують для армування:

- порошки, часточки, гранули (дисперсне армування);

- волокна;

- пластини;

- тривимірні каркаси.

За видом армуючого компонента розрізняють:

- макродисперсні (порошкові, зернисті) - фарби, розчини, бетони;

- волокнисті - вироби на основі мінеральної вати, армоцементи, фібробетони;

- шаруваті (пластинчасті) - фанера;

- кістякові - залізобетонні вироби;

За структурою й розміщенням компонентів:

- дисперснозміцнені матеріали;

- хаотично армовані короткими (дискретними) часточками голчастої форми (короткі волокна, нитковидні кристали), які орієнтовані в просторі випадково.

За методом одержання:

- рідко-

- твердофазові.

Рідкофазові методи - це імпрегнація (просочування) і спрямована кристалізація розплавів.

Твердофазові - пресування, прокат, екструзія, штампування, кування,

ущільнення ударом або іншими динамічними методами.

Окремо можна також виділити метод осадження (або напилювання) і інші комбіновані способи.

Додатково композити на основі матриць, утворених за рахунок використання різних видів в'яжучих, можна класифікувати як матеріали, отримані на основі органічних і неорганічних в'яжучих систем і, відповідно, розглядати їх як портландцементні, глиноземисті, шлаколужні, полімерцементні, полімерні та ін.

З урахуванням елементів, які використовують для армування, композиційні матеріали будівельного призначення можуть бути поділені на 6 класів:

* матричні (без наповнювача) або «матриця в матриці» - клеї, ґрунтовки,

лаки, емалі;

* дисперсно-армовані - отримані з використанням високодисперсного наповнювача (фарби);

* зміцнені заповнювачами різного ступеня дисперсності (бетони й розчини);

* армовані волокнами органічного й неорганічного походження - фіброкомпозити, в тому числі - антикорозійні покриття на основі органічних в'яжучих і армоцемент;

* армовані волокнами й наповнювачами зернистої структури (розчини й бетони нового покоління);

* імпрегніровані (просочені) полімерами або іншими речовинами.

2. Структура композиційних будівельних матеріалів

Структура композиційних матеріалів може бути визначена як певне розміщення в просторі окремих структурних елементів (кристалів-новотворів, пор, наповнювачів і заповнювачів) з урахуванням їхнього кількісного співвідношення й характеру взаємодії між ними. Цілісність композиту і його властивостей забезпечуються взаємодією складових його структурних елементів різного масштабного рівня.

При аналізі структур будівельних матеріалів, їх умовно розділяють на мікро-, мезо- й макроструктури. Структурними елементами можуть бути атоми, іони, молекули, тверді часточки різних розмірів (дисперсності), агрегати часточок, пори, тобто порожнечі між часточками, заповнені рідкою або газоподібною фазою.

Структуру матеріалів, у тому числі й композиційних, їхні загальні ознаки й особливості можна розглядати на різних рівнях, залежно від розмірів структурних елементів. Виділяють чотири рівні структури будівельних матеріалів:

- атомно-молекулярний (l < 10,9 м^-7);

- субмікроскопічний (l = 10,9...10,7 м^-7);

- мікроскопічний (l = 10,7…10,4 м^-4);

- макроскопічний (l > 10-4 м^-4).

Атомно-молекулярний рівень:

Структуру матеріалу на атомно-молекулярному рівні вивчають:

- для кристалічних матеріалів - особливості будови елементарних осередків;

- для аморфних - особливості агрегатів молекул, атомів або іонів, які не утворять упорядковані ґрати.

Найбільш стійким є кристалічний стан тіла, оскільки енергія матеріалу при цьому мінімальна. Енергія іонних кристалічних ґрат дорівнює сумі енергій окремих іонів, що її становлять.

Елементарні осередки кристалів розділяють на примітивні й складні. У примітивних осередках на вісьмох вершинах розташовані вісім іонів або атомів. У складних елементарних осередках на середині ребер або граней розміщені додаткові іони (атоми).

Каркасні структури складаються з об'ємного тривимірного аніонного кістяка координаційного типу й нейтралізуючої "начинки" з катіонів або атомних груп. Прикладом такої структури є ортоклаз KAlSi3O8.

Будівельні матеріали мінерального походження й метали здебільшого перебувають у стані полікристалів, до складу яких входить значна кількість нечітко орієнтованих кристалів, що зменшує анізотропію. Деякі способи обробки можуть супроводжуватися просторовою орієнтацією кристалів і служити причиною анізотропії властивостей таких матеріалів. Варто враховувати, що в реальних матеріалах завжди є різні дефекти кристалічних ґрат. За геометричними ознаками їх розділяють: на крапкові, лінійні, площинні й об'ємні.

Структуру аморфних матеріалів (як і структуру рідин) характеризує так званий ближній порядок, коли впорядкований стан спостерігається тільки між сусідніми часточками матеріалу. Головними відмінними рисами аморфних (у тому числі - склоподібних структур) є ізотропність властивостей і відсутність постійної температури плавлення. Відсутність кристалічних ґрат веде до плавної зміни властивостей аморфних матеріалів при переході їх, наприклад, із твердого стану в рідкий.

Субмікроскопічний рівень структури:

На субмікроскопічному рівні розглядають структуру матеріалів, що утворена часточками колоїдних розмірів (l = 10-9...10-7 м), які можна розрізняти за допомогою звичайного світлового мікроскопу. Більшість будівельних матеріалів є гетерогенними дисперсними системами, які складаються із двох і більше фаз. У дисперсних системах одна або кілька речовин (дисперсна фаза) є дрібними часточками або порами, розподіленими в навколишньому дисперсійному середовищі.

Розрізняють мікрогетерогенні системи, в яких дисперсна фаза містить часточки розміром понад 10-7 м, колоїдні системи з розміром часточок дисперсної фази 10-9…10-7 м.

