INFLUÊNCIA DA ETAPA DE MISTURA NA REOLOGIA DE CONCRETOS REFRATÁRIOS
R. G. Pileggi♦, A. R. Studart♦ e V. C. Pandolfelli♦
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Engenharia de Materiais (DEMa)
RESUMO
O comportamento reológico dos concretos refratários tem sido alvo freqüente de diversos trabalhos técnicos e científicos. Dispersantes, empacotamento de partículas, teor de cimento e água, são alguns parâmetros normalmente avaliados. Para tanto, usualmente assume-se que os concretos encontram-se adequadamente misturados, permitindo a devida análise das variáveis em estudo. Contudo, apesar da relevância desta etapa sobre as propriedades reológicas do concreto, encontram-se, na literatura, apenas publicações que avaliam o efeito da mistura sobre a reologia da matriz e não do concreto propriamente dito. Com o objetivo de suprir esta carência, são apresentados, neste trabalho, resultados que demonstram os efeitos da distribuição granulométrica, da taxa de adição de água e do cisalhamento aplicado sobre a etapa de mistura dos concretos. Os experimentos foram realizados em um reômetro especialmente desenvolvido para estes materiais e os resultados mostram a significativa influência das variáveis estudadas sobre a mistura, e conseqüentemente, sobre o comportamento reológico final dos concretos.
PALAVRAS-CHAVES: mistura, fluidez, reologia, reômetro, concreto
INTRODUÇÃO
A mistura de sistemas particulados é uma etapa de fundamental importância para diversos setores tecnológicos, tendo sido profundamente estudada(1) ao longo dos anos.
No caso específico dos concretos refratários, a mistura adquire importância ainda maior por ser uma das poucas etapas do processamento, exercendo assim influência direta em seu desempenho final.
Sucintamente, a produção de um concreto inicia-se pela quebra de aglomerados e homogeneização de seus componentes através da mistura no estado seco. Após esta etapa, é adicionada a água ao material. Neste período é que ocorrem os maiores esforços na mistura devido à chamada “virada do concreto”, a qual pode ser definida como o instante da passagem do estado de sistema particulado para fluido. Finalmente, com toda água adicionada, o material é mantido sob agitação até tornar-se homogêneo e estável com relação ao seu estado de dispersão, podendo, então, ser aplicado. Eventualmente, nesta terceira etapa podem ser aplicadas elevadas taxas de cisalhamento para compensar deficiências da mistura nas etapas anteriores.
Apesar da elevada importância da mistura no desempenho final dos concretos, são encontrados na literatura, estudos que analisam apenas seus efeitos sobre a reologia da matriz(2,3), desprezando-se a contribuição dos agregados.
Desta forma, o objetivo deste trabalho é analisar a influência da mistura na reologia do concreto como um todo (matriz + agregados), avaliando os efeitos que a distribuição granulométrica, a taxa de adição de água e o cisalhamento aplicado exercem sobre esta etapa. Para isso, são apresentados e discutidos resultados de experimentos realizados em um reômetro para concretos(4), capaz de medir o comportamento do material (resistência ao cisalhamento) desde a etapa de mistura do pó seco, até o momento em que este se apresente como um fluido.
PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
Para execução do trabalho foram formuladas quatro granulometrias distintas de concretos auto-escoantes zero-cimento (100 % Al2O3), baseadas no modelo de Andreasen com coeficiente q = 0,21 (Figura 1).
As composições resultaram das combinações entre duas distribuições de agregados (partículas com diâmetro > 100 µm) distintas, com duas diferentes matrizes (diâmetro < 100 µm). A distribuição de agregados com maior teor de partículas grosseiras foi denominada AG, enquanto a outra AF. O mesmo critério de nomenclatura foi também adotado para a matriz, sendo aquela composta por uma maior fração das maiores partículas chamada MG e a outra MF. Os concretos foram então denominados indicando as combinações de matriz e agregado utilizadas. Os valores de área superficial volumétrica (VSA) e porosidade teórica (P0) dessas composições são apresentados na Tabela I. O dispersante utilizado foi o ácido cítrico no teor de 0,26 mg/m2.
