Técnicas de Caracterización-DEF-2015

Dra. Ana Mª Guerrero y Dra. Gloria Pérez
Grupo: “Materiales Ecoeficientes para la Construcción”
Instituto Ciencias de la Construcción “Eduardo Torroja”
Consejo Superior de Investigaciones Científicas
C/ Serrano Galvache, 4, 28033 Madrid-ESPAÑA
e-mails contacto: [email protected]; [email protected]
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Módulo V(a): Desarrollo de Nuevos Materiales en Base Cemento y Hormigones Especiales que Mejoran el Entorno Sostenible
Técnicas de Caracterización
…
Materiales con propiedades adecuadas para cada aplicación
Necesidad de caracterización exhaustiva de los materiales
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Módulo V(a): Desarrollo de Nuevos Materiales en Base Cemento y Hormigones Especiales que Mejoran el Entorno Sostenible
Técnicas de Caracterización
Multitud de técnicas de caracterización
Necesidad de conocer fundamentos, utilidad y limitaciones para emplear
las más idóneas en cada caso.
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Módulo V(a): Desarrollo de Nuevos Materiales en Base Cemento y Hormigones Especiales que Mejoran el Entorno Sostenible
Técnicas de Análisis Químico
Técnicas empleadas para determinar la
composición química de las muestras:
Análisis Elemental y Análisis Químico
(óxidos) de un residuo o un cemento.
-Análisis por vía química: Norma
UNE-EN 197-1: 2000 - Cementos
Comunes:
Definiciones,
Denominaciones,
Designaciones,
Composición,
Clasificación
y
Especificaciones de los mismos.
- Fluorescencia de rayos X (FRX)
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Módulo V(a): Desarrollo de Nuevos Materiales en Base Cemento y Hormigones Especiales que Mejoran el Entorno Sostenible
Técnicas de Difracción de Rayos X (DRX)
Analizan los fenómenos de difracción que se producen cuando los rayos x
interaccionan con materiales cristalinos.
Condición de Bragg para la existencia de un
rayo difractado por el cristal:
n λ = 2 d senθ
λ – longitud de onda de los rayos x
n – número entero > 0
θ - ángulo de incidencia de rayos x sobre
familia de planos separados d.
Se definen distintas técnicas según se varíe λ o θ de la condición de Bragg
Clase de radiación
Características de la muestra
Nombre de la técnica
Policromática
Monocristal estacionario
Laue
Monocromática
Monocristal móvil
Rotación/Weissemberg/Precesión
Monocromática
Polvo policristalino
Difractómetro de polvo
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Módulo V(a): Desarrollo de Nuevos Materiales en Base Cemento y Hormigones Especiales que Mejoran el Entorno Sostenible
Técnicas de Difracción de Rayos X (DRX)
Difracción de rayos X de muestras en polvo
Se mide la intensidad de rayos x difractados
en función del doble del ángulo de Bragg
(2θ) para λ fija.
La muestra en polvo contiene
todas las orientaciones
Pico en 2θ cuando existe
familia de planos con
distancia interplanar (d) que
verifica ley de Bragg en θ
para la λ utilizada.
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Módulo V(a): Desarrollo de Nuevos Materiales en Base Cemento y Hormigones Especiales que Mejoran el Entorno Sostenible
Técnicas de Difracción de Rayos X (DRX)
Difracción de rayos X de muestras en polvo
Se identifican los picos por comparación con curvas patrón.
Ceniza CCBF
Para cada fase cristalina se
observan picos a diferentes
ángulos y de diferente intensidad
que corresponden a distintas
familias de planos
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Módulo V(a): Desarrollo de Nuevos Materiales en Base Cemento y Hormigones Especiales que Mejoran el Entorno Sostenible
Técnicas de Difracción de Rayos X (DRX)
APLICACIONES
El difractograma contiene información sobre las fases cristalinas presentes en la muestra.
No aporta información sobre fases amorfas.