У будівельних матеріалах, які належать до дисперсних систем, дисперсною фазою найчастіше є тверді часточки. Це різноманітні порошки, суспензії, пасти, в'яжучі речовини, пластмаси, лакофарбові матеріали, керамічні маси, розчини й бетонні суміші, розплави склоподібних речовин і т.п. У деякихматеріалах дисперсна фаза може бути рідкою (полімерні емульсії) або газоподібною («ніздрюваті» бетони).

Мікроструктура матеріалів:

На мікрорівні вивчають такі елементи структур матеріалів, які можна виявити за допомогою оптичного або електронного мікроскопа. Їхні розміри 10-4...10-7 м. Вони характерні для елементів мікрогетерогенних систем. Для бетонів - це елементи структури цементного каменю й контактного шару, кераміки - кристалічні й склоподібні фази.

До типових мікрогетерогенних систем належать порошки, суспензії, емульсії й піни. Для мікрогетерогенних систем, на відміну від колоїдних, броуновський рух не є характерним. Часточки в таких системах переміщаються під впливом ваги, тому вони седиментаційно нестійкі. Порошок можна розглядати як дисперсну систему, дисперсійним середовищем у якій служить повітря. Зменшення розмірів зерен у порошку нижче критичного рівня, викликає його злипання й гранулювання. Гранулювання порошків відбувається, завдяки зменшенню поверхневої енергії системи при злипанні часточок. Активізації цього процесу сприяє змочування поверхні твердої фази рідиною. Це забезпечує утворення на межі розділу фаз прошарку з підвищеною в'язкістю, що збільшує адгезійну взаємодію.

За формою в порошкоподібних матеріалах розрізняють ізометричні (кулясті, багатогранні) і неізометричні (волокнисті або у вигляді голок, пластинчасті й т.п.) зерна.

Суспензія й емульсія - це мікрогетерогенні системи, в яких тверда або рідка дисперсна фаза розподілена в рідкому дисперсному середовищі. У виробництві будівельних матеріалів суспензії широко використовують при одержанні сировинних шламів, шлікерів, розчинів. Концентровану суспензію називають пастою. Емульсії застосовують зокрема як лакофарбові матеріали.

Макроструктура матеріалів:

На макроскопічному рівні структуру матеріалів розглядають, якщо розміри часточок становлять понад 10-4 мм. Такий тип структури вивчають неозброєним оком або при незначному збільшенні. При цьому можна визначити особливості будови дефектів матеріалів, обумовлених процесами їх формування, виробництва й експлуатації, наприклад, дефекти ливарного походження в металах, пороки деревини, пухирці й сторонні включення в склі, тріщини й раковини в бетоні.

Вивчення макроструктури композиційних матеріалів конгломератного типу дає можливість визначати відносну кількість в'яжучого і заповнювачів, їхній розподіл, а іноді й мінералогічний склад, розмір і форму зерен, характер поверхні, форму й кількість макропор і т.п.

У ряді випадків складні багатокомпонентні структури можна звести на макрорівні до двохкомпонентних. Наприклад, макроструктуру бетону можна розглядати як систему «цементний камінь - заповнювач» (іноді під макроструктурою бетону розуміють систему «цементно-піщаний розчин - щебінь»), а макроструктуру ситалів - як систему «склоподібне в'яжуче - кристалічний наповнювач».

На розвиток деструктивних процесів впливають дефекти структури матеріалів - відкриті великі пори, тріщини і т.п. Найнебезпечнішими порами є капіляри, заповнені водою. Крім пор, важливими структурними елементами бетону, що визначають його фізико-механічні властивості, є тріщини. Тріщини мають внутрішні поверхні розділу. У реальному матеріалі завжди є велика кількість мікротріщин, що виникають внаслідок технологічних або експлуатаційних причин. Особливо небезпечні тріщини в крихких матеріалах і в конструкціях, що піддаються циклічному навантаженню.

3. Принципи створення композиційних будівельних матеріалів

Створення композиційних матеріалів пов'язане із проблемою конструювання матеріалів із заданими фізико-механічними характеристиками для певних умов експлуатації.

Більшість будівельних матеріалів можна розглядати як композиційні, які включають різні за фізичними властивостями або хімічним складом компоненти або фази.

Композиційні матеріали одержують об'ємним сполученням хімічно різнорідних компонентів із чіткою межею розділу між ними. Вони характеризуються властивостями, які відрізняються від властивостей вихідних компонентів.

Характерними ознаками композиційних матеріалів, у тому числі й будівельного призначення, є:

- гетерогенність і багатофазність;

- полікомпонентність;

- наявність поверхонь розділу фаз між окремими компонентами;

- відмінність фізико-технічних властивостей композиційних матеріалів від властивостей складових, при цьому властивості матеріалу до деякої міри визначаються властивостями кожного з компонентів;

- неоднорідність у мікромасштабі й однорідність у макромасштабі;

- склад, форма й розподіл компонентів запроектовані заздалегідь.

Композиційний матеріал звичайно містить два основних елементи:

- в'яжучий компонент - матрицю;

- армуючий - наповнювач.

Поверхня (межа) розділу між окремими компонентами або фазами може бути визначена як область зміни властивостей матеріалу при переході від одного компонента до іншого або від однієї структури до іншої. Поверхня розділу може також розглядатися як зона взаємодії матриці й наповнювача, що має кінцеву товщину. На поверхні розділу (у зоні контакту) відбувається перерозподіл деформацій і напруги між окремими компонентами композиційних матеріалів при дії на них технологічних і експлуатаційних навантажень.

Матриця - компонент, безперервний у всьому об'ємі композиційного матеріалу, що забезпечує певну міцність зчеплення з наповнювачем, передає навантаження окремим часткам наповнювача й сприймає навантаження, які діють у напрямку, що відрізняється від напрямку орієнтації часток (волокон).

