APLICAÇÕES DE FIBRAS VEGETAIS NA SECAGEM DE CONCRETOS REFRATÁRIOS

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Rafael Salomão, Cláudia S. Isaac, Victor C. Pandolfelli

Departamento de Engenharia de Materiais – Universidade Federal de São Carlos Via Washington Luiz, km 235 – São Carlos – SP

pers@iris.ufscar.br ou vicpando@power.ufscar.br

RESUMO

A secagem de concretos refratários é uma etapa crítica em seu processamento devido aos riscos de explosão durante a saída de água contida em sua estrutura. Para minimizar esses problemas e aumentar a velocidade de secagem, fibras poliméricas têm sido adicionadas às formulações de concreto. Uma variável importante a ser considerada no desempenho desse aditivo é o tipo de fibra utilizado. Trabalhos anteriores dos autores indicam que fibras vegetais apresentam bom desempenho na geração de canais permeáveis. Esse fato, aliado à sua grande disponibilidade e baixo custo, sugere que fibras vegetais possam ser uma alternativa interessante às fibras sintéticas utilizadas atualmente. Neste trabalho, comparou-se o desempenho de fibras de juta e polipropileno como aditivo de secagem. Foram realizadas medidas de permeabilidade utilizando a Equação de Forchheimer, ensaios de permeametria em altas temperaturas e análise termogravimétrica do concreto. As fibras foram caracterizadas por calorimetria diferencial exploratória e termogravimetria.

Palavras-chave: concretos refratários, secagem, fibras vegetais.

INTRODUÇÃO

A secagem é uma etapa crítica do processamento de concretos refratários devido aos riscos de explosão durante a saída de água contida em sua estrutura. A baixa permeabilidade desses materiais dificulta a saída do vapor para a superfície, podendo gerar trincas e explosões. Assim, a utilização de programas de secagem agressivos pode prejudicar a qualidade final do produto. Por outro lado, um programa de secagem muito lento pode não ser economicamente viável(1).

Entre as soluções atualmente utilizadas, a adição de fibras poliméricas às formulações de concretos refratários tem mostrado bons resultados(2,3). Após sua fusão e degradação formam-se canais que aumentam a permeabilidade do concreto,

Proceedings of the 48th Annual Meeting of the Brazilian Ceramic Society

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facilitando a saída do vapor de água(4-6). Embora, as fibras de polipropileno (PP) sejam tradicionalmente utilizadas nessa aplicação desde os anos 80, trabalhos recentes do Grupo de Pesquisa dos autores demonstraram que fibras vegetais (juta) podem apresentar um desempenho equivalente ao das fibras de polipropileno na geração de aumento de permeabilidade(5,6). Esse fato, aliado à sua grande disponibilidade e baixo custo, sugere que as fibras de juta possam ser uma alternativa interessante como aditivo de secagem.

Juta é o nome comum dado à fibra extraída do caule de uma planta cuja denominação científica é Corchorus capsularis, pertencente à família das Tiláceas(7). Estas fibras são muito longas e rígidas, e deterioram-se facilmente quando expostas à umidade(7). Em cada planta, os feixes de células formam uma malha tubular que reveste o caule do início ao fim. Cada célula (ou fibrila) tem a forma poligonal, com um canal central contendo cerca de 10 % da área transversal da célula(8). Um esquema dessa estrutura é mostrado na Figura 1.

Fibrilas Canais permeáveis (10 % da área da secção transversal 30-50 µm Fibrilas Canais permeáveis (10 % da área da secção transversal 30-50 µm

Figura 1: Esquema da estrutura da fibra de juta(8).

Neste trabalho, os desempenhos de fibras sintéticas (polipropileno, PP) e vegetais (juta) como aditivo de secagem foram comparados. Técnicas de medida e avaliação de permeabilidade foram utilizadas para verificar o mecanismo de atuação de cada tipo de fibra. O comportamento de secagem de concretos refratários contendo estas fibras foi comparado com aquele sem fibras por meio de termogravimetria.

