Studiuj dzięki licznym zasobom udostępnionym na Docsity
Zdobywaj punkty, pomagając innym studentom lub wykup je w ramach planu Premium
Przygotuj się do egzaminów
Studiuj dzięki licznym zasobom udostępnionym na Docsity
Otrzymaj punkty, aby pobrać
Zdobywaj punkty, pomagając innym studentom lub wykup je w ramach planu Premium
Społeczność
Odkryj najlepsze uniwersytety w twoim kraju, według użytkowników Docsity
Bezpłatne poradniki
Pobierz bezpłatnie nasze przewodniki na temat technik studiowania, metod panowania nad stresem, wskazówki do przygotowania do prac magisterskich opracowane przez wykładowców Docsity
Artykuł opublikowany w: Prace Instytutu Ceramiki i Materiałów Budowlanych
Typologia: Publikacje
1 / 9
Ta strona nie jest widoczna w podglądzie
Nie przegap ważnych części!
Prace ICiMB 2014 nr 19:7–
GRZEGORZ BAJOREK *
BOLESŁAW KALUKIN ** MARTA KIERNIA-HNAT ***
*OTUSVNFOUBMOFNFUPEZBOBMJ[DIFNJD[OZDI
NBUFSJBÍXCVEPXMBOZDI
XVKÄDJVOPSNPXZN
Słowa kluczowe: instrumentalne badania chemiczne, materiały budowla- ne.
Badania materiałów budowlanych obejmują szereg oznaczeń parametrów fi- zycznych i chemicznych. Badania chemiczne dotyczące składników betonu: cementu, kruszywa, popiołu czy wody zarobowej opierały się w większości na analizach klasycznych. Od 2013 r. zostały jako obowiązujące wprowa- dzone nowe normy, które wskazują na możliwość zastosowania instrumen- talnych analiz chemicznych będących metodami alternatywnymi. W szcze- gólności tyczy się to normy PN-EN 196-2:2013-11 – Metody badania ce- mentu. Część 2 – Analiza chemiczna cementu, która funkcjonuje również jako opis metodyki badań popiołów czy wody zarobowej. Wykorzystanie instrumentalnych metod analitycznych jako wzorcowych napotyka jednak przeszkody w postaci braku walidacji względem metod referencyjnych. Nie można więc posiłkować się nimi jako metodami badawczymi będącymi pod- stawą np. ekspertyz sądowych. Będąc analizami o dużo niższych granicach oznaczalności, dokładniejszymi i na pewnych etapach eliminującymi błąd ludzki, nie są one w pełni wykorzystywane. W artykule omówiono instrumentalne metody analityczne, funkcjonujące jako alternatywne metody badawcze materiałów budowlanych w obowiązu- jących normach. Wskazano i opisano inne metody, których zastosowanie jest możliwe w badaniach chemicznych. W podsumowaniu zaproponowano cykl porównań międzylaboratoryjnych, których celem jest nadanie instru- mentalnym metodom analizy chemicznej statusu metod wzorcowych.
Rzeszowskiej, [email protected] ** (^) Mgr inż., Centrum Technologiczne Budownictwa przy Politechnice Rzeszowskiej, engg@inte
ria.eu *** (^) Mgr inż., Centrum Technologiczne Budownictwa przy Politechnice Rzeszowskiej, m.kiernia@
ctb-prz.pl
INSTRUMENTALNE METODY ANALIZ CHEMICZNYCH MATERIAŁÓW BUDOWLANYCH...^9
/PSNPXFDIFNJD[OFBOBMJ[ZJOTUSVNFOUBMOF
Niemożliwym jest wyczerpanie tematu analiz chemicznych w tak krótkim ar- tykule, stąd autorzy skupili się jedynie na przykładach ich zastosowania dla podstawowych składników betonu. Szeroko prowadzone prace nad badaniem samego betonu jako materiałem konstrukcyjnym również uwzględniają ozna- czanie właściwości chemicznych. Jednakże norma PN-EN 206-1:2003 – Beton. Część 1 – Wymagania, właściwości, produkcja i zgodność [5], celem określenia wymagań chemicznych, bazuje na badaniach składników.
#BEBOJBDIFNJD[OFLSVT[ZXEPCFUPOV
Kruszywa, będąc składnikiem stanowiącym ok. 70% masy mieszanki betono- wej, podlegają badaniom chemicznym zgodnie z PN-EN 1744-1+A1:2013-
Potencjometria jest jedną z najstarszych metod instrumentalnych w analizie chemicznej, której podstawy opracowali L. Galvani, C.A. Volta, J.W. Gibbs i W. Nernst [1]. To metoda analizy elektrochemicznej, polega na pomiarze siły elektromotorycznej (SEM) ogniwa zbudowanego z dwóch elektrod zanurzonych w badanym roztworze, przy zerowym prądzie Faradaya. Obecnie na rynku dostęp- ne są elektrody jonoselektywne, dzięki którym analizy są bardziej precyzyjne [1].
