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UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO
ESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA
VINÍCIUS FRANCO DO NASCIMENTO
Desenvolvimento de concreto de alta resistência mecânica
Lorena - SP
2010
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Vinícius Franco do Nascimento
Desenvolvimento de concreto de alta resistência mecânica
Dissertação apresentada à Escola de
Engenharia de Lorena da Universidade
de São Paulo para o título de Mestre em
Engenharia de Materiais
Área de concentração: Ciência de
Materiais Metálicos, Poliméricos e
Cerâmicos
Orientador: Prof. Dr. Fernando Vernilli Jr.
Lorena - SP
2010
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AUTORIZO A REPRODUÇÃO TOTAL OU PARCIAL DESTE TRABALHO, POR
QUALQUER MEIO CONVENCIONAL OU ELETRÔNICO, PARA FINS DE ESTUDO E
PESQUISA, DESDE QUE CITADA A FONTE.
Ficha Catalográfica
Elaborada pela Biblioteca Especializada em Engenharia de Materiais
USP/EEL
Nascimento, Vinicius Franco do
Desenvolvimento de concreto de alta resistência mecânica/Vinicius
Franco do Nascimento ; orientador Fernando Vernilli Jr.--Lorena, 2010.
71f.: il.
Dissertação (Mestrado em Engenharia de Materiais)- Escola de
Engenharia de Lorena - Universidade de São Paulo.
1. concreto refratário 2.aluminato de cálcio 3. siderurgia.
I. Título.
CDU 666.3
DEDICATÓRIA
Aos meus pais, Pascoal e Zuleika, minha avó, Antonia e
irmãs Vanessa e Vânia, que sempre estiveram ao meu
lado em toda minha vida ajudando em minhas conquistas
e motivando a cada sinal de cansaço.
AGRADECIMENTOS
Ao meu orientador, Prof. Dr. Fernando Vernilli Jr, que mais do que um professor se
tornou um amigo, ensinando-me sobre a academia e a vida, sem sua participação
não teria chegado ao estágio profissional e humano que tenho hoje.
Ao meu amigo Dr. Sidiney Nascimento, que me aconselhou e ajudou-me dar os
primeiros passos na vida profissional com este trabalho.
Aos amigos do Laboratório de Matérias Primas da CSN (Wilson, David, Paulo e
Carlos) que me ajudaram a executar os ensaios de Laboratório.
A Togni Materiais Refratários, nas pessoas de Celso Amoedo e Eduardo Togni, que
acreditaram na proposta e desenvolveram o trabalho em conjunto.
A todos os alunos do professor Vernilli, que me ajudaram em diversas etapas do
trabalho.
À minha namorada Alexandra, que me apoiou ao longo do trabalho como
companheira e amiga.
RESUMO
NASCIMENTO, V. F. Desenvolvimento de concreto refratário de alta resistência
mecânica. 2010. 70f. Dissertação (Mestrado em Ciência dos Materiais) Escola de
Engenharia de Lorena, Universidade de São Paulo, Lorena, 2010.
A constante busca por redução de custos e alternativas estratégicas por
abastecimento de insumos refratários, tem levado as usinas siderúrgicas à buscar
novos fornecedores para atender suas necessidades. Com base na necessidade da
Companhia Siderúrgica Nacional (CSN), firmou-se uma parceria entre universidade
e empresa, com intuito de desenvolver um novo fornecedor para um insumo
refratário o qual só era fornecido por uma empresa. Foi então iniciado um trabalho
de investigação das propriedades físico-químicas do material utilizado pela CSN
(material de referência), utilizando-se a análise da distribuição granulométrica,
composição mineralógica e propriedades mecânicas. A partir deste ponto, convidou-
se uma empresa genuinamente nacional, para desenvolver um novo produto, com
matérias primas nacionais, que tivesse as mesmas propriedades mecânicas do
material de referência. O concreto nacional foi caracterizado da mesma forma que o
material de referência, em suas propriedades físico-químicas e ensaios mecânicos.
Com base nos resultados foi realizado um teste em escala piloto, com aprovação do
material. A empresa parceira passou a ter um novo material em sua carteira de
produtos comercializado no mercado nacional e a CSN está realizando testes em
escala industrial para aprovar um novo fornecedor de concreto refratário de alta
resistência mecânica.
Palavras chave: Concreto refratário, aluminato de cálcio, siderurgia.
ABSTRACT
NASCIMENTO, V. F. Development of the high mechanical resistance refractory
castable. 2010. 70f. Dissertation (Master of Materials Science) - Escola de
Engenharia de Lorena, Universidade de São Paulo, Lorena, 2010.
The constant search for cost reduction and strategic alternatives for refractory raw
materials supply, has led the steelplants to look for new suppliers to meet its needs.
Companhia Siderurgica Nacional (CSN) has signed a partnership between
universities and companies, aiming to develop a new supplier for a refractory raw
material which was only supplied by one company. Then a research based on
chemical-physical properties of material used by CSN (reference material) was
started, using the analysis of particle size distribution, mineralogical composition and
mechanical properties. From this point, a genuine national company was invited, to
develop a new product, with national raw materials, which had the same mechanical
properties of the reference material. The national castable was characterized in the
same way as the reference material in their chemical-physical properties and
mechanical tests. Based on the results a test was performed on a pilot scale, with the
approval of the material. The partner company has taken on a new material in its
portfolio of products marketed in the domestic market and CSN is conducting tests on
an industrial scale to approve a new supplier of refractory concrete with high
mechanical strength.
Keywords: Refractory castable, calcium aluminate, steel plant.
