MODELAMENTO E PREVISÃO DA AUTO-ESCOABILIDADE DE …
MODELAMENTO E PREVISÃO DA AUTO-ESCOABILIDADE DE CONCRETOS REFRATÁRIOS DE BAIXO E ULTRABAIXO TEOR DE CIMENTO ATRAVÉS DE UM ÍNDICE DE CONSISTÊNCIA REDEFINIDO
E. S. Octaviano*, S. C. Maestrelli** e J. B. Baldo**
* - Campo Fontenelle Pirassununga - SP
Academia da Força Aérea de Pirassununga
** - Via Washington Luiz Km 235 – São Carlos – SP – CEP –13565-905
Universidade Federal de São Carlos – DEMa
E-mail – baldo@power.ufscar.br
RESUMO
Neste trabalho é apresentado um estudo sobre o auto-escoamento de concretos refratários de baixo e ultra baixo teor de cimento, utilizando-se um Índice de Consistência Redefinido (K*), obtido em função do Índice de Auto-escoamento (I) obtido pelo método do cone truncado e a Viscosidade (() do material. Os resultados indicam que K*, pode utilizado como um parâmetro pré-avaliador da eficiência da auto-escoabilidade para um determinado teor de umidade e tipo de defloculante.
Palavras chave: Concreto refratário, auto-escoabilidade, viscosidade
INTRODUÇÃO
Os concretos refratários , são constituídos basicamente de agregados refratários distribuídos em uma matriz refratária. A matriz determina a maioria das propriedades, atuando como agente aglutinante, devido as reações com a fase cementante, sendo que é através dela que o desgaste estrutural acontece. Os agregados formam o esqueleto estrutural, sendo parcialmente responsáveis pelas propriedades dos concretos [1]. Os concretos refratários de baixo teor de cimento ( BTC ) surgiram visando obter melhores propriedades termomecânicas e características de resistência a corrosão das obtidas com os concretos refratários convencionais [2,3]. No entanto alguns problemas produtivos persistiram, como por exemplo a necessidade de equipamentos de vibração para uma instalação homogênea do concreto no formato desejado [4]. Essa dificuldade, foi recentemente solucionada com o desenvolvimento de concretos refratários de baixo e ultra baixo teor de cimento com propriedades AUTO ESCOANTES (SELF FLOWING ), cuja principal característica é a capacidade de fluir sem vibração externa. Tal propriedade foi conseguida com o emprego distribuição granulométrica específica, além da inclusão de pós submicronizados e aditivos surfactantes (defloculantes), aceleradores e/ou retardadores , na composição dos concretos [1].
A auto escoabilidade, é em princípio, controlada pela reologia da matriz, sendo que as propriedades reológicas são conseqüências de diversos parâmetros, tais como: distribuição granulométrica, formato das partículas, fração mássica da matriz, teor e forma de pós submicronizados , quantidade certa de água e agentes surfactantes.
Apesar da tecnologia de produção do material estar bastante avançada, ainda não existe um teste laboratorial de medida da auto escoabilidade tanto para fins de projeto, como para controle de qualidade que seja formalmente embasado e de aceitação universal.
O método de maior uso atualmente é o do tronco de cone [1,5], o qual é preenchido com a massa a ser avaliada e depois retirado rapidamente, permitindo que o material escoe livremente sob a ação da gravidade. O cálculo da auto escoabilidade do concreto utilizado é dado pela relação abaixo;
Porcentagem auto escoante = Diâmetro médio atingido pelo material X 100
Formalmente ele é representado por:
[pic] (A)
onde:
Df = diâmetro final atingido após um tempo t
Di = diâmetro inicial
Sendo que o diâmetro médio atingido pelo material, medido em mm, deve ser obtido pela média de três valores de diâmetro, medidos em posições diferentes. Uma análise prévia , feita por Watanabe [6], mostra que o raio de escoamento, após um tempo t, é dado pelas equações abaixo;
[pic] (B)
onde :
R0 = raio da massa ( base ) a t = 0.
R = raio da massa ( base ) a t = t.
(y = tensão de escoamento do concreto
( = w/(2(K2)
w = massa do concreto
( = viscosidade da massa
K = índice de consistência do concreto
Convencionou-se empiricamente que para tempos da ordem de 60s e de acordo com a Equação A os índices de escoamento menores que 50% caracterizam nenhuma auto escoabilidade, ao passo que índices em torno de 100% exprimem uma auto escoabilidade plena. Uma análise física da Equação B é bastante complexa considerando-se a dificuldade em se medir a parâmetro K. Além disso, na sua dedução, somente a parte relativa a matriz do concreto ( partículas menores que 150 (m ) foi considerada; isto é, o atrito interno provocado pelos agregados da fração grossa não foram levados em conta.
