materiais de construção - ibracon - c14

Livro: Materiais de Construo Civil Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia

Denise Carpena Dal MolinUniversidade Federal do Rio

Grande do Sul

Tcnicas Experimentais para Estudo da Microestrutura

Captulo 14


A anlise qumica um conjunto de tcnicas destinadas a proporcionar o conhecimento da composio qualitativa e quantitativa de uma amostra, com a ajuda de mtodos qumicos e fsicos.

Anlises qumicas


Espectroscopia de infravermelho

Figura 1 Espectro de transmitncia de infravermelho do gel de uma reao lcali-agregado antes (a) e aps (b) exposio soluo de ltio (Cortesia: Nicole Pagan Hasparik).


Espectroscopia Raman

A espectroscopia Raman utilizada para determinar estruturas moleculares e composies de materiais orgnicos e inorgnicos.

Quando um feixe intenso de luz monocromtica incide em um material, podem ocorrer disperses em todas as direes com a freqncia da luz dispersa sendo a mesma da luz original (o). Esse efeito conhecido como disperso Rayleigh. Outro tipo de disperso, que pode ocorrer simultaneamente com a disperso Rayleigh, conhecido como efeito Raman. Ele ocorre em freqncias tanto maiores como menores que o e com intensidade consideravelmente menor.


Espectroscopia de absoro atmica A espectroscopia de absoro atmica um mtodo de elemento nico usado para a anlise de traos de metal de amostras biolgicas, metalrgicas, farmacuticas e atmosfricas. Essa tcnica se baseia na medida da radiao absorvida pelos tomos no estado fundamental existentes numa chama. A radiao incidente procede de uma lmpada cujo ctodo est constitudo pelo elemento a determinar. A espectroscopia de absoro atmica parte do princpio que estabelece que os tomos livres em estado estvel podem absorver a luz a um certo comprimento de onda. Como a absoro especfica a cada elemento, nenhum outro elemento absorve esse comprimento de onda (Harris e Bertolucci, 1978).


Espectroscopia de ressonncia magntica nuclear

A espectroscopia de ressonncia magntica nuclear fornece informaes detalhadas da estrutura em materiais contendo tomos que possuam um momento magntico, por exemplo, 1H, 13C, 19F, 29Si, 31P, entre outros. possvel tambm se obterem informaes da dinmica das molculas. A tcnica recomendvel para a determinao da estrutura molecular de materiais orgnicos, inorgnicos, biolgicos e organometlicos, incluindo macromolculas como polmeros (Sibilia, Hammond e Szobota, 1988).


Espectroscopia por fluorescncia de raios X

A espectroscopia de ressonncia magntica nuclear fornece informaes detalhadas da estrutura em materiais contendo tomos que possuam um momento magntico, por exemplo, 1H, 13C, 19F, 29Si, 31P, entre outros. possvel tambm se obterem informaes da dinmica das molculas. A tcnica recomendvel para a determinao da estrutura molecular de materiais orgnicos, inorgnicos, biolgicos e organometlicos, incluindo macromolculas como polmeros (Sibilia, Hammond e Szobota, 1988).

A espectroscopia por fluorescncia de raios X uma tcnica analtica relativamente simples e, em geral, no destrutiva, usada na determinao qualitativa e quantitativa de elementos que compem uma amostra.


Anlises trmicas

A anlise trmica definida como um conjunto de tcnicas pelas quais as propriedades fsicas ou qumicas de uma substncia, uma mistura e/ou um reativo so medidas como funes de temperatura ou tempo, enquanto a amostra estsujeita a um programa de temperatura controlada. O programa pode consistir em aquecer ou resfriar (dinmico), ou manter a temperatura constante (isotrmica), ou qualquer seqncia destes programas, revelando mudanas na estrutura e outras propriedades importantes dos materiais em anlise.


Termogravimetria

A termogravimetria (TG) utilizada para determinarem-se mudanas na massa de uma amostra, como funo da temperatura ou do tempo, quando aquecida lentamente em um forno, em uma atmosfera controlada. As mudanas de massa podem resultar de transformaes qumicas ou fsicas (Turi, Khanna e Taylor,1988; Hasparik, 2005).


Termogravimetria

Figura 2 Curvas TG/DTG do gel puro proveniente de uma reao lcali-agregado (Cortesia: Nicole Pagan Hasparik).


Anlise trmica diferencial

A tcnica de anlise trmica diferencial (DTA) permite a anlise das mudanas endotrmicas e/ou exotrmicas que ocorrem com a temperatura em um material, proporcionando informaes importantes, como a temperatura de fuso e cristalizao, reaes de decomposio, mudana de fase, oxidao, entre outras (Hasparik, 2005).


