Importancia de la caracterización microestructural por microscopía electrónica de barrido en los materiales de construcción

Un interesante artículo de +Ciencia sobre la importancia de la caracterización por medio de un microscopio electrónico de barrido en materiales para construcción. 

La revista +Ciencia de la Facultad de Ingeniería nos comparte interesantes artículos como la creación de un generador de pulsos para uso en neurofisiología, la técnica de espectroscopía de dispersión de energía como auxiliar para conocer mejor los materiales o el microscopio electrónico de transmisión y la biología celular, así como uno sobre la importancia de la caracterización microestructural por microscopía electrónica de barrido en los materiales de construcción.
 

Importancia de la caracterización microestructural por microscopía electrónica de barrido en los materiales de construcción

Los materiales de construcción son materias primas, productos y subproductos que sirven para la creación de obras civiles y edificaciones, sus características físicas y mecánicas son de gran importancia para garantizar el buen funcionamiento de la obra en cuestión a lo largo de su vida útil, sin generar costos extraordinarios de mantenimiento. 
 

En años recientes se han probado con nuevas composiciones, aditivos, adiciones o sustituciones con el objetivo de desarrollar materiales de construcción más resistentes, durables y con menor impacto ambiental (1); estos nuevos materiales son rigurosamente ensayados para comprobar sus cualidades físicas y mecánicas, por tal motivo son sometidos a pruebas de compresión, tensión, flexión, resistencia a penetración de agentes externos, entre otros igual de importantes; sin embargo, este tipo de ensayos no aportan información sobre la morfología microestructural resultado de las modificaciones que se han realizado; siendo la microestructura la que proporciona las propiedades a la macroestructura (y no al revés), es importante conocerla, estudiarla y entenderla con el fin de tomarla en cuenta en las decisiones de diseño y aplicación de materiales.

Un instrumento que puede ser de gran utilidad para cumplir con este propósito es el Microscopio Electrónico de Barrido (SEM, por sus siglas en inglés, Scanning Electron Microscope), que por su configuración (Figura 1) puede detectar señales que nos permiten observar y caracterizar la superficie de los materiales estudiados, proporcionando información de la morfología y composición química (2).

Figura 1. Esquema de un Microscopio Electrónico de Barrido.

Un ejemplo de la aplicación de este tipo de análisis en materiales de construcción se presenta en la Figura 2; las micrografías corresponden a mortero base cemento portland (CP) con una edad de siete días, los cuales fueron elaborados según como lo señala el Ing. Fidel Bautista en su investigación “Evaluación de la durabilidad de matrices de cemento portland, con adición de mucílago de nopal”. La diferencia significativa entre la composición de cada una de las muestras que se presentan en las micrografías es que la etiquetada como (a) corresponde a una mezcla testigo que tiene los componentes típicos de un mortero (agua, CP y arena); en cambio, a las muestras (b) y (c) se les añadió mucílago (baba) de nopal como líquido de mezclado (3), esto con el fin de aumentar la resistencia a la infiltración de agentes agresivos externos y por ende aumentar su durabilidad.
 

La presencia de mucílago en las mezclas de mortero retrasa el proceso de endurecimiento y por ende aumentan los tiempos de fraguado (4); en las micrografías de la figura 2 es posible observar este fenómeno. En la Figura 2a, correspondiente a la mezcla de mortero sin adiciones de mucílago, se puede apreciar la presencia de cristales con forma de “agujas” alargadas que emergen de un núcleo más consolidado; estas formas son características del proceso de hidratación del CP. Por otro lado, en la Figura 2b que corresponde a una mezcla con cierta adición de mucílago de nopal, los cristales con forma de agujas que se presentan son de menor tamaño y espesor; para el caso de la Figura 2c, donde la mezcla tiene un porcentaje de mucílago mayor que en la muestra b, la formación de estas geometrías apenas es perceptible.

Figura 2. Micrografías de morteros base CP con edades de siete días, utilizando detector de electrones retrodispersados. a) mezcla de cemento, arena y agua; b) y c) mezclas de cemento, arena y mucílago de nopal, en donde b) tiene menor adición de mucílago que c).
 

Adicionalmente con la ayuda de un análisis elemental EDS (por sus siglas en inglés, Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy) es posible verificar cuáles elementos químicos se encuentran presentes en las geometrías identificadas y mediante un análisis semi-cuantitativo conocer su porcentaje de presencia; de esta manera es posible corroborar que los cristales que se van formando tienen la misma composición en los tres casos. En la Figura 3 se muestra un ejemplo de este tipo de análisis, en donde se observa la presencia de los elementos Ca, O, Si, C, Al entre otros, propios del CP y del agregado pétreo que se utilizó.

Figura 3. Espectro EDS de la muestra b (con adición de mucílago de nopal) a una edad de siete días.

Esta información es de gran importancia, ya que nos confirma que, aunque los tiempos de endurecimiento son más largos, la formación de las estructuras que dan las propiedades mecánicas y físicas deseables en los morteros base CP se siguen llevando a cabo, de igual manera nos indica que, debido al incremento en los tiempos de fraguado, se deben tomar medidas extraordinarias en los procesos constructivos tales como períodos más prolongados en el uso de moldes para garantizar el endurecimiento con la forma deseada.
 

El seguimiento en la evolución de la formación de las diferentes fases, resultado de la hidratación del CP, concluirá si la adición de mucílago es beneficioso para la mezcla de mortero o no; sin embargo, con este ejemplo podemos observar la importancia de la caracterización por medio de SEM en el diseño de materiales de construcción. Este tipo de análisis nos permite conocer de qué manera el cambio de composición, uso de aditivos o adiciones afectan la microestructura, modificando el comportamiento físico y la resistencia mecánica del material en general. 

Agradecimientos

A la M. en C. Ana Iris Peña Maldonado por la obtención de las micrografías presentadas, al Laboratorio Nacional de Investigaciones en Nanociencias y Nanotecnología (LINAN) y al Instituto Potosino de Investigación Científica y Tecnológica (IPICYT) por las facilidades prestadas, así como al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (Conacyt) por la beca otorgada.

*Autores: Dr. Miguel Ávalos Borja e Ing. Azucena Karen Alvarado Pérez del Instituto Potosino de Investigación Científica y Tecnológica, San Luis Potosí, San Luis Potosí, y Dr. Wilfrido Martínez Molina y Dra. Elia Mercedes Alonso Guzmán de la Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, Morelia, Michoacán.

Referencias:

1.    Khatib, J.  (2016). Sustainability of construction materials. Second edition, Woodhead Publishing.
2.    Zhou, W., et al. (2006). “Fundamentals of scanning electron microscopy (SEM)”. Scanning microscopy for nanotechnology. Springer, 1-40.
3.    Bautista-León, F.  (2017). Evaluación de la durabilidad de matrices de Cemento Portland, con adición de Mucílago de Nopal [Tesis de licenciatura]. Morelia, UMSNH.
4.    Ramírez-Arellanes, S., et al. (2012). “Propiedades de durabilidad en concreto y análisis microestructural en pastas de cemento con adición de mucílago de nopal como aditivo natural”. Materiales de Construcción, 62(307): 327-341.

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