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1. Introducción El constante envejecimiento de la infraestructura del transporte y de su permanente necesidad de conservación, por un lado, y los nuevos desarrollos tecnológicos en materiales, por el otro, plantean una serie de retos y oportunidades para el sector transporte que pueden incidir de manera significativa en su seguridad, eficiencia y sostenibilidad. Así, la selección, inspección y análisis de los materiales son fundamentales para evaluar y determinar la durabilidad y confiabilidad de los componentes de la infraestructura, y también para reducir los gastos de construcción, operación y mantenimiento, todo ello bajo criterios y especificaciones que se requieren para dar cumplimiento a la normativa nacional y/o internacional que se aplique. En este contexto, la técnica analítica de espectroscopía de dispersión de energía de rayos X (EDS, por sus siglas en inglés: Energy Dispersive Spectroscopy) es una herramienta fundamental para caracterizar materiales, identificar fallas y optimizar procesos de fabricación, especialmente en la innovación y diseño. En definitiva, una caracterización adecuada permite prevenir fallas prematuras, optimizar procesos de manufactura, cumplir con la normativa y reducir costos operativos por la detección temprana de algún problema. Las principales ventajas de esta técnica analítica residen esencialmente en su alta resolución espacial, que permite un análisis químico a escala nanométrica o micrométrica, así como la determinación de la distribución (mapeos) elemental, de nanopartículas, de inclusiones en el límite de grano y de fases cristalinas. Tiene la capacidad de cuantificar la composición elemental en porcentaje de peso para la caracterización de metales, aleaciones y compuestos como el cemento. Por el contrario, esta técnica tiene también limitaciones, como el sobredimensionamiento de partículas, los errores de medición por la presencia de picos falsos o por el solapamiento de líneas espectrales y, principalmente, la dificultad para detectar elementos ligeros (como litio y berilio), debido a su baja emisión de rayos X. La generación de la señal analítica en la técnica EDS se fundamenta en un fenómeno de interacción electrón-materia. Específicamente, la muestra por analizar es bombardeada con un haz de electrones que, a su vez, extraen electrones de los orbitales internos de los átomos que la componen (ver Figura 1). Las vacancias creadas en la capa electrónica se ocupan con los electrones de los orbitales de las capas externas. La diferencia de energía entre el electrón de la capa externa y la vacancia se emite en forma de fotón de rayos X. La energía de un fotón de rayos X es característica del átomo emisor, mientras que la cantidad de fotones emitidos está directamente relacionada con el número total de átomos que los generan. Esto es, la información química, tanto cualitativa como cuantitativa, se obtiene mediante el análisis de la energía y la intensidad de las líneas de emisión de rayos X del material (Goldstein et al., 2017).
Figura 1. Modelo de Bohr. Fuente: Elaboración propia adaptada de (Goldstein J. I., 2017)
2. Aplicaciones de la técnica EDS 2.1 Análisis de Fallas: Un análisis con EDS permite analizar la composición química de las microestructuras de los materiales que han fallado, como componentes de puentes y edificios, lo que ayuda a identificar la causa de la falla: fatiga, corrosión bajo esfuerzos o defectos del material. 2.2 Análisis de productos de corrosión del Acero: Si la estructura está en ambientes marinos o industriales, los químicos del medio ambiente pueden penetrar el concreto y atacar el acero, causando oxidación (corrosión). La corrosión disminuye el diámetro de la varilla de refuerzo, debilitando la unión entre el acero y el concreto, lo que produce la pérdida de rigidez y capacidad de carga. Además, puede llevar al agrietamiento y desconchamiento del concreto, que es cuando se desprende en pedazos. Mediante el análisis EDS es posible identificar los elementos químicos que causan la corrosión e identificar los procesos electroquímicos que se producen, tanto en el concreto como en el acero. 2.3 Deterioro del concreto: La técnica EDS permite identificar la composición de los productos de reacción en el concreto carbonatado, la pasta de cemento y los áridos; igualmente, se pueden identificar los mecanismos de corrosión y el perfil de concentración de cloruros. Finalmente, con base en lo anterior, se puede determinar el grado de agotamiento o enriquecimiento de elementos en la interfase entre concreto y acero, lo cual está correlacionado con su capacidad mecánica y la velocidad de corrosión. En síntesis, ayuda en la evaluación de la durabilidad de las estructuras de concreto. 2.4 Reacción Álcali-Sílice (RAS) en el Concreto: Es un proceso químico que ocurre en el concreto cuando ciertos tipos de arena o grava (agregados), que contienen cierto porcentaje de sílice, reaccionan con los álcalis del cemento y causan expansión y grietas, dañando la integridad estructural con el tiempo. En ese caso, el EDS es una herramienta que permite identificar la presencia de este fenómeno a través de los productos de reacción que se generan. 2.5 Selección y Optimización de Materiales: Un análisis EDS facilita la selección de materiales para aplicaciones específicas mediante el estudio de su composición química y su comparación con los requisitos de la aplicación.
