книги / Методы физико-химического анализа вяжущих веществ

стоит из четырех основных частей: осветительного устройства, центральной части микроскопа*/ фотокамеры и стола. В центральной части смонтирована вся основная оптическая аппаратура. При ви­ зуальном наблюдении можно достичь увеличения от 100 до 1350х, при фотографировании — от 45 до 2000х. Максимальный размер негативов, которые можно изготовить с применением камеры, ра­ вен 13Х18 см.

С помощью микроскопа МИМ-8М можно проводить исследова­

их расположение варьируют в зависимости от типа, модели. Любой из упомяну­ тых микроскопов может быть использован для исследования как в ортоскопическом, так и коноскопическом свете. При ортоскопическом наблюдении видимое изображение является истинным изображением полированной поверхности шли­ фа. При коноскопии наблюдается изображение верхней фокальной плоскости объектива.

М и к р о с к о п Л е й т ц - м е т а л л ю к с — многопозиционный микроскоп для исследований в отраженном свете ровных полированных аншлифов: можно производить исследования в светлом поле, темном поле, при фазовом и интер­ ференционном контракте, осуществлять микрофотографирование и интерферен­ ционные измерения. Снабжен микротвердомером. Возможно переоборудование микроскопа для наблюдений в проходящем свете.

Л е й т ц - м е т а л л о п л ан аналогичен микроскопу Лейтщ-металлюкс, но дополнительно оборудован рефлексионной фотометрией, электронным анализато­

поле, в темном поле, при фазовом и интерференционном контрасте и в поляри­ зованном свете. Имеет микротвердомер. Снабжен системой автоматического

§ 3. УНИВЕРСАЛЬНЫЕ МИКРОСКОПЫ

В последние годы создано большое число микроскопов, пред­ назначенных для проведения исследований как в проходящем, так и отраженном свете, а также позволяющих проводить различные специальные исследования.

М и к р о с к о п V e n t i v a l — прямой микроскоп отраженного света. В нем может быть осуществлено светлопольное и темнопольное освещение объ­ екта, исследование в поляризованном свете и испытания на микротвердость (по Виккерсу и Кноопу). Этот микроскоп может применяться для исследования ме­ таллических и обыкновенных шлифов, рыхлых, зернистых препаратов и поверх­ ностных структур. Приспособления к микроскопу: устройство для определения микротвердости позволяет применять усилия до 160 г; оно оснащено алмазными инденторами в виде пирамиды с квадратным основанием или пирамиды с длинным ромбическим основанием. Последнее особенно подходит для определе­ ния твердости тонких слоев, хрупких предметов, склонных к образованию тре­

щин, а также для исследования зависимости микротвердости от Направления нагрузки; м а р к и р - а п п а р а т — для нанесения маркировочных окружностей диаметром от 0,05 до 4 мм; поляризационное устройство — для обнаружения фаз; устройство для измерения и подсчета деталей структуры; предметный сто­ лик; микрофотонасадку для пленки 24X36 мм и пластинок 6,5x9 мм; экспози­ ционный автомат для автоматического регулирования выдержки при фотогра­

при фазовом и аноптральном контрасте, в поляризованном свете, имеет устрой­ ства для микрофотографирования и микропроекции, для флуоресцентной микро­ скопии. Снабжен фотоцвтоматикой.

D i a p a n - P o l и L e n t o p a n - P o l и U n i v a r (Австрия) — универсаль-. ные фотомикроскопы, предназначенные для всех известных методов исследова­ ния в отраженном и проходящем свете: в светлом поле, темном поле, поля­ ризованном свете, при фазовом контрасте, флуоресценции, можно производить микрофотографирование, микрокиносъемку, микротелевидение, микропроекцию, спектральную микрофотометрию, испытание на микротвердость, высокотемпера­ турную микроскопию, измерение крупности зерна, интерферометрию. При ис­ следовании применяют низковольтные лампы мощностью 30 Вт, низковольтные галогенные лампы 100 Вт, ксеноновые излучатели высокого давления, ртутные

ния в проходящем и (или) отраженном свете. В проходящем свете определения ведут в светлом и темном поле, при фазовом и интерференционном контрасте, при флуоресценции; осуществляют микрофотографирование. В отраженном свете с помощью иллюминатора изучают поверхности непрозрачных объектов. Име­ ется опакиллюминатор для просмотра ровных и полированных аншлифов (ме­ талла, руд, керамики и др.).