O teor de água nos concretos foi fixado em 15 % em volume, sendo avaliadas duas formas distintas para sua adição: (a) adição direta, em que toda a água foi adicionada de uma única vez a uma taxa de 8 g/s; (b) adição fracionada, onde a adição de uma parte do líquido foi direta (8 g/s)
até que se fornecesse o volume de água exato para a virada do concreto (≈ 13 % em volume). Neste instante, a adição foi interrompida até que o máximo torque na virada do concreto fosse atingido, após o qual a água restante foi incorporada novamente de maneira direta.
Figura 1 – Distribuições granulométricas acumuladas e discretas dos concretos auto-escoantes zero-cimento (100 % Al2O3) produzidos. Obs: AG = agregados grossos; AF = agregados finos; MG = matriz grossa e MF = matriz fina. CPFT = porcentagem acumulada de partículas menores que o diâmetro.
A mistura dos concretos foi realizada no reômetro em uma rotação constante de 33 rpm. A primeira etapa (pó seco) teve duração de 30 s, apesar de em escala industrial a mesma durar aproximadamente 5 minutos. A segunda foi dependente das composições e da forma de adição de água, e a terceira durou aproximadamente 300 s a 33 rpm.
Imediatamente após o término da mistura, foi medida a fluidez de cada composição segundo a norma ASTM C-860 adaptada para concretos auto-escoantes. Em seqüência, os concretos foram submetidos a ciclos de cisalhamento com a rotação variando entre 2 e 75 rpm. Ao término do ciclo, cada composição teve sua fluidez novamente medida.
Calculando-se as áreas sob as curvas obtidas de torque em função do tempo, foram estimadas as energias de mistura para cada composição. Foram também obtidos os valores de torque na virada para cada ensaio, além do tempo necessário para que essa condição fosse atingida. Finalmente, com o auxílio dos recursos do reômetro, foi medido o aquecimento de cada massa ao longo das solicitações aplicadas. Esses resultados encontram-se na Tabela I.
0,01 0,1 1 10 100 0,1 1 10 100 1000 10000 Diâmetro (µm) CPFT (%) 0 1 2 3 4 5 6 % Discreta
MGAF MGAG MFAG MFAF
distribuições acumuladas
Tabela I – Características das composições: área superficial volumétrica (VSA); porosidade teórica (P0); torque na virada para a adição direta e fracionada; tempo para virada e aquecimento após a mistura para as duas formas de adição de água.
Obs: VSA calculada a partir das área superficiais (B.E.T.) das matérias-primas medidas em um equipamento Gemini 2370 (Micromeritics); P0 calculada pelo modelo de Westman e Hugill(5).
RESULTADOS E DISCUSSÕES
As curvas de mistura das composições MGAG e MFAF são apresentadas na Figura 2 para ilustrar os fenômenos verificados em todas as composições. Como se observa, independentemente da granulometria, a adição direta de água resulta em curvas de mistura com valores baixos de torque na virada. Por outro lado, a adição fracionada leva a picos de virada com valores de torque elevados e dependentes do sistema granulométrico.
Figura 2 – Curvas de mistura das composições MGAG e MFAF para as duas condições de adição de água. Obs: Teor de água = 15 % volume; mistura a 33 rpm. Setas indicam os instantes de virada.
MGAG MGAF MFAG MFAF Forma de
VSA (m2/cm3) 8,21 8,46 10,92 11,17 Adição de P0 (%) 11,2 11,2 13,0 13,0 Água 7,42 6,55 11,53 8,59 direta 19,07 20,58 36,5 36,7 fracionada 150 170 150 158 direta 188 294 199 255 fracionada 1,7 1,6 1,8 1,2 direta 3,4 2,5 3,7 2,9 fracionada Torque Virada (Nm) Tempo virada (s) Aquecimento (oC) 0 5 10 15 20 25 30 35 40 0 50 100 150 200 250 300 Tempo (s) Torque (Nm) MGAG - direta MGAG - fracionada MFAF - direta MFAF - fracionada virada área é proporcional à energia de mistura
Para compreender os resultados da Figura 2 é necessário discutir o processo de mistura propriamente dito. Quando se inicia a adição de água em um sistema de partículas, ocorre a formação de um filme líquido na superfície das mesmas denominado camada adsorvida de ligação(1). A sobreposição dessas camadas de líquido de partículas diferentes causa o surgimento de forças de adesão entre elas devido a efeitos de capilaridade. Tais forças atuam no sentido de impedir o afastamento entre as partículas. Assim, quanto maior a área de contato entre as partículas, maior a resistência ao cisalhamento.