Análisis cualitativo
Variaciones en la composición mineralógica por procesos de hidratación, activación, etc.
Tratamiento Hidrotermal – TH
(200ºC en NaOH 1M, l/s=10, 4 horas)
Disolución de fases de la ceniza inicial
(SiO2, Ca(OH) 2, CaCO3)
Los iones de calcio y silicio se
incorporan a las fases hidratadas dando
lugar a la formación de tobermorita
[Ca2,25Si3O7,5(OH) 1,5(H2O)] y analcime
[Na(AlSi2O6) (H2O)]
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Módulo V(a): Desarrollo de Nuevos Materiales en Base Cemento y Hormigones Especiales que Mejoran el Entorno Sostenible
Técnicas de DRX
Análisis cuantitativo mediante método Rietveld
C2AS
γ-C2S
γ-C2S
α-C2S
γ-C2S
β-C2S
Evita la necesidad de añadir un patrón interno para la cuantificación
Durante el refinamiento se ajustan los defectos debidos a la solución
sólida, la orientación preferente, el tamaño de partícula, etc.
Ajusta la curva experimental con una calculada para cada fase.
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Módulo V(a): Desarrollo de Nuevos Materiales en Base Cemento y Hormigones Especiales que Mejoran el Entorno Sostenible
Técnicas de Análisis Térmico
Engloba una serie de técnicas en las cuales algún parámetro físico del sistema es
medido de manera continua en función de la temperatura
Se definen distintas técnicas según la magnitud medida
Magnitud medida
Técnica
Peso
Termogravimetría
Thermogravimetry
TG
Energía
Análisis Térmico Diferencial
Differential Thermal Analysis
DTA
Energía
Calorimetría Diferencial de
Barrido
Differential Scanning
Calorimetry
DSC
Dimensiones
Análisis Termomecánico
Thermomechanical Analysis
TMA
Propiedades ópticas
Termo-optometría
Propiedades magnéticas
Termo-magnetometría
Conductividad electríca
Análisis Electrotérmico
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Módulo V(a): Desarrollo de Nuevos Materiales en Base Cemento y Hormigones Especiales que Mejoran el Entorno Sostenible
Técnicas de Análisis Térmico
Termogravimetría (TG)
Se mide la variación en el peso de la
muestra en función de la temperatura (T)
Las pérdidas de peso se relacionan con la
descomposición de alguna fase del material.
Termogravimetría diferencial (DTG)
Se calcula la derivada del peso respecto a T
Picos estrechos permiten definir rango de T
asociado con pérdida de peso en el TG.
Permiten determinar y cuantificar la
composición de la muestra
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Módulo V(a): Desarrollo de Nuevos Materiales en Base Cemento y Hormigones Especiales que Mejoran el Entorno Sostenible
Técnicas de Análisis Térmico
Análisis Térmico Diferencial (DTA)
Se mide la diferencia de temperatura entre
la muestra y un material de referencia al ser
sometidos a un mismo calentamiento.
Calorimetría Diferencial de Barrido (DSC)
Se mide la energía calorífica necesaria
para mantener la muestra y la referencia a
la misma temperatura en función de T.
Permiten diferenciar procesos exo-/endotérmicos.
El área de los picos permite determinar conductividad
térmica, capacidad calorífica, calor de reacción.
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Módulo V(a): Desarrollo de Nuevos Materiales en Base Cemento y Hormigones Especiales que Mejoran el Entorno Sostenible
Técnicas de Análisis Térmico
APLICACIONES
Ceniza de partida
A – Ca(OH)2 CaO + H2O
Δpeso = 1.4% - %Ca(OH) 2 = 4.11*1.4 = 5.8%
Reacción endotérmica
B – CaCO3 CaO + CO2
Δpeso = 7.2% - %CaCO 3 = 2.27*7.2 = 16.3%
Reacción endotérmica
C – Descomposición de silvita (KCl)
Δpeso = 5.0%
Reacción endotérmica
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Módulo V(a): Desarrollo de Nuevos Materiales en Base Cemento y Hormigones Especiales que Mejoran el Entorno Sostenible
Técnicas Espectroscópicas
Se basan en la interacción de la radiación con la materia, que se traduce, en
general, en transiciones entre niveles de energía del sistema involucrado.
