Permeabilidade de concretos refratários avançados

Permeability of advanced refractory castables

Permeabilidade de concretos refratários avançados

(Permeability of advanced refractory castables)

A. R. F. Pardo¹, M. D. M. Innocentini¹, B. Menegazzo², V. C. Pandolfelli¹

Via Washington Luiz, Km 235, C.P. 676, CEP 13565-905, S. Carlos, SP.

¹Universidade Federal de S. Carlos, DEMa

[e-mail] ou [e-mail]

²ALCOA Alumínio S.A.

Resumo

O conhecimento da permeabilidade de um material refratário tem despertado um interesse cada vez maior, auxiliando o estudo da cinética de secagem do material e a previsão da sua vida útil. Neste trabalho, são correlacionadas as constantes de permeabilidade, segundo a equação de Forchheimer, com a resistência mecânica à flexão dos concretos auto-escoantes sem cimento, contendo como fase hidratável o produto denominado comercialmente Alphabond. Os concretos foram tratados termicamente até 1650 ºC para se observar a variação da permeabilidade com a temperatura, possibilitando assim a observação dos efeitos das alterações estruturais sofridas pelo concreto durante a secagem e a sinterização sobre a permeabilidade. São apresentados, para efeito de comparação e discussão, os resultados obtidos para concretos de ultra-baixo teor de cimento, com e sem a adição de microssílica.

Palavras-chave: permeabilidade, concreto refratário, secagem, resistência à flexão.

Abstract

Permeability is an important tool to evaluate and optimize the drying schedules and the durability of refractory castables. In this paper, permeability constants, obtained by Forchheimer's equation, were correlated with flexural strength of self-flow cement-free refractory castables containing Alphabond as hydratable phase. Samples were submitted to heat treatment up to 1650 ºC in order to evaluate the influence of microstructural changes on permeability and mechanical strength. Results previously obtained for ultra-low high-alumina castables, with and without the addition of microsilica were used for analysis and comparison of properties.

Keywords: permeability, refractory castables, drying, mechanical strength.

INTRODUÇÃO

Os avanços recentes da tecnologia em concretos refratários têm levado à diminuição do teor de cimento presente como forma de aumentar a temperatura máxima de utilização do refratário. Estes avanços têm sido obtidos através do aumento do conhecimento nas áreas de empacotamento e de reologia dos concretos.

O melhor empacotamento conseguido torna críticas as etapas de secagem e queima do concreto no processamento dos mesmos [1]. Com isso, aumentou o interesse pelo estudo de ferramentas e propriedades que propiciassem um melhor entendimento destas etapas de modo a se poder escolher o melhor programa de secagem para cada tipo de produto [2]. A permeabilidade é uma propriedade que pode ser associada diretamente com o processo de secagem. Entre dois meios porosos semelhantes, por exemplo, o mais permeável secará em um intervalo de tempo menor. Tendo em vista a influência desta etapa sobre o custo de processamento do concreto, é interessante que este seque no menor intervalo de tempo, sem dano às suas propriedades. A necessidade de se evitar o dano revela a importância do conhecimento da resistência mecânica do concreto, pois o corpo sobreviverá ao processo de secagem intacto somente se a pressão gerada pelo vapor de água durante a secagem, que força a sua própria saída, não ultrapassar a resistência mecânica do corpo de prova estudado.

Além do estudo do processo de secagem, a permeabilidade também pode ser utilizada como ferramenta de previsão da vida útil de concretos refratários, pois a resistência que o refratário apresenta a penetração do agente corrosivo depende da permeabilidade do mesmo, dentre outros fatores. Para a diminuição da corrosão é desejável que o concreto seja o menos permeável possível aos agentes corrosivos. Surge desta forma o paradigma do projetista de concreto refratário, pois o produto ideal deve ser permeável para permitir a eliminação de água durante a secagem e impermeável para dificultar a corrosão durante seu uso.