À medida que mais água é adicionada e/ou que esta esteja melhor distribuída no sistema, aumenta a quantidade de partículas recobertas pela camada de ligação, causando aumento no torque necessário para o cisalhamento. Este é o comportamento observado nos períodos iniciais das curvas de mistura na Figura 2, independentemente da forma de adição de água e da granulometria.
Quando o teor de água atinge um determinado valor crítico capaz de formar pontes entre as partículas, denominadas pontes líquidas de ligação(1), ocorre um drástico aumento na resistência ao cisalhamento. Isto porque, diferentemente das forças de sobreposição de camadas de água, as pontes líquidas geram forças capilares de atração entre as partículas. Quanto maior a área superficial, mais pontes são formadas e maior a resistência da massa.
O teor crítico é atingido quando houver água suficiente para preencher os vazios entre as partículas (porosidade) e recobrir suas superfícies. A partir desta condição, qualquer quantidade de água adicionada ao material provoca o desaparecimento das pontes (aumenta a distância entra as partículas), e a resistência ao cisalhamento diminui instantaneamente.
Compreende-se então a diferença entre os níveis de torque alcançados pelas duas formas distintas de adição. Na adição direta, o teor de 15 % em volume de água, que para os sistemas estudados é comprovadamente superior ao crítico (ver porosidades teóricas na Tabela I), foi adicionado de uma única vez. Assim, o pequeno aumento de torque verificado na mistura ocorreu devido a pontos localizados de sobreposição de camadas. À medida que a água se distribuiu, não houve tempo para a estabilização de pontes líquidas entre as partículas, pois o sistema apresentava excesso de água em relação ao teor crítico. Sendo assim, o torque não apresentou elevação acentuada e rapidamente voltou a diminuir.
Na adição fracionada, uma vez que a água foi inicialmente incorporada apenas no teor exato para a formação das pontes líquidas entre as partículas, o torque na mistura pôde alcançar níveis bastante elevados, atingindo seu limite quando a água se distribuiu plenamente, maximizando o número de pontes no sistema. A partir deste ponto, a adição de teores mínimos de água provocou uma redução brusca e instantânea no torque da mistura.
Os níveis máximos de torque (torque na virada) atingidos pelos concretos durante a mistura utilizando ambas as formas de adição de água são apresentados na Tabela I. Pode-se observar que na adição direta, os torques de virada ocorrem numa faixa de valores relativamente próximos. Todavia, na adição fracionada identificam-se dois patamares distintos de torque, sendo que cada qual refere-se a um tipo de granulometria da matriz (torque na virada - MG ≈ 20 Nm; MF ≈ 36 Nm).
Este resultado é coerente uma vez que as forças geradas pelas pontes líquidas são função da área superficial dos sistemas de partículas. Assim, as composições com maior área, que são aquelas com a matriz MF, apresentam os maiores níveis de torque na virada. Há então uma relação crescente entre torque máximo na virada e área superficial do concreto, como pode ser verificado na Figura 3 (pontos em azul). Cabe ressaltar que elevados valores de torque na virada somente podem ser atingidos em misturadores com alta potência.
Figura 3 – Torque máximo na virada do concreto em função da sua área superficial volumétrica para a condição de adição fracionada de água. Obs: os pontos vermelhos no gráfico referem-se a resultados obtidos em literatura(6).
A discussão sobre a dinâmica do processo de mistura permitiu a compreensão das variáveis que afetam esta etapa, e apontou os caminhos para seu controle. Contudo, tal conhecimento somente possui utilidade se forem avaliados os efeitos da etapa de mistura sobre o comportamento reológico dos concretos.