Матриця в композиційних матеріалах загальнотехнічного призначення може бути полімерною (пластики), металевою (металокомпозити), керамічною й вуглецевою. У композиційних будівельних матеріалах матриця може бути представлена гіпсовими, вапняними, цементними в'яжучими речовинами, обпаленою глиною, склом, бітумом, полімерами. Матрицею можуть бути й більш складні матеріали, які вже є композитами, наприклад, будівельні розчини й бетони.

Роль матриці в армованій композиції визначається в наданні виробами потрібної форми й створенні монолітного матеріалу. Поєднуючи в одне ціле окремі складові армуючого компонента, матриця забезпечує підвищення опору різним зовнішнім навантаженням: розтяганню, стиску, вигину, зрушенню, сприяє зростанню несучої здатності композиції, забезпечує передачу зусиль на армуючий компонент (наповнювач), а також виконує функцію захисного покриття, що попереджає руйнування наповнювача від дії механічних навантажень і агресивного середовища.

Армуючий компонент (наповнювач, заповнювач) - дискретний елемент певної форми й поверхневої активності, що сприймає основні експлуатаційні навантаження й надає композиційному матеріалу необхідні властивості.

Як армуючі компоненти використовують речовини різної дисперсності й форми (порошки, зерна, волокна, стрижні, пластини). Залежно від цього, композиційні матеріали можуть бути дисперсно-зміцненими, волокнистими, шаруватими, кістяковими.

Армуючий компонент повинен мати такі властивості, як міцність (у всьому інтервалі робочих температур) і технологічність, адгезію до матриці, хімічну стійкість, характеризуватися відсутністю фазових перетворень у зоні робочих температур і нетоксичністю при виготовленні й експлуатації.

Внаслідок особливостей структури й механізму утворення високоміцних матеріалів, у техніці переважно застосовують композити, отримані з використанням волокнистого, шаруватого й зернистого наповнювачів. У будівництві частіше застосовують композиційні матеріали із зернистими й волокнистими заповнювачами й наповнювачами, наприклад, бетони, розчини й мастики. При незначному вмісті наповнювача (заповнювача) властивості композиційних будівельних матеріалів визначаються в основному властивостями матриці. При збільшенні кількості наповнювача їхні властивості можуть істотно змінюватися, здобувати специфічні риси, властиві тільки даному матеріалу.

Композиційні будівельні матеріали - це гетерогенні системи, властивості яких формуються за рахунок складних процесів взаємодії вихідних складових з утворенням нестабільних структур, здатних у часі до трансформації у більш стабільні.

Відома залежність «склад - технологія - структура - властивості» дозволяє розглядати структуру як один з основних факторів, що визначає якісні показники готового продукту. Прогнозування експлуатаційних характеристик композиційних матеріалів можна здійснювати з урахуванням властивостей вихідних компонентів, особливостей їх будови (характеру структури) й технології одержання.

Під властивостями матеріалу розуміють комплекс показників, які характеризують його здатність виконувати функціональне призначення в будовах і спорудах.

Властивості матеріалів проявляються через взаємодію й взаємозв'язок з навколишнім середовищем й іншими функціональними об'єктами. Технічні характеристики будівельних композиційних матеріалів визначають видом і кількістю окремих складових, а також особливостями технології, що застосовується. Аналіз причин, що визначають виникнення тих або інших необхідних властивостей, дозволяє відзначити, що композиційний матеріал необхідно розглядати як гетерогенний, котрий складається з окремих структурних елементів, що взаємодіють через поверхню розділу.

Механічні й інші властивості композитів визначають в основному трьома параметрами:

1) високою міцністю наповнювачів,

2) твердістю матриці,

3) міцністю контактної зони на границі «матриця - наповнювач (заповнювач)».

Співвідношення між цими параметрами впливає на тип і якість структури, що утворюється й визначає відповідний комплекс властивостей матеріалу й механізм його руйнування.

Мікроструктура характеризується такими складовими як новотвори різного хімічного й мінералогічного складів, дефекти (пори), залишки вихідної в'яжучої речовини й вода (або рідка фаза), що частково заповнює пори.

Мезо- і макроструктури звичайно розглядають як конгломератні структури. Наведений розподіл структур композиційних матеріалів відповідно до розмірного показника виправдовують тим, що механізм формування й властивості мікро- і макроструктур принципово відрізняються між собою.

Надійність будівельних композиційних матеріалів визначають як правильним вибором вихідних компонентів, так і раціональною технологією виготовлення, що забезпечує не тільки збереження властивостей компонентів, але й виявлення нових властивостей.

Розмаїтість матеріалів, з яких виготовлені матриці й наповнювачі, а також схем армування відкривають можливості спрямованого регулювання структури матеріалу, надаючи йому необхідні експлуатаційні й спеціальні властивості.

4. Методи оцінки складу й структури композиційних матеріалів

Залежно від складності структури речовини, стану, в якому вона перебуває, і відповідного рівня технології, методи, які використовують для оцінки складу і структури композиційних матеріалів, розділяють на:

- хімічні;

- структурно-механічні;

- фізико-хімічні, у тому числі електрохімічні (потенціометрія, кондуктометрія); термоаналітичні (диференціальний термічний аналіз, калориметрія); рентгенівські (рентгеноструктурний і рентгенофазовий); спектральні (молекулярна спектроскопія, фотоелектричний метод, фотометрія полум'я, спектрофотометрія електронного і ядерного магнітного резонансу, інфрачервона й ультрафіолетова спектроскопія); оптичні (світлова мікроскопія, мікроскопія у відбитому світлі, рефрактометрія, електронна й растрова мікроскопія).

Хімічні методи:

(у тому числі методи аналітичної хімії) відіграють важливу роль при дослідженні будівельних матеріалів. Оцінку хімічного складу речовин виконують на основі повного хімічного аналізу й передбачає встановлення кількості оксидів кремнію, алюмінію, заліза, магнію, кальцію та інших складових елементів.