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1 - Diagrama de fases do sistema Al
2
O
3
-CaO. (GARCIA et al., 2007)........17
Figura 2.2 - Variação do módulo de elasticidade – E em função da temperatura,
(SORO et al., 2006)............................................................................19
Figura 2.3 - Formação de microtrincas pela diferença de expansão térmica.............20
Figura 2.4 - Hidratos formados na hidratação do CAC.............................................23
Figura 2.5 - Gráfico esquemático da energia de ativação dos hidratos do CAC.......24
Figura 2.6 - Desidratação do CAC............................................................................24
Figura 4.1 - Distribuição granulométrica do material de referência...........................31
Figura 4.2 - Mapeamento EDS da fração de 1 mm...................................................32
Figura 4.3 - Mapeamento EDS da fração de 10 mm..................................................33
Figura 4.4 - Mapeamento EDS da fração global......................................................33
Figura 4.5 - Difratogramas de raios X das várias faixas granulométricas do material
de referencia mostrando a similaridade
mineralógica.........................36
Figura 4.6 - Difratograma de raios X do material de Referência...............................36
Figura 4.7 - Imagem MEV/BSE da fração global do material de referência..............38
Figura 4.8 - Imagem MEV/BSE do agregado de 1 mm............................................38
Figura 4.9 - Imagem MEV/BSE do agregado de 10 mm..........................................39
Figura 4.10 - Micrografia do agregado de 10 mm....................................................40
Figura 4.11 - Micrografia da fração de 1 mm...........................................................40
Figura 4.12 - Distribuição granulométrica comparativa entre os dois concretos.......42
Figura 4.13 - Diagrama ternário do sistema Al
2
O
3
-CaO-SiO
2
...................................44
Figura 4.14 - Difratograma do material de referência tratado à 25°C......................45
Figura 4.15 - Difratograma do material de referência tratado à 250°C....................45
Figura 4.16 - Difratograma do material de referência tratado à 500°C.....................46
Figura 4.17 - Difratograma do concreto de referência tratado a 800°C...................46
Figura 4.18 - Difratograma do concreto de referência tratado a 1000°C..................47
Figura 4.19 - Difratograma do concreto de nacional tratado a 25°C.......................47
Figura 4.20 - Difratograma do concreto de nacional tratado a 250°C.....................48
Figura 4.21 - Difratograma do concreto de nacional tratado a 800°C......................48
Figura 4.22 - Difratograma do concreto de nacional tratado a 1000°C...................49
Figura 4.23 - Resultados de MER, MEA e PA do Material de referência................51
Figura 4.24 - Resultados de MER, MEA e PA do material nacional........................51
Figura 4.25 - microscopia ótica do agregado Nacional 50 vezes...........................53
Figura 4.26 - Microscopia ótica do agregado nacional 100 vezes...........................53
Figura 4.27 - Ensaio de Compressão após cura do material..................................55
Figura 4.28 - Ensaio de Flexão após cura do material...........................................55
Figura 4.29 - Resultados de Módulo de Ruptura a quente do material Nacional em
diferentes temperaturas....................................................................56
Figura 4.30 - Resultados de Módulo de Ruptura a quente do material de referência
em diferentes temperaturas..............................................................57
Figura 4.31 - Fotografia das amostras após o ensaio de MRQ................................58
Figura 4.32 - Ensaio de erosão do material de referência a 25ºC e a 500°C...........59
Figura 4.33 - Ensaio de erosão do material Nacional a 25ºC e a 500°C..................59
Figura 5.1 - Visão externa das paredes do túnel da EDG.......................................61
Figura 5.2 - Material sendo projetado nas paredes da EDG....................................61
Figura 5.3 – Aspecto da parede sul do túnel da EDG após a 1.ª aplicação do material
N-GUN (após limpeza e umidificação)................................................62
Figura 5.4 - Aspecto da parede sul do túnel da EDG após a 2.ª aplicação do material
HARD-GUN (material remanescente em boas condições e baixo
desgaste da base da parede).............................................................63
Figura 5.5 - Visão geral da Rampa do Kish Pit........................................................64
Figura 5.6 - Forma metálica para vertimento dos concretos.....................................65
Figura 5.7 - Ancoragem em malha de aço carbono, instalada na região a ser
reparada..............................................................................................65
Figura 5.8 - Visão geral da rampa do Kish Pit com a forma montada e com os
misturadores utilizados na aplicação dos concretos testados............67
Figura 5.9 – Superfície da rampa do Kish Pit após a remoção da forma, mostrando
os defeitos decorrentes da aplicação do N-CAST - vazios”................67
Figura 5.10 - Superfície da rampa do Kish Pit após a eliminação dos defeitos –
“vazios”................................................................................................68
Figura 5.11 – Superfície da rampa do Kish Pit 65 dias após a aplicação..................68
LISTA DE TABELAS
Tabela 3.1 - Tabela de propriedades do Concreto de Referência.............................25
Tabela 3.2 - Formatos e dimensões dos corpos de prova preparados......................27
Tabela 4.1 - Análise Química Elementar Qualitativa por EDS..................................34
Tabela 4.2 - Analise Química Quantitativa por Absorção Atômica em [%]................35
Tabela 4.3: Massa específica real do material de referência [g/cm
3
].........................37
Tabela 4.4 - Análise química dos óxidos constituintes no concreto..........................43
Tabela 4.5 - Tabela comparativa de fases nas amostras de concreto em diversas
temperaturas.......................................................................................50
Tabela 4.6 - Resultados de Microdureza dos Agregados [HV].................................52
LISTA DE ABREVIATURAS
CAC - Cimento de Aluminato de Cálcio
ABCP - Associação Brasileira de Cimento Portland
C
12
A
7
- 12CaO.7Al
2
O
3
C
3
A - 3CaO.Al
2
O
3
CA - CaO.Al
2
O
3
CA
2
- CaO.2Al
2
O
3
E - Módulo de Young
C
2
AH
8
- 2CaO
.
Al
2
O
3
.
8H
2
O
CAS
2
- CaO
.
Al
2
O
3
.
2SiO
2
C
2
AS - 2CaO.Al
2
O
3
.SiO
2
σ - Resistência do Material
σ
P0
- Resistência do material pós cura do material
P - Porosidade do material
P
0
- Porosidade do material pós cura
CAH
10
- CaO
.
Al
2
O
3
.
10H
2
O
C
3
AH
6
- 3CaO
.
Al
2
O
3
.
6H
2
O
AH
3
- Al
2
O
3
.
3H
2
O
DTGA - Análise Termogravimétrica diferencial
K - Unidade Temperatura Absoluta, Kelvin
CSN - Companhia Siderúrgica Nacional
MEA - Massa Específica Aparente
RCTA - Resistência a Compressão em Temperatura Ambiente
MRF - Módulo de Ruptura a Frio
MRQ - Módulo de Ruptura a Quente
CPD - Centro de Pesquisas
MEV - Microscopia Eletrônica de Varredura
EDS - Energy Dispersive Spectroscopy – Espectroscopia de Energia
Dispersiva
NBR - Normas da Associação Brasileira de Normas Técnicas
MER - Massa específica Real
CR#1 - Fração de 1 mm do material de referência
CR#10 - Fração de 10 mm do material de referência
CR#Fundo - Fração do fundo do material de referência
CR#Global - Fração global do material de referência
BSE - Back Scattered Electron
HV - Hardness Vickers
EDG - Estação de Distribuição de Gusa
CR - Concreto de Referência
N-CAST - Concreto aplicado por Vertimento comercial
N-GUN - Concreto aplicado por projeção comercial
SUMÁRIO
1 - INTRODUÇÃO
No Egito antigo já se conhecia uma forma primitiva de cimento, que era
basicamente uma pasta de hidróxido de cálcio (Ca(OH)
2
), que de forma lenta
adquiria resistência mecânica ao ar em contato com o CO
2
. Um avanço significativo
neste processo foi a o conhecimento da pega hidráulica do silicato de cálcio,
denominado atualmente como Cimento Portland (ABCP, 2007).
O cimento de aluminato de cálcio (CAC) surgiu como uma necessidade de
um material com resistência a altos teores de sulfatos. Na década de 50, ao ser
produzido com elevados níveis de pureza, o CAC passou a ser utilizado pela
indústria de refratários como ligante.
