Файл: Волков, М. И. Методы испытания строительных материалов учеб. пособие.pdf

собность некоторых веществ люминесцировать1 при воздействии ультрафиолетового излучения. Иногда для выделения нелюминесцирующгіх веществ в них вводят флуоресцирующие индикаторы. Длина окрашенной ими светящейся зоны колонки может слу­ жить количественной характеристикой исследуемого вещества.

§ 42. РЕНТГЕНОСТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ

Рентгеноструктурный анализ основан на явлении дифракции2 рентгеновских лучей кристаллической решеткой вещества.

на в поле атома. При этом с внешних оболочек атома выбиваются электро­ ны, а на их место переходят электроны с более высоких энергетических уров­ ней.

Рентгеновский спектр может быть сплошным или линейным. Сплошной спектр, или «белое излучение», зависят в основном от энергии летящего электрона и практически одинаков для всех элементов. Линейный спектр, на­ зываемый также «характеристическим» (так как о.н характерен для каждого конкретного элемента или соединения), образуется при высокой энергии бом­ бардирующих электронов, способных удалить электроны с внутренних орбит атома. Переход на освободившееся место электронов с более высоких уров­ ней сопровождается испусканием фотонов рентгеновского излучения.

Так как длина волны рентгеновского излучения близка к межатомным расстояниям в кристаллах, они служат для рентгеновых лучей трехмерными дифракционными решетками. Дифракционная картина, возникающая при пропускании через кристалл рентгеновых лучей, фиксируется различными способами и служит для определения типа дифракционной решетки, т. е. структуры кристалла.

В зависимости от характера и поставленной задачи приме­ няют следующие методы структурного анализа: метод Лауз; метод вращения кристалла; метод порошков. Во всех этих ме­ тодах по-разному выполняется условие Вульфа-Брегга, соглас­ но которому отраженные от каждой системы параллельных плоскостей кристалла лучи взаимно усиливаются в определен­ ном направлении. Первые два метода служат для изучения монокристаллов.

В методе Лауэ неподвижный монокристалл освещают «бе­ лым» рентгеновским излучением с непрерывным спектром. Отражаясь от определенных плоскостей кристалла, рентгеновы лучи попадают на плоскую фотопластинку, образуя на ней в виде засвеченных точек картину строения системы и отражая внутреннюю симметрию кристалла.

В методе вращения кристалл поворачивают вокруг оси, пер­ пендикулярной лучу с постоянной длиной волны (монохрома­ тический свет), до положения, соответствующего условию Вуль­

1 Метод хроматографического анализа, использующий свойства веществ люминесцировать, называется ультрахроматографическим анализом.

2 Дифракция представляет собой огибание волнами (световыми, звуковы­ ми) встречающихся им препятствий, соизмеримых с длиной волны.

\

282

фа-Брегга, при котором образуются интерференционные1 макси­ мумы, обычно фиксирующиеся на фотопленке, изогнутой в форме цилиндра, ось которого является осью вращения крис­ талла.

Метод порошков применяют для исследования поликристаллических веществ, в частности различных строительных мате­ риалов. По фамилии авторов его называют методом Дебая —

порошок; среди хаотически расположенных кристалликов всег­ да имеются удовлетворяющие условию Вульфа — Брегга, и от­ раженные от них лучи являются образующими одного и того же конуса. В этом методе также используют фотопленку в фор­ ме цилиндра. В результате пересечений конусов иа фотопленке фиксируются линии, имеющие форму дуг. Подобное изображе­ ние называется рентгенограммой или дебаеграммой,

Все кристаллические вещества (т. е. такие, в которых внут­ реннее строение частиц— ионов, атомов или молекул — законо­ мерно и периодически повторяется в трех измерениях) вслед­ ствие особенностей их строения характеризуются специфически­ ми, только им присущими рентгенограммами, благодаря чему по­ рошковый метод применяется для распознавания различных фаз, имеющихся в исследуемом материале. Эти фазы обнару­ живаются путем сравнения дебаеграммы, полученной в резуль­ тате эксперимента, с табличными данными, определенными для многих веществ и помещенными в справочники. Если хотя бы приближенно известен состав исследуемого материала, это об­ легчает поиск и выбор условий съемки.

Для рентгеноструктурного порошкового анализа применяют специальные аппараты, состоящие из рентгеновской трубки, опе­ ративного стола и пульта управления. Рентгеновская трубка — это стеклянный высоковольтный электровакуумный прибор со спиральным катодом и пластинчатым анодом (рис. 126). Опера­ тивный стол представляет собой шкаф, содержащий высоко­ вольтный трансформатор, трансформатор накала и выпрямитель. Пульт управления объединяет приборы для регулирования и контроля тока и напряжения. Рентгеновы лучи регистрируют фотографическим или ионизационным способом.