Normalmente tende-se a assumir uma correlação intuitiva entre a permeabilidade de um concreto refratário e sua resistência mecânica. Um corpo com alta resistência mecânica, principalmente após a sinterização, deve apresentar uma baixa permeabilidade, pois o tratamento térmico normalmente é acompanhado por redução do número e dimensão dos poros. Caso esta correlação se verifique, diminui a necessidade da determinação das constantes de permeabilidade, pois apenas a resistência mecânica pode ser suficiente como indicativo da resistência à corrosão do corpo estudado. A literatura disponível a respeito desta correlação fornece apenas resultados obtidos para concretos utilizados em construção civil, que não sofrem tratamento térmico [3,4]. E, mesmo nestes não há consenso a respeito da existência de correlação entre resistência mecânica e permeabilidade.

A permeabilidade é usualmente equacionada através de uma relação entre a queda de pressão e a velocidade do fluido durante seu escoamento pelo meio poroso. A equação mais utilizada é a lei de Darcy, que apresenta uma correlação linear entre a queda de pressão e a velocidade de escoamento. Esta equação, entretanto, apresenta alguns inconvenientes [5]: só pode ser utilizada em regime de escoamento laminar, leva em consideração apenas os efeitos viscosos sobre o escoamento e, normalmente, não pode ser usada para extrapolar a queda de pressão em diferentes faixas de velocidade. A equação utilizada neste trabalho, de Forchheimer, não apresenta estes inconvenientes por utilizar uma correlação mais realística (parabólica) entre a queda de pressão e a velocidade do fluido.

Na equação (A), P_s é a pressão absoluta na saída da amostra, P_e é a pressão na entrada, P é a pressão na qual é medida a vazão (de onde é obtida a velocidade superficial de escoamento - v_s ), L é a espessura do corpo-de-prova, m é a viscosidade do fluido e r é a densidade do mesmo.

Outra vantagem da equação (A) é o fato desta separar os efeitos viscosos e inerciais sobre o escoamento. Os efeitos de interação viscosos são os gerados por atrito entre as moléculas do fluido, e pelo atrito entre o fluido e o meio poroso. Os efeitos inerciais são causados pela turbulência do fluido escoante e/ou pela tortuosidade do meio poroso. Quanto mais tortuoso um meio poroso, maior a região de interação entre o fluido e as paredes do poro e, maior é a perda de energia durante o seu escoamento, principalmente a altas velocidades. O parâmetro k₁, denominado constante Darciana, pode ser associado com variações na área superficial do poro e k₂, a constante não-Darciana, com variações na tortuosidade do meio.

Neste trabalho, analisou-se, através das constantes ajustadas pela equação de Forchheimer, os resultados de permeabilidade em função da temperatura de tratamento térmico de concretos refratários auto-escoantes sem cimento, permitindo assim a observação dos efeitos da temperatura, e das alterações estruturais motivadas por esta, sobre a permeabilidade. Correlacionou-se também a permeabilidade com a resistência mecânica à flexão, com o intuito de verificar se a correlação acima mencionada é válida para os concretos refratários estudados. Além disso, comparou-se os resultados com aqueles já obtidos para concretos de ultra-baixo teor de cimento, com e sem a adição de microssílica.

MATERIAIS E MÉTODOS

Neste trabalho foram estudados três diferentes concretos refratários: concreto sem cimento (SC) utilizando Alphabond [6] como agente hidratável, concreto de ultra-baixo teor de cimento (UBTC) e concreto de ultra-baixo teor de cimento com adição de microssílica (UBTC-M).

As matérias-primas utilizadas para a produção dos concretos foram: aluminas calcinadas, aluminas eletrofundidas brancas, cimento de aluminato de cálcio (CA 270) e agente hidratável Alphabond 300 da Alcoa Alumínio S.A. Também se utilizou microssílica 971-D fornecida pela Elkem em uma das composições preparadas. O defloculante utilizado, que também colabora para o retardo da pega do concreto, foi o ácido cítrico monohidratado.