O CAC pode ser produzido por duas formas: fusão ou calcinação. No
processo de fusão uma mistura de alumina (Al
2
O
3
) e carbonato de cálcio (CaCO
3
)
são misturadas e fundidas em temperaturas entre 1450 e 1550°C. Entretanto este
processo tem um custo energético muito elevado. O processo mais comum e viável
para produção do CAC é a Calcinação, neste processo a mistura é elevada à
temperaturas em torno de 1380°C e ocorre a formação do aluminato de cálcio
segundo a Equação 1.1.
CaCO3(s)+Al2O3(s)∆CaAl2O4(s)+ CO2(g) (1.1)
O CAC é utilizado na área de concretos refratários, por conferir propriedades
especiais a esses materiais tais como desenvolvimento de resistência mecânica a
verde e alta resistência a agentes corrosivos, quando em uso (SORRENTINO et al.,
1995).
2 – REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 FASES DO ALUMINATO DE CÁLCIO
Garcia et al. (2007) apresentaram em seu trabalho as principais fases do
sistema CaO-Al
2
O
3
como pode ser observado na Figura 2.1.
Figura 2.1 - Diagrama de fases do sistema Al
2
O
3
-CaO. (GARCIA et al., 2007)
Dentre as fases do sistema as mais comuns são:
• C
12
A
7
(Ca
12
Al
14
O
33
): É o aluminato de menor ponto de fusão e é comumente
encontrado nos cimentos de aluminato de cálcio.
• C
3
A (Ca
3
Al
2
O
6
): é o aluminato mais reativo, entretanto apresenta-se em
pequenas quantidades, pois os cimentos de aluminato são elaborados com
altos teores de alumina;
• CA (CaAl
2
O
4
): apresenta uma temperatura de fusão em torno de 1600°C,
entretanto apresenta uma hidratação mais lenta quando comparada a fase
C
3
A. É a fase de maior fração mássica nos cimentos;
• CA
2
(CaAl
4
O
7
): é a fase mais refratária, e também a mais lenta para se
hidratar;
• A(Al
2
O
3
): Adicionada para aumentar a refratariedade.
Apesar do grande número de fases possíveis, os cimentos comerciais são
constituídos geralmente por três fases principais, as quais são responsáveis pelo
processo de pega hidráulica (LEE, 2001, PARKER, 1982): a fase estequiométrica,
CA, que constitui cerca de 40 a 70% do cimento obtido; a fase CA
2
, que é a segunda
em proporção (> 25%) e a fase C
12
A
7
, que constitui entre 1 e 10% dos cimentos.
2.2 - COMPORTAMENTO MECÂNICO
2.2.1 MÓDULO DE ELASTICIDADE
O módulo de Young ou Elasticidade – (E) varia de acordo com uma série de
parâmetros, entre eles a temperatura e a presença dos hidratos. Soro et al. (2006)
determinaram o módulo de elasticidade em função da variação da temperatura,
utilizando a técnica de ultra som.
A Figura 2.2 mostra a variação de E em função da temperatura, em dois
caminhos aquecimento e resfriamento. Pode ser observado que nas Zonas 1 e 2
ocorre uma brusca variação no módulo de Young por ação da desidratação,
principalmente pela decomposição de hidratos menos estáveis, como o C
2
AH
8
(SORO et al., 2006). Nas Zonas 3 e 4 ocorre desidratação mas também sinterização,
os dois fenômenos simultâneos mantêm o módulo de elasticidade praticamente
estável. Na Zona 5, ocorre uma redução da resistência pela formação de fases
líquidas. Na Zona 6, ocorre o resfriamento do material, com congelado das fases
líquidas dando uma maior resistência ao cimento, pelo selagem das trincas.
Figura 2.2 - Variação do módulo de elasticidade – E em função da temperatura,
(SORO et al., 2006)
Entretanto, pode se observar que a resistência mecânica diminui a partir de
900°C, este fato é explicado pela formação de trincas causadas pela
incompatibilidade entre a expansão térmica da material e das fases formadas em
conjunto coma sílica (CAS
2
– CaO.Al
2
O
3
.2SiO
2
e C
2
AS – 2CaO.Al
2
O
3
.SiO
2
). As
trincas podem ser observadas na Figura 2.3
Figura 2.3 - Formação de microtrincas pela diferença de expansão térmica.
2.2.2 - POROSIDADE E RESISTÊNCIA MECÂNICA
Um dos fatores mais importantes que mais afetam a resistência mecânica é
a porosidade. Matusinovic et al. (1964) realizou um trabalho correlacionando
resistência mecânica e porosidade. A partir dos resultados experimentais foi
proposto um novo modelo, Equação 2.1, para estimar a relação entre porosidade e
resistência mecânica para CAC.
σ=σP01-PP02 (2.1)
Onde: σ: Tensão de Compressão, σ
P0
: Constante Empírica,
P: Porosidade, P
0
: Porosidade a verde.
Este modelo adequou-se bem ao comportamento do material, mesmo com
altas porosidades. Entretanto neste trabalho não foi realizado nenhum teste no
material com variações de temperatura, fator importante que afeta muito na
resistência e porosidade, pois reações de decomposição ocorrem com o aumento da
temperatura.
2.3 - HIDRATAÇÃO E DESIDRATAÇÃO DO ALUMINATO DE CÁLCIO
2.3.1 - HIDRATAÇÃO DO ALUMINATO DE CÁLCIO
O processo de hidratação do cimento de aluminato de cálcio se dá pela
dissolução das fases anidras do CAC como é demonstrado na equação 2.1, e por
algumas outras reações secundárias. O processo continua até que a solução atinja a
saturação dos produtos desta reação, interrompendo a dissolução das fases anidras
do CAC.
CaOAl2O3(s)+4H2O(l)Ca(aq)2++2Al(OH)4(aq)- (2.1)
No entanto, a solubilidade das diferentes fases cristalinas do aluminato de
cálcio anidro, apesar de pequena, é maior do que a solubilidade dos produtos da
reação desses compostos com a água (chamados de hidratos de aluminato de
cálcio) (PENA et al., 1999). Portanto, em relação aos produtos da reação, o equilíbrio
alcançado não é estável. Na verdade, na situação de saturação da solução, em
relação à dissolução do cimento, a solução está supersaturada em relação aos
produtos de hidratação (GEORGE, 1926) e, por esse motivo, existe uma tendência
natural para que ocorra precipitação destes produtos.
Dentre os principais hidratos, podemos citar:
• CaO.Al
2
O
3
.10H
2
O (CAH
10
): Formado no início da precipitação, e quando as
temperaturas são mais baixas, é o hidrato menos denso (1,72 g/cm
3
).
• 2CaO.Al
2
O
3
.8H
2
O (C
2
AH
8
): Forma-se em temperaturas intermediárias, entre
22 e 35°C, tem massa específica de 1,95 g/cm3.
• 3CaO.Al
2
O
3
.6H
2
O (C
3
AH
6
): é o hidrato mais denso, formando-se
majoritariamente quando as temperaturas são superiores a 35°C. É o hidrato
mais denso (2,52 g/cm
3
) e o menos solúvel.