Структурно-механічні методи:

використовують на різних стадіях виготовлення в'яжучих речовин, коли виникає потреба визначення властивостей пластично-грузлих тіл (рідко- або твердоподібних), які займають проміжне місце між рідиною й твердим тілом. Подібні тіла мають здатність до структуроутворення й залежно від ступеня розвитку й міцності структури, наближаються за своїми властивостями до твердих або рідких тіл. Для визначення структурно-механічних властивостей структурованих систем використовують методи пластометрії й віскозиметрії.

Пластометрію використовують для дослідження пластичної міцності. Використання пластометрів різної конструкції дозволяє реєструвати структурно - механічні характеристики речовин у широкому діапазоні зміни їхньої в'язкості. Використовуючи пластометрію під час дослідження, наприклад, процесу твердіння, можна спостерігати процеси переходу коагуляційної структури до коагуляційно - кристалізаційної та кристалізаційної, яким відповідають точки на кінетичних кривих зміни пластометричної міцності (пластограма). Аналіз цих кривих дозволяє вибирати час для проведення відповідних технологічних операцій з метою одержання оптимальної структури матеріалу.

На основі даних структурної в'язкості й граничної напруги зрушення суспензій і шламів можна робити висновки щодо їхньої стабільності, схильності до розшаровування й придатності до тривалого транспортування.

Віскозиметрія передбачає дослідження в'язкості розплавів, розчинів і дисперсій різної концентрації й виконується за допомогою віскозиметрів, з яких найбільше поширення мають капілярні й ротаційні.

Фізико-хімічні методи:

Електрохімічні методи.

Набувають все більшого значення при дослідженні будівельних матеріалів. Ці методи ґрунтуються на електрофізичних і електрохімічних явищах у відновному середовищі або на міжфазових межах розділу, які виникають внаслідок зміни хімічного складу, концентрації або структури речовин.

Потенціометричний метод базується на вимірі різниці напруги, що виникає при зануренні електродів у розчин. За допомогою потенціометрії можна вивчати корозію арматури в залізобетоні, але найчастіше цей метод використовують для вивчення величини рН як суспензій, так і цементних паст. Реєстрація зміни величини рН дозволяє визначати час тужавлення в'яжучих речовин, спостерігати за процесом гідратації, оцінювати корозійну стійкість цементів в агресивному середовищі і швидкість корозії арматури й заповнювачів.

Кондуктометричний метод -- це метод визначення електропровідності електролітів (систем з іонним типом провідності, які представлені водними й неводними розчинами, колоїдними системами, суспензіями, пастами, розплавами).

Кондуктометричний аналіз дозволяє не тільки визначати електропровідність колоїдних систем (наприклад, в'яжучих речовин, скла, шламів), але може бути використаний при вивченні ступеня насичення капілярно-пористих тіл або кінетики процесів гідролізу, гідратації й розчинення, які мають місце при твердінні в'яжучих речовин. Вимірюючи електропровідність, можна контролювати процеси прискореного твердіння будівельних матеріалів (наприклад, під час пропарювання або автоклавної обробки).

Потенціостатичний метод використовують при дослідженні корозії металів (наприклад, корозії сталі у залізобетоні). При проведенні потенціостатичного аналізу використовують триелектродний електрохімічний вимірювальний осередок, у якому досліджуваний об'єкт є робочим електродом. Як додатковий використовують пластиковий електрод, за допомогою якого на робочий електрод подається розгорнення за заданим законом. Як електрод порівняння використовують насичений хлорсрібний або каломельний електроди. Швидкість корозії визначають за густиною анодного струму при розгорненні потенціалу на дослідженому робочому електроді. На базі цього методу розроблено кількісний метод визначення корозійної стійкості арматурної сталі в залізобетоні, при якому можна одержати лінійну швидкість зношування (корозії) матеріалу (у мм/год), а також питому вагову швидкість корозії (у мг/м·год). Об'єктами потенціостатичних досліджень можуть бути не тільки електропровідні будівельні матеріали, але й капілярно-пористі, які здатні поглинати електроліти.

Електрокінетичний метод дослідження будівельних матеріалів пов'язаний з визначенням величини потенціалу й аналізом характеру його зміни. За результатами цього аналізу можна робити висновок щодо рухливості й пластичності цементних паст, що твердіють, про періоди коагуляції й тужавлення, про дифузійну проникність цементного каменю й механізм його розширення, про реологію в'яжучих речовин.

Термоаналітичні методи.

Фізико-хімічні процеси, які відбуваються при виготовленні й експлуатації будівельних матеріалів, супроводжуються виділенням або поглинанням тепла. Виділення тепла (екзотермічний ефект) має місце при перетворенні нестабільних структур у стабільні, наприклад, при поліморфних перетвореннях, при кристалізації скла, при окислюванні й згорянні, при реакціях синтезу. Поглинання тепла (ендотермічний ефект) фіксується при реакціях розкладання речовин, при руйнуванні кристалічної структури. Наприклад, диференційно-термічний аналіз використовують для дослідження хімічних реакцій і фізичних перетворень, які відбуваються під дією тепла в хімічних сполуках. Звичайно термічні процеси пов'язані зі значною зміною внутрішньої тепломісткості системи, причому перетворення в складі й структурі речовин відбуваються або з поглинанням тепла (ендотермічні перетворення), або з виділенням (екзотермічні перетворення). Зазначені теплові ефекти можуть бути зареєстровані за допомогою диференційно- термічного аналізу.

