Рентгеновский фазовый анализ

 

Рентгеновский фазовый анализ проводится на любом рентгеновском дифрактометре общего назначения (см. гл. “Приборы и оборудование...”). Для определения фазового состава неорганических строительных материалов может использоваться метод прямого сравнения соответствующих дифракционных максимумов по интегральной интенсивности. В работах [141, 142] мы рекомендовали проводить съемку неорганических строительных материалов на основе цемента, извести, гипса при медном излучении (фильтр-никель), в диапазоне углов Q: от 6 до 35 град (съемка полной дифрактограммы) или от 6 до 17 град (съемка для расчета рентгеновских критериев). Съемка осуществляется с вращением образца и непрерывной регистрацией дифракционных максимумов. Естественно, возможны и другие варианты условий съемки.

Пробы перед исследованием просеивают через сито с диаметром ячейки 0,75 мкм для отделения песка. Просеянную пробу тщательно растирают в агатовой ступке. Затем навеску 5-10 г смешивают с клеем БФ-6 и полученную массу формуют в специальной оправке в виде таблетки. Высушенную при комнатной температуре таблетку помещают в держатель гониометра и проводят съемку.

 

Материалы на основе цемента и извести

Образцы дифрактограмм материалов на основе цементного и из­вест­кового связующего (силикатного кирпича и цементного камня зас­тыв­шего кладочного раствора) приведены на рис. 1.87.

Рис. 1.87. Дифрактограммы цементного камня (1) и силикатного кирпича (2) (ДРОН-УМ-2)

Наиболее интенсивные максимумы в дифрактограмме силикатного кир­пича - 3,32; 4,22; 2,45; 2,27; 2,22; 2,10; 1,97; 1,54; 1,37 А принадлежат оки­си кремния (SiO₂). Единственный, не относящийся к ней, интенсивный мак­симум - 3,02 А может быть идентифицирован, как принадлежащий то­бер­мориту и (или) кальциевым гидросиликатам C-S-H (I) и C-S-H (II). Этот же максимум является основным в карбонате кальция [70]. Два мак­си­мума (1,66 и 1,82 А) могут принадлежать одновременно и окиси крем­ния, и тоберморитоподобным структурам.

В дифрактограмме затвердевшего цементного раствора имеются те же максимумы SiO₂; присутствует и тоберморито-карбонатный максимум око­ло 3,02 А.

Необходимо отметить, что дифракционного максимума свободной гид­ро­окиси кальция Ca(OH)₂ при 2,63 и 4,9 А в ренгенограммах часто не об­наруживается. Это вызвано тем, что гидроокись присутствует в свободном виде в такого рода материалах не всегда, т.к. может быть нейтра­ли­зова­на имеющимися в цементе активными добавками.

Рис. 1.88. Дифрактограммы цементного камня до и после нагрева (температуры изотермического нагрева, 0С, указаны на рисунке)

С увеличением температуры нагрева цементного камня величина дифракционного максимума тоберморита (3,02 А) в сравнении с максиму­мами окиси кремния (4,24 А) снижается, что является закономерным следст­вием уменьшения содержания в материале гидратированных струк­тур (рис. 1.88).

Визуально оце­ни­вать соотношения ука­занных пиков и, соот­ветственно, степень тер­ми­ческого поражения ма­­те­риала сложно; не­об­ходимо делать это рас­­четом, на коли­чест­вен­ном уровне.

Количественный рас­чет по результатам рентгеновского анализа можно проводить путем измерения высоты (ин­тен­сивности) дифрак­цион­ных максимумов (I_х), с последующим рас­четом рентгеновских кри­­териев (R) по фор­му­лам:

 

R₁ = I(3,02)/I(4,24); (1.65)

 

R₂ = I(3,02)/I(3,18); (1.66)

 

R₃ = I(3,02)/I(3,22), (1.67)

 

где I_х - величины ин­тен­сивности (высота пи­ков, мм) дифракционных максимумов с соот­ветст­вующими межплоско­ст­ными расстояниями х, выраженными в А.

На цементном камне более предпочтительным является критерий R₁, на силикатном кирпиче - R₂, хотя возможно использование любого из трех критериев.

Изменение величин критериев в зависимости от температуры нагрева цементного камня и силикатного кирпича показано на рис. 1.89.

силикатный кирпич цементный кирпич     Рис. 1.89. Зависимость рентгеновских критериев (соотношений величин характерных дифракционных максимумов в рентгенограммах) от температуры нагрева цементного камня и силикатного кирпича

А на рис. 1.90 показаны результаты эксперимента по выявлению зон термических поражений на стене из красного кирпича. Костер, модели­рующий очаг пожара, находился в зоне, отмеченной на рисунке флажком. Ис­сле­дованию методом рентгенофазового анализа подвергался цемент­ный камень кладочного раствора между кирпичами. Полученные зна­чения рентгеновского критерия R₁ = I(3,02)/I(4,24) указаны на рисунке в соответствии с точками отбора проб на анализ.