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Foi utilizada uma formulação de concreto auto-escoante desenvolvida através do modelo de distribuição de partículas de Andreasen (com coeficiente q = 0,21), calculada por meio do programa Particle Size Distribution Designer, desenvolvido pelo Grupo de Pesquisa dos autores(9). Composta por uma mistura de matriz fina (24% em peso, dp < 100 µm) e grãos de agregados (76% em peso, dpmax = 4,5

mm), contém 98 % em peso de alumina e 2 % em peso de cimento de aluminato de cálcio (CA 14, Alcoa EUA). O teor de água utilizado foi de 4,12 % em peso (15 % em vol), sendo adicionado gradativamente em duas partes: a primeira com 76,91 % em peso e a segunda com 23,09 % em peso do total, ambas em uma taxa de 8 g/s.

Fibras de juta e de polipropileno com 6 mm de comprimento (0,36 % em volume) foram adicionadas à formulação de concreto refratário (Tabela I).

Tabela I: Características típicas das fibras de polipropileno (PP) e juta. Fibra Densidade

(g/cm3)

Diâmetro

(µm) Aplicações

PP* 0,91 15

Reforço estrutural em concretos convencionais

Juta** 1,45 30-50

Sacaria, tapetes, revestimentos

* Fitesa S.A., Brasil; ** Companhia Têxtil de Castanhal, Brasil.

Depois de processadas em um misturador, as composições foram moldadas na forma de cilindros com 70 mm de diâmetro e 22 mm de espessura, para medidas de permeabilidade, e com 40 mm de diâmetro e 40 mm de espessura, para os ensaios de secagem.

Amostras para medidas de permeabilidade foram curadas a 50ºC com umidade relativa de ≈ 100 % por 72 horas. A seguir, parte delas foi colocada em uma câmara climatizada (Vötsch 2002) a 50ºC com umidade relativa de ≈ 20 %, para serem utilizadas em ensaios de medida de permeabilidade a verde e após tratamento

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térmico a 900ºC por 6 horas. A outra parte foi mantida úmida para ensaios de permeametria de ar quente. Amostras para ensaio de secagem foram curadas a 8ºC com umidade relativa de ≈ 100 % por 72 horas e então ensaiadas.

A caracterização das fibras de juta e polipropileno foi feita por meio de calorimetria exploratória diferencial (CED, Netzsch DSC 204) e termogravimetria (TG, Netzsch TG 209), na faixa de temperatura entre 20ºC e 600ºC, à uma taxa de 5ºC/min, em atmosfera oxidante (ar sintético).

As constantes de permeabilidade (k1 e k2) foram obtidas por meio da equação

de Fochheimer (Equação A) para escoamento de fluidos compressíveis(10):

2 s 2 s 1 0 2 0 2 i v k v k L P 2 P P ρ + µ = − (A)

onde, Pi e P0 são as pressões absoluta do ar na entrada e na saída da amostra,

respectivamente; L é a espessura da amostra; vs, µ e ρ são, respectivamente, a

velocidade, a viscosidade e a densidade do fluido.

A técnica de permeametria de ar quente (PAT)(11) permite que mudanças estruturais do concreto sejam observadas na temperatura em que ocorrem, sem necessidade de tratamento térmico. Quando uma pressão constante é imposta para que o ar escoe através do meio poroso, a permeabilidade pode ser influenciada por diferentes fenômenos durante o processo de aquecimento. Se o experimento for realizado utilizando um gradiente de pressão elevado, o escoamento de ar através de poros permeáveis se torna muito sensível a rearranjos físicos e variações de permeabilidade podem ser observadas(11). Amostras úmidas foram utilizadas neste experimento, com aquecimento de 20ºC até 50ºC, em uma taxa de 5ºC/min, permanecendo nessa faixa de temperatura por 10 horas. Nesse primeiro estágio de aquecimento é possível avaliar como a retirada de boa parte da água não combinada das amostras afeta a permeabilidade do concreto. A seguir, temperatura é reduzida até 25ºC e em seguida elevada até 600ºC, na mesma taxa. Evidenciam-se, assim, mudanças de permeabilidade causadas por reações térmicas nas fibras e hidratos presentes(11).