Л е й т ц - о р т о п л а н — универсальный микроскоп с большим полем зре­ ния, отличается от Лейтц-ортолюкса возможностью дополнительного определе­ ния в проходящем свете микроскопной фотометрии, электронного анализа изо­

ния жидкостей, осадков и т. д. в обычных лабораторных сосудах. Измерение можно проводить в светлом и темном поле, при фазовом контрасте и флуорес­ ценции, предусмотрена микрофотография. Возможна перестройка в микроскоп отраженного света.

§ 4. ПРИГОТОВЛЕНИЕ ПРЕПАРАТОВ

При проведении микроскопических исследований в проходящем свете применяют или иммерсионные препараты, или тонкие проз­ рачные шлифы материала, а при исследо_ваниях в отраженном све-- те — полированные шлифы.

Микроскопическому исследованию подвергается крайне малое

тельным соблюдением всех правил отбора средней пробы.

При исследовании полидисперсного и полиминерального порош­

ка зерна определенных фаз могут быть выделены при помощи спе­ циального приспособления. В пробирку с пробкой, имеющей два отверстия, вставляют стеклянную трубку Г-образной формы и стек­ лянную трубку с резиновым наконечником. Когда нужное зерно найдено (при посредстве, например, лупы), тонкий кончик изогну­ той трубки подносится вплотную к зерну и осторожным всасывани­ ем втягивается в склянку.

При исследовании только зернистых минералов предварительно делят частицы пЬ плотности осаждением из водных или неводных суспензий. Твердые материалы перед исследованием растирают в порошок, величина зерен при этом не должна превышать 75 мкм. Пробы измельчают в агатовой, муллитовой или глиноземистой ступке. При изучении незнакомого материала следует избегать вра­ щательных движений пестика при измельчении, так как это при­ водит к округлению зерен и уменьшению видимости отдельных осо­ бенностей строения кристаллов.

Иммерсионные препараты. Среднюю пробу материала массой до 100 г дробят в чугунной ступке до зерен размером 2—3 мм, после чего отбирают навеску около 0,5 г, которую тонко истирают в ага­ товой ступке (до частиц размером менее 75 мкм).

В центр чистого предметного стекла помещают 10—20 мг по­ рошка (на кончике ножа) и прикрывают его покровным стеклом площадью 0,3—1,0 см2. Чтобы на покровном стекле не оставались отпечатки пальцев, его необходимо держать за уголки. Под покров­ ное стекло вводят каплю иммерсионной жидкости, которая быстро растекается и равномерно смачивает порошок. Если наблюдается избыток жидкости вокруг покровного стекла, то его оттягивают фильтровальной бумагой. Для равномерного распределения порош­ ка в жидкости покровное стекло осторожно перемещают на 1—2 мм в разных направлениях.

При изучении процесса гидратации вяжущих веществ препара­ ты готовят аналогичным образом, только вместо иммерсионной жидкости используют дистиллированную воду. Для предохранения препарата от высыхания края покровного стекла покрывают рас­ плавленной менделеевской замазкой, добиваясь плотного ее приле­ гания к предметному стеклу. В качестве замазки можно применять обычный пластилин, а также клей типа БФ, который наносят в 5— 6 слоев. На предметное стекло наклеивают бумажную этикетку с номером препарата и датой изготовления препарата.

Прозрачные шлифы. Прозрачный шлиф представляет собой тонкий слой материала (0,015—0,03 мм), вклеенный при помощи пихтового бальзама между предметным и покровным стеклами. Обдирку и шлифовку проб твердых тел производят на шлифоваль­ ном станке..

