Физико-химические методы анализа вяжущих материалов

Б. Т. Таймасов, Т. М. Худякова, М. С. Даулетияров 
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ  
АНАЛИЗА ВЯЖУЩИХ МАТЕРИАЛОВ
Практическое пособие 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024 
1 

УДК 666.9 
ББК 38.32 
Т14 
Рецензенты: 
канд. техн. наук, доцент ЮКГУ им. М. Ауэзова Колесников А. С.; 
д-р техн. наук, профессор, директор НПО «Химтехника» Бажиров Н. С.; 
д-р техн. наук, профессор, директор НИИ Строительных материалов, строительства  
и архитектуры Сарсенбаев Б. К. 
Таймасов, Б. Т. 
Т14  
Физико-химические методы анализа вяжущих материалов : практическое пособие / Б. Т. Таймасов, Т. М. Худякова, М. С. Даулетияров. – 
Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2024. – 144 с. : ил., табл.  
ISBN 978-5-9729-1855-3  
Описаны цели, задачи и методы проведения практических занятий, выполнения 
рентгенофазового, термического, электронно-микроскопического, химического методов анализа, технологических расчетов по основным разделам дисциплины: воздушные, гидравлические вяжущие вещества, изделия на основе вяжущих материалов. 
Приведены стандартные методы испытания цементов и других вяжущих материалов. 
Для магистрантов специальности «Химическая технология тугоплавких неметаллических и силикатных материалов». 
УДК 666.9 
ББК 38.32 
ISBN 978-5-9729-1855-3 
© Таймасов Б. Т., Худякова Т. М., Даулетияров М. С., 2024
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2024
© Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024
2 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
ВВЕДЕНИЕ ................................................................................................................ 5 
ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ ................................................ 6 
СОДЕРЖАНИЕ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ .................................................... 6 
ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ ЗАНЯТИЙ .................................................................. 6 
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 1. Дифференциально-термический анализ  
известняка, лесса, сырьевой муки АО «Шымкентцемент»  
и сырьевого шлама састюбинского завода ............................................................. 7 
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 2. Дифференциально-термический анализ  
природного двуводного гипса, гипсовых вяжущих Г-4, Г-5  
и затвердевшего гипсового камня ......................................................................... 15 
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 3. Дифференциально-термический анализ  
гипсоцементнопуццоланового вяжущего (ГЦПВ) и продуктов его  
гидратации и твердения в различном возрасте .................................................... 19 
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 4. Петрографический анализ цементного  
клинкера, определение структуры и размеров клинкерных минералов 
............ 23 
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 5. Рентгенофазовый анализ карбонатных,  
глинистых пород и сырьевой муки цементного производства .......................... 31 
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 6. Рентгенофазовый анализ промышленных  
отходов, нетрадиционного и техногенного сырья ............................................... 59 
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 7. Рентгенофазовый анализ  
портландцементного клинкера и цемента, определение структуры  
и размеров клинкерных минералов ....................................................................... 63 
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 8. Рентгенофазовый анализ гипсового камня,  
гипсовых и гипсоцементнопуццолановых вяжущих веществ 
............................ 71 
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 9. Рентгенофазовый анализ сырья,  
магнезиальных вяжущих и продуктов их гидратации ........................................ 77 
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 10. Определение свободного СаО в клинкере,  
Са(ОН)2 и химически связанной воды в гидратированном  
цементном камне ..................................................................................................... 83 
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 11. Требования ГОСТов к портландцементу  
и шлакопортландцементу, к специальным, пуццолановым,  
глиноземистым, расширяющимся цементам 
........................................................ 88 
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 12. Стандартные методы испытания  
цементов, гипсовых, хризотилцементных, силикатных изделий  
по ГОСТ 310.1-76 – 4.81, 310.5-88, 310.6-85 и др. ............................................... 95 
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 13. Методы определения дисперсных  
и гранулометрических характеристик вяжущих материалов,  
ситовой анализ, удельная поверхность ............................................................... 106 
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 14. Методы определения морозостойкости  
цементов и бетонов ............................................................................................... 115 
3 

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 15. Методы испытания сульфатостойкости  
цементов и бетонов ............................................................................................... 120 
ПРИЛОЖЕНИЕ. Таблица для определения межплоскостных расстояний  
(излучение CuKα) ....................................................................................................... 
127 
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 
..................................................................................... 142 
4 

