efeito do tamanho de agregados nas propriedades de …

EFEITO DO TAMANHO DE AGREGADOS NAS PROPRIEDADES DE UM

CONCRETO AUTOESCOANTE QUEIMADO A 1000°C

S. Ribeiro (1), E. C. B. Santos (1), G. C. R. Garcia (1), W. S. Resende (2), (1) Universidade de São Paulo (USP) - Escola de Engenharia de Lorena (EEL)

Departamento de Engenharia de Materiais (DEMAR)

Estrada Santa Lucrecia s/n, Bairro Mondezir, CEP 12600-970, CP 116, Lorena SP (2) Indústrias Brasileiras de Artigos Refratários – IBAR

Avenida IBAR, 2 , CEP 08559-470 – Poá - SP

sebastiã[email protected]

RESUMO

O objetivo desse trabalho foi estudar a influência do tamanho de agregados em

algumas propriedades de um concreto autoescoante. Foi usado um concreto

refratário contendo agregados com tamanhos máximos de 3,35; 4,75; 6,3 e 8 mm.

As amostras foram preparadas com 5,5% de água e vazadas em molde produzindo

barras medindo 25 x 25 x 150 mm, curadas a 25ºC, secas a 110°C por 24 horas e

queimadas a 1000°C por 5 horas. Após queima as amostras foram retificadas e

submetidas às análises de: absorção de água, porosidade aparente, densidade

aparente, módulos de Young e de ruptura. Os resultados mostraram que o tamanho

de agregados não influencia na absorção de água, porosidade e massa específica,

enquanto os módulos de Young e de ruptura sofreram ligeiro aumento com o

aumento do tamanho dos agregados. Pode-se concluir que o tamanho máximo de

agregado, na faixa estudada, não influencia de maneira significativa essas

propriedades.

Palavras chaves: Concreto autoescoante, tamanho de agregados, módulo elástico,

módulo de ruptura.

INTRODUÇÃO

Refratários são materiais resistentes a temperaturas elevadas e sob condições

de choque térmico, por isso são aplicados no processamento industrial de vários

55º Congresso Brasileiro de Cerâmica, 29 de maio a 01 de junho de 2011, Por to de Galinhas, PE, Brasil

1599

materiais via piroprocessos. Para cada tipo de aplicação são manufaturados

concretos com propriedades distintas, daí a necessidade de se conhecer as

propriedades das matérias-primas usadas nas formulações desses materiais.

Basicamente os refratários são constituídos por duas fases: uma mais fina

denominada por matriz e outra mais grossa conhecida como agregados. Sob o

ponto de vista da estrutura a matriz circunda os agregados que podem ser materiais

sinterizados ou eletrofundidos(1-3). As propriedades dos refratários dependem

seriamente dessas duas fases bem como de suas interações. Por exemplo,

concretos com matrizes muito fortes e agregados fracos produzem fraturas mais

lisas, com as trincas passando pela matriz e pelos agregados – fratura

transagregado. Já se a matriz é menos resistente e o agregado um pouco mais

resistente, a fratura é mais rugosa, com fratura interagregado, conforme pode ser

observado na Figura 1(4). Esse comportamento influencia muito a energia necessária

para propagação de trincas nos concretos refratários. Essa energia é a chamada

energia de fratura. Chen(5) trabalhou com concretos produzidos com agregados de

tamanhos de 5 mm, 10 mm, 15 mm e 20 mm e mostrou que a energia de fratura

aumenta com o aumento do tamanho do agregado, produzindo um caminho mais

tortuoso para a trinca propagante. Rocco(6) realizou um trabalho em que usou

agregados com vários tamanhos e mostrou que concretos feitos a partir da mesma

matriz, porém com agregados com 3 mm, 9 mm e 14 mm, traduziram em resultados

de módulos de ruptura e elástico e energia de fratura diferentes. Os módulos de

ruptura e o de elasticidade diminuíram com o aumento do tamanho do agregado e a

energia de fratura aumentou com o aumento do tamanho de agregado (MOR: 3,25;

3,00 e 3,10 MPa – E: 24,5; 23,4 e 22,9 GPa – GF: 40,0; 43,3 e 48,3 J.m-2, para

agregados com 3, 9 e 14 mm, respectivamente.