• Al
2
O
3
.3H
2
O (AH
3
): Forma-se em toda faixa de temperatura, e pode modificar
sua estrutura de amorfo para cristalino (NISHIKAMA, 1984)
A ordem de formação destes compostos, pode melhor compreendida
observando –se a Figura 2.4. A formação dos compostos também está em ordem de
estabilidade, sendo que o AH
3
torna-se mais estável transforma em cristal. Com
base nas explicações anteriores pode-se dizer que o composto C
3
AH
6
, apesar de
ser o mais estável, só se forma em temperaturas mais altas, ou tempos mais longos.
Figura 2.4 - Hidratos formados na hidratação do CAC.
Pelo panorama descrito acima se pode concluir que o C
3
AH
6
é maior a
energia de formação do que para a formação do CAH
10
, isto por que aquele só se
forma em temperaturas mais altas e tempos longos, e este em temperaturas mais
baixas e tempos mais curtos. A Figura 2.5 pode exemplificar melhor as questões de
Energia de ativação.
Figura 2.5 - Gráfico esquemático da energia de ativação dos hidratos do CAC.
2.3.2 DESIDRATAÇÃO DO ALUMINATO DE CÁLCIO
Durante a desidratação do material, observação a transformação dos
hidratos em hidratos mais estáveis até a formação do CA anidro (MAITRA et al.,
2004). A Figura 2.6 mostra os picos de DTGA de 200 a 1400 K. Nesse diagrama
observa-se cinco regiões relevantes, que são, respectivamente:
1. Remoção da água residual, ligada a superfície
2.
Desidratação do AH
3
3.
Desidratação do CAH
10
para C
2
AH
8
4.
Desidratação do C
2
AH
8
para C
3
AH
6
5. Desidratação do C
3
AH
6
para CA anidro
Figura 2.6 - Desidratação do CAC
3 - MATERIAIS E MÉTODOS
3.1 - MATERIAIS
Para desenvolvimento do concreto com alta resistência mecânica para
temperaturas moderadas, foi utilizado como referencia o concreto correntemente
utilizado pela CSN, o qual é composto predominantemente de matéria prima
importada.
O material utilizado, doravante chamado de material de referência, é um
concreto a base de aluminato de cálcio, com alta resistência à abrasão e com
resistência a esforço mecânico à quente. A Tabela 3.1 apresenta as algumas
propriedades da folha de dados técnicos fornecida pelo fabricante.
Tabela 3.1 - Tabela de propriedades do Concreto de Referência.
A partir destas propriedades, iniciou-se um trabalho que constituiu na
caracterização completa do material de referência e transferir a tecnologia para um
fornecedor de refratários nacional. Após a formulação preparada pelo fornecedor
nacional, os materiais foram comparados em laboratório antes dos testes práticos na
CSN.
O material de referencia tem no seu descritivo técnico, como sendo
formulado totalmente baseada em Aluminato de Cálcio, tanto na matriz, como nos
seus agregados. Segundo o fabricante, a resistência mecânica está atrelada à alta
compatibilidade mecânica entre os agregados e a matriz, ambos de materiais da
mesma constituição química, no entanto devemos considerar que quando um
concreto é solicitado por erosão, o agregado possui papel fundamental na
performance do material, pois quanto maior for a dureza do agregado tanto melhor
deverá seu desempenho quando solicitado por um meio abrasivo.
A segunda etapa os materiais estudados foram preparados em conjunto, e
analisados comparativamente, em alguns casos com tratamentos térmicos,
conforme será descrito.
3.2 – MÉTODOS
A primeira etapa do trabalho foi a caracterização do material de referência,
com varredura geral de suas propriedades. Foram analisados os materiais antes e
depois da conformação.
A segunda etapa os materiais foram preparados em conjunto, e analisados
comparativamente, em alguns casos com tratamentos térmicos, conforme o descrito.
3.2.1 - PREPARAÇÃO DOS CORPOS DE PROVA
Para a realização dos ensaios de caracterização físico-química e de
avaliação do comportamento sob abrasão a quente, ensaios termomecânicos, foram
conformados corpos de prova dos concretos refratários em moldes de aço inox nos
formatos e dimensões da Tabela 3.2.
Tabela 3.2 - Formatos e dimensões dos corpos de prova preparados
Dimensão [mm]
100x100x25
40 x40 x 160
25 x 25 x 160
~ 1 cm
3
RCTA – Resistência à compressão na Temperatura Ambiente,
MRF - Módulo de Resistência à Flexão,
MRQ – Módulo de resistência à Flexão a quente.
3.2.2 – ENSAIOS DE CARACTERIZAÇÃO
3.2.2.1 – MATERIAIS NÃO CONFORMADOS
3.2.2.1.1 – DIFRATOMETRIA DE RAIOS X
Este ensaio foi realizado para se determinar as fases mineralógicas dos
concretos e também dos produtos formados após conformação (hidratos) e evolução
da composição mineralógica após tratamento térmico. Este ensaio foi realizado no
centro de pesquisas CSN no equipamento Siemens modelo D5000, e analisado com
o Software High Score Plus da PANalytical.
3.2.2.1.2 – MICRODUREZA VICKERS
A dureza do agregado citada na ficha técnica do produto de referência está
na escala Mohs. Para que se tenha um valor com maior reprodutibilidade, ambos os
agregados foram comparados usando a microdureza Vickers. Este ensaio também
foi realizado dentro do Centro de Pesquisas e Desenvolvimento CSN (CPD-CSN).
3.2.2.1.3 – DISTRIBUIÇÃO GRANULOMÉTRICA:
Este ensaio foi realizado para se conhecer quais a distribuição das frações
de agregado e matriz, no laboratório de Matérias Primas CPD-CSN.
3.2.2.1.4 – MASSA ESPECÍFICA REAL
Para avaliar a massa específica real, foi realizado a picnometria de hélio,
permitindo conhecer a real condição de massa dos concretos realizado no
laboratório de caracterização microestrutural do CPD-CSN com o equipamento
Micromeritics Accupyc 1330.
3.2.2.1.5 – MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE VARREDURA (MEV)/
MICROSCOPIA ÓTICA
A análise MEV foi realizada com o intuito não só de conhecer a morfologia do
material, mas também a sua composição química, de forma qualitativa com o EDS
(do inglês Energy Dispersive Spectroscopy). Foi utilizada também a microscopia
ótica, para avaliar a superfície dos materiais no equipamento Zeiss modelo DSM
962.
3.2.2.2 – MATERIAIS CONFORMADOS
3.2.2.2.1 – ENSAIOS DE RESISTÊNCIA MECÂNICA À FLEXÃO EM
TRÊS PONTOS E À COMPRESSÃO
Para se conhecer as propriedades mecânicas do material após serem
submetidos à alta temperatura, os materiais foram tratados termicamente à 250, 500,
800 e 1000°C, e após resfriamento controlado ensaiados mecanicamente realizados
segundo as normas NBR 6673 (flexão) e NBR 6113 (compressão)
Os materiais foram aquecidos em um forno Lindberg Blue modelo Box
Furnace com uma curva de 5°C/min e resfriados lentamente dentro do próprio forno,
no laboratório de matérias primas do CPD-CSN.