A Figura 4 apresenta as curvas de torque em função da rotação resultantes dos ensaios de cisalhamento cíclico (2 a 75 rpm) aos quais as composições MGAG e MFAF foram submetidas após a mistura.
Pode-se verificar que as composições misturadas com adição direta de água apresentam curvas crescentes e decrescentes distintas, gerando uma grande área de histerese (área em
0 5 10 15 20 25 30 35 40 6 7 8 9 10 11 12 VSA (m2/cm3) Torque Virada (Nm) R2 = 0,9891
amarelo). Tal comportamento é um indicativo de que a mistura não foi capaz de fornecer energia suficiente para romper os aglomerados presentes no material, sendo que esta quebra continua no transcorrer do ciclo.
Figura 4 – Curvas de histerese resultantes dos ensaios cíclicos (2 a 75 rpm) das composições MGAG e MFAF, misturadas tanto com adição direta como fracionada de água. Obs: setas indicam o sentido do ciclo de rotação.
Por outro lado, quando a adição de água foi realizada de maneira fracionada, as áreas de histerese das curvas tornaram-se bastante reduzidas, indicando a eficácia da etapa de mistura em fornecer a energia necessária para romper os aglomerados. Além da redução de área, os níveis de torque para uma determinada rotação também diminuíram, confirmando a melhor desaglomeração do material para esta condição. Este comportamento foi verificado em todos os sistemas estudados.
A energia fornecida ao concreto durante a etapa de mistura pode ser quantificada calculando-se a área sob a curva de torque em função do tempo (Figura 2). Observou-se que a forma de adição de água, que afeta diretamente o torque na virada, também afeta a energia fornecida durante a mistura e, por conseqüência, a área de histerese obtida após a solicitação cíclica. Na Figura 5 apresenta-se a relação entre a energia de mistura e a área de histerese das curvas de torque versus rotação para os sistemas preparados utilizando-se as duas formas de adição de água.
A Figura 5 comprova, de uma maneira geral, que as menores áreas de histerese estão vinculadas aos superiores valores de energia de mistura. Além disso, a forma de adição de água subdivide o gráfico em dois grupos distintos: (a) adição direta: os níveis energia de mistura foram
0 1 2 3 4 5 6 7 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Rotação (rpm) Torque (Nm) MGAG - direta MGAG - fracionada MFAF - direta MFAF - fracionada área de histerese
da granulometria; (b) adição fracionada: a energia de mistura apresentou valores elevados, mas distintos conforme o sistema. Contudo, as áreas de histerese são pequenas e similares, indicando então que, para cada sistema, deve haver um mínimo de energia suficiente para a desaglomeração do concreto.
Figura 5 – Correlação entre a energia de mistura e a área de histerese. Apresentam-se ainda a forma de adição de água e os valores de fluidez (%) obtidos (entre parênteses).
O gráfico permite ainda concluir, que os concretos apresentam sensibilidades distintas em relação à mistura, dependendo da sua distribuição granulométrica. As composições que possuem matriz MF apresentam grande diferença de área de histerese entre as duas condições de mistura, provavelmente devido à sua maior área superficial.
Complementando a análise da Figura 5, verifica-se que uma maior eficiência de mistura resulta necessariamente em superiores níveis de fluidez. Tais resultados são visualizados em detalhes na Figura 6, onde são apresentados os valores de fluidez que cada concreto obteve tanto após a mistura, como após o ciclo de cisalhamento.
A Figura 6 confirma que a forma de adição de água fracionada leva os concretos a superiores níveis de fluidez após mistura quando comparados com a adição direta. A aplicação de ciclos de cisalhamento resultou no aumento da fluidez para as composições misturadas com adição direta, mas não levou a aumentos naquelas misturadas de maneira fracionada. Pelo contrário, o ciclo diminuiu a fluidez do concreto MGAG.