O ensaio do tronco de cone se vale da ação da tensão normal (força peso) e da tensão de cisalhamento perpendicular a normal. A massa cessa de escoar quando se atinge o equilíbrio entre as forças.
Um tratamento formal do escoamento lateral usando o enfoque puramente reológico traz complicações de difícil solução analítica; daí a escolha neste trabalho de um modelo geométrico com um decaimento exponencial.
O refinamento do método foi proposto por Octaviano e Baldo (10), apresentando de maneira original uma solução para esses problemas. Considerando que a massa de concreto pode continuar fluindo indeterminadamente, no entanto, o efeito predominante é encontrado nos primeiros minutos do experimento. Isso é característico de uma função de decaimento exponencial. A suposição assumida, é de que o valor das dimensões do volume inicial se propaguem de forma exponencial, rigorosamente, um comportamento exponencial limitado, e foi proposto a partir da observação experimental, sendo que as formas sugeridas para as Equações de (E) a (G) são conhecidas de diversos experimentos e teorias matemáticas para a descrição de comportamentos exponenciais limitados [ 7,8 ],.e descritos pelas relações abaixo ;
[pic] (C)
[pic] (D)
[pic] (E)
com condições iniciais e de contorno dadas por ;
p/ t = 0 , a = a0 , b = b0 e h = h0
p/ t (( , a = amax , b = bmax e h = hmin
V0 = Vf = 1/3 ( h ( a2 + ab + b2 )
Sendo que as constantes n1 , n2 , n3 , N1 , N2 e N3 são dependentes dos parâmetros do teste ( volume, formato do cone, formato do cone para um mesmo volume, etc ), e dos parâmetros constitucionais do material, podendo as mesmas serem determinadas experimentalmente. Os coeficientes (i e (i são sempre positivos e diferentes de zero, e são constantes de ajuste da curva teórica com os dados experimentais. Por exemplo, a Equação (B) pode ser comparada diretamente com a Equação (D) , pois ambas descrevem o comportamento do raio da base maior do tronco de cone usado experimentalmente.
[pic] (F)
Neste caso, como b0 = R0, temos que ;
[pic] (G)
se usarmos agora que ( = w/(2(K2) encontramos que:
[pic] (H)
isso nos mostra que o índice de consistência do concreto, está relacionado com os parâmetros reológicos e de escoamento, através de uma série de constantes e de uma relação logarítmica. Baseados nisso iremos redefinir o índice de consistência através de uma relação logarítmica , de uma constante reológica (que será a viscosidade () de uma condição de auto escoabilidade (que será o índice de auto escoabilidade), conforme definido por MSV, e dado na Equação A , e uma constante de ajuste experimental C. Ou seja, o novo índice, chamado agora de Índice de Consistência Redefinido, K*, será dado pela relação;
K* = ln (C I / ( ( (I)
Para a viscosidade ( em poise, o índice de auto escoabilidade ( ou fluidez ) I em %, a constante C pode ser tomada apenas para conferir um caráter adimensional a Equação (I), como C = 1poise/(%), sendo que como veremos adiante, tomando de dados experimentais, o Índice de Consistência Redefinido, K*, tem sua faixa de otimização obtida também em função do tipo de defloculante utilizado.
APLICAÇÃO DO MODÊLO A RESULTADOS EXPERIMENTAIS
A Aplicação Equação (I) aos resultados experimentais obtidos por Maestrelli [5], forneceu os dados abaixo, para as medidas de fluidez e viscosidade usando-se vários tipos e quantidades de defloculantes e teor de água, para três casos distintos de tipo de defloculação, com o Índice de Consistência Redefinido (K*), obtido através de dados experimentais, limitado segundo faixas otimizadas de auto-escoamento para cada situação. Isto implica dizer que; sempre que um índice de auto-escoamento satisfatório medido estiver associado a um Índice de Consistência dentro da faixa otimizada estabelecida, então o material vai apresentar auto-escoabilidade com homogeneidade microestrutural (sem segregação). É esta a grande contribuição deste estudo. Os valores otimizados de K* encontrados para cada caso foram.
