СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ БЕТОННОГО КАМНЯ

Невозможно представить современную индустрию в области строительства без использования бетона, а также состоящих из него изделий. На сегодняшний день почти ни одно строительство: отдельный небольшой офис или многоэтажный высотный дом, не обходится без этого непростого композитного материала. Среди современных строительных материалов бетон занимает одну из главных позиций. Это связано с его редкостными свойствами, одним из которых являются многочисленные производственные сочетания. Научные работы и исследования, которые посвящены совершенствованию свойств бетона, проводятся многими серьезными заводами и являются первостепенной задачей в производстве высококачественной продукции.

С каждым днем в строительстве все больше и больше возрастают доля и роль высокопрочных бетонов. Они способствуют формированию архитектуры и новых видов зданий и сооружений. За счет преобразований различными добавками, бетон классифицируется как многокомпонентный композиционный материал. Он состоит из минеральных вяжущих, свойства которых могут регулироваться в широких пределах.

В связи с усилением требований к срокам и материалам строительства и повышением объемов строительного производства становятся все более значимыми вопросы повышения свойств и особенностей такого наиболее используемого строительного материала как бетон. Мировое производство, которого по разным оценкам составляет около девятнадцати миллиардов кубических метров в год. Применение высокопрочного бетона для монолитного строительства позволяет решать проблему повышения качества возводимых конструкций, сокращая расход сырьевых материалов и технологический срок строительства.

На сегодняшний день существует множество путей исследований непосредственно самих изделий и конструкций:

·     рентгенофазовый анализ;

·     дифференциальный термический анализ;

·     спектральный анализ;

·     исследование морфологических особенностей микроструктуры с помощью РЭМ (растрового электронного микроскопа).

Определение состава и структуры вещества являются основными целями, как науки, так и современного производства. Они уже давно выполнялись химическими методами, которые требуют немалых предварительных расходов, в связи с чем необходимость удешевления и повышения скорости анализа является острой проблемой и приводит к свободному использованию физических методов. Среди них особое значение имеет рентгенофазовый анализ.

Цель рентгенофазового анализа: идентификация вещества в смеси по набору его межплоскостных расстояний (d) и относительным интенсивностям (I) соответствующих линий на рентгенограмме. Для этого, согласно закону Брегга-Вульфа, необходимо определение углов отражения θ.

2dsinθ = nλ,                                                (1)

где: d: расстояние между соседними кристаллографическими плоскостями. θ: угол под которым наблюдается дифракция. n: порядок дифракционного максимума. λ:длина волны монохроматических рентгеновских лучей, падающих на кристалл [3].

Рисунок 1. Рентгенограммы цементного камня

Идентификация различных фаз из смеси на основе анализа дифракционной картины, получаемой исследуемым образцом, является основной задачей рентгенофазового анализа (Рис.2).

Рисунок 2. Схема, поясняющая уравнение Брэгга

Каждой фазе будет соответствовать своя собственная дифракционная картина, в случае если исследуемый объект состоит из нескольких фаз (Рис.3).

Рисунок 3. Дифракционная картина нескольких фаз

Анализ, который основан на определении температуры, при которой нагреваемый образец подвергается каким-либо изменениям (физическим или химическим). Которые, в свою очередь, сопровождаются тепловым эффектом (поглощением и выделением теплоты) называется дифференциальным термическим анализом [2]. Таким образом, при окислении теплота будет выделяться, при термическом разрушении – поглощаться (Рис.4).

Рисунок 4. Дифференциальный термический анализ

1 – исследуемое вещество; 2 – эталон (инертное вещество); 3 – дифференциальная термопара.

Существует множество разнообразных приборов для дифференциального термического анализа, которые различаются устройством регистрирующих приборов, нагревательного элемента и т.д. Но принцип действия таких приборов зачастую мало чем отличается друг от друга. Именно поэтому конструктивная способность практически всех приборов предполагает: возможность параллельного нагревания двух или более одинаковых по форме и размерам ячеек для образцов. Основной недостаток дифференциального термического анализа состоит в зависимости получаемых результатов от конструкции приборов и условий подготовки образцов. Вследствие чего затрудняется количественное описание процессов.

Спектральный анализ занимает особенное место и применяется на практике уже более ста лет. В его основу входит: анализ испускания молекул и атомов твердого тела, их поглощение и используется неограниченный диапазон длин волн от рентгеновских до радиоволн [6]. Но наибольшее применение он получил в пределах оптического диапазона длин волн от 750 мкм до 10 нм. Спектральный анализ подразделяется на:

·     Эмиссионный;

·     Абсорбционный;

·     Комбинационный;

·     Люминесцентный (Рис.5).

Рисунок 5. Диаграмма спектрального анализа

Спектральный анализ подразумевает следующие действия:

·     возможность проделать качественное открытие отдельных элементов пробы;

·     получить количественное определение их концентраций;

·     определить элементарный и молекулярный состав вещества.

Вещества, близкие по своим химическим свойствам, трудно поддаются анализу химическими методами, но у них есть и преимущество: они определяются спектрально.

Эмиссионный метод состоит из двух положений:

1.  Атомы каждого элемента и различные молекулы характеризуются определенным набором спектральных линий, которые достаточно полно описаны в таблицах.

2.  Интенсивность каждой спектральной линии зависит от концентрации атомов и молекул в плазме, но использование их на практике встречает ряд затруднений.

При помощи комбинационного анализа появляется возможность исследования спектров комбинационного рассеяния света и измерения интенсивностей. Основным компонентом является спектр комбинационного рассеяния света, который представляет собой колебательно-вращательный спектр молекулы или твердого тела. Он же, в свою очередь, расположен не в ИК области, а в области длины волны возбуждающего света и появление его обязано изменению дипольного момента молекулы или центра люминесценции, индуцированного возбуждающим светом [4].

Молекулярный же анализ аналогичен эмиссионному анализу, в особенности по спектрам комбинационного рассеяния. Во многом, можно сказать, он даже проще, так как такой вопрос как влияние условий возбуждения (присущий эмиссионному анализу) не возникает для комбинационного анализа. Комбинационный анализ также проще и абсорбционного, который проводится по колебательным и вращательным спектрам в ИК области, так как комбинационный спектр можно возбуждать в любой области, которая определяется только длиной волны возбуждающего света.