Choć zastosowanie metod potencjometrycznych wiąże się z trudnościami wy- nikającymi z występowania jonów zakłócających, np.: bromki, jodki, siarczki, to zastosowanie elektrod jonoselektywnych pozwala na precyzyjne oznaczenie zawartości chlorków w roztworach [7].
Oznaczanie zawartości wolnego wapna w żużlu stalowniczym, zgodnie z PN- -EN 1744-1+A1:2013-05 – Badania chemicznych właściwości kruszyw. Część 1 – Analiza chemiczna [6], może być wykonywane nie tylko metodami mia- reczkowania, lecz także potencjometrycznymi. A od 2010 r., kiedy nastąpiła aktualizacja normy PN-EN 1744-1:2000, również metodą dyfrakcji rentgenow- skiej – XRD.
Dyfrakcja rentgenowska (XRD – X-ray diffraction) wykorzystywana jest w ana- lizie substancji krystalicznych głównie do określania ich składu fazowego.
(^10) GRZEGORZ BAJOREK, BOLESŁAW KALUKIN, MARTA KIERNIA-HNAT
Uzyskiwane dyfraktogramy stanowią wykresy, które przedstawiają zależność intensywności refleksów dyfrakcyjnych od kątów ugięcia promieniowania rent- genowskiego 2Θ lub odległości międzypłaszczyznowych dhkl. Dyfraktogram jest indywidualny dla każdej struktury i stanowi charakterystyczny obraz dyfrakcyj- ny danej fazy o określonym upakowaniu. Obraz dyfrakcyjny pozostaje taki sam dla substancji w stanie czystym, jak i w przypadku jej występowania w mie- szaninie. Pozwala to na analizę składu próbki z możliwością określenia fazy, w jakiej występuje dana substancja [8].
Oznaczenie zawartości siarki całkowitej zgodnie z rozdziałem 11 – PN-EN 1744-1+A1:2013-05 [6] metodą klasyczną zastąpić można alternatywną, instru- mentalną analizą spektrometrii w podczerwieni. Próbka jest spalana w piecu wysokotemperaturowym, a emitowane promieniowanie podlega detekcji. Wynik jest bezpośrednio odczytywany z układu przetwarzania danych. Metoda alter- natywna jest gwarancją dokładniejszego oznaczenia, biorąc pod uwagę czaso- i pracochłonność metody referencyjnej (grawimetrycznej), możliwości utraty składników analitu (roztwarzanie próbki metodą otwartą) oraz czynnik ludzki.
#BEBOJBDIFNJD[OFXPEZ[BSPCPXFK
W zakresie instrumentalnej analizy chemicznej szerokie możliwości doboru metody badawczej pozostawia norma PN-EN 1008:2004 – Woda zarobowa do betonu – Specyfikacja pobierania próbek, badanie i ocena przydatności wody zarobowej do betonu, w tym wody odzyskanej z procesów produkcji betonu [9]. Dokument ten dopuszcza stosowanie wody pitnej jako zarobowej, bez ko- nieczności jakichkolwiek badań. Natomiast stosowanie wody z innych źródeł, np.: odzyskanej z procesów produkcji betonu, czy naturalnej powierzchniowej, powinno być poprzedzone wykonaniem badań. W ich zakresie, oprócz podsta- wowej analizy organoleptycznej, mieści się oznaczenie zawartości chlorków, siarczanów, alkaliów, azotanów, fosforanów, ołowiu i cynku.
Obecnie w analizach chemicznych dostępne jest instrumentarium pozwalające na oznaczenie tych składników w trakcie jednego badania. W zależności od wyposa- żenia laboratorium do dyspozycji są np.: metody atomowej spektrometrii absorp- cyjnej (AAS), czy atomowej spektrometrii emisyjnej (AES). Skraca to czas ba- dania i pozwala uzyskać precyzyjne wyniki. Jednak stosowanie takich rozwiązań wymaga wykazania, że dają one równoważne wyniki z uzyskanymi drogą opisaną w metodach referencyjnych. Również w przypadkach wątpliwych stosować na- leży tylko procedury powołane [9]. Ale jednocześnie metodę AAS przyjęto jako wzorcową do badania zawartości alkaliów w domieszkach do betonu według PN- EN 480-12:2008 – Domieszki do betonu, zaprawy i zaczynu – Metody badań. Część 12 – Oznaczanie zawartości alkaliów w domieszkach [10].
(^12) GRZEGORZ BAJOREK, BOLESŁAW KALUKIN, MARTA KIERNIA-HNAT
Ryc. 1. Zasada działania fluorescencyjnego spektrometru rentgenowskiego [1]
Głównym problemem podczas analiz z wykorzystaniem metod instrumentalnych jest odpowiednie przygotowanie próbki analitycznej [1]. Stąd w normie PN- -EN 196-2:2013-11 [4] podano szczegółowe instrukcje dotyczące jakości próbki analitycznej oraz materiałów kalibracyjnych.