Anlise trmica diferencial

Figura 3 Curvas DTA do gel puro apresentando apenas picos endotrmicos(Cortesia: Nicole Pagan Hasparik).


Calorimetria exploratria diferencial

A tcnica de calorimetria exploratria diferencial (DSC) fornece informaes quantitativas sobre as mudanas que ocorrem na amostra analisada com o aumento ou decrscimo da temperatura.


Difratometria de raios X

Dentre as vrias tcnicas de caracterizao de materiais, a tcnica de difrao de raios X a mais indicada na determinao das fases cristalinas presentes em materiais. Embora fornea os elementos qumicos presentes em uma amostra, a anlise qumica no informa como eles esto ligados, no sendo suficiente para identificar fases polimrficas (Albert et al., 2002). Assim, a difrao de raios X utilizada para se obterem informaes sobre a estrutura, composio e estado de materiais policristalinos. No caso de materiais laminares, os difratogramas de raios X permitem determinar a distncia interplanar.



Figura 4 Difratograma de raios X de uma escria de aciaria eltrica in natura (antes de ser submetida ao resfriamento brusco) (Cortesia: ngela Borges Masuero).



Figura 5 Difratograma de raios X de uma escria de aciaria eltrica aps ser submetida fuso e ao resfriamento brusco (Cortesia: ngela Borges Masuero).


Determinao do potencial zeta

O potencial zeta pode ser usado para prever e controlar a estabilidade de suspenses ou emulses coloidais. Quanto maior o valor absoluto do potencial zeta, mais provvel que a suspenso seja estvel, j que as partculas carregadas se repelem umas s outras, e essa fora supera a tendncia natural agregao. Para valores absolutos baixos de potencial zeta, ocorre agregao das partculas, no existindo foras para evit-la. A medida do potencial zeta , com freqncia, a chave para se compreenderem processos de disperso e agregao em aplicaes como purificao de gua, moldes cermicos ou a formulao de tintas e cosmticos.


Determinao do potencial zeta

potencialde potencial

+

+

+

+

+

+

+ +

+

+

+

+ +

+

+

+

++

+

+ + ++

++

+ + +

+

++ +

+

duplacamada

partcula comcarga superficial

negativa

1/

p

o

t

e

n

c

i

a

l

distncia

Potencial de superfcie

Partcula com carga superficial

negativa

Figura 6 Esquema representativo da dupla camada eltrica e do potencial zeta(Myers, 1999, apud Hasparik, 2005).


Microscopia

A microscopia ptica usada para anlise e caracterizao de materiais, por meio da utilizao de luz visvel. Por microscopia ptica pode-se observar grande parte dos defeitos cristalinos (contornos de gros e contornos de subgros) e constituintes microestruturais maiores que 0.2 m. Uma das limitaes da microscopia ptica o aumento mximo conseguido, que fica em torno de 2000 vezes. Como conseqncia, pequenos detalhes estruturais no so possveis de serem detectados por meio desta tcnica. A microscopia ptica tem como principal potencialidade permitir a anlise de grandes reas em curto espao de tempo, alm de ser de utilizao simples e pouco dispendiosa(Reimschuessel, Williams e Theurer, 1988).


Microscopia

Figura 7 Micrografia da seo da junta entre dois xidos de alumnio, atacados termicamente a 1400C por 1 h (Cortesia: Carlos Bergmann).


Microscopia eletrnica

O microscpio eletrnico de varredura (MEV) um equipamento verstil que permite a obteno de informaes estruturais e qumicas de amostras diversas. O aumento mximo conseguido pelo MEV fica entre o do microscpio ptico (MO) e o do microscpio eletrnico de transmisso (MET). Dependendo do material, a MEV permite alcanar aumentos de at 900.000 vezes, mas, normalmente, o aumento mximo, para obteno de uma boa imagem, da ordem de 10.000 vezes (Reimschuessel, Williams e Theurer, 1988).


Microscopia eletrnica

Raios-X absorvidos

Eltrons transmitidos edifratados

Eltrons retro-espalhados

Eltrons Auger

Eltrons transmitidos edifratados

Eltronsabsorvidos

Raios-X caractersticos

Eltrons secundrios

Raios-X absorvidos

Ftons(catodoluminescncia)

Feixe incidente de eltrons

Figura 9 Princpio de funcionamento do microscpio eletrnico de varredura (Murr, 1991 apud Silveira, 2007).