ВВЕДЕНИЕ 
Практикум по дисциплине «Физико-химические методы анализа вяжущих 
материалов» предусматривает решение практических задач, изучение методик 
выполнения рентгенофазового, дифференциально-термического, микроскопического, химического анализа вяжущих материалов, петрографического анализа цементного клинкера, анализ качества вяжущих материалов и изделий на их 
основе.  
Практикум по дисциплине «Физико-химические методы анализа вяжущих 
материалов» предназначен для магистрантов специальности «Химическая технология тугоплавких неметаллических и силикатных материалов». Практикум 
содержит материалы по всем разделам учебной программы «Физико-химические методы анализа вяжущих материалов». 
Практикум охватывает содержание всего курса и содержит краткие сведения о химико-минералогическом составе, методах анализа и испытаний вяжущих материалов, силикатных материалов и изделий. 
Практические занятия ведутся согласно рабочему учебному плану специальности 6М075300-ХТТН и СМ и включают 45 часов в семестр. 
Изучая данную дисциплину, студенты должны познать основы методов 
анализа и исследования качества и свойств сырьевых материалов и готовой 
продукции технологии производства вяжущих материалов и изделий. 
Содержание практических занятий соответствует силлабусу данной дисциплины, и включает различные методы исследований и анализов сырья, сырьевых шихт для получения гипсовых и известковых вяжущих, клинкеров, цементов, бетонов. Это позволит магистрантам получить навыки выполнения 
анализов и научных исследований в данной области. 
Темы практических занятий рассчитаны на три академических часа. 
Основные общие требования к практическим занятиям:  
1. Практические занятия проводятся в соответствии с рабочей программой
учебной дисциплины и календарно-тематическим планом.  
2. Рекомендуемая литература, данная в методических указаниях, используется для выполнения индивидуального задания и проверки контрольных вопросов. 
3. Магистранты должны быть подготовлены к каждому занятию, знать
теоретические основы изучаемой темы на основании лекционного материала. 
4. Магистранты должны вести себя на занятиях согласно политике курса,
данной в силлабусе. 
5. Своевременно выполнять выданные задания и активно участвовать в
коллективной работе и обсуждении вопросов. 
Результаты работ и вычисления выполняются на листах и предоставляются 
преподавателю для защиты в течение текущего контроля. 
Практикум составлен на основании требований к организации, содержанию и проведению практических, семинарских и индивидуальных занятий. 
5 

ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ 
 
Цель практических занятий – развитие у магистрантов креативных способностей, творческой активности и независимого мышления, способность использования знаний теоретических основ технологических процессов для практических производственных расчетов.  
Задачи практических занятий: 
1. Развитие творческой активности и самостоятельности студентов, их интереса к научной работе. 
2. Закрепление, углубление и расширение знаний химической технологии, 
изучаемой на лекционных занятиях. 
3. Обучение методам выполнения анализов сырья и готовой продукции. 
4. Приобретение умений и навыков выполнения современных РФА, ДТА, 
методов микроскопии и химического анализа. 
5. Вовлечение магистрантов в решение учебно-практических задач с использованием вычислительной техники. 
6. Обучение магистрантов анализу данных литературных источников. 
 
СОДЕРЖАНИЕ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ 
 
Практические занятия проводятся согласно силлабусу и включают темы 
для каждого занятия. Самостоятельные практические задания для магистрантов 
даны в настоящих методических указаниях.  
 
 
ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ ЗАНЯТИЙ 
 
Требования для выполнения практических занятий: 
1. Выдача задания. 
2. Обсуждение цели и задачи к практическим занятиям, связанных с другими дисциплинами. 
3. Проверка готовности магистрантов к занятиям: наличие учебносправочной литературы, методических указаний для самостоятельной работы 
и практических занятий, знание теоретических основ по теме практического 
занятия (на основе лекционного материала). 
4. Обсуждение алгоритма решения контрольных задач. 
5. Обсуждение и сравнение результатов решения задач, выводы. 
6. Оценка работы каждого магистранта согласно графику контроля знаний 
магистранта (силлабус) принимая во внимание участие магистранта в аудиторной работе. 
7. Выдача задания на следующее занятие. 
 
 
 
6 

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ № 1 
 
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНО-ТЕРМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ  
ИЗВЕСТНЯКА, ЛЕССА, СЫРЬЕВОЙ МУКИ  
АО «ШЫМКЕНТЦЕМЕНТ» И СЫРЬЕВОГО ШЛАМА 
САСТЮБИНСКОГО ЗАВОДА 
 
Цель занятия – обучить магистрантов и студентов методам дифференциально-термического анализа сырья и сырьевой муки цементного производства.  
 