Більшість перетворень у структурі й складі речовин відбуваються зі зміною маси, що може бути визначено з високою точністю термогравіметричним методом. Для одночасної фіксації термічних ефектів і уточнення оцінки зміни маси зразка використовують диференціальний запис гравіметричної кривої, що здійснюється при використанні дериватографа. Цим приладом одночасно визначають: зміну тепломісткості (ДТА), температури (Т), маси (ТГ) і швидкості зміни маси аналізованої проби (ДТГ).

При вивченні будівельних матеріалів з використанням диференційно- термічного аналізу можуть бути встановлені як ендотермічні перетворення, пов'язані з руйнуванням структури й виділенням газової фази, з поліморфними перетвореннями енантиотропного (необоротного) характеру й з розплавлюванням речовин, так і екзотермічні перетворення, обумовлені окислюванням, перебудовою кристалічних структур і рекристалізацією скла. Цей метод застосовують при дослідженні мінеральних і органічних в'яжучих речовин.

Калориметрія - це експериментальний метод одержання термохімічних і термокінетичних даних, що включає сукупність способів виміру теплових ефектів, що мають місце при синтезі будівельних матеріалів. Використання ізотермічної й сканіруючої калориметрії дозволяє вирішувати наступні завдання:

- оцінювати активність і досліджувати кінетику гідратації в'яжучих речовин (у широкому інтервалі температур і при наявності матеріалів з різними властивостями);

- досліджувати вплив технічних параметрів і навколишнього середовища на твердіння цементів і бетонів;

- визначати характер пористості (форму, обсяг, розподіл пор за розмірами, вид зв'язаної води в цементі, характер льоду, що утворився при замерзанні води);

- оцінювати здатність хімічних добавок реагувати із цементами й іншими речовинами (наповнювачами, заповнювачами);

- установлювати кількісно частку екзотермії в енергетичному балансі твердіння бетону з метою зменшення термічних напруг й деформацій.

Звичайно, дані з термокінетики використовують для оцінки мінералогічного складу й ступеня подрібнювання цементу, впливу хімічних і мінералогічних добавок, водоцементного відношення, температури твердіння й вмісту цементу.

Рентгенівські методи

Це сукупність різних методів дослідження, що використовують рентгенівське випромінювання. Застосування рентгенівського випромінювання для дослідження кристалічних речовин базується на тім, що довжина його хвилі може бути порівняна з відстанню між упорядковано розташованими атомами в ґратах кристалів. Кристали - це натуральні дифракційні ґрати для рентгенівського випромінювання. Рентгенівські промені проникають у глибину кристалічних ґрат і відбиваються від їх внутрішніх пласких сіток. Суть рентгенівських методів аналізу базується на вивченні дифракційної картини, що утворюється при відбитті рентгенівських променів атомними площинами (поверхнями) в структурі кристалів. У сучасних рентгенівських апаратах використовують характеристичне або монохроматичне випромінювання. Довжина хвилі цього випромінювання залежить від матеріалу антикатода рентгенівської трубки.

Рентгенографічні методи аналізу широко використовують для вивчення структури, складу й властивостей різних будівельних матеріалів. За допомогою рентгенографічного аналізу досліджують: якісний і кількісний мінералогічний і фазовий склад матеріалів, тонку структуру кристалічних речовин (форму, розмір і тип елементарного осередку, симетрію кристала, координати атомів у просторі (рентгеноструктурний аналіз); ступінь досконалості кристалів і наявність у них зональних напруг, розмір мозаїчних блоків у монокристалах, тип твердих розчинів, ступінь упорядкованості їх на межі розчинності; розмір і орієнтацію часток у дисперсних системах; текстуру речовин і стан поверхневих шарів різних матеріалів; щільність; коефіцієнт термічного розширення; товщину листових матеріалів і покриттів; внутрішні мікродефекти у виробах; поводження речовин при низькій і високій температурі і тиску.

Метою якісного рентгенофазового аналізу є ідентифікація природи кристалічних фаз, які входять до складу досліджуваного матеріалу. Аналіз базується на тім, що кожна індивідуальна кристалічна речовина дає специфічну рентгенограму (дифрактограмму) з певним набором ліній і їхньою інтенсивністю. Кількісний рентгенофазовий аналіз використовують для визначення вмісту окремих фаз у багатофазних полікристалічних матеріалах. Цей аналіз базується на залежності інтенсивності дифракційних максимумів від вмісту фази, що визначається. Зі збільшенням вмісту тієї чи іншої фази, інтенсивність її відбиття збільшується.

Спектральні методи

Це методи якісного й кількісного аналізу речовин на основі вивчення їхніх спектрів, які можуть бути поділені на спектри випромінювання (емісійні), поглинання (абсорбційні), комбінаційного розсіювання світла, люмінесцентні й рентгенівські.

В основу емісійного спектрального аналізу покладене вивчення будови світла, розкладеного по довжині хвилі у вигляді спектра, що випромінюється або поглинається збудженими атомами й молекулами аналізованої речовини. Атоми й молекули можуть збуджуватися полум'ям пальника, електричною дугою або іскрою. Висока температура в джерелах світла приводить до розпаду речовин наатоми. Із цієї причини емісійний метод у більшості випадків є атомним аналізом.

Хімічний склад речовин можна визначати шляхом ідентифікації лінії поглинання або випромінювання відповідних атомів. При цьому розрізняють якісний і кількісний спектральний аналіз.

Молекулярна спектроскопія вивчає взаємодію речовин з електромагнітним випромінюванням у широкому інтервалі частот, починаючи з радіохвиль і закінчуючи випромінюванням. Молекулярну спектроскопію використовують для вивчення будови й властивостей молекул, а також природи й сили міжмолекулярної взаємодії.

Метод інфрачервоної спектроскопії базується на здатності речовин до поглинання випромінювання залежно від довжини його хвилі (або хвильового числа). Вид і характер отриманого спектра дозволяє визначити наявність у пробі тих або інших речовин (а іноді і їхньої концентрації), а також одержати інформацію про типи молекулярних зв'язків.