Dependiendo de la energía puesta en juego se obtienen distintas clases de espectros.
Espectroscopía UV-VIS
Transiciones entre los
niveles de energía
electrónicos de
moléculas
Espectroscopías IR y Raman
Transiciones entre los
niveles de energía de
vibración de moléculas o
cristales
Espectroscopía de
rotación
Transiciones entre los
niveles de energía de
rotación de moléculas
o grupos moleculares
Espectroscopía de
resonancia magnética
nuclear (RMN)
Transiciones entre los
niveles de energía de
núcleos atómicos
orientados en un
campo magnético
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Módulo V(a): Desarrollo de Nuevos Materiales en Base Cemento y Hormigones Especiales que Mejoran el Entorno Sostenible
Técnicas Espectroscópicas
Espectroscopía de Infrarrojo
Se mide la intensidad de radiación en el rango infrarrojo (IR) tras atravesar la muestra.
Las muestras en polvo
se muelen mezcladas
con KBr y se prensan.
Se mide el espectro de transmisión de la pastilla formada
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Módulo V(a): Desarrollo de Nuevos Materiales en Base Cemento y Hormigones Especiales que Mejoran el Entorno Sostenible
Técnicas Espectroscópicas
Espectroscopía de Infrarrojo
En las frecuencias de vibración características de las moléculas presentes en la muestra la
radiación es absorbida - se observan mínimos en el espectro de transmisión.
Anchura – dispersión
en parámetros del
enlace/cristalinidad
Posición – característica de cada
tipo de enlace. Depende de
distancia, ángulo, fuerza enlace.
Intensidad – concentración del
enlace correspondiente
Módulo V(a): Desarrollo de Nuevos Materiales en Base Cemento y Hormigones Especiales que Mejoran el Entorno Sostenible
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Técnicas Espectroscópicas
APLICACIONES
Espectros IR – efecto de tratamiento hidrotermal
Desaparece
portlandita
Disminuye
proporción de
carbonatos
Aumenta proporción
de silicatos con
número de onda
menor: cadenas de
tobermorita
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Módulo V(a): Desarrollo de Nuevos Materiales en Base Cemento y Hormigones Especiales que Mejoran el Entorno Sostenible
Técnicas Espectroscópicas
Espectroscopía Raman
Se irradia la muestra con un haz monocromático (λ desde UV hasta IR) y los procesos
minoritarios de dispersión inelástica dan lugar a transiciones entre niveles de vibración.
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Módulo V(a): Desarrollo de Nuevos Materiales en Base Cemento y Hormigones Especiales que Mejoran el Entorno Sostenible
Técnicas Espectroscópicas
Espectroscopía Raman
C3S
λ excitación
Espectro característico del
material, independiente de la
frecuencia de excitación.
632.8 nm
514.5 nm
1800
1600
1400
1200 1000
800
600
Desplazamiento Raman (cm-1)
400
200
Intensidad de radiación dispersada
frente a diferencia de frecuencia
con respecto a la de excitación
S.P. Newman. Cem Concr Res 35 (2005) 1620
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Módulo V(a): Desarrollo de Nuevos Materiales en Base Cemento y Hormigones Especiales que Mejoran el Entorno Sostenible
Técnicas Espectroscópicas
Espectroscopía de Resonancia Magnética Nuclear (RMN)
Se irradia la muestra sometida a un campo magnético con radiación del rango de
radiofrecuencias y se mide la señal debida a transiciones entre niveles de energía de
núcleos atómicos.
Niveles de energía por diferentes
orientaciones del momento magnético
del núcleo respecto del campo
magnético.