Microscopia eletrnica de varredura por eltrons retroespalhados

Os eltrons retroespalhados so obtidos pelo espalhamento elstico dos eltrons cuja trajetria foi desviada em mais de 90 em relao direo do feixe incidente. Sua intensidade mostra dependncia com o nmero atmico. As imagens de eltrons retroespalhados so representadas em tons de cinza. Os tons claros correspondem s pores constitudas por elementos com nmero atmico mdio relativamente maior do que aquelas com tons mais escuros. Contudo, a resoluo da imagem de eltrons retroespalhados menor que a de eltrons secundrios, pois as regies de liberao de eltrons retroespalhados abrangem uma rea maior que aquelas de liberao de eltrons secundrios na superfcie analisada.


Microscopia eletrnica de varredura por eltrons retroespalhados

Figura 10 Micrografias obtidas com MEV por eltrons retroespalhados, ampliadas 1000x, de concretos com 28 dias e relaes a/c de (a) 0,25 e (b) 0,60 (3 zona de transio; 4 agregado; 5 gro cimento

anidro; 7 pasta de cimento hidratada; 8 vazio) (Cortesia: Paulo Srgio Lima Souza).


Microscopia eletrnica de varredura por eltrons secundrios

Eltrons secundrios (ES) so eltrons ejetados de tomos da amostra devido a interaes inelsticas dos eltrons energticos do feixe primrio com eltrons pouco energticos da banda de conduo nos metais ou de valncia nos semicondutores e isolantes. Por definio, os eltrons que so emitidos da amostra com energia inferior a 50 eV so chamados de eltrons secundrios.


Microscopia eletrnica de varredura por eltrons secundrios

Figura 11 Imagem em MEV por eltrons secundrios de uma amostra de concreto com 25% de cinza de casca de arroz e basalto: (a) apresentando gel macio gretado da reao lcali-slica sobre o agregado

(ampliao 200x) e (b) apresentando produtos cristalizados nos poros (ampliao 3000x) (Cortesia: Adriana Silveira).


EDS (Energy Dispersive Spectroscopy )

Ao microscpio eletrnico de varredura pode ser acoplado o sistema de EDS, o qual possibilita a determinao da composio qualitativa e semiquantitativa das amostras, a partir da emisso de raios X caractersticos. possvel identificar-se a composio de regies com at 1 m de dimetro. O limite de deteco da ordem de 1%, mas pode variar de acordo com as especificaes utilizadas durante a anlise, como o tempo de contagem, por exemplo. Um elemento existente na amostra na ordem de 10% ou mais pode ser identificado em apenas 10s, levando cerca de 100s para a avaliao de um elemento na ordem de 1%.


EDS (Energy Dispersive Spectroscopy )

Figura 12 Imagem em MEV da amostra de um concreto com agregado de basalto apresentando reao lcali-agregado: (a) detalhe do gel inserido em um vazio da matriz e (b) espectro EDS indicando a formao

de gel de baixa relao C/S (Cortesia: Adriana Augustin Silveira).


MEV ambiental

A microscopia eletrnica ambiental de varredura (environmental scanning electron microscope ESEM) opera em baixo vcuo. A amostra pode ser examinada com um campo de emisso com fonte de feixe de eltrons em uma cmara de alta presso. medida que a presso do gs residual na amostra excede a presso do vapor de gua saturado, amostras contendo umidade podem ser observadas sem secagem prvia. Isso viabiliza a realizao de investigaes de processos dinmicos ou reaes que ocorram na presena de uma fase lquida ou gasosa, tais como hidratao, desidratao, dissoluo e cristalizao, aquecimento, resfriamento, propagao de fraturas, entre outros.


Microscopia eletrnica de transmisso

A Microscopia Eletrnica de Transmisso (MET) uma tcnica utilizada para estudar a estrutura interna de amostras finas e morfologias de superfcies pelo exame das intensidades de eltrons transmitidos e difratados. A microscopia eletrnica de transmisso indicada para a anlise de defeitos e fases internas dos materiais, como discordncias, defeitos de empilhamento e pequenas partculas de segunda fase (Padilha, s.d.).


Microscopia eletrnica de transmisso

Figura 13 Imagem obtida por MET, de amostra de gel da reao lcali-agregado: (a) viso geral do gel com cristalitos e (b) anis e spots de difrao de eltrons (Cortesia: Adriana Augustin Silveira).


Anlise petrogrfica

A anlise petrogrfica destina-se ao estudo da formao, da textura, da composio mineralgica e da estrutura das rochas. aplicada tambm a outros materiais inorgnicos, como o concreto, sendo at hoje um meio fundamental de aquisio de informaes sobre a composio mineralgica e estrutura do concreto.


Anlise petrogrfica

Figura 14 Aspecto microscpico de um basalto constitudo por plagioclsio (PL), piroxnio (PX), opacos (OP) e quartzo microcristalino (Q). Ampliao aproximada de 100x. (a) polarizador cruzado e (b) polarizador

paralelo (Cortesia: Adriana Augustin Silveira).