Використання ІЧ-спектроскопії дозволяє досліджувати аморфні речовини, які важко або взагалі не ідентифікуються рентгенівськими методами. Цей метод також може бути використаний для вивчення механізмів твердіння в'яжучих речовин і для встановлення типу й характеру зв'язування води в мінералах. Спектроскопію електронного та ядерного магнітного резонансу використовують при вивченні фізико-хімічних процесів за участю твердих, рідких і газоподібних речовин.

Електронний парамагнітний резонанс (ЕПР) побудований на існуванні залежності між інтенсивним резонансним поглинанням високочастотної енергії при певному відношенні напруженості постійного магнітного поля й частоти й може бути визначений як явище змушеного переходу електронів з одного електричного рівня на іншій під дією змінного поля резонансної частоти. Цей метод використовують при дослідженні структури й перетворенні сполук із ненасиченою валентністю (вільних радикалів) під час хімічних реакцій, що відбуваються в різних технологічних процесах при одержанні будівельних матеріалів. Крім того, ЕПР доцільно використовувати для виявлення й кількісного визначення парамагнетизму речовин. За допомогою ЕПР можна вивчати дефекти структури речовин й центри фарбування.

Ядерний магнітний резонанс (ЯМР) спостерігається при значно менших частотах радіохвиль, чим електронний. У цьому випадку зміна енергії, яку фіксують, пов'язана з магнітними властивостями ядер. ЯМР використовують для дослідження твердих неметалічних тіл, вивчення структури рідких кристалів, добавок у кристалах. Найчастіше цей метод використовують при вивченні характеру зв'язків молекул води в структурі штучного каменю, отриманого при гідратації в'яжучих речовин.

Оптичні методи

Ці методи аналізу побудовані на вивченні оптичних властивостей речовин при розповсюдженні світлових променів у твердих тілах і рідині. Оптичні властивості речовин обумовлені їхнім хімічним складом і характером структури. Залежно від розмірів об'єктів, які вивчаються, можуть бути використані методи оптичної або електронної мікроскопії. Нижня межа можливостей світлового мікроскопа визначається розміром часток до 0,2 мкм. Електронна мікроскопія використовує як випромінювання пучок електронів з довжиною хвилі на кілька порядків нижче, ніж довжина хвилі світла. Це дозволяє аналізувати об'єкти розміром 106 мм і менше.

Світлова мікроскопія застосовує кристал оптичний і дозволяє досліджувати різні види будівельних матеріалів, що послужило основою для виникнення й розвитку петрографії технічного каменю. Суть петрографічного аналізу - це вивчення явищ, пов'язаних із проходженням світла крізь об'єкт. Петрографічні дослідження виконують на спеціальних препаратах: шліфах - прозорих пластинах матеріалів, приклеєних канадським бальзамом до предметного скла, або антишліфах - полірованих поверхнях і порошках. Використання різного збільшення поляризаційних мікроскопів дозволяє одержати інформацію щодо типу й характеру структури, мінералогічного складу заповнювачів і цементного каменю, а також висолів на його поверхні, розміру, форми й оптичних характеристик окремих кристалів (показник переломлення, двупреломлення, плеохроїзм, спайність, кут погашення, осність, подовження), структуру контактних шарів і склад новотворів у зоні контакту, форму, розмір і обсяг мікропор, вид мікротріщин й інших дефектів структури.

Мікроскопія у відбитому світлі. Речовини залежно від коефіцієнта адсорбції можна поділити на прозорі й непрозорі, або здатні до абсорбції світла.

Непрозорі речовини вивчають у поляризованому відбитому світлі з використанням полірованих шліфів, які являють собою твердий матеріал, одна сторона якого має дзеркальну поверхню. В основі цього методу дослідження лежить властивість матеріалів (кристалів) відбивати світло певної інтенсивності, що падає на поліровану поверхню. Відбивна здатність залежить від будови кристалів і пов'язана з його оптичними характеристиками.

Використання відбитого світла дозволяє одержати додаткові оптичні й фізичні характеристики матеріалу в порівнянні з тими, які визначають при дослідженні прозорих шліфів у світлі, що проходить. Використання відбитого світла перспективне при вивченні непрозорих матеріалів, що добре відбивають світло (метали, сплави, рудні мінерали).

Даний метод доцільно використовувати й при вивченні прозорих матеріалів або композитів, які містять значну кількість непрозорих фаз.

Цей метод також може бути застосований при дослідженні бетонів з метою:

- діагностики основних фаз портландцементного клінкеру;

- вивчення оксидів кальцію й магнію, деяких сульфатів, що мають високий показник світлопереломлення;

- дослідження зони зрощення різних середовищ або фаз, контактну зонуяких порушують при виготовленні шліфів внаслідок різної твердості;

- вивчення структури дрібнозернистих матеріалів, розмір зерен яких менший за 0,01 мм, або товщини прозорого шліфа (0,01-0,03 мм);

- установлення характеру пористості, у тому числі визначення пор, які не можуть бути досліджені в прозорих шліфах;

- визначення ступеня гідратації цементу, досліджувати який зручніше у випадку використання полірованих шліфів;

- вивчення дрібнодисперсних фракцій пористих заповнювачів, основна частина яких представлена склофазою, що містить включення непрозорих мінералів;

- дослідження мікротвердості різних структурних елементів бетону, у тому числі контактної зони між в'яжучою речовиною й заповнювачами.

Рефрактометрія - це метод аналізу, що дозволяє визначити коефіцієнт переломлення різних речовин і є важливим показником при виробництві оптичного скла, а також для визначення з високою точністю складу мінералів. Для дослідження залежності характеру зміни показника переломлення від складу речовини необхідно використовувати величину, що визначається винятково природою досліджуваного об'єкта. Такою величиною є молярна рефракція.

