Рентгеноструктурный анализ

Это метод исследования материалов с помощью рентгеновских лучей. При исследовании строительных материалов обычно используется качественный рентгенофазовый анализ, задача которого заключается в идентификации природы кристаллических фаз, содержащихся в исследуемом материале. Способность рентгеновских лучей проникать через тела непрозрачные для обычного света, позволяет изучать внутреннее строение и, в частности, строение кристаллов.

При прохождении через кристалл они частично пропускаются, частично поглощаются, последнее ведет к снижению интенсивности первичного пучка. Одним из первых открытий в кристаллографии было установление факта, что углы между гранями кристалла одного и того же вещества неизменны, и. следовательно, для характеристики кристаллического материала достаточно измерить эти углы. При падении пучка рентгеновских лучей на кристалл происходит их дифракция, они интерферируют, в результате чего в одних направлениях происходит их усиление, в других — ослабление. При исследовании вещества в виде зернистой массы, состоящей из множества беспорядочно ориентированных кристаллов, дифракционная картина представляет собой набор линий с пиками, называемый порошковой рентгенограммой. Фиксируя положение линии на порошковой рентгенограмме, определяют угол между гранями кристалла, после чего всю рентгенограмму можно проидентифицировать. На практике измеряют расстояния между пиниями порошковой рентгенограммы, так называемые межплоскостные расстояния d кристаллической решетки, являющиеся одной из основных характеристик кристаллического вещества. Интенсивность определяется высотой пика.

Рентгеновский дифрактометр, используемый для структурного анализа, состоит из гониометра (источника излучения), в который помещают образец детектора излучения и электронного измерительно-регистрирующего устройства. Рентгенограмму получают за счет перемещения счетчика,, регистрирующего попавшую в него энергию излучения за определенный промежуток времени. Кристаллы обладают строгой периодичностью строения и представляют собой созданную самой природой дифракционную решетку. Чем ниже степень упорядоченности атомного строения, тем более диффузный, размытый характер имеет рассеянное им рентгеновское излучение. По рентгенограмме определяют сначала угол отражения Q по горизонтальной прямой, на которой нанесены развернутые углы в град. в линейном масштабе, а затем межплоскостные расстояния d и интенсивность линий 1. Интенсивность линий оценивается количественно — в баллах, процентах — или качественно: очень слабая — о.сл., слабая — сл., средняя — ср., сильная — с., и очень сильная — о. с.

Сравнивая межплоскостные расстояния и интенсивность линий с табличными данными, производят идентификацию материалов и устанавливают фазовый состав. На рис. 5.4 представлена рентгенограмма золошлакового образца с известью, снятого на дифрактометре "ДРОН-1". Идентификация фаз начинается с нахождения Q, d, 1. Для анализа выбирают наиболее интенсивную линию на рентгенограмме. По справочным данным выбирают соединения, имеющие интенсивную линию с аналогичным значением d. Затем выбирают еще 2—3 интенсивные линии и в случае их совпадения с эталонной рентгенограммой сопоставляют все остальные линии. Анализ существенно облегчается, если известен химический состав материалов. В данном примере известно, что материал состоит из кварцевого песка, извести, золы и др. составляющих. Твердение такого состава происходит, главным образом, за счет кристаллизации Са(ОН)₂ и последующей карбонизации с образованием СаСО₃. Поэтому выбирается эталонная рентгенограмма кальцита (Са СО₃) с наиболее интенсивной линией. Сопоставление всех остальных пиний Са СО₃ эталонной рентгенограммы с рентгенограммой золоизвесткового образца с учетом интенсивности показывает их полное совпадение. Таким образом, одной из главной фаз является кальцит. Из оставшихся линий опять выбирается наиболее интенсивная, и операция повторяется. Так были идентифицированы кварц (SiO₂) и портландит (Са (ОН)₂). Чувствительность метода не позволила зафиксировать на рентгенограмме низкоосновные гидросиликаты (СаО • SiO₂ • nН₂О), образующиеся в результате взаимодействия золы и извести.

Рентгенофазовый анализ позволяет наиболее достоверно судить о минералогическом составе материалов.