Os ensaios de secagem e explosão foram realizados em um aparato desenvolvido pelo Grupo de Pesquisa que permite registrar simultaneamente variações de massa e os perfis de temperatura desenvolvidos entre a superfície e o

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centro das amostras durante o aquecimento(12). Foi utilizada um taxa de aquecimento igual a 10ºC/min, de 25ºC a 800ºC. As variações de massa foram acompanhadas por meio da derivada parâmetro W em relação ao tempo, que avalia a fração cumulativa de massa perdida durante o aquecimento, em relação ao teor inicial de água na amostra (Equações B e C)(12):

f 0 0 M M M M 100 (%) W -× = (B) 1 -i 1 i 1 i 1 i i _t _t W W ) dt dW ( + + = (C)

onde: M é a massa instantânea registrada no tempo ti, durante o aquecimento, M0 é

a massa inicial e Mf a massa final da amostra.

RESULTADOS E DISCUSSÕES

Os resultados das medidas de permeabilidade em baixa temperatura (k2) são

mostrados na Figura 2.

Nota-se que as amostras verdes e secas do concreto de referência (sem fibras) e daquele com fibras de polipropileno apresentaram valores similares de permeabilidade. Para a amostra contendo fibras de juta, no entanto, os valores de permeabilidade obtidos foram significativamente superiores as demais amostras (≈ 10 vezes maior, para k2). Após a queima, as amostras contendo fibras apresentaram

um aumento de permeabilidade significativamente maior em relação ao verificado para a amostra sem fibras (≈70 vezes maior para polipropileno e 20 vezes maior para a Juta, considerando k2).

10 100 1000 10000

Sem fibras PP Juta

k 2 (1 0 -1 5 m) Verdes 900ºC

Figura 2: Medidas de permeabilidade (k2) de amostras verdes e tratadas

termicamente a 900ºC.

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A Figura 3 apresenta os resultados de permeametria de ar quente para o primeiro estágio de aquecimento (temperatura das amostras constante de ≈ 55ºC, durante 10 horas) para amostras de concretos com fibras de polipropileno e juta e para a amostra de referência.

0 10 20 30 40 50 0 2 4 6 8 10 20 30 40 50 60 70 Tempo (h) V a zã o (m l/ m in) Sem fibras PP (0,36 vol%) Juta (0,36 vol%) Temperatura da amostra (ºC) T e m peratura da a m ostra (ºC) 0 10 20 30 40 50 0 2 4 6 8 10 20 30 40 50 60 70 Tempo (h) V a zã o (m l/ m in) Sem fibras PP (0,36 vol%) Temperatura da amostra (ºC) T e m peratura da a m ostra (ºC) Juta (0,36 vol%)

Figura 3: Resultados de permeametria de ar quente (primeiro estágio: 10 horas a 50ºC) para amostras de concreto contendo fibras de polipropileno e juta e para a

amostra de referência.

Durante a secagem, até ≈50ºC, as amostras sem fibras e com fibras de PP apresentaram perfis de vazão similares, partindo de vazão nula e atingindo valores próximos a 12 ml/min. Para a amostra contendo fibras de juta, o aumento de vazão foi mais rápido e significativamente maior (≈ 4 vezes, em relação ao nível atingido pelo concreto de referência). Esse comportamento está de acordo com os resultados da Figura 3, onde se nota a maior permeabilidade da amostra verde com fibras de juta após a secagem a 55ºC, e seu mecanismo de atuação é demonstrado na Figura 4.

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Durante a mistura Fibra secas 30-50 µm Fibrilas Canais permeáveis

Secagem (T < Tdegradação da fibra)

Regiões de elevada permeabilidade geradas

após contração de secagem das fibrilas Redução de diâmetro durante a secagem Concreto Aumento do diâmetro das fibrilas e da distância interfibrilar Absorção de água / matriz Durante a mistura Fibra secas 30-50 µm Fibrilas Canais permeáveis Fibra secas 30-50 µm Fibrilas Canais permeáveis

Secagem (T < Tdegradação da fibra)

após contração de secagem das fibrilas Redução de diâmetro durante a secagem Secagem (T < Tdegradação da fibra)

após contração de secagem das fibrilas Redução de diâmetro durante a secagem Concreto Aumento do diâmetro das fibrilas e da distância interfibrilar Absorção de água / matriz Durante a mistura Concreto Aumento do diâmetro das fibrilas e da distância interfibrilar Absorção de água / matriz

Figura 4: Mecanismo de aumento permeabilidade de concretos com fibras de juta em baixa temperatura (50ºC).