Методи спеціального мікроскопічного аналізу. За допомогою мікроскопа вивчають кінетику протікання фізико-хімічних процесів при високих (до 2000 °С) і низьких (до -185 °С) температурах. Для деяких спеціальних досліджень процесів структуроутворення будівельних матеріалів використовують інфрачервону, ультрафіолетову й ультразвукову мікроскопію.

За допомогою інфрачервоної мікроскопії вивчають об'єкти, які є майже непроникними для променів видимої частини спектра, але прозорими для інфрачервоного випромінювання. Такими речовинами є провідники й напівпровідники (кремнеземисті системи, металеві матеріали, скляні та рудні матеріали). Метод інфрачервоної поляризаційної мікроскопії використовують для контролю напруги в кристалах і дослідження розподілу залишкових внутрішніх напружень, пов'язаних з дислокаціями в їхній структурі.

Для вивчення речовин і композиційних матеріалів, склади яких під дією зовнішньої енергії (енергії збудження) посилають випромінювання й починають світитися, використовують люмінесцентну мікроскопію. При використанні цього аналізу можна визначити хімічний склад композицій на окремих малих ділянках, виявити дрібні включення й досліджувати процеси перетворення речовин.

Ультрафіолетова мікроскопія побудована на тому, що більшість металів і мінералів інакше відбивають промені в ультрафіолетовій області спектра, ніж у видимій. Для деяких речовин ця різниця є досить істотною, що дозволяє прогнозувати значне підвищення ступеня поділу фаз в ультрафіолетовому мікроскопі.

При використанні ультразвукової мікроскопії як випромінювання застосовують ультразвукові хвилі. Це дозволяє спостерігати дрібні частки й досліджувати неоднорідні середовища, проникні для ультразвукових хвиль. Розв'язну здатність мікроскопа визначають довжиною хвилі ультразвуку й дорівнює 10-15 мкм.

Ультрамікроскопію використовують для дослідження часток, розміром менш 0,002 мм, і може бути застосована як один з методів для вивчення процесів гідратації в'яжучих матеріалів при високому значенні водоцементного відношення (у суспензіях), процесів дифузії компонентів, розчинних у водному середовищі, особливостей кристалізації насичених і пересичених розчинів.

Високотемпературна мікроскопія використовується для проведення дослідження зразків матеріалів у відбитому світлі і тому, що проходить при температурах від 30 °С до 3000 °С. Цим методом визначають температуру плавлення й проводять термоаналіз матеріалів органічного і неорганічного походження.

Електронно-мікроскопічний аналіз проводять із використанням сучасних електронних мікроскопів, які дають збільшення зображення до 300000 разів і дозволяють досліджувати частки розміром (3-5) -10 м.

Електронний мікрокристалохімічний аналіз широко використовують в мікрохімії для проведення якісного аналізу. Застосовуючи реакції утворення характерних кристалічних осадів, за допомогою цього методу оцінюють тільки загальний вид кристалів і роблять висновок про наявність тих або інших іонів. Електронна мікроскопія дозволяє проводити пряме дослідження порошкоподібних і кристалічних дисперсних об'єктів. Тонкі прозорі кристали при просвічуванні можуть бути ідентифіковані методом електронної дифракції.

При використанні просвітчастої мікроскопії головний метод дослідження цементного каменю - це метод реплік, за допомогою якого досліджують мікроструктуру матеріалу (свіжого відколу); структуроутворення цементного каменю в процесі його твердіння; вплив різних факторів на мікроструктуру і якість бетону.

Растрова скануюча мікроскопія (із зондовим аналізом) -- це метод, в основі якого лежить телевізійний принцип розгорнення тонкого пучка електронів (або іонів) на поверхні непрозорого досліджуваного зразка. Контрастність відбиття, що сканується, залежить від мікрорельєфу (топографії) поверхні зразка і його хімічного складу. При використанні цього методу можна одержати розподіл хімічних елементів по поверхні зразка (що важливо для ідентифікації сполук, які утворяться при гідратації й дегідратації в'яжучих речовин), а також мікрорельєф поверхні матеріала.

Для визначення зернового складу порошків використовують седиментаційний аналіз, який заснований на тому, що швидкість осідання часточок у рідкому середовищі змінюється залежно від їхніх розмірів.

5. Підвищення якісних показників композиційних матеріалів

Механічні процеси при здрібнюванні мінеральних матеріалів обумовлюють, поряд зі збільшенням їхньої поверхневої енергії, і їхню хімічну активність, що також сприяє високій адгезійній міцності при контакті їх з в'яжучими матеріалами.

Активацію адгезійної здатності наповнювачів за рахунок збільшення їх вільної поверхневої енергії можна досягти впливом електричних і магнітних полів, ультразвуковою обробкою, за допомогою іонізуючих випромінювань.

Визначення поверхневої енергії твердих тіл є важким. Для рідин еквівалентом поняття поверхневої енергії служить поверхневий натяг і для цього існують вже достатньо розроблені експериментальні методи. Про величину поверхневої енергії для твердих тіл можна судити побічно, наприклад, за допомогою ряду розрахункових методів або виміру деяких механічних характеристик. Так, для оцінки поверхневої енергії мінералів поширені методи шліфування, свердління, дряпання, коливань, що загасають. Застосовують також методи, засновані на визначенні енергії руйнування.

Інтервал величин поверхневої енергії різних матеріалів досить широкий: від 0,072 Дж/м (для води при нормальній температурі) до 1-2 Дж/м у таких матеріалів, як алмаз або карбід кремнію.

Ефективною властивістю активації наповнювачів за рахунок збільшення поверхневої енергії є механохімічна обробка. Збільшення поверхневої енергії викликається, насамперед, розривом міжатомних зв'язків структури. Це має місце при подрібненні, помелі, стиранні твердих тіл. Новоутворені поверхні мають значно більшу величину поверхневої енергії, що обумовлює їх більш високу адгезійну активність. Особливий енергетичний стан нових поверхонь подрібнених мінеральних матеріалів - кварцу, вапняку, магнезиту, гіпсу та ін. можна пояснити утворенням великої кількості ненасичених валентних зв'язків.

