Celda de alta presión y temperatura para el estudio de la hidratación de cementos "in situ" mediante radiación sincrotrón

Abstract

[Resumen] La difracción de polvo es una técnica científica que consiste en la difracción de rayos X, neutrones o electrones para la caracterización estructural interna de microcristales de un material en forma de polvo. El objetivo del uso de polvo es conseguir una orientación equitativa de los microcristales en todas las direcciones del espacio, lo que provoca que el espacio reciproco tridimensional de la difracción que se tiene con un monocristal se pueda proyectar en una sola dimensión. Si el material a estudiar contiene más de una fase, esta condición se debe cumplir para todas y cada una de las fases lo que permite obtener análisis cuantitativos libres de errores. Para este fin también se puede hace girar la muestra de forma que se mejora el promedio de cristales equitativamente orientados. En concreto la difracción de rayos X que se ofrecen en las fuentes modernas de radiación sincrotrón ofrecen haces de alta intensidad comparados con los tubos de rayos x convencionales, estrechos y altamente colimados y fotones de elevada energía que permite la penetración en entornos de muestras complejos. Los cementos son un caso típico de polvo cristalino, de especial interés científico son los cementos que se usan en la industria petrolera, el cemento Portland se usa para soportar las tuberías metálicas en los pozos y como medio de estanqueidad de los pozos en los que se insertan estas tuberías. Estos pozos pueden ser muy profundos y los cementos están sometidos a altas presiones y temperaturas, esto provoca que el mecanismo de hidratación cambie sustancialmente comparado con el que ocurre a las presiones y temperaturas que se pueden encontrar en superficie. El efecto en el proceso de hidratación de cementos con la temperatura y la presión se ha estudiado usando varios métodos, incluyendo el método de difracción de polvo. Pero debido a la presión a la que estos cementos pueden estar sujetos de en torno a 1 Kilo bar hay relativamente pocos trabajos que examinen como los efectos de los cambios de presión y temperatura afectan al proceso de hidratación. Aunque se ha visto que presiones inferiores a los 200 bares ya pueden afectar significativamente el proceso de hidratación del silicato tricálcico, Ca3SiO5, la fase más importante en el cemento Portland. La falta de información del papel que juega la presión es debida en parte debido a la inexistencia de herramientas para el estudio in situ de la hidratación del cemento. El objetivo de la presente Tesis es diseñar y construir una celda que sea capaz de reproducir estas condiciones de presión y temperatura (al menos 200 bares y 200 °C). Que permita la rápida inyección de la muestra con el objeto de poder medir las primeras etapas de la hidratación. Que permita hacer rotaciones para mejorar la calidad de los datos de difracción de polvo. Con la que se pueda realizar experimentos de difracción de polvo con radiación sincrotrón, lo que implica que la zona donde este la muestra sea casi transparente a los rayos X y de un material suficientemente duro para soportar la alta presión, materiales típicos que cumplen estas condiciones son el “fused-silica” (vidrio silíceo amorfo producido por fusión a elevadas temperaturas del cuarzo) o Zafiro. Y por supuesto servirá no solo para el caso del estudio del cemento sino de cualquiera muestra en forma de polvo cristalino en la que se quiera conocer su estructura mediante el método de difracción de polvo en las susodichas condiciones.

[Abstract] Powder diffraction is a scientific technique that consists on the diffraction of X-rays, neutrons or electrons to characterize the internal structure of microcrystals of a material in powder form. The purpose of using powder is to achieve an equitable orientation of the microcrystals in all directions of space; this allows that the three-dimensional reciprocal space of the diffraction given by a single crystal can be projected into a single dimension. If the material to be studied contains more than one phase, this condition must be fulfilled for each and every one of the phases, which allows doing quantitative analysis free of errors. For this purpose, the sample can also be rotated so that the average of equitable oriented crystals is improved. Specifically, the X-ray diffraction offered in modern synchrotron radiation sources offers high intensity beams compared to conventional, narrow and highly collimated x-ray tubes and high-energy photons that allow penetration into complex sample environments. Cements are a typical case of crystalline powder, of special scientific interest are the cements used in the oil industry, Portland cements are used to support the metal pipes in the wells and as a means of sealing the wells in which these pipes are used. These wells can be very deep, and the cements are subjected to high pressures and temperatures, this causes the hydration mechanism to change substantially compared to what happens at the pressures and temperatures that can be found on the surface. The effect on the hydration process of cements with temperature and pressure has been studied using several methods, including the powder diffraction method. But due to the pressure these cements might be subject to, of around 1 Kilobar there are relatively few works that examine how the effects of pressure and temperature changes affect the hydration process. Although it has been seen that pressures lower than 200 bar can already significantly affect the hydration process of the tricalcium silicate, Ca3SiO5, the most important phase in Portland cement. The lack of information on the role played by the pressure is due in part to the lack of tools for the in situ study of cement hydration. The goal of this Thesis is to design and build a cell that can reproduce these pressure and temperature conditions (at least 200 bar and 200 °C). That allows a rapid injection of the sample in order to be able to measure the first stages of hydration. That allows spinning in order to improve the quality of the powder diffraction data. That allows performing powder diffraction experiments with synchrotron radiation, which implies that the area where the sample carrier is almost transparent to X-rays and the material is stiff enough to withstand the high pressure, typical materials that meet these conditions they are fused silica (amorphous siliceous glass produced by melting quartz at high temperatures) or Sapphire. And of course, it could be used not only for the case of study of a cement but of any sample in the form of crystalline powder in which one wants to know its structure by means of the method of powder diffraction in the aforementioned conditions.