Физико-химические методы исследования строительных материалов

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение 

высшего образования 

«Томский государственный архитектурно-строительный университет» 

 

 

 

Л.Н. Пименова, А.И. Кудяков, А.Б. Стешенко 

 
 
 

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ  

ИССЛЕДОВАНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ 

 
 

Учебное пособие 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Томск 

Издательство ТГАСУ 

2020

УДК 691:620.1:544.03(075.8) 
ББК 38.30-1я73 
        П325 
 

Пименова, Л.Н. 

Физико-химические методы исследования строитель
ных материалов : учебное пособие / Л.Н. Пименова, А.И. Кудяков, А.Б. Стешенко. – Томск : Изд-во Том. гос. архит.строит. ун-та, 2020. – 98 с. – Текст : непосредственный. 

ISBN 978-5-93057-918-5 

 

В учебном пособии рассмотрены методы термического, рент
генофазового, электронно-микроскопического, ртутно-вакуумного 
исследований строительных материалов; дано описание аппаратуры 
для проведения анализов; приведены особенности подготовки проб, 
методики выполнения исследований и определения конкретных 
идентификационных характеристик минералов, входящих в состав 
природных и техногенных сырьевых материалов, используемых 
в производстве строительных материалов; изложены характеристики 
минералов, формирующихся при обжиге глинистых пород и техногенного сырья, а также при гидратации цементных материалов.  

Предназначено для бакалавров строительно-технологических 

специальностей при изучении теоретических основ дисциплин «Физико-механические методы исследования строительных материалов», 
«Научные методы исследований», может быть использовано магистрантами и аспирантами. 

 

УДК 691:620.1:544.03(075.8) 

     ББК 38.30-1я73 

 

Рецензенты: 
докт. техн. наук, профессор Н.О. Копаница, ТГАСУ; 
канд. техн. наук А.А. Кирсанова, ЮУрГУ.  

 
 

ISBN 978-5-93057-918-5
© Томский государственный

архитектурно-строительный
университет, 2020

© Пименова Л.Н., Кудяков А.И.,

Стешенко А.Б., 2020

П325

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Введение............................................................................................ 4 
1. Строительные материалы как объект физикохимических исследований ............................................................. 6 
2. Общие принципы проведения физико-химических 
исследований ................................................................................. 12 
3. Термография .............................................................................. 18 

3.1. Дифференциальный термический анализ ......................... 18 
3.2. Термогравиметрический анализ ........................................ 21 
3.3. Дериватографический анализ ............................................ 23 
3.4. Факторы, влияющие на вид термограмм .......................... 26 
3.5. Термография в исследованиях строительных 
материалов .................................................................................. 28 

4. Рентгенографический анализ ................................................. 31 

4.1. Общие сведения о структуре кристаллов ......................... 31 
4.2. Генерация рентгеновских лучей и принцип работы 
рентгеновской трубки ................................................................ 35 
4.3. Качественный и количественный рентгенофазовые 
анализы........................................................................................ 38 

5. Микроскопический анализ ..................................................... 43 

5.1. Оптическая микроскопия ................................................... 43 
5.2. Электронная микроскопия ................................................. 48 

6. Абсорбционная спектроскопия .............................................. 53 

6.1. Ультрафиолетовая спектроскопия .................................... 58 
6.2. Инфракрасная спектроскопия ............................................ 60 

7. Фотоколориметрия ................................................................... 65 
8. Потенциометрия ....................................................................... 70 
9. Методы определения дисперсности материалов ................ 75 

9.1. Ситовой анализ .................................................................... 75 
9.2. Седиментационный анализ ................................................ 76 
9.3. Микроскопический анализ ................................................. 79 

10. Определение удельной поверхности материалов ............. 81 
11. Определение пористости материалов ................................. 89 
Библиографический список........................................................ 95 

ВВЕДЕНИЕ 

При комплексном изучении и управлении процессами 

структурообразования, а также определении параметров качества строительных материалов необходимо использовать физико-химические методы исследования. Физико-химические методы исследования позволяют изучить и установить закономерности формирования структур твердения с модифицирующими 
добавками на различных масштабных уровнях, что позволяет 
разрабатывать рациональные составы, устанавливать оптимальные режимы процессов, создавать новые ресурсо- и энергосберегающие технологии и производить энергоэффективные строительные материалы и изделия повышенного качества. 

Диагностика состава, структуры и свойств материала с ис
пользованием физико-химических методов исследований позволяет осуществлять современный процессный подход в управлении качеством строительных материалов на разных этапах его 
жизненного цикла, используя современные инструменты, в соответствии с национальным стандартом ГОСТ Р ИСО 9001–2015. 

Знания и компетентность в правильном выборе метода 

и проведении физико-химических исследований при изучении 
структур твердения, а также создании конкурентно-способных 
материалов и технологий их изготовления – это скорость, эффективность бизнес-процессов в производстве и реализации 
продукции в строительстве и, соответственно, успешность в деятельности организации на рынке. 

