cap14 - Técnicas experimentais para estudo da microestrutura

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Livro: Materiais de Construção Civil 
Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
Denise Carpena Dal Molin
Universidade Federal do Rio 
Grande do Sul
Técnicas Experimentais para Estudo da 
Microestrutura
Capítulo 14
Livro: Materiais de Construção Civil 
Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
• A análise química é um conjunto de técnicas destinadas a
proporcionar o conhecimento da composição qualitativa e
quantitativa de uma amostra, com a ajuda de métodos
químicos e físicos.
Análises químicas
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Espectroscopia de infravermelho
Figura 1 – Espectro de transmitância de infravermelho do gel de uma reação álcali-agregado antes (a) e 
após (b) exposição à solução de lítio (Cortesia: Nicole Pagan Hasparik).
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Espectroscopia de infravermelho
Figura 1 – Espectro de transmitância de infravermelho do gel de uma reação álcali-agregado antes (a) e 
após (b) exposição à solução de lítio (Cortesia: Nicole Pagan Hasparik).
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Espectroscopia Raman
 A espectroscopia Raman é utilizada para determinar
estruturas moleculares e composições de materiais orgânicos
e inorgânicos.
 Quando um feixe intenso de luz monocromática incide em
um material, podem ocorrer dispersões em todas as direções
– com a freqüência da luz dispersa sendo a mesma da luz
original (o). Esse efeito é conhecido como dispersão
Rayleigh. Outro tipo de dispersão, que pode ocorrer
simultaneamente com a dispersão Rayleigh, é conhecido
como efeito Raman. Ele ocorre em freqüências tanto maiores
como menores que o e com intensidade consideravelmente
menor.
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Espectroscopia de absorção atômica
 A espectroscopia de absorção atômica é um método de
elemento único usado para a análise de traços de metal de
amostras biológicas, metalúrgicas, farmacêuticas e
atmosféricas.
 Essa técnica se baseia na medida da radiação absorvida
pelos átomos no estado fundamental existentes numa
chama. A radiação incidente procede de uma lâmpada cujo
cátodo está constituído pelo elemento a determinar. A
espectroscopia de absorção atômica parte do princípio que
estabelece que os átomos livres em estado estável podem
absorver a luz a um certo comprimento de onda. Como a
absorção é específica a cada elemento, nenhum outro
elemento absorve esse comprimento de onda (Harris e
Bertolucci, 1978).
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Espectroscopia de ressonância magnética 
nuclear
 A espectroscopia de ressonância magnética nuclear
fornece informações detalhadas da estrutura em materiais
contendo átomos que possuam um momento magnético, por
exemplo, 1H, 13C, 19F, 29Si, 31P, entre outros. É possível
também se obterem informações da dinâmica das moléculas.
A técnica é recomendável para a determinação da estrutura
molecular de materiais orgânicos, inorgânicos, biológicos e
organometálicos, incluindo macromoléculas como polímeros
(Sibilia, Hammond e Szobota, 1988).
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Espectroscopia por fluorescência de raios X 
 A espectroscopia de ressonância magnética nuclear
fornece informações detalhadas da estrutura em materiais
contendo átomos que possuam um momento magnético, por
exemplo, 1H, 13C, 19F, 29Si, 31P, entre outros. É possível
também se obterem informações da dinâmica das moléculas.
A técnica é recomendável para a determinação da estrutura
molecular de materiais orgânicos, inorgânicos, biológicos e
organometálicos, incluindo macromoléculas como polímeros
(Sibilia, Hammond e Szobota, 1988).
 A espectroscopia por fluorescência de raios X é uma técnica
analítica relativamente simples e, em geral, não destrutiva,
usada na determinação qualitativa e quantitativa de elementos
que compõem uma amostra.
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Análises térmicas
 A análise térmica é definida como um conjunto de técnicas
pelas quais as propriedades físicas ou químicas de uma
substância, uma mistura e/ou um reativo são medidas como
funções de temperatura ou tempo, enquanto a amostra está
sujeita a um programa de temperatura controlada. O
programa pode consistir em aquecer ou resfriar (dinâmico),
ou manter a temperatura constante (isotérmica), ou qualquer
seqüência destes programas, revelando mudanças na
estrutura e outras propriedades importantes dos materiais
em análise.
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Termogravimetria 
 A termogravimetria (TG) é utilizada para determinarem-se
mudanças na massa de uma amostra, como função da
temperatura ou do tempo, quando aquecida lentamente em
um forno, em uma atmosfera controlada. As mudanças de
massa podem resultar de transformações químicas ou físicas
(Turi, Khanna e Taylor,1988; Hasparik, 2005).
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Termogravimetria 
•Figura 2 – Curvas TG/DTG do gel puro proveniente de uma reação álcali-agregado 
•(Cortesia: Nicole Pagan Hasparik).
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Análise térmica diferencial 
 A técnica de análise térmica diferencial (DTA) permite a 
análise das mudanças endotérmicas e/ou exotérmicas que 
ocorrem com a temperatura em um material, proporcionando 
informações importantes, como a temperatura de fusão e 
cristalização, reações de decomposição, mudança de fase, 
oxidação, entre outras (Hasparik, 2005).
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Análise térmica diferencial 
•Figura 3 – Curvas DTA do gel puro apresentando apenas picos endotérmicos
•(Cortesia: Nicole Pagan Hasparik).
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Calorimetria exploratória diferencial 
 A técnica de calorimetria exploratória diferencial (DSC)
fornece informações quantitativas sobre as mudanças que
ocorrem na amostra analisada com o aumento ou
decréscimo da temperatura.
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Difratometria de raios X 
 Dentre as várias técnicas de caracterização de materiais, a
técnica de difração de raios X é a mais indicada na
determinação das fases cristalinas presentes em materiais.
Embora forneça os elementos químicos presentes em uma
amostra, a análise química não informa como eles estão
ligados, não sendo suficiente para identificar fases
polimórficas (Albert et al., 2002). Assim, a difração de raios X
é utilizada para se obterem informações sobre a estrutura,
composição e estado de materiais policristalinos. No caso de
materiais laminares, os difratogramas de raios X permitem
determinar a distância interplanar.
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Difratometria de raios X 
Figura 4 – Difratograma de raios X de uma escória de aciaria elétrica in natura (antes de ser submetida ao 
resfriamento brusco) (Cortesia: Ângela Borges Masuero).
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Difratometria de raios X 
Figura 5 – Difratograma de raios X de uma escória de aciaria elétrica após ser submetida à fusão e ao 
resfriamento brusco (Cortesia: Ângela Borges Masuero).
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Determinação do potencial zeta
 O potencial zeta pode ser usado paraprever e controlar a
estabilidade de suspensões ou emulsões coloidais. Quanto
maior o valor absoluto do potencial zeta, mais provável que a
suspensão seja estável, já que as partículas carregadas se
repelem umas às outras, e essa força supera a tendência
natural à agregação. Para valores absolutos baixos de
potencial zeta, ocorre agregação das partículas, não existindo
forças para evitá-la.
 A medida do potencial zeta é, com freqüência, a chave para
se compreenderem processos de dispersão e agregação em
aplicações como purificação de água, moldes cerâmicos ou a
formulação de tintas e cosméticos.
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Determinação do potencial zeta
potencial
de
 superfície
potencial
zeta
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+ +
+
+
+
+
+
+
+ + +
+
++
+ + +
+
+
+ +
+
dupla
camada
 elétrica
 partícula com
carga superficial
 negativa
1/
 
 
p
o
te
n
c
ia
l
distância
Potencial de 
superfície 
Partícula com 
carga superficial 
negativa 
•Figura 6 – Esquema representativo da dupla camada elétrica e do potencial zeta
•(Myers, 1999, apud Hasparik, 2005).
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Microscopia
 A microscopia óptica é usada para análise e caracterização
de materiais, por meio da utilização de luz visível. Por
microscopia óptica pode-se observar grande parte dos defeitos
cristalinos (contornos de grãos e contornos de subgrãos) e
constituintes microestruturais maiores que 0.2 m. Uma das
limitações da microscopia óptica é o aumento máximo
conseguido, que fica em torno de 2000 vezes. Como
conseqüência, pequenos detalhes estruturais não são
possíveis de serem detectados por meio desta técnica. A
microscopia óptica tem como principal potencialidade permitir
a análise de grandes áreas em curto espaço de tempo, além
de ser de utilização simples e pouco dispendiosa
(Reimschuessel, Williams e Theurer, 1988).
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Microscopia
Figura 7 – Micrografia da seção da junta entre dois óxidos de alumínio, atacados termicamente a 1400ºC 
por 1 h (Cortesia: Carlos Bergmann).
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Microscopia eletrônica
 O microscópio eletrônico de varredura (MEV) é um
equipamento versátil que permite a obtenção de informações
estruturais e químicas de amostras diversas. O aumento
máximo conseguido pelo MEV fica entre o do microscópio
óptico (MO) e o do microscópio eletrônico de transmissão
(MET). Dependendo do material, a MEV permite alcançar
aumentos de até 900.000 vezes, mas, normalmente, o
aumento máximo, para obtenção de uma boa imagem, é da
ordem de 10.000 vezes (Reimschuessel, Williams e Theurer,
1988).
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Microscopia eletrônica
Raios-X absorvidos
Elétrons transmitidos e
difratados
Elétrons retro-espalhados
Elétrons “Auger”
Elétrons transmitidos e
difratados
Elétrons
absorvidos
Raios-X característicos
Elétrons secundários
Raios-X absorvidos
Fótons
(catodoluminescência)
Feixe incidente de elétrons
Figura 8 – Princípio de funcionamento do microscópio eletrônico de varredura (Murr, 1991 apud Silveira, 
2007).
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Microscopia eletrônica de varredura por 
elétrons retroespalhados
 Os elétrons retroespalhados são obtidos pelo espalhamento
elástico dos elétrons cuja trajetória foi desviada em mais de
90º em relação à direção do feixe incidente. Sua intensidade
mostra dependência com o número atômico. As imagens de
elétrons retroespalhados são representadas em tons de
cinza. Os tons claros correspondem às porções constituídas
por elementos com número atômico médio relativamente
maior do que aquelas com tons mais escuros. Contudo, a
resolução da imagem de elétrons retroespalhados é menor
que a de elétrons secundários, pois as regiões de liberação
de elétrons retroespalhados abrangem uma área maior que
aquelas de liberação de elétrons secundários na superfície
analisada.
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Microscopia eletrônica de varredura por 
elétrons retroespalhados
Figura 9 – Micrografias obtidas com MEV por elétrons retroespalhados, ampliadas 1000x, de concretos com 
28 dias e relações a/c de (a) 0,25 e (b) 0,60 (3  zona de transição; 4  agregado; 5  grão cimento 
anidro; 7  pasta de cimento hidratada; 8  vazio) (Cortesia: Paulo Sérgio Lima Souza).
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Microscopia eletrônica de varredura por 
elétrons secundários
 Elétrons secundários (ES) são elétrons ejetados de átomos
da amostra devido a interações inelásticas dos elétrons
energéticos do feixe primário com elétrons pouco energéticos
da banda de condução nos metais ou de valência nos
semicondutores e isolantes. Por definição, os elétrons que
são emitidos da amostra com energia inferior a 50 eV são
chamados de elétrons secundários.
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Microscopia eletrônica de varredura por 
elétrons secundários
Figura 10 – Imagem em MEV por elétrons secundários de uma amostra de concreto com 25% de cinza de 
casca de arroz e basalto: (a) apresentando gel maciço gretado da reação álcali-sílica sobre o agregado 
(ampliação 200x) e (b) apresentando produtos cristalizados nos poros (ampliação 3000x) (Cortesia: Adriana 
Silveira).
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EDS (Energy Dispersive Spectroscopy )
 Ao microscópio eletrônico de varredura pode ser acoplado o
sistema de EDS, o qual possibilita a determinação da
composição qualitativa e semiquantitativa das amostras, a
partir da emissão de raios X característicos. É possível
identificar-se a composição de regiões com até 1 µm de
diâmetro.
 O limite de detecção é da ordem de 1%, mas pode variar de
acordo com as especificações utilizadas durante a análise,
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
avaliação de um elemento na ordem de 1%.
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EDS (Energy Dispersive Spectroscopy )
Figura 11 – Imagem em MEV da amostra de um concreto com agregado de basalto apresentando reação 
álcali-agregado: (a) detalhe do gel inserido em um vazio da matriz e (b) espectro EDS indicando a formação 
de gel de baixa relação C/S (Cortesia: Adriana Augustin Silveira).
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MEV ambiental
 A microscopia eletrônica ambiental de varredura
(environmental scanning electron microscope – ESEM)
opera em baixo vácuo. A amostra pode ser examinada com
um campo de emissão com fonte de feixe de elétrons em
uma câmara de alta pressão. À medida que a pressão do gás
residual na amostra excede a pressão do vapor de água
saturado, amostras contendo umidade podem ser
observadas sem secagem prévia. Isso viabiliza a realização
de investigações de processos dinâmicos ou reações que
ocorram na presença de uma fase líquida ou gasosa, tais
como hidratação, desidratação, dissolução e cristalização,
aquecimento, resfriamento, propagação de fraturas, entre
outros.
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Microscopia eletrônicade transmissão
 A Microscopia Eletrônica de Transmissão (MET) é uma
técnica utilizada para estudar a estrutura interna de
amostras finas e morfologias de superfícies pelo exame das
intensidades de elétrons transmitidos e difratados. A
microscopia eletrônica de transmissão é indicada para a
análise de defeitos e fases internas dos materiais, como
discordâncias, defeitos de empilhamento e pequenas
partículas de segunda fase (Padilha, s.d.).
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Microscopia eletrônica de transmissão
Figura 12 – Imagem obtida por MET, de amostra de gel da reação álcali-agregado: (a) visão geral do gel 
com cristalitos e (b) anéis e spots de difração de elétrons (Cortesia: Adriana Augustin Silveira).
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Análise petrográfica
 A análise petrográfica destina-se ao estudo da formação, da
textura, da composição mineralógica e da estrutura das
rochas. É aplicada também a outros materiais inorgânicos,
como o concreto, sendo até hoje um meio fundamental de
aquisição de informações sobre a composição mineralógica e
estrutura do concreto.
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Análise petrográfica
Figura 13 – Aspecto microscópico de um basalto constituído por plagioclásio (PL), piroxênio (PX), opacos 
(OP) e quartzo microcristalino (Q). Ampliação aproximada de 100x. (a) polarizador cruzado e (b) polarizador 
paralelo (Cortesia: Adriana Augustin Silveira).
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Análise petrográfica
Quadro 1 – Normas referentes à análise petrográfica.
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Análise de imagem
 As técnicas de processamento e análise de imagens digitais
têm sido muito utilizadas para a quantificação da geometria
de microestruturas. A quantificação a partir de imagens
permite a descrição da forma, do tamanho e da organização
dos constituintes das várias fases de uma dada
microestrutura.
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Análise de imagem
•Figura 14 – Etapas do processo de análise de imagem (a) imagem digital obtida por microscopia; (b) 
identificação das partículas densas e (c) detalhe do contorno dos grãos 
•(http://www.materiais.ufsc.br/Disciplinas/EMC5793/arquivos/fatores_de_forma.ppt).
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Porosimetria por intrusão de mercúrio
A porosimetria por intrusão de mercúrio pode ser utilizada
como uma técnica experimental para determinação do
tamanho médio dos poros, volume total de poros, distribuição
do tamanho dos poros (relações percentuais de freqüência
entre os vários tipos de porometrias), superfície específica,
densidade e estrutura de sólidos não-compressíveis.
 A técnica é aplicável para tamanho de poros de 300
m a 3 nanômetros. Tanto sólidos rígidos como maleáveis
podem ter seus poros medidos acima de 10 m. Abaixo
deste tamanho de poro, a técnica é aplicável somente para
partículas rígidas (McDonnell e Walsh, 1988).
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Porosimetria por intrusão de mercúrio
600 100 10 1 0,1 0,01
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
 0%
 10%
 20%
 
água/aglomerante 0,40
Vo
lum
e 
Hg
 (%
)
Diâmetro (m)
600 100 10 1 0,1 0,01
 0%
 10%
 20%
água/aglomerante 0,70
 
 
 
Figura 15 – Volume de mercúrio intrudido acumulado em função do diâmetro dos poros – argamassa, 28 
dias, comparação entre teores de adição de sílica ativa (0,10 e 20% sobre a massa de cimento) e relação 
água/aglomerante (0,40 e 0,70) (Cortesia: Marlova Piva Kulakowski).
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Adsorção de nitrogênio
 O método de adsorção de nitrogênio, empregando a técnica
B.E.T, é largamente utilizado para caracterização de
porosidade e superfície específica de materiais porosos e/ou
microporosos como cerâmicas, carvões, argilas, solos, óxidos
não ferrosos, entre outros.
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Granulometria por difração a laser
 A análise de distribuição de tamanho de partículas por
difração a laser baseia-se no princípio (difração Fraunhöffer)
de que, quanto menor o tamanho da partícula, maior o ângulo
de difração de um feixe luminoso que atravessa uma
população de partículas.
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Granulometria por difração a laser
Figura 16 - Curvas de distribuição granulométrica de cimento e adições minerais, obtidas por difração a laser 
(Cortesia de Regis Moraes)