Os concretos autoescoantes são aqueles com capacidade de fluir sem esforços

externos e foram desenvolvidos para resolver o problema de acomodação no interior

dos mais variados moldes, isto é, substitui com grande vantagem os concretos

convencionais e foi conseguido graças ao melhoramento das composições das

massas desses materiais, tanto sob o ponto de vista das matérias-primas,

composições químicas e mineralógicas, como também de distribuição de tamanhos

de partículas que é um dos mais importantes fatores que afeta a reologia dessas

massas(2,7-9). Um concreto é considerado autoescoante quando sua fluidez está na

faixa de 80 a 120%(7).


1600

Figura 1 – Possibilidades de caminhos de trinca em materiais compostos por

matriz e agregados (modo (a) fratura transagregado e modo (b) fratura

interagregado): adaptado de Yan4.

É muito difícil comparar propriedades de concretos, pois os mesmos diferem

muito, principalmente em composições químicas, mineralógicas e granulométricas,

mas como exemplo pode-se avaliar alguns resultados para refratários

autoescoantes, para simples idéia de ordem de valores: porosidade aparente de

aproximadamente 20% e resistência à compressão de 120 MPa, para amostras

sinterizadas a 1000°C(7); resistência à compressão de 100 MPa; módulo de ruptura

de 14 GPa, para amostras sinterizadas a 1100°C(9).

MATERIAIS E MÉTODOS

O material usado para produção das amostras foi um concreto refratário

comercial autoescoante produzido pela IBAR, denominado por Supercastibar FL 50

BF, que possui como fases majoritárias mulita, alfa alumina e quartzo.

A composição química típica desse material é a seguinte: Al2O3 50,3%, SiO2

45,0%; Fe2O3 0,5% e CaO 0,9%.

Para o estudo proposto foram produzidas bateladas de concretos com

diferentes tamanhos máximos de agregados, mantendo-se as mesmas composições

mineralógicas e químicas originais. Os tamanhos máximos de agregados utilizados

foram: 3,35; 4,75; 6,35 e 8,0 mm. O concreto comercial é o de 8,0 mm. Os

agregados usados são sílico-aluminosos, com 43% de alumina. As distribuições

granulométricas desses concretos foram baseadas em um padrão interno da IBAR e

não foi realizado ajuste para maximização do empacotamento. Para ajuste dos

Matriz Matriz

AgregadoMatriz

AgregadoMatriz

Modo b bMatriz

Modo a bMatriz


1601

diferentes tamanhos máximos de agregados, foram utilizadas as frações: -5/16+4 (8

mm); -1/4+4 (6,3 mm); -4+10 (4,75 mm) e -6+10 (3,35 mm).

Os concretos foram pesados e transferidos para uma argamassadeira

planetária onde receberam água na quantidade em massa de 5,5%. Foram

misturados por um tempo total de 8 minutos, tempo esse suficiente para tornar a

massa com viscosidade ideal para vazamento no molde.

Após mistura com água a pasta foi vertida em um molde para produção de

amostras prismáticas com as seguintes dimensões: 150 mm de comprimento, 25

mm de altura e 25 mm de largura.

As amostras foram curadas por 48 horas em ambiente saturado de vapor de

água, a 25°C. Em seguida as amostras foram secas em estufa convencional a

110°C, por 48 horas.

A queima das amostras foi realizada em forno elétrico resistivo, ao ar, com taxa

de aquecimento e resfriamento de 5°C por minuto, a 1000°C, por 5 horas.

As amostradas queimadas foram retificadas na superfície de moldagem para

deixar essa superfície paralela e plana para perfeito assentamento dos dispositivos

de medidas de módulo elástico e de ruptura.

As amostras dos respectivos concretos foram submetidas às seguintes análises

com o objetivo de avaliar a influência do tamanho do agregado nessas propriedades:

fluidez, massa específica aparente (MEA), porosidade aparente (PA), módulo de

Young (E) e módulo de ruptura em flexão (MOR).

Para a medida de fluidez foi utilizado o método de acordo com a norma ABNT

NBR13320. Para determinação da massa específica aparente e da porosidade

aparente foi utilizada a norma NBR 220/80.

Para medida do módulo elástico foi utilizado o método de ressonância de

barras conforme ASTM C1198-91. Foi realizada uma varredura na freqüência de 1 a

30 kHz para a obtenção dos picos de frequência.