Caso 1 - Defloculação Eletrostática: -0.5 ( K* ( 1,7
Caso 2 - Defloculação Estérica: -0,7 ( K* ( 0,5
Caso 3 - Defloculação Eletroestérica: -0,7 ( K* ( 0,5
Apresentamos a seguir apenas os dados relativos à utilização de defloculantes com forte ação eletrostática conforme mostrado nas Tabelas I, II e III. Mantendo-se fixado o teor de água de amassamento variando-se o teor de defloculante em quantidades iguais. O estudo foi aplicado a um concreto aluminoso de ultrabaixo teor de cimento, composto de agregados > 0.2mm de Corindon Eletrofundido ALOTAB, Microsílca , Alumina Calcinada APC3017SG e Cimento Elfusa 81 (1.5%).
Table I – Defloculante Hexametafosfato de Sódio.
|% Defloculante |% H2O |Fluidez (%) |Viscosidade(poise) |K* |
|0.05 |4.8 |115 |42.5 |1.000+ |
|0.07 |4.8 |113 |60 |0.633+ |
|0.10 |4.8 |95 |80 |0.172+ |
|0.15 |4.8 |93 |153 |-0.498++ |
+ - Boas características de moldagem, homogeneidade e isenção de macrodefeitos.
++ - Microestrutura não uniforme com presença de macrodefeitos embora fosse auto-escoante.
Tabela II – Defloculante Tripolifosfato de Sódio.
|% Defloculante |% H2O |Fluidez (%) |Viscosidade (poise) |K* |
|0.05 |4.8 |110 |78 |0.344+ |
|0.07 |4.8 |93 |157 |-0.531++ |
|0.10 |4.8 |77 |132 |-0.544++ |
|0.15 |4.8 |87 |107 |-0.210++ |
Observações idem às da Tabela I.
Tabela III – Defloculante Poliacrilato de Amônio (Darvan C).
|% Defloculante |% H2O |Fluidez (%) |Viscosidade (poise) |K* |
|0.05 |5.3 |69 |120 |-0.553++ |
|0.07 |5.3 |88 |43 |0.720+ |
|0.10 |5.3 |133 |60 |0.798+ |
|0.15 |5.3 |140 |20 |( |
| | | | | |
+ - Boas características de moldagem, homogeneidade e isenção de macrodefeitos.
++ - Material não apresentou auto-escoamento
( - Segregação intensa
CONCLUSÃO
O novo Índice de Consistência Redefinido (K*) proposto neste estudo é uma ferramenta de grande utilidade tecnológica pois permite ao engenheiro refratarista projetar concretos auto-escoantes com maior segurança além daqueles baseados apenas na seleção dos agentes surfactantes corretos e da granulometria adequada.
AGRADECIMENTOS
À FAPESP processo número 98/10439-8
REFERÊNCIAS
1 - Robson, T.D. ; “Refractory Concretes : Past, Present and Future “- SP 57-1 , em Refractory Concrete , publicação SP 57 da ACI, 1978.
2 - Lobo, A.C.O. ; “Apostila Refrente Ao Curso de Refratários da Petrobras “, Petrobras, Rio de Janeiro, 1984.
3 - Kronet, W. , Schumacher, U. ; Aachen Proceedings, 12-18, 1988.
4 - Masaryk, J.S. , Steinke, P.A. , Videtto, R.B. ; Anais da UNITECR’93 - 527-538, 1993.
5 - Maestrelli, S.C. ; Dissertação de Mestrado, Depto. de Eng. de Materiais, UFSCar, São Carlos, l996.
6 - Watanabe, K. ,Ishikawa, M. ,e Wakimatsu, M. Taikabutsu Overseas, 9(1)41-53.
7 - Boyce, W.E. e Diprima, R.C., Equações Diferenciais Elementares e Valôres de Contorno, pg. 48-53, Editora Guanabara 3, edição 1988.
8 - Octaviano, E.S. - Tese de Doutorado, IFQSC-USP, São Carlos, 1991.
9 - Baldo, J.B. e Morelli, Proceedings of the UNITECR’95, 351-366, Kyoto, Japão, 1995.
10 – Octaviano, E. S. and Baldo, J. B. – Proceedings of the UNITECR´97 , vol. 2 pp- 605-612. New Orleans, USA, 1997.
MODELING AND PREDICTION SELF FLOWABILITY OF LOW AND ULTRA LOW CEMENT REFRACTORY CASTABLES BY MEANS OF A REDIFENED CONSISTENCY INDEX
ABSTRACT
In this work it is presented a study concerning the selflow behavior of low and ultra low cement refractory castables, using a Redefined Consistency Index (K*) which was obtained from the Selflowing Index (I) and the material Viscosity ((). The results indicated that K* can be used as a parameter to pre-evaluate the castable selflowing efficiency when a certain water content and defloculant type are used.
Key words : refractory castable- selflowing – consistency index.
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[pic]
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