A fibra de juta seca após o corte da planta apresenta uma considerável diminuição na secção transversal (redução por volta de 25 % no diâmetro), devido à contração das paredes da fibra(8,13). Uma vez adicionadas a um meio aquoso (como o concreto), essas fibras absorvem água e incham, recuperando seu diâmetro original(8,13). Se esse processo ocorrer durante a cura do concreto, sua solidificação preservará os canais gerados ao redor das fibras com diâmetro aumentado. Na secagem a 55ºC, as fibras encolhem novamente, diminuindo sua secção transversal. Este processo permite que novos canais permeáveis possam ser formados em faixas de temperatura próximas à ambiente(13).

As Figuras 5 e 6 mostram os resultados de: a) permeametria de ar quente (segundo estágio de aquecimento: 25 a 600ºC, a 5ºC/min), b) caracterização térmica das fibras e c) comportamento de secagem a 10ºC/min para amostras de concretos com fibras de polipropileno e juta, respectivamente.

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0 25 50 75 100 0 100 200 300 400 500 600 0 2 4 6 8 0 100 200 300 400 500 600 Temperatura (ºC) V a zão ( m l/ m in) d W /dt (% /m in) c) b) a) 400 % Polipropileno (0,36 vol%) Sem fibras Estabilidade Fusão Degradação 0 25 50 75 100 0 100 200 300 400 500 600 0 2 4 6 8 0 100 200 300 400 500 600 0 25 50 75 100 0 100 200 300 400 500 600 0 2 4 6 8 0 100 200 300 400 500 600 Temperatura (ºC) V a zão ( m l/ m in) d W /dt (% /m in) c) b) a) 400 % Polipropileno (0,36 vol%) Sem fibras Estabilidade Fusão Degradação Polipropileno (0,36 vol%) Sem fibras Estabilidade Fusão Degradação

Figura 5: a) Permeametria de ar quente (segundo estágio de aquecimento: 50 a 600ºC), b) Caracterização térmica das fibras e c) Comportamento de secagem a 10ºC/min para amostras de concretos com fibras de polipropileno.

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0 25 50 75 100 0 100 200 300 400 500 600 0 2 4 6 8 0 100 200 300 400 500 600 Temperatura (ºC) Va zã o ( m l/ min ) dW /d t (% /m in ) c) b) a) 400 % Juta (0,36 vol%) Degradação Sem fibras Estabilidade 0 25 50 75 100 0 100 200 300 400 500 600 0 2 4 6 8 0 100 200 300 400 500 600 Temperatura (ºC) Va zã o ( m l/ min ) dW /d t (% /m in ) c) b) a) 400 % Juta (0,36 vol%) Degradação Sem fibras Estabilidade Juta (0,36 vol%) Degradação Sem fibras Estabilidade

Figura 6: a) Permeametria de ar quente (segundo estágio de aquecimento: 50 a 600ºC), b) Caracterização térmica das fibras e c) Comportamento de secagem a

10ºC/min para amostras de concretos com fibras de juta.

Os resultados de permeametria de ar quente (Figuras 5a e 6a) mostram que os níveis de vazão das amostras sem fibras, com fibras de polipropileno e de juta (esta com nível inicial de vazão significativamente superior) se mantiveram estáveis entre 25ºC e 120-175ºC. Nessa mesma faixa de temperatura não são observadas reações térmicas nas fibras (Figuras 5b e 6b) nem diferenças no comportamento de secagem (Figuras 5c e 6c).