As temperaturas de ensaio foram determinadas a partir do estudo mostrado
por Soro anteriormente, com objetivo de observar os pontos críticos do material.
3.2.2.2.2 – DETERMINAÇÃO DO MÓDULO DE RUPTURA À QUENTE
Para se entender os resultados de resistência mecânica à quente os
materiais foram ensaidados à 500, 800 e 1000°C, todos realizados com a
colaboração da Saint Gobain Refratários em Vinhedo-SP.
3.2.2.2.3 – POROSIDADE APARENTE E MASSA ESPECÍFICA
APARENTE
Este ensaio foi realizado pelo Método de Archimedes para obter a
porosidade e a massa específica dos corpos de prova para determinar suas
propriedades, realizado no laboratório de Matérias Primas CPD-CSN.
3.2.2.2.4 – ENSAIO DE EROSÃO A 25 ºC E 500°C
Este ensaio foi realizado para se observar o comportamento do material sob
a ação de agentes abrasivos (SiC).
O resultado também foi realizado na temperatura de 500°C conforme o com
auxílio de uma mufla para aquecimento.
3.3 - OBSERVAÇÕES
Os ensaios a quente foram concebidos com base na curva de resistência
mostrada por Soro et al. (2006), a partir desta curva foram determinadas as regiões
críticas dos materiais, e portanto ensaiadas.
4 – RESULTADOS E DISCUSSÕES
4.1 - MATERIAL DE REFERÊNCIA
4.1.1 - ANÁLISE GRANULOMÉTRICA
A Figura 4.1 apresenta a distribuição granulométrica do material de
referência. Pode-se observar que em torno de 30% em peso do material encontra-se
na fração mais fina (0,075 mm), denominada cimento. O restante do material
encontra-se na fração grossa, denominada agregado.
Figura 4.1 - Distribuição granulométrica do material de referência
O agregado está distribuído em 11 frações granulométricas assim
distribuídas para ter um melhor empacotamento.
4.1.2 - ANÁLISE QUÍMICA QUALITATIVA
Para que as análises de Difratometria e Análise química pudessem ser mais
facilmente orientadas foi realizada primeiramente uma análise por Energia
Dispersiva, para que os elementos químicos presentes no material fossem
conhecidos e orientar a determinação de fases e análise química do material.
As Figuras 4.2, 4.3 e 4.4 mostram o mapeamento por EDS do material em
frações granulométricas diferentes. Por esta técnica foram analisadas os agregados
de 1 e 10 mm e uma mistura com a fração global do material. Pode-se observar em
ambas 3 figuras que o material é constituído basicamente de O, Al, Ca e Fe. Sendo
o Al e Ca e O, com maior distribuição. Pela combinação dos elementos pode-se
também observar que ele é basicamente compostos por óxidos.
Figura 4.2 - Mapeamento EDS da fração de 1 mm
Figura 4.3 - Mapeamento EDS da fração de 10 mm
Figura 4.4 - Mapeamento EDS da fração global
Para uma melhor compreensão dos resultados, estes foram colocados na
Tabela 4.1. Como pode ser notado, todas as frações são constituídos dos mesmos
elementos químicos. Um indicativo que o material é constituído por um só material
como é descrito pelo fabricante.
Tabela 4.1 - Análise Química Elementar Qualitativa por EDS
4.1.3 - ANÁLISE QUÍMICA QUANTITATIVA
A análise química quantitativa mostrada na Tabela 3.2, está divida em quatro
faixas granulométricas. Como pode ser observado o material apresenta composição
química muito parecida em todas as faixas granulométricas analisadas. Pode se
observar que ocorre um aumento significativo de SiO
2
no material da fração do
fundo, já que o SiO
2
é um material de baixa resistência mecânica sendo pulverizado
no processo fabril para frações granulométricas menores. Analisando o material pela
relação CaO/(Al
2
O
3
+CaO) pode se observar que ele está no campo bifásico
CaO.Al
2
O
3
(CA) + 12CaO.7Al
2
O
3
(C
12
A
7
), como mostrado no diagrama de Garcia et
al. (2007) sendo o eutético, em torno de 1400°, o limite teórico de trabalho. A Tabela
4.2 mostra que tanto a fração de agregados quanto a fração cimento,
majoritariamente, são materiais com composições semelhantes.
Tabela 4.2 - Analise Química Quantitativa por Absorção Atômica em [%]
Al
2
O
3
SiO
2
TiO
2
Fe
2
O
3
35,70 4,19 2,30 14,37
35,70 2,67 2,29 14,29
34,68 7,33 2,11 13,84
31,62 3,44 2,17 14,34
4.1.4 – ANÁLISE POR DIFRATOMETRIA DE RAIOS X
A análise de fases por difratometria de raios X permite demonstrar que as
quatro frações granulométricas do material de referência possuem a mesma
composição mineralógica, como pode ser observado na Figura 4.5. Os
difratogramas apresentam picos na mesma posição, e com intensidade
semelhantes, isso confirma que o concreto é composto pelo mesmo material em
todas as suas faixas granulométricas.
A análise em grupo, prévia a análise individual, mostra que os materiais
possuem intensidades e composição semelhante. Tanto os agregados quanto a
matriz (cimento) são constituídos pelo mesmo grupo de fases mineralógicas.
Figura 4.5 - Difratogramas de raios X das várias faixas granulométricas do material
de referencia mostrando a similaridade mineralógica.
A partir da análise feita na Figura 4.5 pode-se analisar apenas uma das
amostras para identificar as fases presentes. A Figura 4.6 apresenta o difratograma
de raios X da amostra da fração global. O material apresenta apenas o aluminato
CA, como aluminato em fase majoritária detectável. A sílica encontra-se combinada
com a cálcia, formando um composto comum em concretos convencionais.
Figura 4.6 - Difratograma de raios X do material de Referência.
4.1.5 – MASSA ESPECÍFICA REAL
Os resultados de massa específica real (MER) são apresentados na Tabela
4.3, como pode ser observado os resultados são bem próximos com exceção do
fundo. Por apresentar uma maior concentração de SiO
2
, o fundo tem uma massa
específica menor que as demais frações, já que a sílica se concentra em geral nas
frações mais finas.
Tabela 4.3: Massa específica real do material de referência [g/cm
3
].
CR#1 é a fração de 1mm, CR#10 é fração de 10 mm,
CR#Fundo é a fração do fundo e CR#Global é a mistura global
4.1.6 – ANÁLISE POR MICROSCOPIA ÓTICA E ELETRÔNICA
Juntamente com a análise química qualitativa (EDS) foi realizado um exame
microscópico no MEV (microscópio eletrônico de varredura) juntamente com a
análise de EDS. As imagens feitas no MEV fora feitas no modo BSE (Back Scattered
Electron), que permite diferenciar os elementos presentes nos materiais por peso
atômico por tonalidade da imagem, com objetivo de identificar diferenças entre a
matriz e os agregados. As Figuras 4.7, 4.8 e 4.9 mostram as imagens feitas no MEV
do material de referência, como pode ser observado em todos as imagens, não
existe diferença significativa de tonalidade, o que confirma as informações já
mostradas em análise química e difratometria. Também é possível notar que os
agregados tem uma morfologia lamelar. Para uma melhor análise foi realizado uma
análise de microscopia ótica.