Позитивний вплив активних наповнювачів в бетонах удалося істотно підвищити додаванням їх до бетонних сумішей разом із суперпластифікаторами (СП). Різновидом активних мінеральних наповнювачів можна вважати добавки мінеральних модифікаторів, що істотно поліпшують структуру й властивості бетонів при введенні їх у порівняно невеликій кількості до бетонної суміші.

У композиції з добавками суперпластифікаторів виявилися особливо ефективні високодисперсні кремнеземисті порошки - мікрокремнеземи. Їхня унікальна питома поверхня (до 2000 м/кг) в сполученні з аморфізованою структурою часток, наявністю таких домішок як карбід кремнію, які мають високу поверхневу енергію, обумовлюють високу структуруючу й реакційну здатність цих матеріалів у порівнянні з іншими наповнювачами.

Активованим станом речовини називається деякий його критичний проміжний стан, через який проходить процес, що протікає в часі. За визначенням К. Мейера, активованими твердими тілами називають тіла з термодинамічно нестабільним розташуванням елементів кристалічних решіток, що відрізняються підвищеною величиною вільної ентальпії. Активуючі впливи призводять до зміни енергетичного стану речовини та інтенсивності їхньої взаємодії. Зменшення Еа досягають різними способами механічних, механохімічних, гідравлічних, магнітних та інших впливів. У технології бетону багато досліджень присвячені питанням механічної й механохімічної активації як вихідних компонентів, так і всієї суміші. При цьому досягають істотної інтенсифікації процесів твердіння, зростання міцності й поліпшення ряду інших властивостей.

Мокре подрібнювання цементів є більш ефективним, ніж сухий помел. Віброактивацію проводять зануренням глибинного вібратора в ємність із цементним тістом або розчином. При віброактивації збільшується число колоїдних часток у суміші, більш рівномірно розподіляється вода між зернами цементу. Ефект віброактивації, на думку більшості дослідників, особливо відчувається в першу добу твердіння, коли міцність може підвищуватися до 30-40 %.

Пізніше був запропонований вібраційний спосіб перемішування компонентів бетонної суміші, що передбачає передачу інтенсивних вібраційних імпульсів через корпус змішувача. Ефект підвищення міцності віброперемішуваних бетонів повільно загасає в часі, такий спосіб більше ефективний для жорстких сумішей з низьким В/Ц, які важче приготувати у звичайних змішувачах.

Активації бетонної суміші можна також досягти при турбулентному перемішуванні, заснованому на створенні високих градієнтів швидкостей. Застосування турбулентного змішування дозволяє роздільно готувати в'яжуче й бетонну суміш в одній ємності й здійснювати механічну активацію великого заповнювача й цементу.

Роздільний принцип приготування бетонної суміші покладений в основу інтенсивної роздільної технології. За такого способу в швидкісному змішувачі активаторі попередньо готують цементне тісто з добавкою наповнювача (в'яжуче), яке потім перемішують у звичайному змішувачі із заповнювачами. У турбулентному змішувачі частки багаторазово стикаються між собою, як результат - підвищується однорідність і рівномірний розподіл компонентів, ступінь змочування цементу, має місце фізичне й хімічне диспергування.

Здирання з клінкерних часток гідросульфоалюмінатних плівок, що їх екранують, сприяє оголенню нових активних центрів їхньої поверхні. За турбулентного змішування досягають прискорення й збільшення ступеня гідратації цементу, підвищується міцність цементного каменю.

Активаційний вплив на цементне тісто робить і ультразвукова обробка. Вона викликає ефект кавітації, диспергування твердих часток, утворює мікротріщини в кристалах, що сприяє розчиненню цементних часток і їх більш повній гідратації. На відміну від високочастотного вібрування при ультразвуковому впливі відносний приріст міцності прямо пропорційний зростанню В/Ц. Під впливом хвилевoго тиску, який виникає в акустичному полі, формується щільна й міцна кристалогідратна структура цементного каменю. композиційний армуючий матеріал

Наприкінці першої стадії структуроутворення бетону, коли сформувався просторовий каркас коагуляційної структури, спостерігається позитивний ефект при повторному віброущільненні.

Інтенсифікацію процесів фізико-хімічної взаємодії можна посилювати також обробкою рідкої фази. Цьому сприяють:

- свіжеконденсований стан води замішування;

- підвищення термодинамічних параметрів системи (температури, тиску та ін.);

- зниження в'язкості води за рахунок введення деяких іонів;

- короткочасна обробка води замішування в енергетичних полях: механічних, електромагнітних, акустичних, радіаційних і ін.;

- деаерація води замішування й очищення твердофазних поверхонь від включень і домішок;

- іонізація води замішування й зміна рН дисперсійного середовища;

- посилення електронно-донорних властивостей води шляхом зниження ступеня асоціювання її молекул або ослаблення водневого зв'язку.

Найбільш відомим видом активування води замішування є електромагнітна її обробка, хоча механізм такої дії не цілком ясний і носить дискусійний характер, а ефективність, що досягається, є нестабільна в часі й коливається в широких межах.

Водні системи здатні підкорятися впливу зовнішніх енергетичних полів, змінюючи свою структуру й властивості: гідратаційну здатність, змочуваність, поверхневий натяг, в'язкість, ємність іонного обсягу та ін. У результаті коливань електронної щільності хмар іонів примісних солей під дією електромагнітного поля може відбуватися зміна енергії їхньої взаємодії з водою. Виявлений ефект проявляється у зміні розчинності клінкерних мінералів, інтенсивності виділення гідратної фази й дисперсності структурних новотворів.

...