3. Beneficios del uso de la técnica EDS En la Tabla 1, se muestran los posibles beneficios al utilizar la técnica de espectroscopía de energía dispersivo
Tabla 1. Beneficios al utilizar la técnica EDS.
4. Casos prácticos del uso de la técnica EDS 4.1. Análisis de falla en aceros Se aplicó la técnica EDS en el análisis de cables de acero perlítico de alta resistencia utilizados en sistemas de suspensión; se identificaron inclusiones no metálicas, como óxidos y sulfuros, las cuales se consideran sitios preferenciales para el inicio de grietas. Se cuantificó la composición química de estas inclusiones utilizando mapeo elemental, relacionando estas impurezas con el proceso de fabricación. Estos resultados permitieron ajustar los parámetros de laminación en frío para reducir los defectos y aumentar la vida útil del componente (Toribio et al.,2021). 4.2. Análisis de componentes mecánicos Otro caso es el análisis de fallas en ejes de transmisión, donde se demostró con la técnica EDS la presencia de segregaciones de fósforo y azufre en zonas de fractura, lo que indica un fenómeno de fragilización por corrosión bajo tensión. Además, al detectar cloro en las superficies corroídas como contaminante, se obtuvo evidencia sobre los mecanismos de degradación. Con estos resultados, se implementaron recubrimientos anticorrosivos basados en aleaciones de Zn-Ni, cuya homogeneidad composicional fue comprobada mediante EDS (Khangar, Jaju, 2012). 4.3. Evaluación de la Durabilidad del Concreto La combinación de EDS con el microscopio electrónico de barrido (MEB) permitió evaluar la durabilidad del concreto al analizar los productos de carbonatación en concretos con distintos tipos de cemento, como CEM I y CEM II. El estudio cuantificó la pérdida de hidróxido de calcio en zonas carbonatadas y correlacionó la composición química del cemento con su resistencia al CO ambiental. Estos resultados fueron fundamentales para optimizar las formulaciones de concreto destinadas a ambientes agresivos (Revert et al., 2017). 4.4. Innovación en Materiales: cementos 3D y sustentables Una innovación de materiales utilizados en la construcción es el desarrollo de cementos impresos en 3D y mezclas sustentables. Por un lado, la técnica caracterizó heterogeneidades en la distribución de sílice y aluminio en pastas de cemento impresas, lo que permitió ajustar los diseños para mejorar su resistencia mecánica (Kosson et al., 2023). Por otro lado, en cementos que incorporan polvo de vidrio reciclado, la técnica EDS permitió optimizar los parámetros para evitar la migración de álcalis, como sodio y potasio, asegurando estabilidad química y durabilidad (do Rosário et al., 2025). 4.5. Análisis del acero SAE/AISI 1045 y concreto Con la necesidad de verificar el cumplimiento de las especificaciones técnicas en materiales estructurales y explorar alternativas analíticas confiables, se recurrió a la técnica EDS. La técnica convencional para el análisis composicional promedio es la espectrometría de emisión por chispa (OES, por sus siglas en inglés: Spark-Optical Emission Spectroscopy), la cual requiere una gran área de material, no posibilita un análisis puntual y tampoco caracterizar inclusiones. Todo lo anterior limita la caracterización de microconstituyentes de los materiales, además del diagnóstico de los análisis de falla. La técnica EDS nos facilita analizar microconstituyentes individuales, como inclusiones de sulfuro de manganeso, óxidos y silicatos; además, en conjunto con el MEB, nos brinda la capacidad de ver su distribución y tamaño. Una de las ventajas del OES contra la EDS es la identificación de elementos con bajo porcentaje en la composición química. Para