A energia fornecida pela etapa de mistura (Figura 7) no processo fracionado apresentou valores elevados quando comparada com a adição direta de água. Isto significa que na primeira forma de adição a mistura forneceu uma maior quantidade de energia ao concreto, a qual foi suficiente para romper os aglomerados presentes no mesmo, maximizando sua fluidez. No outro
0 10 20 30 40 50 60 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 Energia de Mistura (Nm.s) Área de Histerese (Nm.rpm) adição direta adição fracionada (104 %) (124 %) (87 %) (113 %) (75 %) (62 %) (95 %) (79 %) MGAG MGAF MFAG MFAF
procedimento, não houve energia suficiente para tal, e o material apresentou baixa fluidez por ainda encontrar-se floculado.
Figura 6 – Valores de fluidez medidos após a mistura e após os ciclos, para as composições processadas com adição de água direta e fracionada. Obs: setas indicam o aumento de fluidez devido à aplicação do ciclo de cisalhamento nas composições misturadas com adição direta de água.
Figura 7 – Energias de mistura e total (mistura + ciclo) fornecidas aos concretos, tanto para a adição de água direta como para a condição fracionada. Obs: Setas indicam a energia adicional fornecida pelos ciclos para ambas formas de adição de água.
Quando foram aplicados os ciclos no concreto previamente misturado, na realidade foi fornecida uma quantidade adicional de energia ao concreto além daquela proveniente da mistura. Porém, no material disperso este suplemento não provocou quebra de aglomerados, sendo dissipado, por exemplo, na forma de calor. Todavia, nos sistemas que ainda apresentavam-se
40 60 80 100 120 140
MGAG MGAF MFAG MFAF
Composição
Fluidez (%)
adição direta - após mistura adição direta - após ciclo adição fracionada - após mistura adição fracionada - após ciclo
maior diferença de fluidez: mistura / fracionada – ciclo / direta
0 1000 2000 3000 4000 5000
MGAG MGAF MFAG MFAF
Composição
Energia (Nm.s)
energia mistura - adição direta energia total - adição direta energia mistura - adição fracionada energia total - adição fracionada
explica porque a fluidez não melhorou após o ciclo no caso da adição fracionada, mas aumentou bastante no caso da adição direta (Figura 6).
Finalmente, comparando-se a energia de mistura para o caso de adição fracionada, com a energia total para a condição de adição direta, observa-se que os concretos MGAG e MFAF atingiram níveis bastante próximos em ambos os casos, enquanto nos sistemas MGAF e MFAG o ciclo não foi capaz de fornecer a energia necessária para atingir a condição da mistura
fracionada. O resultado disto pode ser verificado nos valores de fluidez. Após o ciclo, os
concretos MGAG e MFAF apresentaram fluidez muito similar à condição de adição fracionada, ao contrário das demais composições.
Portanto, a máxima fluidez somente foi atingida quando se forneceu energia suficiente para romper os aglomerados no sistema, independente se esta quantidade de energia foi fornecida pela mistura, ou em cisalhamentos posteriores.
Dois aspectos ainda não abordados a respeito da mistura, mas de significativa importância tecnológica, são o tempo necessário e o aquecimento gerado por esta etapa. Na Tabela I são apresentados tais resultados para ambas formas de adição de água.
Pode-se observar que as composições que possuem a distribuição de agregados AG (mais grosseira) foram misturadas em tempos menores que aquelas constituídas por AF, sendo esta diferença mais acentuada na adição fracionada que na direta.
Uma provável explicação para este comportamento está no efeito de “moinho de bolas”(2) que os agregados exercem sobre a matriz. No sistema AG, a maior quantidade de partículas grandes auxilia na quebra dos aglomerados, acelerando a distribuição da água pelas partículas e desta forma antecipando a virada. Uma vez que os agregados AF possuem menos partículas grandes, este efeito de moagem é diminuído, e a água leva mais tempo para se distribuir homogeneamente pelas partículas do concreto.
O aquecimento das composições na mistura foi maior na adição de água fracionada que na
direta. Isto porque tanto o tempo, como os níveis de esforços realizados foram maiores para a
primeira condição. Além disso, a maior fricção que o sistema AG é capaz de fornecer atuou provocando um maior aquecimento nos concretos, principalmente na adição de água fracionada.