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Módulo V(a): Desarrollo de Nuevos Materiales en Base Cemento y Hormigones Especiales que Mejoran el Entorno Sostenible
Técnicas Espectroscópicas
Espectroscopía de Resonancia Magnética Nuclear (RMN)
Variación de la frecuencia de la transición respecto de un
compuesto de referencia (δ en partes por millón).
Se debe al apantallamiento por los electrones que rodean al
núcleo y es característico del entorno químico.
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Módulo V(a): Desarrollo de Nuevos Materiales en Base Cemento y Hormigones Especiales que Mejoran el Entorno Sostenible
Técnicas Espectroscópicas
APLICACIONES
Espectro RMN 29Si
Análisis cuantitativo de estructura y composición gel C-S-H
I.G. Richardson. Cem Concr Res 29 (1999) 1131
δ(ppm)
Area%
-63.8
Unit
Q0
-65.7
Q0
1.1
-67.6
Q0
2.4
-69.8
Q0
6.6
-71.1
Q0
7.7
-72.7
Q0
11.4
-76.3
Q1(0Al)
12.0
-78.8
Q1(0Al)
31.4
-81.4
Q2(1Al)
11.9
-83.7
Q2(0Al)
9.0
-85.4
Q2(0Al)
6.1
-88.5
Q3
0.2
G. Pérez, A. Guerrero, J.J: Gaitero, S. Goñi. J. Mater. Sci. D.O.I. 10.1007/s10853-013-7688-8
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0.2
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Técnicas de Microscopía
Transforman un objeto en una imagen, en general, mucho mayor que el objeto.
Microscopias óptica y electrónica
Tienen una fuente alejada del objeto.
Necesitan lentes para desviar y focalizar la
fuente sobre el objeto.
Microscopías de barrido con sondas
Barrido con una sonda sobre la superficie a
analizar.
Se monitoriza una interacción entre ambas.
Información a nivel atómico.
Microscopía efecto
túnel: Corriente túnel
entre la punta metálica y
la superficie (conductora)
Microscopía fuerzas
atómicas : Fuerzas de
van der Waals entre la
sonda y la superficie
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Módulo V(a): Desarrollo de Nuevos Materiales en Base Cemento y Hormigones Especiales que Mejoran el Entorno Sostenible
Técnicas de Microscopía
Microscopía electrónica de barrido (SEM)
Se irradia la muestra con un haz de electrones que barre su superficie.
Análisis cuantitativo de
composición
EDX. Rayos X emitidos por
transiciones entre niveles de
electrónicos de los átomos.
Formación de imagen de topografía superficial
Electrones secundarios . Emitidos por los átomos
por impacto de electrones incidentes.
Electrones retrodispersados. Reflejados por
colisiones con átomos de la muestra.
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Módulo V(a): Desarrollo de Nuevos Materiales en Base Cemento y Hormigones Especiales que Mejoran el Entorno Sostenible
Técnicas de Microscopía
APLICACIONES
Análisis de morfología y composición mediante SEM-EDX
C
O Mg Al Si
P
K Ca Mn Fe
35,3 45,1 1,2 4,3 7,5 0,2 2,3 1,7 0,2 2,2
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Técnicas de Microscopía
Microscopía electrónica de transmisión (TEM)
Se analizan los electrones que atraviesan la muestra.
Muestras amorfas – contraste por las variaciones en
“scattering” de electrones.
Muestras cristalinas – por variaciones en intensidad
de difracción de electrones.
C2S 28d: Gel C-S-H
B90d: Gel C-S-H
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Determinación de la Estructura Porosa
•
La estructura porosa es una característica micro estructural muy importante en un sólido poroso
ya que influye en las propiedades físicas y mecánicas y controla la durabilidad del material.
•
Su caracterización es complicada por la existencia de poros de diferente forma, tamaño y por la
conectividad entre los distintos poros.
•
La pasta de cemento endurecida, mortero y hormigón son materiales porosos en base cemento
en cuyo interior pueden penetrar gases y líquidos.