1PETVNPXBOJF
Wraz z rozwojem technologicznym zmienia się również podejście instytucji nor- malizujących do stosowanych metod badawczych. Wprowadzane zostają jako alternatywne metody wykorzystujące nowoczesne urządzenia. Zalety stosowa- nia instrumentalnych metod widoczne są szczególnie podczas analizy śladów (zawartość pierwiastka oznaczanego poniżej 0,01%). W analizach chemicznych materiałów budowlanych, takich jak cement, kruszywa czy popioły lotne, głów- nym problemem badawczym jest uzyskanie reprezentatywnej próbki. Dlatego założenia normowe dotyczą sposobu przygotowania analitów. Natomiast w la- boratoriach badawczych, zajmujących się głównie analizami chemicznymi, sto- sowane są również urządzenia do roztwarzania próbek, działające w układzie zamkniętym (reaktory mikrofalowe). Zaletą takich metod jest brak utraty lot- nych produktów reakcji. Rekomendowane są również certyfikowane materiały wzorcowe (CRM) do sporządzania krzywych kalibracyjnych. Z analitycznego punktu widzenia istota stosowania tych metod nie tkwi więc w sprzęcie. Innym problemem są aspekty ekonomiczne. Klasyczne oznaczenia chemiczne są dużo tańsze w przypadkach małej ilości wykonywanych badań. Jednak instrumentalne metody analizy chemicznej powinny być walidowane z oznaczeniami wzorco- wymi. Nadanie im statusu referencyjnych powinno być poprzedzone porów- naniami międzylaboratoryjnymi w minimum 15 jednostkach badawczych, ma-
INSTRUMENTALNE METODY ANALIZ CHEMICZNYCH MATERIAŁÓW BUDOWLANYCH...^13
jących możliwość wykonania analiz metodami wzorcowymi i alternatywnymi. Zakres badań powinien obejmować również wyznaczenie granic powtarzalności i odtwarzalności. Stosowanie referencyjnych materiałów wzorcowych (CRM) powinno być obowiązkowe w przypadkach wykorzystywania tych analiz jako podstawa opinii i ekspertyz.
W przytoczonych badaniach domieszek do betonu instrumentalna analiza meto- dą atomowej spektrometrii absorpcyjnej uzyskała status wzorcowej, natomiast jako alternatywną norma podaje użycie odpowiednio skalibrowanego fotometru płomieniowego [10].
Nowoczesna aparatura oraz metodyka matematycznej i/lub chemicznej korekcji sygnału analitycznego pozwala na uzyskanie precyzyjnego wyniku. Stąd ocena materiału na podstawie oznaczeń wykonanych metodami instrumentalnymi, na- wet w przypadkach spornych, jest jak najbardziej słuszna.
-JUFSBUVSB
[1] S z c z e p a n i a k W., Metody instrumentalne w analizie chemicznej , wyd. 5, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2010.
[2] K e a l e y D., H a i n e s P.J., Chemia analityczna – krótkie wykłady , Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2006.
[3] Budownictwo ogólne , t. 1: Materiały i wyroby budowlane , pod kier. B. Stefańczyka, Wydawnictwo „Arkady”, Warszawa 2010.
[4] PN-EN 196-2:2013-11 – Metody badania cementu. Część 2 – Analiza chemiczna cementu.
[5] PN-EN 206-1:2003 – Beton. Część 1 – Wymagania, właściwości, produkcja i zgodność.
[6] PN-EN 1744-1+A1:2013-05 – Badania chemicznych właściwości kruszyw. Część 1 – Analiza chemiczna.
[7] S o ł t y s i k B., B o d z e k - K o c h e l M., Elektroda srebrowo-siarczkowa jako alternatywa dla klasycznych metod miareczkowych oznaczania zawartości chlorków w ściekach , „Analityka – Nauka i Praktyka” 2014, nr 1, s. 44.
[8] http://kckizw.ceramika.agh.edu.pl/Tresc/Dydaktyka/Obieralne/Dyfrakcja_Rentgenowska_ anal/WykladXRD9_2010a.pdf (12.03.2014).
[9] PN-EN 1008:2004 – Woda zarobowa do betonu – Specyfikacja pobierania próbek, badanie i ocena przydatności wody zarobowej do betonu, w tym wody odzyskanej z procesów produkcji betonu.
[10] PN-EN 480-12:2008 – Domieszki do betonu, zaprawy i zaczynu – Metody badań. Część 12
[11] PN-EN 196-2:2006 – Metody badania cementu. Część 2 – Analiza chemiczna cementu.