Figura 4.7 - Imagem MEV/BSE da fração global do material de referência.
Figura 4.8 - Imagem MEV/BSE do agregado de 1 mm
Figura 4.9 - Imagem MEV/BSE do agregado de 10 mm
Para analisar a morfologia dos agregados foi feito um exame com
microscopia ótica. As amostras foram embutidas e polidas para um melhor resultado.
Foram analisadas os agregados de 10 mm, Figura 4.10, e 1 mm, Figura 4.11. No
agregado de maior diâmetro, Figura 4.10, observa-se alguns poros na superfície do
material. No agregado de 1 mm nota-se a mesma condição de distribuição, porém o
material não apresenta porosidade. Em ambas as figuras, no canto superior direito,
existe um detalhe com ampliação de 500 vezes. Nestes detalhes é possível observar
uma estrutura lamelar, típica de uma estrutura de eutético. Esta estrutura é uma
estrutura comumente encontra em materiais formados por solidificação eutética, o
que está de acordo com o diagrama de fases apresentado por Garcia et al. (2007).
Entretanto como visto nos resultados de difratometria de raios X, não foi encontrada
a fase C
12
A
7
.
Figura 4.10 - Micrografia do agregado de 10 mm
Figura 4.11 - Micrografia da fração de 1 mm
Pelo tipo de estrutura formada entende-se que o material é fabricado por
fusão, e não por calcinação, processo geralmente aplicado ao cimento de aluminato
de cálcio. Motivo pelo qual o material apresenta alta resistência mecânica.
4.2 - RESULTADOS COMPARATIVOS
A partir dos resultados encontrados na caracterização do material, no
laboratório CSN, uma empresa nacional foi convidada a desenvolver um novo
material para as aplicações da CSN. Foi transferido o conhecimento das
propriedades físicas e químicas do material e o iniciou-se o processo de
desenvolvimento.
A empresa desenvolveu um novo material, inédito no mercado, com foco em
resistência. O material foi desenvolvido com foco na criação de um agregado de alta
resistência mecânica e com matriz de aluminato de cálcio. Como grande parte do
aluminato do mundo é detida pela empresa que fabrica o material de referência, o
novo material foi trabalhado para ter um agregado à base de argila refratária,
sinterizado em alta temperatura e com alta resistência mecânica.
4.2.1- DISTRIBUIÇÃO GRANULOMÉTRICA
A Figura 4.6 mostra as curvas de distribuição granulométrica acumuladas
dos dois concretos. Da análise da curva, pode-se observar que o material Nacional,
não apresenta a fração igual ou superior a 12,5 mm. O novo material também tem
uma maior concentração de sua massa nos agregados, por questões de redução de
custo o material foi direcionado a possuir uma maior concentração de agregados,
como pode ser observado na Figura 4.12, já o material de referência apresenta
concentrações maiores na fração de cimento.
Figura 4.12 - Distribuição granulométrica comparativa entre os dois concretos.
4.2.2 - ANÁLISE QUÍMICA
Para se comparar os dois os dois produtos foi realizada a análise química
dos dois concretos com os compostos encontrados na difratometria de raios X. O
resultado apresentado na Tabela 4.4, mostra que o novo material apresenta um
maior teor de Al
2
O
3
fato explicado pela constituição do agregado que é um material a
base de argila refratária. Outro fato importante esta relacionado à refratariedade do
material, pois como o material nacional possui um teor maior de Al
2
O
3
, ele apresenta
uma tendência a ter uma temperatura de trabalho mais alta que o material de
referência. A suposição tem base na região do diagrama que o concreto nacional
está posicionado. Considerando-se apenas os componentes Al
2
O
3
/CaO o material
nacional encontra-se na região CA
6
-CA
2
, cuja formação de fase líquida apresenta-se
por volta de 1700°.
Tabela 4.4 - Análise química dos óxidos constituintes no concreto
A partir dos resultados obtidos, e levando-se em consideração que a variação
significativa no sistema foi no teor de CaO, ou seja na fração de cimento, pode-se
admitir um Sistema Al
2
O
3
-CaO-SiO
2
, já que a sílica geralmente se encontra
combinada. Analisando o digrama da Figura 4.13 o sistema migra do campo
αCaSiO
4
para o campo 2CaO.SiO
2
.Al
2
O
3
, fase que é possui baixo ponto de fusão.
Sendo este um ponto negativo para o sistema, se confirmado pela difratometria de
raios X.
Figura 4.13 - Diagrama ternário do sistema Al
2
O
3
-CaO-SiO
2
4.2.3 - DIFRATOMETRIA DE RAIOS X
Para o estudo de fases formadas, foram preparados corpos de prova e
posteriormente tratados em temperaturas semelhantes às que o material é
submetido em campo. Em temperatura ambiente, a principal diferença entre os
concretos é que o material Nacional possui um Al
2
O
3
na forma de Coríndon, livre e o
concreto de referência apenas CA (CaO.Al
2
O
3
) , mas ambos possuem C
3
AH
6
(3CaO.Al
2
O
3
.6H
2
O) como hidrato. A partir de 500°C já se observa, no material
Nacional, a formação de C
2
S, ou seja, um início de reação entre os componentes da
matriz iniciando a pega cerâmica, Tabela 4.5. A partir de 800°C não é observada
mais a presença de hidratos o que pode ocasionar perda de resistência mecânica
nos materiais. Um fato a se observar é a presença de C
2
AS (2CaO.Al
2
O
3
.SiO
2
),
guelenita, um típico produto de corrosão de escórias, o qual é resultado da formação
de fase líquida a esta temperatura. As Figuras 4.14 até 4.22 mostram os
difratogramas dos concretos.
Figura 4.14 - Difratograma do material de referência tratado à 25°C
Figura 4.15 - Difratograma do material de referência tratado à 250°C
Figura 4.16 - Difratograma do material de referência tratado à 500°C
Figura 4.17 - Difratograma do concreto de referência tratado a 800°C
Figura 4.18 - Difratograma do concreto de referência tratado a 1000°C
Figura 4.19 - Difratograma do concreto de nacional tratado a 25°C
Figura 4.20 - Difratograma do concreto de nacional tratado a 250°C
Figura 4.21 - Difratograma do concreto de nacional tratado a 800°C
Figura 4.22 - Difratograma do concreto de nacional tratado a 1000°C
Como pode ser observado nos difratogramas o material de referência não
apresenta uma variação de fases significativa confirmando sua constituição com
material a base de Aluminato de Cálcio. Já o material nacional, como pode ser
melhor observado na Tabela 4.5, o material nacional tem a presença de alumina
pura e CA, tendo também como hidrato majoritário o C
3
AH
6
. Um fato importante é a
formação de silicatos e alumino-silicatos. Com a evolução da temperatura ocorre a
formação de C
2
S (2.CaO.SiO
2
) e C
2
AS (2CaO.Al
2
O
3
.SiO
2
) como mostrado no estudo
conduzido por Maitra et al. (2004). A formação de C
2
AS, após o resfriamento do
material, pode ser danosa, pois a fase possui coeficiente de expansão térmica
diferente do matriz de cimento formando microtrincas e diminuindo a resistência
mecânica. Esta fato importante deve ser observado para aplicação do material.