Os concretos foram preparados seguindo o modelo da curva de distribuição granulométrica de Andreasen, com q = 0,21 e D_max = 4,75 mm, de forma a se obter um concreto auto-escoante. O concreto foi formulado através do software PSDesigner (desenvolvido pelo Grupo GEMM/UFSCar). Foram utilizados teores de água entre 4 e 5% em peso para a preparação dos mesmos. As formulações preparadas para os diferentes tipos de concreto são apresentadas na Tab. I.

Como parâmetro de controle do processamento do concreto e também como indicação de auto-escoabilidade foi usado o índice de fluidez, determinado utilizando-se um tronco de cone com 100 mm de diâmetro. A fluidez obtida variou entre 90 e 100%. Os corpos-de-prova cilíndricos produzidos para medida de permeabilidade apresentavam diâmetro de 7,5 cm e espessura de 2,5 cm.

Os corpos-de-prova foram queimados em diferentes temperaturas (300, 600, 900, 1200, 1500 e 1650 ºC) em um forno da marca Lindberg com tempo de patamar de 12 horas. Foram utilizadas taxas de aquecimento lentas (1 ºC/min até 600 ºC, 2 ºC/min até 900 ºC e 3 ºC/min até a temperatura de queima) para evitar qualquer dano aos corpos durante o tratamento térmico.

Os ensaios de permeabilidade foram realizados em um equipamento desenvolvido no próprio laboratório [5, 7, 8]. O fluido permeante utilizado foi ar em temperatura ambiente (T @ 25 ºC). Foram determinadas, a cada medição, as pressões de entrada e de saída, e a vazão de ar correspondente, sendo efetuadas três medidas de vazão para cada pressão de entrada utilizada. Para garantir a confiabilidade dos resultados, foram ensaiados três corpos-de-prova para cada temperatura de queima. Os pontos experimentais foram introduzidos na equação de Forchheimer (A) para o ajuste das constantes de permeabilidade, k₁ e k₂.

As resistências mecânicas dos corpos-de-prova, com dimensões de 25x25x150mm³, foram avaliadas sob flexão em 3 pontos em uma máquina de ensaios MTS modelo 810. Estes corpos foram submetidos aos mesmos tratamentos térmicos que aqueles utilizados para ensaios de permeabilidade.

RESULTADOS E DISCUSSÃO

As Figs. 1 (a) e (b) apresentam os valores de constantes de permeabilidade obtidos para os diferentes concretos em função das temperaturas de tratamento térmico. Observa-se nestas figuras o aumento de k₁ e k₂ em toda a faixa de temperatura analisada.

Até a temperatura de 600 ⁰C, este aumento pode ser correlacionado com a eliminação de água de hidratação nos três concretos estudados [9]. Nesta faixa de temperatura, de grande interesse para o estudo da secagem, não foi observada diferença significativa entre os três concretos. Era esperado que o concreto sem cimento (SC), pela formação de um gel cementante, apresentasse menores valores de permeabilidade. O gel formado pela hidratação da alumina de transição levaria a formação de poros com tamanho inferior àqueles presentes no concreto de ultra-baixo teor de cimento, diminuindo a permeabilidade, dificultando a secagem e aumentando a tendência à explosão [6,10]. Estes resultados indicam que após a secagem a 110 ⁰C os concretos de diferentes composições aparentemente apresentaram o mesmo comportamento durante a perda de água de hidratação. Isto não significa, no entanto, que os concretos tenham apresentado a mesma velocidade de secagem.

Partindo-se do pressuposto que a sinterização resultaria na diminuição do tamanho dos poros presentes, a conseqüência esperada do aumento da temperatura de tratamento térmico era a diminuição dos valores de k₁ e k₂. No entanto, foi observado comportamento inverso nos três tipos de concretos estudados.