Следует иметь в виду, что даже при квалифицированном изго­ товлении шлифов возможны такие дефекты: неодинаковая толщина слоя материала (большая в центре и меньшая по краям), неровная

Очень пористые малопрочные материалы при шлифовке под­ вергаются частичному разрушению: из слоя шлифа выкрашиваются твердые зерна и кристаллы, деформируются слабые участки и т. п. Чтобы предотвратить это, такие образцы проваривают (один или несколько^раз) в канифоли, канадском бальзаме или сере. Для это­ го в фарфоровый тигель помещают канифоль или бальзам, добав­ ляют небольшое количество ацетона и смесь подогревают на пес­ чаной бане до получения однородного расплава. В расплав погру­ жают образец и проваривают 60 мин при fe*100°G! Образец пропи­ тывается расплавом и заметно упрочняется.

При изготовлении шлифов из материалов, изменяющих свой со­ став и структуру при нагревании, проварку заменяют «холодной цементацией» (пропитывают образцы раствором канифоли в орто­ ксилоле при температуре ниже 50°С в течение 1—2 ч). При при­ клеивании такого образца к предметному стеклу и покрывании другой стороны шлифа покровным стеклом ни пластинка, ни шлиф не нагреваются, разогревается лишь бальзам (до 50—60°С), шли­ фование образца проводят с перерывами, чтобы опять-таки избе­ жать перегрева.

Полированные шлифы. Полированный шлиф представляет со­ бой кусочек материала (d ~ 2 —30 мм), одна плоскость которого тщательно отполирована.

Приготовленный шлиф промывают в нейтральной жидкости и подсушивают на воздухе. Он не должен содержать включений Сг20 3, следов керосина, царапин, его поверхность должна быть со­ вершенно плоской без наклона к краям.

Прозрачно-полированные шлифы. Выбранную плоскость кусоч­ ка материала обрабатывают по схеме приготовления полированно­ го шлифа. Полученный шлиф приклеивают полированной поверх­ ностью к предметному стеклу с помощью бальзама. Обратную сто­ рону сошлифовывают по схеме приготовления прозрачного шлифа до толщины около 0,04 мм, т. е. несколько большей, чем обычно. Затем приклеивают по отшлифованной поверхности новое предмет­ ное стекло. Первое предметное стекло, закрывавшее полированную поверхность шлифа, снимают, растворяют бальзам в растворителе и протирают поверхность шлифа сукном.

Применение прозрачно полированных шлифов позволяет один и тот же участок объекта просматривать и в проходящем, и в отра­ женном свете.

Микросрезы материала. Из относительно мягких материалов прозрачные пластинки для исследования под микроскопом в про­ ходящем свете можно приготовить в виде срезов толщиной от 1 мкм

Мелкозернистые препараты (метод «чешуек»). Сухой мелкозер­ нистый материал (глины, трепела и т. п.) шлифуется на стеклян­ ных пластинках, смоченных амилацетатом. Затем зерна материала на стекле покрывают пироксилином, и препарат высушивается. Об­

разовавшаяся пленка удаляется с пластины и закрепляется в под­ ходящей цементирующей среде, например канадском бальзаме. Этот метод позволяет наблюдать неагрегированные кристаллики глин.

§ 5. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРЕПАРАТОВ

Определение линейных размеров. Размеры кристаллов, зерен, пор, трещин и т. п. определяют с помощью окуляр-микрометра. По­ следний представляет собой стеклянную пластинку, на которой на­

10 или 100 делений окуляр-микрометра. Так как цена делений объ­ ект-микрометра известна (0,01 мм), то можно вычислить цену де­ ления окуляр-микрометра.

Пример. При объективе 20х на 84 деления объект-микрометра приходится 100 делений окуляр-микрометра. Тогда на одно деление шкалы окуляр-микро­ метра приходится (100 : 84=л:; х=0,84) 0,84 деления шкалы объект-микрометра, что составляют 0,84 -0,01 = 0,0084 мм.

По такому же принципу градуируют окулярную шкалу и в ме­ таллографическом микроскопе, только в этом случае используется непрозрачный объект-микрометр.

Для определения размера зерна или кристалла измеряемое зер­ но располагают так, чтобы первое деление шкалы окуляр-микро­ метра совпадало с одним из краев зерна. Затем подсчитывают чис­ ло делений, укладывающихся в среднем его поперечнике, и умно­ жают полученную величину на цену деления окуляр-микрометра. Если зерно имеет округлую форму, то замеряют только его диа­ метр, у зерен вытянутой формы — длину и ширину, а у зерен не­ правильной формы — средний размер поперечника. Точность полу­ чаемых данных зависит от количества проведенных измерений — чем их больше, тем точность выше.