Tabela 4.5 - Tabela comparativa de fases nas amostras de concreto em diversas
temperaturas.
N= Amostra de Concreto Nacional e R=Amostra de Concreto de Referência
4.2.4 - MASSA ESPECÍFICA E POROSIDADE APARENTE
Os resultados dos ensaios apresentados nas Figuras 4.23 e 4.24, mostram
os resultados relativos à massa e porosidade dos concretos. O Concreto nacional
apresenta uma massa específica real maior que o material de referência e também
uma menor porosidade. A diferença na MER é principalmente pela redução do CaO,
óxido de menor massa. Já as informações relativas à diferença em relação à massa
específica aparente e a porosidade aparente estão também relacionadas ao teor de
água do material. Entre outras características, a porosidade afeta diretamente a
resistência do material, como foi mostrado por Soro et al. (2006)
O material nacional foi desenhado com um menor teor de água como pode
se observado se compara às Figuras 4.23 e 4.24. Aqui são refletidas não só as
alterações de propriedades químicas, como também as alterações em distribuição
granulométricas e o como já comentando. Essas alterações refletem fortemente no
comportamento mecânico do material, principalmente quando submetido a
temperaturas mais elevadas, como será observado nos resultados apresentados
mais adiante.
Figura 4.23 - Resultados de MER, MEA e PA do Material de referência
Figura 4.24 - Resultados de MER, MEA e PA do material nacional
4.2.5 - MICRODUREZA VICKERS
O concreto de referência apresenta seu valor de dureza de agregado em
escala Mohs, entretanto, esta escala não permite uma comparação precisa entre os
materiais. Como se pode observar o agregado nacional apresenta praticamente o
dobro de resistência do material nacional. Um fato a ser notado na Tabela 4.6 é que
o agregado nacional apresenta um desvio ligeiramente maior de 9,07% contra 5,64%
do material nacional. Este fato pode estar associado ao processo de fabricação do
agregado. Como o material nacional é feito por processo de sinterização, a
homogeneidade é menor do que no agregado de referência que é fabricado por
fusão.
Tabela 4.6 - Resultados de Microdureza dos Agregados [HV]
4.2.6 – MICROSCOPIA ÓTICA DO AGREGADO NACIONAL
Como citado anteriormente o agregado nacional é fabricado com argila
refratária sinterizada, nas Figuras 4.25 e 4.26 pode se observar a superfície do
material. O agregado apresenta-se com porosidade superficial com variações de 15
a 500 µm, esta variação é típica em materiais fabricados por este processo.
Figura 4.25 - microscopia ótica do agregado Nacional 50 vezes.
Figura 4.26 - Microscopia ótica do agregado nacional 100 vezes.
4.2.7 - RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO E FLEXÃO À TEMPERATURA
AMBIENTE
As principais aplicações deste material envolvem solicitação mecânica.
Portanto para reproduzir as condições de aplicação foram realizados ensaios de
compressão e flexão em corpos de prova tratados termicamente.
Na Figura 4.27 pode-se observar o resultado de resistência a compressão
após tratamento. Nota-se que o material vai perdendo resistência mecânica até a
temperatura de 500°C, perto desta temperatura é que se retira toda a água dos
materiais, como foi mostrado na difratometria dos materiais. Após 800°C nota-se um
aumento de resistência mecânica, este fato está ligado ao início da chamada pega
cerâmica ou o processo de sinterização.
O resultado é refletido também no ensaio de flexão, como pode ser
observado na Figura 4.28. Também é possível perceber que o material apresenta
uma queda de resistência mecânica, principalmente o material nacional. Esta queda
é resultado das trincas geradas pela diferença de coeficiente de expansão térmica
da fase guelenita formada durante o aquecimento.
Mesmo com a brusca variação de temperatura o material nacional apresenta
um desempenho superior ao material de referência. Sendo assim um substituto
completo para o material de referência para aplicações com solicitações de tração e
compressão.
Os resultados apresentado após tratamentos também chamam a atenção
quanto à aplicação do material em campo. Locais onde o material está submetido a
ciclos de temperatura, acima de 1000°C podem apresentar problemas se a
solicitação do material for superior à 40 MPa.
Para uma melhor compreensão dos resultados mecânicos também foram
realizados testes de resistência a flexão em alta temperatura.
Figura 4.27 - Ensaio de Compressão após cura do material
Figura 4.28 - Ensaio de Flexão após cura do material
4.2.8 – MÓDULO DE RUPTURA A QUENTE
Algumas das aplicações do material são realizadas sob temperatura, para
determinar este comportamento, realizou-se, no Laboratório da Saint Gobain em
Vinhedo, o ensaio para determinação do módulo de ruptura a quente.
Os ensaios das Figuras 4.29 e 4.30 mostram o comportamento dos materiais
sob temperatura. Nota-se um comportamento semelhante ao ocorrido com os
ensaios à temperatura ambiente. Entretanto, neste caso, a redução de resistência
mecânica na temperatura de 1000°C é devida a formação de fase líquida, que
durante o resfriamento transforma-se em guelenita.
Figura 4.29 - Resultados de Módulo de Ruptura a quente do material Nacional em
diferentes temperaturas.
Figura 4.30 - Resultados de Módulo de Ruptura a quente do material de referência
em diferentes temperaturas.
Após a execução dos ensaios os corpos de prova foram fotografados, como
pode ser observado nas Figuras 4.31. Observa também, pelas fotografias que a
posição de rompimento no material nacional tem menor variação que no material de
referência. E ambos os materiais não apresentaram esboroamento nem
fracionamento múltiplo.
Referencia Nacional
Figura 4.31 - Fotografia das amostras após o ensaio de MRQ
4.2.9 - ENSAIO DE EROSÃO
Em alguns casos este material é submetido ao trêfego de equipamentos
pesados, sendo solicitado ao atrito. Em algumas destas aplicações o material
também está sob solicitação de temperatura.
Foi então realizado o ensaio de erosão a temperatura ambiente em ambos
os materiais, como reflexo dos resultados mecânicos, o ensaio de erosão teve um
comportamento semelhante. Neste ensaio mede-se o quanto de volume de material
se perde no desgaste, portanto, quanto menor o valor melhor. Como observado nas
figuras 4.32 e 4.33 o material nacional apresentou uma grande vantagem sobre o
material de referência, praticamente o resultado a 500°C do material nacional se
igualou ao material de referência em temperatura ambiente. Para o ensaio de erosão
a resistência do agregado é fundamental, e neste caso como o agregado é formado
de argila refratária, possui alta resistência ao desgaste.