Исследуемые материалы тщательно измельчают в агатовой ступке до размеров менее 60—1ОЮмк (до полного просеивания сквозь сито с 10 000 отв/см2), иначе дифракционная линия будет

1 Интерференция — взаимное усиление или ослабление звуковых, свето­ вых, радио- и других волн при наложении их друг на друга.

283

284

состоять из ряда мелких пятен, что затруднит промер рентгено­ граммы. Образцу придают форму цилиндра диаметром 0,3— 0,5 мм и высотой 7—10 мм. Для этого исследуемым порошком набивают тонкостенный капилляр из стекла или целлулоида. По­ лученный таким способом образец закрепляют на столике в ка­ мере с помощью воска или пластилина в центре камеры. Затем камеру заряжают фотопленкой и подвергают образец воздейст­ вию рентгеновых лучей. Продолжительность воздействия зависит от конструкции и качества рентгеновской трубки, режима ее ра­ боты, природы образца и т. д. Ориентировочно время экспозиции составляет 10—15 мин. По окончании экспозиции фотопленку об­ рабатывают обычным способом (проявление, закрепление, про­ мывка и высушивание) и полученную рентгенограмму (дсбаеграмму) используют для идентификации исследуемого вещества. Схема получения дебаѳграммы приведена на рис. 127.

анализа. На рис. 128 показана схема ионизационной установки.

счетную систему передаются на самопишущий' потенциометр. На рис. 129 показаны рентгеновские спектры некоторых материалов.

§ 43. ТЕРМОГРАФИЯ

Термография — это метод исследования, основанный на том, что большинство физических и химических процессов1 сопровож­ дается выделением или поглощением тепла. Сущность термогра­ фии состоит в изучении превращений, происходящих в веществах при этих процессах, по сопровождающим их тепловым эффектам.

При термографическом исследовании образец материала подвергают по­ стоянному нагреванию или охлаждению с непрерывной регистрацией темпе­ ратуры. Если в веществе образца происходят какие-либо превращения, из­ меняется скорость его нагревания или охлаждения за счет поглощения или выделения тепла. Температуру образца обычно фиксируют с помощью спе­ циальной аппаратуры в виде кривой зависимости от времени, которую на­ зывают термопраммой. Плавный ход этой кривой, наклонной по отношению к оси абсцисс (оси времени), нарушается при фазовых или других превраще­ ниях в образце — на кривой появляются изломы, изгибы. Такие участки на­ зываются термическими эффектами. Экстремальную точку термического эф­ фекта называют пиком.

1 Физические процессы или фазовые превращения —• это превращения, связанные с изменением структуры или агрегатного состояния вещества без изменения его химического состава; химические реакции — превращения, про­ текающие в веществе с изменением его химического состава. К фазовым пре­ вращениям отиосят плавление, кипение, возгонку, испарение, кристаллиза­ цию; к химическим реакциям — разложение вещества (диссоциация, дегидра­ тация), соединение веществ (окисление, некоторые твердофазные реакции), процессы обмена и замещения и т. д.

285

Рис. 130. Кривые нагревания битумов

1 _ В-5; 2 — БН-П; 3 - БН-Ш

Время В мин

Подобный метод регистрации тепловых эффектов (простая запись) от­ личается малой чувствительностью, так как часто эффектам на кривых со­ ответствуют слабые отклонения термической кривой от основного направле­ ния. Поэтому дополнительно регистрируют так называемую дифференциаль­ ную кривую, показывающую изменение разности температур в исследуемом образце и в помещенном в тех же условиях эталонном веществе, не испы­ тывающем в исследуемом интервале температур 'термических превращений. В целом метод анализа, объединяющий простую и дифференциальную запись, носит название дифференциально-термического анализа (ДТА). Потребность при ДТА в простой записи обусловлена необходимостью определения темпе­

Термические эффекты на термограммах веществ «ли соедине­ ний характеризуют их химическую природу. Путем сравнения с эталонными термограммами можно определить неизвестное сое­ динение или состав смеси. Таким образом, термический анализ может применяться для определения принадлежности отдельных химических соединений, качественного, а иногда и количествен­ ного фазового анализа механических смесей, физико-химическо­ го анализа, определения теплофизических свойств веществ.

Термографическая установка состоит из нагревательного прибора, куда помещают исследуемый образец, термопар, изме­ рительной аппаратуры (гальванометров, потенциометров), аппа­ ратуры для автоматической записи электрических сигналов (фо­ торегистрирующей камеры). Обычно установки, применяемые для термоанализа, называются пирометрами. Впервые универ­ сальный пирометр создан в 1903 г. академиком Н. С. Курнико­ вым (рис. 131).

Для нагрева образца используют специальные электрические печи, обеспечивающие равномерный подъем температуры. В ме­ таллическом корпусе печи с изоляцией помещены блоки из жа­ роупорного материала, служащие для выравнивания температу­ ры. В углубления блоков устанавливают тигли с образцом или непосредственно образцы. Скорость нагрева (проволочными на-

286