O módulo de ruptura foi determinado utilizando a flexão em três pontos, de

acordo com a norma ASTM C133-94. A máquina utilizada para flexionar as amostras

foi a máquina universal de ensaios MTS, servo hidráulica, com velocidade de

carregamento 12,9 N/s e espaçamento entre os roletes de 125 mm. Foram feitas

macro e micrografias da superfície de fratura com o objetivo de visualizar os

agregados e a matriz.


1602

RESULTADOS E DISCUSSÃO

A Figura 2 mostra o comportamento à fluidez dos concretos com diferentes

tamanhos de agregados. Observa-se que os três concretos com agregados mais

grossos têm o mesmo comportamento à fluidez, e que somente o concreto com o

menor tamanho de agregado mostrou uma fluidez um pouco menor. Isso indica que

essa propriedade não é afetada para tamanhos máximos de agregados na faixa de

4,75 a 8,0 mm. Um dos motivos para isso pode ser um empacotamento desfavorável

e que diminui a fluidez para o tamanho máximo de agregados de 3,35 mm.

3 4 5 6 7 8 90

20

40

60

80

100

120

Flu

idez (

%)

Tamanho máximo de agregado (mm)

Figura 2 – Resultados de fluidez para os concretos com tamanhos máximos de

agregados de 3,35; 4,75; 6,35 e 8,0 mm.

De acordo com a literatura os quatro concretos têm boa trabalhabilidade, ou

seja, possuem fluidez superiores a 80%(7).

A Figura 3 mostra os resultados de massa específica e porosidade aparente

para os concretos estudados após queima a 1000°C por 5 horas ao ar atmosférico.

Observa-se que ambas as propriedades não mostram nenhuma dependência com o

tamanho máximo de agregados. Isso indica que essas propriedades não são

sensíveis a ponto de não serem influenciadas pela alteração granulométrica do

concreto, na faixa de tamanhos estudada.

Na Figura 4 estão os resultados dos módulos de elasticidade e de ruptura para

os quatro concretos estudados. Pode-se verificar que os agregados menores não

influenciam de maneira significativa até o tamanho de 6,35 mm, tanto no módulo

elástico quanto no de ruptura, mas o concreto confeccionado com agregados de


1603

tamanho máximo de 8,0 mm apresentou um pequeno aumento em ambas as

propriedades estudadas.

Os resultados de módulo elástico e de ruptura mostraram a mesma tendência

para os materiais estudados. Esse fenômeno não acontece sempre e nem é uma

regra geral, pois há casos em que o módulo de ruptura sofre pequenas alterações

enquanto o módulo elástico pode sofrer variações bastante significativas, sendo isso

devido às próprias definições e significados físicos dessas duas propriedades.

3 4 5 6 7 8 90,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

ME

A (

%)

Tamanho máximo de agregado (mm) (a)3 4 5 6 7 8 9

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

Po

rosid

ad

e a

pare

nte

(%

)

Tamanho máximo de agregado (mm) (b)

Figura 3 – Resultados de massa específica aparente e porosidade aparente para os

concretos com tamanhos máximos de agregados de 3,35; 4,75; 6,35 e 8,0 mm.

3 4 5 6 7 8 90

5

10

15

20

25

30

Mó

od

ulo

de Y

ou

ng

(G

Pa)

Tamanho máximo de agregado (mm) 3 4 5 6 7 8 9

0

2

4

6

8

10

12

MO

R (

MP

a)

Tamanho máximo de agregado (mm)

Figura 4 – Resultados dos módulos de elasticidade e de ruptura para os concretos

com tamanhos máximos de agregados de 3,35; 4,75; 6,35 e 8,0 mm, queimados a

1000°C por 5 horas.


1604

Os resultados apresentados na figuras de 2 a 4 estão na mesma faixa de

outros concretos refratários autoescoantes apresentados na literatura recente(7,9).

A Figura 5 mostra imagens obtidas por meio de uma lupa estereoscópica para

dois dos concretos estudados, queimados a 1000°C por 5 horas. O objetivo dessa

análise foi para se ter uma idéia a respeito da macroestrutura dos concretos. Pelas

observações cuidadosamente realizadas podem-se perceber agregados fraturados e

agregados arrancados da matriz. Esse comportamento reflete nas propriedades

avaliadas que apesar de as diferenças entre os resultados para as amostras com

diferentes tamanhos de agregados não ser muito significativas há sim uma clara

tendência na elevação ou diminuição de uma ou outra propriedade em função dessa

característica estrutural. A interação agregado/matriz é um assunto bastante

estudado na literatura(4,6).