В учебном пособии приведены сведения по методам тер
мического, рентгенографического, микроскопического, дисперсионного и спектроскопического анализа, помогающие студентам приобрести определенные навыки при выполнении научноисследовательских работ. 

Пособие предназначено для бакалавров специальности 

«Производство строительных материалов, изделий и конструкций», может быть использовано магистрантами и аспирантами, 

специализирующимися в получении и развитии знаний и их использовании в управлении структурообразованием различных 
материалов и решении проблем производства и эффективного 
ресурсного обеспечения строительства современными, долговечными, малоэнергоемкими строительными материалами.  

При изучении дисциплины «Физико-химические методы 

исследования строительных материалов» студентам необходимо 
решить следующие задачи: 

– изучить суть физико-химических методов, применяемых 

в исследованиях строительных материалов; 

– понять принципиальные возможности и знать области 

применения того или иного метода в исследованиях строительных материалов; 

– уметь обосновать выбор метода для решения поставлен
ной научной и практической задачи; 

– ознакомиться с устройством используемых приборов 

и принципами проведения измерений; 

– приобрести навыки проведения экспериментальных ис
следований изучаемых образцов; 

– освоить методику анализа полученных результатов ис
следований и формулировки заключений по механизму структурообразования, а также возможность корректировки технологических процессов с учетов полученных научных результатов. 

Знания, умения и навыки, приобретенные при освоении 

дисциплины «Физико-химические методы исследования строительных материалов», являются основой для выполнения курсовых и выпускных квалификационных работ с элементами научного исследования в области строительного материаловедения. 

1. СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ КАК ОБЪЕКТ 
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ 

Процесс накопления человечеством знаний о производстве 

строительных материалах условно разделяется на три периода. 
Первый период – с древнейших времен до начала XIX в. В это 
время при изготовлении строительных материалов использовали, в основном, механическую обработку. Технология изготовления искусственных материалов (известь, строительный гипс 
и керамический кирпич) была достаточно проста и создавалась 
в основном на результатах практического опыта и экспериментальных проверок, передаваемых от мастера к ученикам. Второй 
период – XIX – нач. XX в. В этот период строительные материалы рассматриваются с точки зрения товароведения: их делят на 
сорта и марки. Появляются первые попытки создания теоретических и технологических основ производства. Этот период 
ознаменован изобретением и получением патента на портландцемент. Третий – современный период – отличается выделением 
процессов разработки и изготовления строительных материалов 
в самостоятельное направление – строительное материаловедение. Успехам в развитии строительного материаловедения способствует научно-технический прогресс в области химии, физики и микроэлектроники. 

В рамках дисциплины «Физико-химические методы иссле
дования строительных материалов» объектом исследования является строительный материал. 

Технические свойства строительных материалов обуслов
лены химическим и фазовым составом, а также строением. 

Однородные материалы характеризуют химическим соста
вом, т. е. процентным содержанием химических элементов или 
их оксидов, не уточняя в виде каких соединений они находятся 
в материале. Например, химический состав битумов – это процентное содержание углерода, водорода, серы, кислорода и азота. Химический состав минеральных материалов, например це

мента, глины, стекла, принято выражать в пересчете на оксиды 
S1O2, Аl2О3, СаО и т. д. При этом указывается их процентное 
содержание и не уточняется, присутствуют эти оксиды в свободном состоянии или они связаны между собой в какие-либо 
химические соединения. 

Фазовый, в том числе и минералогический, состав харак
теризует содержание в строительном материале твердой, жидкой и газообразной фаз. Строительные материалы – это преимущественно твердые тела, отличающиеся стабильностью 
формы и характером теплового движения атомов, совершающих 
колебания около положения равновесия. Минимальному уровню 
свободной энергии твердых тел соответствует кристаллическое 
состояние. 

Очень часто при оперативном управлении процессами из
готовления и обеспечении заданного качества изготовляемого 
строительного материала необходимо знать вещественный (минералогический) состав исходных компонентов (сырья) и образующихся новообразований. По данным минералогического состава или содержания химических соединений в исходном сырье научно обосновывают оптимальный состав и технологические процессы изготовления конкретного материала с заданными свойствами. По результатам анализа свойств и минералогического состава готовой продукции осуществляют контроль 
и корректировку технологии в соответствии с установленными 
требованиями технологических карт, или регламентов, или документированной процедуры системы менеджмента качества 
организации по ГОСТ Р ИСО 9001–2015. Например, при обосновании выбора сырья и разработке технологии цементного бетона определяют химический состав и содержание основных 
клинкерных минералов цемента: алита, белита, трехкальциевого 
силиката и четырехкальциевого алюмоферрита, а также заполнителя: кварца, полевого шпата и др. При разработке технологии асфальтобетона определяют состав битума: масла, смолы, 
асфальтены, асфальтогеновые кислоты, карбены, карбоиды. От 

установленного соотношения элементов, окислов и минералогического состава зависят строительно-технические свойства изготовляемого материала. 