mejorar la precisión de los análisis EDS en materiales con elementos de baja concentración, cuyos análisis cuantitativos frecuentemente se ven comprometido por los límites de detección inherentes a la técnica EDS (típicamente en el rango de 0.1 a 0.5% en peso para muchos elementos), se identificaron los factores que afectan el resultado, para obtener las condiciones óptimas del ensayo con dos métodos de análisis y cuatro modelos de cuantificación en materiales estructurales. Se ha demostrado que la correcta selección del modelo de cuantificación basado en certificados de OES reduce los errores relativos y mejora la precisión en composiciones críticas, como el manganeso y el silicio en el acero analizado. En el caso particular del concreto, los resultados indican que el uso de modelos de cuantificación, considerando óxidos, hace posible caracterizar las variaciones en la matriz del cemento. Sin embargo, para mejorar la precisión de los resultados, es fundamental contar con una especificación o referencia bien establecida, ya que la composición varía según el fabricante, además de influir las proporciones de los aditivos presentes en el concreto y la naturaleza de los agregados (Terán & Arroyo, 2024).
Conclusión La técnica EDS tiene la capacidad de proporcionar información detallada sobre la composición química elemental, facilitando el diagnóstico y el análisis de los mecanismos de falla o degradación. Permite verificar que los materiales cumplen con códigos y normativas nacionales e internacionales. Además, brinda soluciones para mejorar la calidad, durabilidad, seguridad y sostenibilidad de los materiales utilizados no solo en la infraestructura del sector transporte sino también en el sector industrial o de la construcción. En síntesis, el uso de la técnica EDS permite optimizar el diseño, la fabricación, aumentar la vida útil y mejorar la seguridad de los materiales. Ayuda a diagnosticar las causas de las fallas y a ofrecer lineamientos para desarrollar soluciones técnicas eficaces.
8. Referencias Bibliográficas [1] Goldstein, J. I., Newbury, D. E., & Joy, D. C. (2017). Scanning electron microscopy and X-ray microanalysis. Springer. [2] Toribio, J., Ayaso, F. J., González, B., & Rodríguez, R. (2021). Fracture behaviour of high-strength cold-drawn pearlitic steel wires: The role of non-metallic inclusions. Procedia Structural Integrity, 33, 1203-1208. [3] Khangar, V. S., & Jaju, S. B. (2012). A review of various methodologies used for shaft failure analysis. International Journal of Emerging Technology and Advanced Engineering, 2(6), 2250-2459. [4] Revert, A. B., De Weerdt, K., Geiker, M. R., & Hjorth Jakobsen, U. (2017). SEM-EDS analysis of products formed under natural and accelerated carbonation of concrete with CEM I, CEM II/BM and CEM II/BV. In NORDIC CONCRETE RESEARCH. Proceedings of the XXIII Nordic Concrete Research Symposium. Norsk Betongforening. [5] Kosson, M., Brown, L., & Sanchez, F. (2023). Nanomechanical characterization of 3D printed cement pastes. Journal of Building Engineering, 66, 105874. [6] do Rosário Martel, W. D. N., Duchesne, J., & Fournier, B. (2025). Optimization of microprobe analysis of cementitious materials incorporating glass powder under electron beam to avoid alkali migration. CEMENT, 100132. [8] Terán Guillén, J., Arroyo Olvera, M. (2024). Publicación Técnica No. 828: Caracterización química de materiales estructurales por espectroscopía de energía dispersiva. Instituto Mexicano del Transporte. TERÁN Jorge ARROYO Maura “Las opiniones expresadas en esta publicación son de los autores y no necesariamente reflejan los puntos de vista del Instituto Mexicano del Transporte” |