Figura 5 – Imagens obtidas por meio de uma lupa estereoscópica, com aumento de

aproximadamente 8 vezes dos concretos queimados a 1000°C, por 5 horas: (a) 3,35

mm e (b) 8,0 mm.

Na Figura 6 são mostradas micrografias dos concretos queimados a 1000°C

por 5 horas. Essas micrografias foram escolhidas entre todas as amostras

estudadas para representar suas microestruturas uma vez que tanto a matriz como o

agregado são os mesmos para os quatro concretos, pois somente os tamanhos

máximos de agregados foram variados.

Na micrografia (a) tem-se uma vista geral da microestrutura do concreto,

constituída de agregados e matriz, como mostrado na Figura 5, indicando uma

perfeita ligação entre os agregados e a matriz, característica dos concretos

1 mm

(a) (B)

1 mm

(b)

buraco

agregado arrancado

agregado fraturado

agregado fraturado


1605

autoescoantes. Na micrografia (b) tem-se uma ampliação da micrografia (a) para

mostrar mais detalhadamente da interface agregado/matriz, onde nota-se uma

ligação muito boa entre as duas fases do concreto.

Na micrografia (b) é mostrada a matriz do concreto, é uma ampliação da

micrografia (b), onde se vê uma perfeita interação entre os grãos da matriz. Apesar

da porosidade dos concretos serem altas, Figura 2(b), não se percebe porosidade

significativa para o nível de ampliação feito, mas isso pode indicar que os poros são

muito pequenos distribuídos não só na matriz como também nos agregados.

Obviamente esses poros estão interconectados para produzir resultados de

porosidade da ordem de 16%.

Figura 6 – Micrografia obtida por microscopia eletrônica de varredura ilustrando a

microestrutura do concreto autoescoante estudada, queimado a 1000°C por 5 horas.

Essas imagens representam as de todos os outros concretos estudados neste

trabalho.

matriz

(c)

matriz

(a) agregado

matriz

(d)

agregado

matriz

(b) Interface

agregado/matriz


1606

A micrografia (d) é da amostra com agregado com tamanho máximo de 8,0 mm

e as demais são para a amostra com agregado de 6,3 mm, que apesar de ser de

uma ampliação um pouco menor que as das micrografias (b) e (c) mostra as

mesmas características microestruturais. Isso não poderia ser diferente, pois tanto a

matriz quanto os agregados são de mesma composição química quanto

mineralógicas, somente os tamanhos dos agregados mudam.

CONCLUSÕES

O tamanho máximo de agregado, na faixa avaliada, não altera de maneira

significativa a fluidez, a massa específica aparente e porosidade aparente, os

módulos de ruptura e de elasticidade, para o concreto autoescoante utilizado.

A microestrutura do concreto autoescoante é bem diferente da de um concreto

convencional, o que pode ter levado a não observância de diferenças significativas

para os quatro diferentes tamanhos de agregados.

AGRADECIMENTOS

À Indústrias Brasileiras de Artigos Refratários, IBAR, pelo material fornecido; à

FAPESP, processo 07/55964-3; ao CNPq, pela bolsa de Produtividade em Pesquisa,

processo 302387/2007-2 e a CAPES pela bolsa de Doutorado processo

33002088001-P4.

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SIZE AGGREGATE EFFECT IN THE PROPARTIES OT THE SELF-FLOWING

CASTABLES FIRED AT 1000°C

ABSTRACT

The goal of this work was studying of the influence of the aggregate size in the some

properties of the self-flowing castable. Castable containing aggregates with sizes:

3.35; 4.75; 6.3 and 8.0 mm was used. The samples were prepared with 5.5% of

water e poured into the mold producing bars with following dimensions: 25 mm x 25

mm x 150 mm, cured at 25°C for 24 hours and fired at 1000°C for 5 hours. After firing

the samples were machined and analyzed about water absorption, apparent porosity,

apparent density, Young modulus and rupture modulus.

Key words: Self-flowing castable, size of aggregate, elasticity modulus, rupture

modulus.


1608

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