Pode-se diferenciar no concreto duas faixas granulométricas distintas: a matriz formada por partículas finas e ainda passíveis de reação, e os agregados, partículas grossas e que apresentam estabilidade química por terem sofrido tratamento térmico, eletrofusão por exemplo. Os agregados de alumina são anisotrópicos enquanto que a matriz pode ser considerada isotrópica. Esta diferença leva ao surgimento de tensões na interface matriz-agregado durante o resfriamento e podem levar ao microtrincamento da região de interface [11].

Ao se analisar o comportamento das duas constantes de permeabilidade em função da temperatura, Figs. 1 (a) e (b), é possível observar que k₂ aumenta até cinco ordens de grandeza enquanto que k₁ aumenta três ordens. Como a constante não-Darciana (k₂) está relacionada com o efeito da tortuosidade do meio poroso sobre o escoamento, pode se inferir que a estrutura cerâmica se tornou menos tortuosa. Esta mudança pode ser associada com o microtrincamento na interface matriz-agregado, o qual deixaria um caminho menos tortuoso e mais permeável para o escoamento.

O efeito esperado da sinterização acima de 1000 ºC é o da diminuição da porosidade aparente e aumento da densidade aparente dos corpos, devido a diminuição do número e do tamanho dos poros presentes. No entanto, pode-se observar pelas Figs. 2 (a) e (b) que estas propriedades variaram pouco nesta faixa de temperatura, com exceção do concreto UBTC-M. Este comportamento deve ser causado por algum fenômeno que esteja ocorrendo paralelamente à sinterização. Novamente, o microtrincamento da interface pode ser relacionado com esta pequena variação das propriedades para o concreto SC e UBTC, uma vez que a geração de microtrincas atua no sentido inverso ao da sinterização. A micrografia da Fig. 3 revela o microtrincamento na interface matriz-agregado para um concreto de ultra-baixo teor de cimento sem a adição de microssílica (UBTC).

Diante dos resultados dos concretos sem cimento (SC) e de ultra-baixo teor de cimento (UBTC), em que a permeabilidade aumenta mesmo em concretos tratados termicamente a 1650 ºC, partiu-se para a interpretação dos resultados de permeabilidade dos concretos de ultra-baixo teor de cimento com a presença de 5% em peso de microssílica (UBTC-M). Neste caso, pressupôs-se que as partículas finas de microssílica levariam a uma melhor adesão, principalmente na interface matriz-agregado, e também à diminuição da permeabilidade. Os valores de permeabilidade obtidos, no entanto, foram superiores aos dos concretos SC e UBTC, mesmo com a inferior porosidade dos concretos UBTC-M (Fig. 2-b). Tais resultados são um forte indicativo que a correlação intuitiva que associa a diminuição da porosidade na sinterização com a diminuição da permeabilidade pode ser errônea [12].

Estudos anteriores [13, 14] mostram que a microssílica presente nos concretos reage acima de 1200 ºC. Primeiro ocorre a transformação da sílica amorfa em cristobalita, reação esta acompanhada por retração. A retração da matriz, que não é compensada pelos agregados presentes (que formam uma estrutura rígida), pode resultar em buracos na microestrutura. Esta microestrutura com espaços disponíveis para o escoamento do fluido pode ser responsável pelo aumento verificado nas constantes a 1200 e 1350 ⁰C. Neste concreto a evolução microestrutural continua com a reação da cristobalita com a alumina presente formando a mulita. Nesta etapa, a taxa de retração diminui, podendo ser acompanhada de expansão do corpo [15]. Estas mudanças na microestrutura podem ser responsáveis pela variação do comportamento das constantes nos corpos tratados a 1500 e 1650 ⁰C. A microestrutura dos corpos UBTC-M sinterizados acima de 1400 ºC apresentam boa aderência da matriz com o agregado; que pode ser observado através dos superiores valores de módulo de ruptura em relação aos concretos UBTC e SC, porém apresentam uma alta porosidade na matriz.