Anlise petrogrfica

Quadro 1 Normas referentes anlise petrogrfica.

Proce dncia

American Society for Testing and Materials (americana)

Deutsches Institut fr Normung (alem)

Ente Nazionale Italiano di Unificazion (italiana)

British Standa

rds (ingles

a)

Associa o

Brasilei ra de

Normas Tcnica

s (brasilei

ra)

Norm a

ASTM C 295ASTM C 856 DIN 52100 P2 UNI 9724/1 UNI EN 12407

BS EN 12407

BS 7943BS 812

P104BS EN 932-3

NBR 12768NBR 7389


Anlise de imagem

As tcnicas de processamento e anlise de imagens digitais tm sido muito utilizadas para a quantificao da geometria de microestruturas. A quantificao a partir de imagens permite a descrio da forma, do tamanho e da organizao dos constituintes das vrias fases de uma dada microestrutura.


Anlise de imagem

Figura 15 Etapas do processo de anlise de imagem (a) imagem digital obtida por microscopia; (b) identificao das partculas densas e (c) detalhe do contorno dos gros

(http://www.materiais.ufsc.br/Disciplinas/EMC5793/arquivos/fatores_de_forma.ppt).


Porosimetria por intruso de mercrio

A porosimetria por intruso de mercrio pode ser utilizada como uma tcnica experimental para determinao do tamanho mdio dos poros, volume total de poros, distribuio do tamanho dos poros (relaes percentuais de freqncia entre os vrios tipos de porometrias), superfcie especfica, densidade e estrutura de slidos no-compressveis. A tcnica aplicvel para tamanho de poros de 300 m a 3 nanmetros. Tanto slidos rgidos como maleveis podem ter seus poros medidos acima de 10 m. Abaixo deste tamanho de poro, a tcnica aplicvel somente para partculas rgidas (McDonnell e Walsh, 1988).


Porosimetria por intruso de mercrio

600 100 10 1 0,1 0,010

2

4

6

8

10

12

14

16

18

0% 10% 20%

gua/aglomerante 0,40

V

o

l

u

m

e

H

g

(

%

)

Dimetro (m)600 100 10 1 0,1 0,01

0% 10% 20%

gua/aglomerante 0,70

Figura 16 Volume de mercrio intrudido acumulado em funo do dimetro dos poros argamassa, 28 dias, comparao entre teores de adio de slica ativa (0,10 e 20% sobre a massa de cimento) e relao

gua/aglomerante (0,40 e 0,70) (Cortesia: Marlova Piva Kulakowski).


Adsoro de nitrognio

O mtodo de adsoro de nitrognio, empregando a tcnica B.E.T, largamente utilizado para caracterizao de porosidade e superfcie especfica de materiais porosos e/ou microporosos como cermicas, carves, argilas, solos, xidos no ferrosos, entre outros.


Granulometria por difrao a laser

A anlise de distribuio de tamanho de partculas por difrao a laser baseia-se no princpio (difrao Fraunhffer) de que, quanto menor o tamanho da partcula, maior o ngulo de difrao de um feixe luminoso que atravessa uma populao de partculas.


Granulometria por difrao a laser

Figura 17 Curvas de distribuio granulomtrica de cimento e adies minerais, obtidas por difrao a laser (Cortesia de Regis Moraes)

Tcnicas Experimentais para Estudo da MicroestruturaAnlises qumicasEspectroscopia de infravermelhoEspectroscopia de infravermelhoEspectroscopia RamanEspectroscopia de absoro atmicaEspectroscopia de ressonncia magntica nuclearEspectroscopia por fluorescncia de raios X Anlises trmicasTermogravimetria Termogravimetria Anlise trmica diferencial Anlise trmica diferencial Calorimetria exploratria diferencial Difratometria de raios X Determinao do potencial zetaDeterminao do potencial zetaMicroscopiaMicroscopiaMicroscopia eletrnicaMicroscopia eletrnicaMicroscopia eletrnica de varredura por eltrons retroespalhados Microscopia eletrnica de varredura por eltrons retroespalhados Microscopia eletrnica de varredura por eltrons secundrios Microscopia eletrnica de varredura por eltrons secundrios EDS (Energy Dispersive Spectroscopy ) EDS (Energy Dispersive Spectroscopy ) MEV ambiental Microscopia eletrnica de transmissoMicroscopia eletrnica de transmissoAnlise petrogrficaAnlise petrogrficaAnlise petrogrficaAnlise de imagemAnlise de imagemPorosimetria por intruso de mercrioPorosimetria por intruso de mercrioAdsoro de nitrognioGranulometria por difrao a laserGranulometria por difrao a laser

materiais de construção - ibracon - c14

Documents