Подсчет количества минералов ведут двумя методами: линей­ ным и по площади.

Линейный метод основан на использовании шкалы окуляр-мик­ рометра: подсчитывают количество делений, приходящихся на до­

лю кристаллов того или иного минерала в шлифе. Для повышения точности подсчета на шлиф при помощи тонкого пера наносят в разных направлениях ряд линий (до 20), по которым и проводят измерение. Полученные данные суммируют для каждого минерала в отдельности и, пересчитав на 100%, вычисляют процентное со­ держание каждого минерала.

Чтобы обеспечить точность вычислений до 1%, необходимо про­ вести подсчеты такого количества отрезков, чтобы суммарная дли­ на их в 100 раз превышала средний диаметр кристаллов подсчиты­ ваемых минералов. Если образец материала отличается большей неравномерностью структуры, то количество подсчетов увеличива­ ют. Для более точного подсчета минералов широко пользуются различными способами механической записи числа делений, при­ надлежащих тому или иному минералу.

Метод подсчета содержания минералов по площади предусмат­ ривает применение сетчатого окуляр-микрометра. Передвижением шлифа на столике микроскопа устанавливают"его так, чтобы сетка окуляра перекрывала его верхний левый угол. Считают число пол­ ных клеток, приходящихся на доли кристаллов данного минерала, а также доли неполностью занятых клеток (на глаз). Затем шлиф перемещают в горизонтальном направлении, занимают сеткой со­ седний (с первым) его участок и снова подсчитывают количество* квадратов, приходящихся на долю каждого минерала, и т. д., до тех пор, пока вся площадь шлифа не будет просчитана. Практиче­ ски подсчет проводят в 30—40 квадратах.

Подобным же образом вычисляется содержание и всех осталь­ ных минералов. Вычислив процентное содержание каждого мине­ рала на всех участках шлифа, находят среднее значение искомой величины.

Точность подсчета минералов сетчатым методом ниже, чем ли­ нейным, но этот метод jpe6yeT меньшей затраты времени.

Фотографирование микроструктуры препаратов ведут с по­ мощью съемных микрофотонасадок с применением в качестве фо­ томатериала и пластинки, и пленки. Фотонасадка крепится при по­ мощи специального хомута на окулярной трубе микроскопа, она -имеет специальное диоптрийное устройство, позволяющее получать на фотопластинке (пленке) столь же резкое изображение, как и при визуальном наблюдении. Экспозиция при фотографировании подбирается опытным путем в зависимости от чувствительности фотопластинки, освещенности препарата, вида светофильтра и т. п.

При использовании фотонасадки с размером изображения 9Х ;Х 12 масштаб получаемого фотоснимка равен общему увеличению системы применяемых объективов и окуляров (объектив 40х, оку­ ляр 10х, общее увеличение 40х • 10х = 400). При камере размером 6,5x9 масштаб фотоснимка будет в 2 раза меньше, т. е. 200.

В общем случае увеличение на микрофотографии определяется делением размера кристалла по фотоснимку (определенного ли­ нейкой) на истинный размер того же кристалла, предварительно измеренный под микроскопом с помощью окуляр-микрометра.

Качество изображения может быть улучшено за счет спектраль­ ного изменения светового потока в микроскопе, достигаемого при­ менением светофильтров. Контрастные фильтры позволяют повы­ шать контрастность окрашенных объектов: кристаллы, имеющие одинаковую с фильтром окраску, будут иметь светлый, оттенок, а кристаллы, окрашенные в цвет, дополнительный к цвету фильтра, — в темный тон. При использовании контрастных светофильтров це­ лесообразно применение панхроматических фотоматериалов. Для уменьшения силы светового потока (яркости изображения) в соот­ ветствии с чувствительностью фотоматериала применяют различ­ ные. компенсационные фильтры: светоослабляющие, фильтры днев­ ного света, теплозащитные и специальные желто-зеленые фильтры. Все эти фильтры обладают небольшим собственным поглощением света, поэтому при цветной микрофотографии их следует применять с учетом этого обстоятельства. Для выделения из видимой части спектра нужного излучения применяют избирательные фильтры — синий, зеленый, желтый, оранжевый и красный. Эти фильтры ис­ пользуют в специальной флюоресцентной микроскопии. Зеленые фильтры, устраняющие остаточную аберрацию ахроматических объективов, называются корригирующими, фильтрами и применя­ ются для повышения контрастности изображения. Синие фильтры повышают разрешающую способность микроскопов.