Строение строительного материала – это обобщенный 

термин, включающий в себя понятия «структура» и «текстура». 
Строительные материалы имеют неоднородное строение и содержат вещества в трех агрегатных состояниях – твердом, жидком и газообразном. Поэтому часто строительные материалы 
называют конгломераты, композиты или гетерогенные системы. 
Например, цементный пенобетон, в котором цементный камень 
и заполнитель – это структурообразующие компоненты, формирующие матрицу (межпоровые перегородки), а в порах находится воздух (газовая фаза) и конденсированная, адсорбированная 
вода (жидкая фаза). Структурообразование и сохранение 
свойств пенобетона зависит от фазовых переходов внутри материала (гидратация) или взаимодействия с окружающей средой 
(карбонизация, коррозия). 

Структура – это совокупность устойчивых связей, обес
печивающих сохранение свойств строительных материалов при 
внутренних изменениях и внешних воздействиях. Структура характеризует форму, размер и взаимное расположение компонентов внутри объема материала. 

Текстура – это ориентация и пространственное располо
жение составных частей, приводящая к анизотропии материала. 
Чаще всего данное понятие используется применительно к природным каменным материалам. 

Структура строительного материала изучается и оценива
ется на разных масштабных уровнях: макроструктура, микроструктура и структура на молекулярно-ионном уровне. 

Макроструктура – строение, которое обнаруживается при 

осмотре поверхности материала (в изломе) невооруженным глазом или через лупу с десятикратным увеличением. Макроструктуру большинства строительных материалов можно отнести 
к одному из следующих типов: 

– конгломератная – отдельные более или менее разнород
ные агрегаты соединены в единое целое каким-либо клеящим 
веществом. Такую структуру имеют бетоны и строительные растворы; 

– ячеистая – поры сферической формы (ячейки) равномер
но распределены по объему. Такую структуру имеют ячеистый 
бетон, пеностекло и пенопласт; 

– волокнистая – характеризуется взаимным расположени
ем в объеме отдельных волокон, чаще всего – параллельным. 
Такую структуру имеют минераловатные изделия и древесина; 

– слоистая – характеризуется параллельным расположени
ем отдельных слоев. Такую структуру имеют фанера, бумажнослоистые пластики. 

Микроструктура материалов изучается методами оптиче
ской микроскопии. Увеличение позволяет более детально рассмотреть взаимное расположение и облие мелких частиц, слагающих материал, который внешне выглядит однородным, 
наличие в нем мелких пор, микротрещин и других дефектов. 

Внутреннее строение материала на молекулярно-ионном 

уровне изучают с помощью методов рентгеноструктурного анализа, электронной микроскопии и т. д. Это особенно важно для 
детального изучения отдельных компонентов, слагающих материал, и для исследований контактных взаимодействий на границе раздела фаз в композиционных материалах. 

По химической природе материалы делят на органические 

и неорганические. В свою очередь, неорганические материалы 
разделяют на металлические и неметаллические. 

Такое деление строительных материалов исторически со
хранилось с тех дней, когда химические соединения делили на 
два класса в зависимости от источника их получения. К неорганическим относили материалы, полученные из природных или 
искусственных минералов, а к органическим – материалы растительного и животного происхождения. 

Металлические материалы – это металлы и сплавы. Они 

являются наиболее дорогостоящей группой строительных материалов. В строительстве, главным образом, используются черные металлы: сталь, чугун. Реже – цветные металлы: алюминий, 
дюралюминий и медные сплавы. 

Неметаллические материалы, которые часто называют ми
неральными строительными материалами, являются основными по объему потребления в строительстве. К ним относятся силикаты и алюмосиликаты (большинство природных каменных 
материалов, керамика, стекло и цементы), оксид кальция (известь), сульфат кальция (гипс), карбонат кальция (известняк, 
мрамор, мел). Используются в производстве строительных материалов также неорганические водорастворимые соли (хлориды натрия калия, кальция, цинка, фосфат аммония, медный купорос и др.) в качестве добавок, регулирующих процессы структурообразования строительных композиций или формирования 
защитных покрытий, для повышения долговечности деревянных 
конструкций. 

Органические материалы состоят из разнообразных со
единений углерода. В стройиндустрии используют следующие 
группы органических материалов: 

– материалы растительного происхождения, содержащие 

целлюлозу как главный компонент. Это древесина и материалы 
из древесных волокон; 

– материалы, получаемые при переработке нефти и угля, 

состоящие из углеводородов и их производных. К этой группе 
относятся битумы и дегти; 

– синтетические полимеры. Это класс органических мате
риалов, разнообразных по составу и свойствам; 

– поверхностно-активные пластифицирующие, гидрофо
бизирующие и другие вещества. 

Современные строительные материалы представляют со
бой сложные композиции, в которых в структурообразовании 
совместно участвуют компоненты различной химической при