Теоретические основы занятия 
 
1. Сырьевые материалы цементного производства 
 
Для производства портландцементного клинкера используются в основном 
карбонатные и глинистые породы.  
Карбонатные породы вносят в сырьевую шихту оксид кальция, глинистые – 
оксиды SiO2, A12O3, Fe2O3. Однако часто у глин значения глинозёмистого модуля 
выше, чем у клинкера, поэтому приходится вводить третий компонент – корректирующую железистую добавку, которая вносила бы недостающее количество 
оксида железа Fe2O3. В этом случае используют пиритные огарки, колошниковую пыль, бедную железную руду, медеплавильные шлаки. Для корректировки 
величины силикатного модуля вводят кремнезёмистые добавки – кварцевый песок, опоки, трепелы, диатомиты, которые вносят в сырьевую шихту недостающее количество SiO2.  
К карбонатным породам относятся известняк, мел, мрамор, известнякракушечник, известковый туф. Примесями в них являются глинистые вещества, 
доломит, кварц, гипс. Примеси глины не являются вредными. Повышенное содержание доломита и гипса нежелательно, т. к. содержание МgO в клинкере не 
должно превышать 5 %.  
Процентное содержание карбонатной породы в составе сырьевой смеси 
составляет 70…80 %. 
Известняки – осадочные породы. Углекислый кальций СаСО3 представлен 
в них минералом кальцитом, реже – арагонитом. Мел – осадочная мягкая порода. Мрамор – плотная порода  
Глинистые породы. Глины – природный землистый тонкодисперсный материал, который при смешивании с водой становится пластичным. К ним относятся собственно глины, аргиллиты, сланцы, лёсс, бентонит, суглинки. В составе глин различают глинистую часть, неглинистую, органический материал, обменные ионы и растворимые соли. Глинистая часть состоит из SiO2, A12O3 и 
Н2О, входящих в глинистые минералы. К последним относятся каолинит, 
монтмориллонит, галлуазит, аллофан, гидрослюды.  
Аргиллиты – твёрдые породы, продукт дегидратации, спрессования и перекристаллизации глин. Сланцы – скальная порода, продукт перекристаллиза7 

ции глин. Лёсс – землистая рыхлая порода, состоящая из пылевидных частиц 
кварца, полевого шпата, слюд, каолинита, кальцита. Пластичность его невелика. Суглинки – глины содержащие значительное количество кварца (до 40 %). 
Глинистые сланцы – твёрдые, плотные горные породы с ориентированным расположением слагающих минералов, тонкослоистой и хорошо выраженной 
сланцеватостью, способностью легко раскалываться на тонкие пластинки. В 
глинах присутствует SiО2 в различных формах, оксиды железа, кальцит, плавиковый шпат, доломит, гипс, слюда. Вредными примесями являются МgO, содержание Na2O + K2O не должно превышать 3…4 %, а SO3 – не более 1 %. 
2. Дифференциально-термический анализ
2.1. Общие сведения о термическом анализе
Большинство химических и физических процессов сопровождается выделением или поглощением тепла – это процессы кристаллизации, плавления, 
обезвоживания, распада сложных соединений, полиморфного превращения и 
др. Изучение указанных фазовых превращений, совершающихся в системах или 
индивидуальных соединениях, по сопровождающим эти превращения тепловым эффектам составляет сущность метода термографии. Исследуемый образец 
подвергают постепенному нагреванию или охлаждению с непрерывной регистрацией температуры, осуществляемой визуально или автоматически. Получаемые кривые нагревания позволяют судить о характере и интенсивности тепловых эффектов, о температурах, при которых тепловые эффекты проявляются, о 
минералогическом составе исследуемого вещества и характере протекающих в 
нем при нагревании фазовых превращений. Термический анализ основан на непрерывном определении при нагревании следующих свойств вещества: энергии 
(энтальпии) – дифференциально-термический анализ (ДТА); веса – термогравиметрический (термовесовой) анализ (ТГ – изменение массы, ДТГ – скорость 
изменения массы); газовыделения – газоволюметрический (волюметрический) 
анализ. 
Все эти виды термического анализа применяются как самостоятельно, так 
и совместно друг с другом. Известны комплексные термические установки, в 
которых, помимо регистрации изменения энергии, веса и объема выделившегося газа при нагревании вещества, регистрируются также такие его свойства, как 
изменение линейных размеров образца (дилатометрия), электрических свойств 
(электропроводность) и некоторые другие. 
2.2. Дифференциально-термический анализ 
Дифференциально-термический анализ (ДТА) основан на измерении изменения энергии системы в процессе нагревания до температуры 1200...1500 °С. 
Физические и химические процессы, протекающие с поглощением или выделением тепла, на непрерывной дифференциальной кривой выражаются серией 
определенных эндотермических и экзотермических эффектов. Фазовые измене8 