•
Los poros pueden influir en las propiedades de los materiales base cemento de diferentes
maneras:
– Resistencia a compresión y elasticidad: afectadas por el volumen total de poros, aunque
también por: el tamaño y la distribución de poro, así como por la conectividad y la forma de
los poros.
– Permeabilidad y difusividad: influenciadas por el volumen total, tamaño, forma y
conectividad.
– Retracción: cambio de la energía superficial de las paredes del poro, por lo tanto dp del área
superficial del sistema poroso.
– Durabilidad en hielo/deshielo: controlada por el volumen y el espacio de los poros de aire.
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Módulo V(a): Desarrollo de Nuevos Materiales en Base Cemento y Hormigones Especiales que Mejoran el Entorno Sostenible
Determinación de la Estructura Porosa
Clasificación del Tamaño de Poros según la IUPAC (International Union of Pure and Applied
Chemistry) y según la terminología empleada en el campo de los materiales de construcción
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Módulo V(a): Desarrollo de Nuevos Materiales en Base Cemento y Hormigones Especiales que Mejoran el Entorno Sostenible
Determinación de la Estructura Porosa
Métodos usados para caracterizar la estructura porosa en materiales base-cemento,
incluyendo el rango del tamaño de poro donde se aplican
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Técnicas de caracterización de propiedades mecánicas
Ensayos de resistencia mecánica
Resistencia a flexotracción
CCBF - 0
12
CCBF - TH10
CCBF - 10
Resistencias (MPa)
10
8
6
4
2
0
2d
7d
28d
2d
7d
28d
2d
7d
28d
Rf (0.4)
7,14
8,28
9,87
6,79
9,9
8,06
7,09
7,81
8,2
Rf (0.5)
5,11
6,1
8,96
4,76
6,57
8,17
5,41
5,66
8,8
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Técnicas de caracterización de propiedades mecánicas
Ensayos de resistencia mecánica
Resistencia a compresión
CCBF - 10
CCBF - 0
CCBF - TH 10
100
90
Resistencias (MPa)
80
70
60
50
40
30
20
10
0
2d
7d
28d
2d
7d
28d
2d
7d
28d
Rc (0.4) 44,65 68,76 85,42
32,86 48,28 65,69
38,64 41,25 53,38
Rc (0.5) 21,01 34,82 46,25
20,23 29,28 44,75
22,89 26,04 38,16
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Técnicas de caracterización de propiedades mecánicas
Otros ensayos mecánicos
Ensayos de Tensión: estirar o comprimir un material hasta su fractura. Se
determinan las curvas de tensión(σ)-deformación(ε) del material.
Ensayos de Impacto: se mide la energía necesaria para romper el material bajo
un impulso o carga de choque.
Ensayos de Fatiga: se aplican cargas cíclicas al material, que puede fracturarse a
tensiones muy inferiores a las que soportaría estáticamente.
Ensayos de Dureza: se mide la resistencia del material a deformarse localmente
bajo la acción del contacto con otro cuerpo.
Otra ensayos necesarios en el campo de los materiales de construcción son:
Ensayos de principio y fin de fraguado
Ensayo de consistencia normal.
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Recopilación y análisis de resultados
La elección del material más idóneo
Conocer perfectamente a dicho material, es
decir, sus propiedades físicas, químicas,
mecánicas, estructurales, etc.
Imprescindible una caracterización exhaustiva del mismo
haciendo un uso racional de las Técnicas
En el campo de los materiales de construcción es imprescindible:
1. Composición química y mineralógica.
2. Hidratación de la pasta de cemento.
3. Microestructura
4. Propiedades Mecánicas
Para alcanzar este objetivo sería necesario normalizar ciertas técnicas de
medida que permitan determinar las magnitudes necesarias e implementar
equipos experimentales capaces de realizar estas medidas con exactitud.
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Módulo V(a): Desarrollo de Nuevos Materiales en Base Cemento y Hormigones Especiales que Mejoran el Entorno Sostenible