Entre 175 e 220ºC, a vazão das amostras sem fibras e contendo fibras de Juta manteve-se estável, embora em níveis distintos. A amostra com fibras de PP, no entanto, apresentou um expressivo e localizado aumento de vazão (≈ 4 vezes em relação à mesma temperatura na amostra sem fibras). Esse fato está relacionado com o aumento de permeabilidade gerado pela fusão e degradação desse polímero. Esse mecanismo já foi descrito com maiores detalhes em trabalhos anteriores do Grupo de Pesquisa dos autores(5,6,11). A partir de 220-250ºC e até 350ºC, o nível de vazão da amostra com juta começa a aumentar e atinge valor equivalente ao

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daquela contendo fibras de polipropileno. Para a amostra de referência o nível de vazão permanece similar ao inicial.

Por volta de 120ºC, o comportamento de secagem da amostra com fibras de juta começa a se distanciar daquele correspondente à amostra com fibras de polipropileno e a de referência (Figuras 5c e 6c). O concreto contendo juta apresentou um segundo pico (correspondente à saída de água na forma de vapor pressurizado) mais intenso e em menor temperatura que as outras amostras, indicando que a elevada permeabilidade induzida pela secagem da juta faz com que a taxa de saída de água seja ≈ 20 % maior e ocorra em um intervalo de tempo e temperatura inferior. As curvas das amostras sem fibras e com fibras de polipropileno só se diferenciam depois de ≈ 150ºC. Nesse ponto, a fusão do polímero aumenta a permeabilidade do concreto, levando a taxas de secagem ≈ 8 % superiores ao concreto de referência(14).

A relação entre os diversos resultados indica que o aumento de permeabilidade gerado, tanto pelas fibras sintéticas quanto vegetais, leva a uma modificação no comportamento de secagem dos concretos refratários. No entanto, o fato das fibras vegetais possibilitarem que este aumento de permeabilidade ocorra em menores temperaturas (antes da degradação das fibras e próximo à temperatura de ebulição da água), favorece o aumento da taxa de secagem. Além disso, é razoável supor que a presença de fibras vegetais também reduza consideravelmente os riscos de explosão durante a secagem.

CONCLUSÕES

Os resultados apresentados mostraram que tanto fibras de polipropileno como as de juta podem apresentar um bom desempenho como aditivos de secagem. Ambos os tipos de fibras modificaram o comportamento de secagem dos concretos refratários por meio da geração de aumentos de permeabilidade. Para o concreto com fibras de polipropileno, esse aumento ocorreu após a fusão e degradação das fibras (150-220ºC). Para aquele contendo fibras de juta, o aumento de permeabilidade se deu em duas etapas: a primeira ocorre em baixas temperaturas (abaixo de 100ºC), devido à contração diametral das fibras por secagem. A segunda etapa acontece em altas temperaturas, durante a degradação das fibras

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(217-408ºC). Essa diferença na temperatura de início de aumento de permeabilidade permite que o concreto com fibras de juta apresente taxa de secagem superior e um tempo necessário para secagem menor que aquele sem fibras e/ou com fibras de polipropileno. Considerando, ainda, seu baixo custo e a grande disponibilidade, as fibras de juta podem se tornar uma interessante alternativa às de polipropileno atualmente utilizadas.

AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem a FAPESP, ALCOA e Magnesita S.A. pelo suporte fornecido para a realização deste trabalho; ao CNPq (PIBIC) pela bolsa concedida e a Companhia Têxtil de Castanhal e Fitesa S.A. pelas amostras de fibras gentilmente cedidas.

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APLICATION OF NATURAL FIBERS FOR THE DRYING STEP OF REFRACTORY CASTABLES

ABSTRACT

The drying of refractory castables is a critical step in their installation process due the spalling risks. In order to decrease these problems and improve the drying rate, polymeric fibers have been added to the castables formulation. The type of the fiber is an important variable to be studied. Authors´ previous works indicate that vegetable fibers can show good potentialities. This fact, associated to its great availability and low cost, suggests that these fibers can be an interesting substitute to synthetics fibers. In this work, jute and polypropylene fibers had their performance as drying additive evaluated. The results of permeability measurements and hot air permeametry were related with the thermogravimety of the fiber-containing castables. The fibers were characterized by differential scanning calorimetry (DSC) and thermogravimetry (TGA).