ния, происходящие при нагревании веществ, фиксируются с помощью термопары и зеркальных гальванометров на фотобумаге, обернутой вокруг вращающегося с определенной скоростью барабана. Применяемая в настоящее время 
аппаратура – дериватограф, обычно записывает три кривые – температурную, 
дифференциальную и кривую потери массы. Каждое вещество характеризуется 
своей кривой. С помощью атласа кривых определяется минеральный состав исследуемых горных пород и строительных материалов. 
Для получения простой температурной кривой исследуемым материалом 
наполняют специальный тигель, который помещают в электропечь (рис. 1.1, а). 
Температуру материала измеряют с помощью термопары, в изменение э.д.с. в 
горячем ее спае фиксируют гальванометром. Результаты измерения температуры материала в процессе нагревания наносят на график «температура–время». 
Если в веществе не происходит никаких реакций, то простая кривая нагревания 
имеет вид прямой. В случае протекания реакций, сопровождающихся выделением или поглощением тепла, ход кривой нагревания отклоняется от прямолинейного направления вверх или вниз. Отклонение носит временный характер и 
прекращается по окончании реакции. На рис. 1.1, б показана кривая нагревания 
каолинита, на которой видны две остановки (489 и 600 °С), обусловленные протеканием реакций с поглощением тепла (эндотермические эффекты), и два экзотермических эффекта (985 и 1065 °С). 
Дифференциальная температурная кривая получается с помощью дифференциальной термопары, состоящей из двух термопар, одноименные концы которых соединены друг с другом (рис. 1.2): концы проволоки из Pt + 10 % Rh образуют холодный спай термопары, а концы проволоки из Pt подключены к прибору, фиксирующему изменение в цепи э.д.с, возникающей при нагревании 
спаев термопар. Горячий спай одной из термопар помещен в исследуемое вещество, а другой – в эталонное. Возникающие термопарах при нагревании э.д.с. 
направлены навстречу друг другу и могут взаимно компенсироваться. Если вещество и эталон равномерно нагреваются в печи и в веществе не происходит 
никаких превращений, то возникающие в термопарах э.д.с. оказываются равновеликими, и гальванометр не показывает никакого присутствия тока в цепи, а 
дифференциальная термограмма имеет вид ровной линии, параллельной оси 
абсцисс (рис. 1.3). 
Когда же исследуемое вещество испытывает различные превращения, то в 
этот период температура его может быть и выше, и ниже температуры эталонного материала. Появление разности температур между исследуемым и эталонным материалами приводит к возникновению в них разновеликих э.д.с. и фиксирующий прибор производит соответствующую запись. Во всех системах термографов принято, что при эндотермических реакциях дифференциальная кривая отклоняется от нулевой линии вниз, а при экзотермических реакциях – 
вверх. Величина отклонения (температурный пик) характеризует степень различия температур образца и эталона и является показателем количества превращающегося вещества и интенсивности протекания реакции. 
9 

Рис. 1.1 – Схема простой термопары Į и температурная кривая  
нагревания каолинита б: 
1 – термопара; 2 – тигель с исследуемым веществом; 3 – электропечь;  
4 – соединительные провода; 5 – температурный гальванометр 
Рис. 1.2 – Схема дифференциальной термопары: 
1 – электропечь; 2 – блок; 3 – исследуемое вещество; 4 – эталонное вещество;  
5 – горячие концы термопар; 6 – холодный конец дифференциальной  
термопары; 7 – соединительные провода; 8 – гальванометр 
Подготовка препаратов. Точность ДТА в значительной степени зависит 
от качества препарирования исследуемого вещества. Исследуемое вещество 
измельчают в агатовой или фарфоровой ступке до прохождения через сито  
№ 006, не допуская процесса аморфизации вещества. Материалы, содержащие 
воду, перед измельчением сушат при температуре не выше 110 °С или обезвоживают. Выбор способа обезвоживания должен обеспечить удаление химически несвязанной воды, не нарушая состав соединений. Массы анализируемой 
пробы и эталона должны быть близки. Оптимальная величина навески составляет 0,2...0,5 г. 
10