Рис. 1.90. Зоны термических поражений кирпичной кладки по результатам исследования цементного камня из кладочного раствора между кирпичами

 

Материалы на основе гипса

На рис. 1.91 приведены дифрактограммы проб гипса, отобранных с гипсокартонной плиты, которая нагревалась до различных температур. В отличие от дифрактограмм цементного и известкового камня, здесь различие между пробами очевидно даже при визуальной оценке.

Воспользовавшись данными табл. 1.30, легко установить, что

Таблица 1.30

Дифракционные характеристики гидратных форм гипса [ ]

t нагрева, 0С	20-120	200-300	400-500	700-900
Гидратная форма	Дигидрат	Полугидрат	g-ангидрит	b-ангидрит
	7,56 о. с.	5,98 о. с.	6,05	3,49 о. о. с.
	4,27 с.	3,45 с.	3,01	2,85 о. с.
Дифракционные	3,06 с.	2,78 о. о. с.	2,80	2,32 с.
максимумы (А)	2,87 ср. с.	2,12 с.		2,20 с.
и их	2,68 ср. с.	1,89 ср.		1,86 о. с.
интенсивность	3,79 ср.	1,84 о. с.		1,74 с.
		1,69 с.		1,64 о. с.
		1,29 ср. с.		1,52 ср.
				1,487 ср.
				1,42 ср.
				1,395 ср.
				1,318 ср.
				1,275 ср.

Примечание: о.о.с. - очень-очень сильный; о.с. - очень сильный; с. - сильный; ср.с. - средней силы;

ср. - сред­ний.

нативный гипс по дифракционной характеристике идентифицируется как дигидрат (CaSO₄ × 2H₂O); пробы, нагретые до 200 и 300 ⁰С, - как полугид­рат; проба 400 ⁰С - как смесь g-CaSO₄ и b-CaSO₄; проба, нагретая до 800 ⁰С, - как чистый “нерастворимый ангидрит” (b-CaSO₄).

Рис. 1.91. Дифрактограммы проб гипса до и после изотер­мического нагрева (длит. нагрева 30 мин)

Таким обра­зом, качественное оп­ре­де­ле­­ние гид­рат­ной фор­мы гипса и, соот­ветст­вен­но, ориен­­­ти­ро­воч­ной мак­­си­маль­ной тем­пера­туры наг­рева на пожа­ре воз­можно непо­средст­вен­но по диф­рак­то­граммам.

Для количест­вен­ной оценки сте­пени пре­­вращения гипса под воз­дей­ствием тем­пе­ра­туры мы вывели, как и в предыдущем случае, эмпириче­ские кри­те­рии, включаю­щие в себя соотно­шения ве­личин диф­рак­­цион­ных мак­си­мумов, которые наи­бо­лее существенно и после­до­ва­тельно ме­няются с подъемом тем­пе­ратуры, причем в наиболее широком температурном ин­тер­вале. Это сле­дующие критерии:

 

R₄ = I(2,88) / I(3,47); (1.68)

 

R₅ = [I(3,01) / I(3,47)] + 2 × I(4,28) / I(3,47); (1.69)

 

R₆ = [I(6,0) / I(3,47)] + 2 × I(7,56) / I(2,88), (1.70)

 

(в скобках указаны межплоскостные расстояния соответствующих диф­рак­ционных максимумов, А)

Рис. 1.92. Зависимость рентгеновских критериев R4 - R6 от темпе­ра­ту­ры нагрева гипсокартонной плиты

Первое слагае­мое в критериях R₅, R₆ описывает изме­нение гипса в зоне температур от 150-200 ⁰С и выше, вто­рое - в низкотемпе­ра­турной зоне сущест­во­ва­ния дигидрата.

Изменение ве­ли­чин критериев R₄ - R₆ в зависимости от темпе­рату­ры нагрева материала показано на рис. 1.92.

Критерий R₄ ме­няется в более ши­ро­ком интервале тем­ператур, захватывая и стадию перехода g-ангидрита в b-ангид­рит; к тому же он более просто рассчи­тывается. Однако при использовании этого критерия надо иметь в виду, что при температурах 700 ⁰С и более максимум 2,88 А постепенно умень­шается, а вместо него появляется максимум 2,85 А. Перепутав их, можно в высокотемпературных зонах получить ошибочные данные. У критериев R₅, R₆ таких особенностей нет и пользоваться ими проще.

Расчет указанных рентгеновских критериев гипсосодержащих проб, отобранных с конструкций в различных зонах пожара, дает возможность установить распределение зон термических поражений конструкций на месте пожара. К сожалению, зависимость величины любого из критериев от температуры имеет не монотонный, а скорее ступенчатый характер (рис. 1.92). Такого рода особенности кривых R = f(T) вполне объяснимы - каждая из “ступеней” соответствует определенной гидратной форме гипса.

Сделать зависимость R = f(T) более монотонной можно, отбирая пробы гипса в виде керна на фиксированную глубину, как это реко­мендовалось выше. Такой метод отбора проб делает результаты опреде­ления зон термических поражений гораздо более информативными, ибо проба становится “чувствительной” не только к температурному фак­тору, но и фактору времени. Возможна в этом случае и дифференциация зон, соответствующих одной и той же гидратной форме, а также работа в температурных зонах выше 700 ⁰С.

 

⇐ Предыдущая28293031323334353637Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: