VYUŽITÍ ELEKTRONOVÉ MIKROSKOPIE A RTUŤOVÉ POROZIMETRIE PŘI STUDIU STAVEBNÍCH MATERIÁLŮ Moderní analytické měřicí metody RNDr. Pavel Rovnaník, Ph. D. SUPMAT.

Prezentace na téma: "VYUŽITÍ ELEKTRONOVÉ MIKROSKOPIE A RTUŤOVÉ POROZIMETRIE PŘI STUDIU STAVEBNÍCH MATERIÁLŮ Moderní analytické měřicí metody RNDr. Pavel Rovnaník, Ph. D. SUPMAT."— Transkript prezentace:

1 VYUŽITÍ ELEKTRONOVÉ MIKROSKOPIE A RTUŤOVÉ POROZIMETRIE PŘI STUDIU STAVEBNÍCH MATERIÁLŮ Moderní analytické měřicí metody RNDr. Pavel Rovnaník, Ph. D. SUPMAT – Podpora vzdělávání pracovníků center pokročilých stavebních materiálů Registrační číslo CZ.1.07/2.3.00/20.0111 Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

2 Skenovací elektronová mikroskopie (SEM) Optická mikroskopie nenáročné na přípravu vzorku max. rozlišení 200 nm, zvětšení 1000× (závisí na λ) malá hloubka ostrosti

3 Skenovací elektronová mikroskopie (SEM) Skenovací elektronová mikroskopie náročnější příprava vzorku vlnová délka elektronu závisí na jeho hybnosti, a tedy urychlovacím napětí rozlišení cca 10 nm (max. 0,4 nm), max. 500 000× velká hloubka ostrosti 0,010 nm při 15 kV

4 Příprava vzorku Klasická metoda snímkování nutnost zbavení vzorku absorbovaných těkavých kapalin (snímání ve vysokém vakuu ≈ 10 −4 Pa) vzorek musí být vodivý – u nevodivých vzorků se na povrch napařuje vrstva uhlíku nebo se naprašuje inertní kov (Cu, Ag, Au) Environmentální metoda (ESEM) vzorek není nutné upravovat možnost snímat i vlhké vzorky – studium hydratačních procesů in situ (snímání při normálním tlaku 100 kPa)

5 Hydratace cementu 3 hodiny10 hodin

6 Druhy signálů získaných z SEM sekundární elektrony (SE) odražené elektrony (BackScattered Electrons – BSE) Augerovy elektrony (AE) RTG fluorescenční záření

7 Schéma elektronového mikroskopu

8 Klasické zobrazení (SE mode) primární paprsek skenuje povrch vzorku o velikosti 5–100 nm čb obraz – kontrastní, závisí na topografii povrchu a prvkovém složení čím drsnější povrch, tím kontrastnější a ostřejší obraz – topografický kontrast urychlující napětí – obvykle 15 až 25 kV – vyšší napětí  lepší kontrast, ale zhoršení kvality vlivem nabíjení povrchu a možná destrukce vzorku pro citlivé vzorky (např. plasty) se používá napětí 5 kV

9 Klasické zobrazení (SE mode) hloubka ostrosti – závisí na numerické apertuře NA = n sin θ n … index lomu el. paprsek má velmi malou aperturu  extrémně velká hloubka ostrosti u velmi velkých zvětšení se hloubka ostrosti zhoršuje

10 Zobrazení odražených elektronů (BSE mode) odražené elektrony mají vyšší energii čb obraz – kontrast v závislosti na elektronové hustotě prvku čím těžší prvek, tím světlejší obraz možnost mapování poměru různých složek (např. minerálů) v ploše vzorku

11 Zobrazení odražených elektronů (BSE mode) Částečně zhydratovaná cementová pasta

12 EDXA (energiově disperzní rentgenofluorescenční analýza) prvková mikroanalýza vznik RTG záření vyražení vnitřních elektronů primárním svazkem urychlených el. přeskok el. z vyšších energetických hladin  vyzáření RTG záření energie dána rozdílem hladin – charakteristické pro každý prvek hmota analyzována z větší hloubky, hruškovitého tvaru o objemu řádově 1–10 µm 3 nutné vyšší napětí ≈ 30 kV detekce prvků – Na až U u detektorů bez Be okénka i lehčí prvky citlivost – od 0,1 %

13 Rozlišení minerálů se stejnou morfologií ettringit C 6 AŜH 31 thaumasit C 3 SŜĈH 15

14 Degradovaná zámková dlažba Odloupnutá nášlapná vrstva pokrytá ettringitem

15 Degradovaná zámková dlažba Krystaly kalcitu v pórech na okraji dlažby (karbonatace)

16 Aglomeráty křemičitých úletů v betonu

17 Změna charakteru Ca(OH) 2 v čase a) čerstvá vápenná kaše b) 2 měsíce stará vápenná kaše c) 6 měsíců stará d) 2 roky stará vápenná kaše Ca(OH) 2 – vzniklý reakcí CaO s vodou  má charakter hydrogelu

18 Krystalizace soli v sanační omítce

19 Krystalizace CHRL v omítce

20 Vliv w/c na mikrostrukturu cementové pasty w/c = 1,0w/c = 0,3

21 Vliv obsahu alkálií na mikrostrukturu popílkového geopolymeru M s = 3,0M s = 1,5 vodní sklo sodné

22 Vliv teploty výpalu na strukturu vápna měkce pálené vápno (1000 °C)tvrdě pálené vápno (1250 °C)

23 Vliv vysokých teplot (OPC) Portlandský cement

24 Vliv vysokých teplot Alkalicky aktivovaná struska

25 Vliv vysokých teplot Alkalicky aktivovaný popílek

26 Vliv vysokých teplot Vliv soudržnosti pojiva s kamenivem – AAS s andalusitem

27 Vliv vysokých teplot Vliv použitého kameniva na stabilitu materiálu při vysokých teplotách

28 Konverze hlinitanového cementu před konverzí po konverzi transformace CAH 10  C 3 AH 6 C 3 AH 6 termodynamicky stálý menší molární objem pokles pevnosti o 50 %

29 Rtuťová porozimetrie Mercury Intrusion Porosimetry (MIP) nesmáčivé kapaliny mohou proniknout do póru pouze tehdy, působí-li na ně určitý tlak kapalina povrch smáčíkapalina povrch nesmáčí H2OH2OHg

30 Technika měření – Micromeritics Poresizer 9310 vysušení vzorku: tepelné sušení vakuové sušení použití chemických vysoušedel lyofilizace velikost vzorku: 1 až 15 cm 3 provozní tlaky: 7 kPa až 207 (415) MPa nízkotlaké pásmo: 7 až 172 kPa vysokotlaké pásmo: 414 kPa až 207 MPa rozsah detekce: 60 µm až 6 (1,8) nm

31 Výstupy celková porozita (cm 3 /g) celkový povrch pórů (m 2 /g) objemová hmotnost (g/cm 3 ) zjevná hustota matrice (g/cm 3 ) střední velikost pórů teoretický průměr pórů distribuce pórů kumulativní objem pórů distribuční objem pórů diferenční objem pórů kumulativní povrch pórů

32 Problémy a zjednodušení spojené s MIP vliv přípravy vzorku plnění pórů rtutí výrazně mění pórovou strukturu aproximace na válcové póry zjednodušení při výpočtech efekt úzkého hrdla – zjišťujeme pouze vstupní průměr póru, ne jeho skutečnou velikost nelze postihnout skryté uzavřené póry vliv úhlu smáčení (závisí i na způsobu vysoušení)

33 Vliv heterogenity vzorku na reprodukovatelnost Beton s kamenivem do 8 mm

34 Druhy pórů v cementovém tmelu gelové (2 – 10 nm) – součást hydratačních produktů, nepropustné pro průtočnou vodu kapilární (0,01 – 10 µm) – vznikají odpařením přebytečné záměsové vody, závislost na w/c technologické (0,01 – 2 mm) – vznikají uzavřením vzduchu při zpracování, lze ovlivnit technologií ukládání a přídavkem provzdušňovacích přísad

35 Porozimetrie cementové pasty

36 Vliv teploty na porozitu cementové pasty

37 Porovnání MIP a SEM Geopolymer na bázi metakaolinu – velké póry MIP nevidí

38 Vliv teploty ošetřování Geopolymer na bázi metakaolinu – s rostoucí teplotou méně kompaktní struktura

39 DĚKUJI ZA POZORNOST