Исследование материалов в проходящем свете проводят на прозрачных шлифах и на порошках с иммерсионными жидкостя­ ми. Определяют форму кристаллических разрезов, окраску крис­ таллов, плеохроизм, спайность, двойное лучепреломление, погаса­ ние, оптическое напряжение в кристаллах и т. д.

Р е л ь е ф к р и с т а л л о в. При просмотре шлифа под микро­ скопом часто можно наблюдать, что одни, кристаллы в нем кажут­ ся выпуклыми, а другие — плоскими, а весь шлиф в целом имеет неровную поверхность. Наблюдаемая неровность поверхности явля­ ется кажущейся, и она обусловлена разницей в показателях свето­ преломления кристаллов различных минералов. Кристаллы с боль­ шим показателем преломления обладают резким положительным рельефом (выпуклостью). Если кристаллы в шлифе имеют близкие показатели светопреломления, как, например, кристаллы алита и белита в клинкере, геленита и моноалюмината кальция в глинозе­ мистом шлаке и т. п., то относительный рельеф этих минералов вы­

онным методом. Исследуемый порошок помещают в иммерсионные жидкости с различными показателями преломления и при больших увеличениях наблюдают линию Бекке, которая возникает на грани­ це раздела двух прозрачных сред в виде светлой полоски. Медлен*

но поднимая тубус микроскопа, можно видеть перемещение этой светлой полосы в сторону вещества с большим показателем свето­ преломления.

Иммерсионные жидкости выпускаются химической промышленностью в виде стандартного набора из 98 жидкостей с показателями преломления 1,408— 1,780. Различие в показателях светопреломления жидкостей соседних номеров не пре­ вышает 0,004, поэтому при помощи, указанного набора можно определять пока­ затели преломления твердых тел с точностью до 0,002Показатели преломления иммерсионных жидкостей со временем изменяются, поэтому ежегодно их про­ веряют на рефрактометре. Иммерсионные жидкости с показателями преломления 1,74—2,06 также выпускаются промышленностью, но в меньшем количестве. Они

очень осторожной с ними работы. Для определения показателей светопреломле­

П о к а з а т е л и , о п р е д е л я е м ы е в с х о д я щ е м с я с ве т е . При работе в сходящемся свете конический пучок лучей, проходя через кристалл, создает интерференционные картины, которые мож­ но отличать одну от другой. Пользуясь этим, сходящийся свет ис­ пользуют для определения осности кристалла (одноосный или двухосный), его оптического'знака (положительный или отрица­ тельный), величины угла оптических осей и некоторых других по­ казателей.

И с с л е д о в а н и я м а т е р и а л о в в о т р а ж е н н о м с в е т е проводят на полированных или прозрачно-полированных шлифах. Если полированные шлифы хорошо приготовлены и протравлены, то в отраженном свете можно распознавать минералы по окраске после травления.

При исследованиях в отраженном свете можно полнее и с боль­ шей объективностью, чем в проходящем свете, изучить кристалли­ ческую структуру материалов. Это обусловлено тем, что в полиро­ ванных шлифах просматриваются разрезы кристаллов, располага­ ющиеся лишь в одной плоскости, тогда как в проходящем свете изучается слой материала толщиной до 300 мкм, в котором крис­ таллы часто накладываются друг на друга, в связи с чем возни­ кают ошибки в определении границ зерен. В отраженном свете весьма отчетливо просматриваются плоскости двойникования, становятся контрастными края кристаллов и дефекты их поверх­ ности и выявляется макроструктура зерен по фигурам травления. При применении косого освещения и проведения исследования в темном поле можно получить и некоторые дополнительные данные о строении отдельных кристаллов и зерен. В отраженном свете бо­ лее точны и количественные определения содержания отдельных фаз.