As Figs. 4 e 5 apresentam os resultados de resistência mecânica em função da permeabilidade Darciana (k₁). Os resultados podem ser separados em dois grupos. No caso dos concretos nos quais não ocorrem transformações de fase que acarretam grandes mudanças microestruturais, concretos UBTC e SC, foi possível encontrar uma boa correlação (R² = 0,90) entre a resistência mecânica e a permeabilidade Darciana (k₁), Figura 4. Já para os concretos UBTC-M, devido à presença de microssílica, à transformação de sílica amorfa para cristobalita e à formação de mulita a alta temperatura, os resultados de k₁ e resistência mecânica devem ser analisados separadamente, por intervalos de temperatura. Para tratamento térmico em temperaturas inferiores a 600 ºC, pouca alteração é verificada tanto na permeabilidade quanto no módulo de ruptura. Verifica-se, no entanto, para os corpos tratados a 900 ºC um significativo incremento na resistência mecânica, muito provavelmente devido à reação pozolânica decorrente da presença da microssílica. Para os corpos tratados acima desta temperatura, percebe-se na Fig. 5 um aumento extraordinário da permeabilidade com pequeno acréscimo no valor do módulo de ruptura. Tal resultado elucida o efeito conjugado dos processos de transformação que a microestrutura desta composição sofre associados à sinterização. As correlações encontradas entre a constante não-Darciana (k₂) e a resistência mecânica foram semelhantes. No caso dos concretos UBTC e SC o coeficiente de correlação ao quadrado foi R² = 0,91.

CONCLUSÕES

Tendo em vista os objetivos deste trabalho, a determinação da permeabilidade de três diferentes concretos refratários em diferentes temperaturas e a correlação das constantes com a resistência mecânica à flexão, pode-se concluir que:

Na faixa de temperatura até 600 ⁰C não houve diferença significativa entre os valores de constantes de permeabilidade para os três concretos estudados, mesmo no caso dos concretos sem cimento. Como estes concretos apresentaram comportamentos de secagem distintos, observados na prática, outros ensaios deveriam ser realizados para possibilitar esta diferenciação. Uma saída seria a realização de ensaios de permeabilidade dinâmica, onde é possível o acompanhamento da variação das constantes durante o tratamento térmico das amostras, e não apenas após o mesmo como no caso do ensaio realizado neste estudo.

Nos concretos sem cimento e de ultra-baixo teor de cimento, ocorre o aumento do valor das constantes de permeabilidade em toda faixa entre 900 e 1650 ⁰C, provavelmente devido ao destacamento da interface matriz-agregado.

O concreto com microssílica apresentou um comportamento distinto. Neste caso, as reações de transformação e formação de fases ocorridas a altas temperaturas devem ter um papel importante na variação dos valores de permeabilidade.

Os concretos que não sofreram mulitização (UBTC e SC) apresentam boa correlação entre a resistência mecânica e a permeabilidade. Por outro lado, nos concretos contendo microssílica (UBTC-M) os resultados necessitam ser visualizados em dois grupos (£ 600 ºC e ³ 900 ºC) para poderem ser correlacionados com as propriedades. Os resultados indicaram que qualquer correlação entre resistência mecânica e permeabilidade só se tornou possível com o conhecimento de todas as possíveis alterações microestruturais sofridas pelo concreto no decorrer de seu processamento, reforçando assim a importância do conhecimento das constantes de permeabilidade para a correta previsão da vida útil de um concreto refratário.

AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem o apoio recebido pela FAPESP, CNPq e Alcoa Alumínio S.A. para a elaboração deste trabalho.

(Rec. 09/09/2000, Ac. 27/04/2001)

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Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  05 Jul 2001
• Data do Fascículo
  Jun 2001

Histórico

• Aceito
  27 Abr 2001
• Recebido
  09 Set 2000