Pode-se afirmar ainda que a escolha do procedimento de mistura deve estar relacionada com a aplicação do material. Um concreto bombeável, por exemplo, se for perfeitamente misturado sofrerá perda de fluidez quando for submetido ao elevado cisalhamento inerente de sua técnica de aplicação. Por sua vez, um auto-escoante deve necessariamente estar perfeitamente desaglomerado após a mistura para que seja adequadamente moldado.
CONCLUSÕES
A etapa de mistura dos concretos refratários mostrou-se dependente tanto da forma de adição de água como da distribuição granulométrica.
A adição fracionada de água gerou elevados níveis de torque na virada e resultou em máxima eficiência de mistura, otimizando a fluidez. Por sua vez, a adição direta de água acarretou valores baixos de torque na virada, mas não foi eficaz na quebra dos aglomerados, resultando assim em níveis inferiores de fluidez.
As distribuições granulométricas com maior área superficial levaram aos maiores valores de torque de mistura, indicando que concretos que apresentam granulometria com essas características requerem a utilização de misturadores mais potentes nesta etapa.
O máximo da fluidez foi atingido sempre que se forneceu ao concreto uma certa quantidade mínima de energia de mistura, maior ou igual àquela obtida durante o processo de adição de água
fracionado.
A aplicação de ciclos de cisalhamento no concreto foi capaz de suprir energia que eventualmente não foi fornecida na mistura.
As distribuições de agregados mais grosseiras (AG) provocaram maior aquecimento nos concretos, mas reduziram o tempo para mistura.
Pode-se então concluir que é possível projetar distribuições de concretos que permitam a mistura com menores níveis de torque (mais fácil de misturar), mas com eficiência, rapidez e com aquecimento controlado. Adicionalmente a isto, a condição de aplicação define qual a melhor forma para se misturar este material.
Pelo que foi mostrado, o reômetro constitui uma ferramenta de fundamental importância para a compreensão dos fenômenos que ocorrem nos concretos, sendo ideal para o desenvolvimento dessa classe de refratários.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem à FAPESP, ao CNPq e a Cerâmica SAFFRAN S.A. pelo apoio a este trabalho.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
(1) Harnby, N., Edwards, M. F. and Nienow A. W., Mixing in the process industries – second edition. London: Butterworth-Heinemann, 1997, 414 p.
(2) Williams, D. A., Saak, A. W., Jennings, H. M., Cement and Concrete Research, v.29, p. 1491-1496, 1999.
(3) Yang, M. and Jennings, H. M., Advanced Cement Based Materials, n. 2, p. 70-78, 1995. (4) Pileggi, R. G., Paiva, A. E., Gallo, J. and Pandolfelli, V. C, American ceramic Society Bulletin, v. 79, n. 1, p. 54-58, 2000.
(5) Funk, J. E., Dinger, D. R., Predictive process control of crowded particulate suspensions applied to ceramic manufacturing. London: Kluwer Academic Publishers, 1994, 786 p.
(6) Studart, A. R., Pileggi, R. G. e Pandolfelli, V. C., Comportamento reológico e desempenho a altas temperaturas de concretos refratários multifuncionais, trabalho submetido aos anais do 44o Congresso Brasileiro de Cerâmica, 2000.
INFLUENCE OF THE MIXING PROCESS ON THE RHEOLOGICAL BEHAVIOR OF REFRACTORY CASTABLES
ABSTRACT
The rheological behavior of refractory castables has been the main subject of several recent scientific papers. Particle size distribution, dispersants and cement and water content are some of the parameters that have been usually evaluated. The majority of these studies are carried out assuming that castables are already completely mixed and homogeneous. However, despite the relevance of the mixing process on the rheological behavior of castables, the studies in this field analyze only the matrix characteristics. Papers that describe the influence of the mixing process on the behavior of the castable as a whole could not be found. The main purpose of this article is to evaluate the influence of particle size distribution, water addition rate and shear history on the mixing behavior of refractory castables. The experiments were carried out by a rheometer that was specially developed to evaluate castables. The results point out the marked influence of the studied parameters on the mixing process and consequently on the rheological behavior of castables.