В полированных шлифах можно объективнее характеризовать пористость материала, поскольку при их изготовлении не наблю­

дается выкрашивания зерен, образования трещин и т. п., что про­ исходит при изготовлении прозрачных шлифов. В полированных шлифах отчетливо наблюдаются поры размером около 0,005— 0,008 мм и выше.

Основными кристаллооптическими свойствами, определяемыми в отраженном свете, являются величины показателей отражения и двупреломления, которые используются при геолого-минералогиче­ ском описании пород.

Полированные шлифы можно травить одним сильно действую­ щим травителем для выявления одной или двух интересующих фаз, но применяется и последовательное травление несколькими травителями. Так, можно вначале протравить шлиф дистиллированной водой для выявления свободных СаО и MgO, затем воздействовать на него 10%-ным раствором NH4C1 для выявления алита и бели-

ские реплики с твердых тел позволяют изучать состояние поверх­ ности изделий. В качестве материала, пригодного для снятия реп­ лик, применяют коллодий. Коллодиевые реплики получают простой заливкой изделия раствором этого вещества. Реплики легко сни­ маются с поверхности, не деформируясь. В случае пористых мате­ риалов последние можно растворять в подходящих кислотах. Раз­ решение под микроскопом повышается с помощью «оттенения» реплики перед исследованием при помощи испарения металла в ва­ кууме и нанесении его атомов под углом на поверхность реплики,

§ 6. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОДЕРЖАНИЯ СВОБОДНЫХ ОКСИДА И ГИДРОКСИДА КАЛЬЦИЯ

Свободные СаО в клинкере и Са(ОН)2 в затвердевшем цементе можно определить по методу Уайта, основанному на взаимодейст­ вии кальция с фенолом, приводящим к образованию отчетливо наблюдаемых под микроскопом фенолятов кальция. Жидкость Уайта представляет собой раствор фенола в нитробензоле (1 1); в ее состав целесообразно вводить также 2—3 капли дистиллирован­ ной воды.

Тонкоизмельченный материал помещают в очень небольшом ко­ личестве на предметное стекло, смешивают с каплей фенолнитробензольной жидкости и смесь покрывают покровным стеклом. При наличии в исследуемом материале свободных СаО или Са(ОН)2 в препарате уже через несколько минут после его приготовления на­ чинают расти игольчатые кристаллы фенолята кальция. При этом если в материале присутствует свободный гидроксид кальция, то феноляты кальция имеют вид отдельных крупных кристаллов; в случае же наличия СаО феноляты кальция образуют перистые или сферолитовые скопления. Количество свободной извести подсчи­ тывается-по числу гнезд или отдельных кристаллов фенолятов

кальция, образующихся на определенной площади препарата. По­ лученные результаты сравниваются с данными изучения эталонных образцов, содержащих известное количество СаО или Са(ОН)2. Этот метод дает достаточную точность при содержании извести около 1%. При анализе материалов, содержащих большое количе­ ство свободной извести, для повышения точности подсчета гнезд фенолятов кальция к исследуемому веществу необходимо для раз­ бавления добавлять инертные материалы (например, кварц). Мик­ рохимическая реакция Уайта очень чувствительна, она позволяет определить до 0,1% свободного оксида кальция.

При определении Са(ОН)г в цементном камне необходимо после измельчения обезводить образец путем выдерживания в течение нескольких часов в абсолютированном спирте и промывания сер­ ным эфиром (так же, как при приготовлении образцов для диффе-^ ренциально-термического анализа).

Препараты просматривают при больших увеличениях (объек­ тивы 40х или 60х) с включенным анализатором. При наличии в клинкере значительного количества СаО феноляты появляются че­ рез 5—10 мин, а при небольшом ее содержании— лишь через 30— 60 мин. Препараты из цементного камня следует просматривать через 20—30 мин после приготовления. Если выключить анализа­ тор, то кристаллы фенолятов кальция практически сливаются с жидкостью — это их отличительный признак.

§ 7. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МИКРОТВЕРДОСТИ

Микротвердость — это показатель, количественно характеризу­ ющий степень сопротивления материала вдавливанию в него твер­

ионами, координационных чисел, вида и количества дефектов в решетке и т. д.

Для определения микротвердости кристаллов или зерен наи­