Figura 4.32 - Ensaio de erosão do material de referência a 25ºC e a 500°C
Figura 4.33 - Ensaio de erosão do material nacional a 25ºC e a 500°C
5 - TESTES INDUSTRIAIS
Para efeito de comparação e aprovação final dos produtos pela CSN, o
concreto nacional, ajustado para aplicação por projeção convencional, doravante
chamado N-GUN, foi testado em escala industrial no túnel da Estação de
Dessulfuração de Gusa em Carros Torpedo, EDG, e o concreto nacional, ajustado
para aplicação vertido e vibrado, doravante chamado N-CAST, foi testado na rampa
do kish Pit.
5.1 - APLICAÇÃO DO CONCRETO N-GUN
5.1.1 - DADOS DA APLICAÇÃO
• Local de aplicação: parede sul do túnel da EDG.
• Empresa responsável pela aplicação: Reframon.
• Data: 1.ª aplicação em 25/03/09 e 2.ª aplicação em 17/04/09.
• Quantidade de material aplicado: 1 tonelada / aplicação.
5.1.2 - APLICAÇÃO
O material desenvolvido N-GUN foi aplicado em 25/03/09 na parede sul do
túnel da EDG, Figura 5.1, enquanto que na parede norte aplicou-se o concreto de
referência, CR, para efeito de comparação de desempenho. As paredes norte e sul
apresentavam boas condições de ancoragem, devido ao perfil de desgaste
existente. Antes da aplicação do material, as paredes foram umidificadas, Figura 5.2.
Durante a 1.ª aplicação, visualmente, os materiais se comportaram de forma
semelhante, principalmente com relação ao índice de rebote, Figura 5.3.
Figura 5.1 - Visão externa das paredes do túnel da EDG
Figura 5.2 - Material sendo projetado nas paredes da EDG.
Após 23 dias, em 17/04/09, realizou-se a primeira inspeção. Observou-se
que a parede sul, revestida com o material N-GUN, localizada mais próxima à linha
férrea, é submetida a condições de serviço mais severas que a parede norte,
revestida com o concreto de referência, CR. Aplicou-se novamente 1 tonelada do
material N-GUN, principalmente para avaliação da sua aderência ao material
residual – N-GUN sobre o concreto de referência e vice-versa.
Após limpeza com auxílio de pá mecânica, observou-se que o material N-
GUN apresentou uma boa aderência ao material residual. Outro ponto que merece
destaque foi o baixo desgaste da base da parede, região crítica, avaliado
visualmente, Figura 5.4.
Figura 5.3 – Aspecto da parede sul do túnel da EDG após a 1.ª aplicação do material
N-GUN (após limpeza e umidificação).
Figura 5.4 - Aspecto da parede sul do túnel da EDG após a 2.ª aplicação do material
HARD-GUN (material remanescente em boas condições e baixo desgaste da base
da parede).
5.2 - APLICAÇÃO DO CONCRETO N-CAST
5.2.1 - DADOS DA APLICAÇÃO
• Local de aplicação: Rampa do Kish Pit – volume de 5.000x2.700x250mm,
Figura 5.5.
• Tipo de forma: metálica, Figura 5.6
• Tipo de ancoragem: malha de aço carbono, Figura 5.7.
• Empresa responsável pela Aplicação: Reframon.
• Data: 25/03/09.
• Quantidade de material aplicado: 3 toneladas.
• Quantidade de água: 8%.
• Procedimento de mistura: 2 minutos a seco, 3 minutos a úmido com adição de
100% da água.
• Aplicação: vertido e vibrado.
Figura 5.5 - Visão geral da Rampa do Kish Pit
Figura 5.6 - Forma metálica para vertimento dos concretos
Figura 5.7 - Ancoragem em malha de aço carbono, instalada na região a ser
reparada.
5.2.2 - APLICAÇÃO
Para efeito de comparação, os dois concretos, N-CAST e de referência, CR,
foram vertidos simultaneamente, cada um preenchendo cerca de metade do volume
da área reparada, Figura 5.8. Todavia, devido à quantidade insuficiente do concreto
N-CAST, um volume de 5.000x800x250mm foi revestido com o concreto de
referência, CR. Uma tábua de madeira foi usada para evitar a mistura dos materiais.
Na concretagem do fundo, uma boa parte do concreto de referência, CR, aderiu à
rampa, diminuindo a espessura de 250mm. Antes de iniciar a aplicação do material
N-CAST, observou-se que o concreto de referência, CR, já havia iniciado o processo
de pega, liberando calor suficiente para comprometer a água de amassamento do
material N-CAST a ser aplicado. Apesar disso, o material N-CAST foi aplicado
rapidamente para evitar a ocorrência de defeitos de “laminação” na interface entre os
concretos. Como consequência, após a retirada da forma foram observados defeitos
(“vazios”), Figura 5.9, sendo necessária a reaplicação de material para a sua
eliminação, Figura 5.10.
Após 65 dias, em 20/05/09, realizou-se a inspeção da superfície da rampa
de Kish Pit. Verificou-se que os diferentes materiais, HARD-CAST e concreto de
referência, CR, apresentavam desgastes semelhantes, Figura 5.11
Figura 5.8 - Visão geral da rampa do Kish Pit com a forma montada e com os
misturadores utilizados na aplicação dos concretos testados.
Figura 5.9 – Superfície da rampa do Kish Pit após a remoção da forma, mostrando
os defeitos decorrentes da aplicação do N-CAST - vazios”.
Figura 5.10 - Superfície da rampa do Kish Pit após a eliminação dos defeitos –
“vazios”.
Figura 5.11 – Superfície da rampa do Kish Pit 65 dias após a aplicação.
6 – CONCLUSÕES
A relevância deste trabalho está na parceria entre Universidade e Empresa.
O projeto foi criado a partir de uma necessidade da empresa e a universidade
desenvolveu em conjunto com um parceiro da CSN um novo material para que as
necessidades fossem atendidas, dentro de um cronograma pré-estabelecido.
Também é importante ressaltar a geração de conhecimento para indústria
nacional, uma vez que este material, até então, só era fornecido por empresas
multinacionais, portanto o trabalho contribuiu para a evolução da indústria brasileira
de refratários. Este material já está em escala de produção e é um produto
comercializado nacionalmente.
O Concreto Nacional supera o material de referência em todos os aspectos.
O ponto forte foi romper o mito em torno deste tipo de material onde a grande
atenção era a compatibilidade entre matriz e agregado, permitindo uma maior
adesividade, conseqüentemente maior resistência mecânica. Neste trabalho
desenvolveu-se um novo agregado, de maior resistência mecânica a partir de
matéria prima nacional, com alta resistência mecânica e alta refratariedade.
Um fato importante a ressaltar para este tipo de material, é que apesar do
elevado teor de Al
2
O
3
, comparado com o material de referência, a resistência
mecânica elevada mesmo em altas temperaturas só é mantida se a temperatura de
trabalho não reduzir abaixo de 900°C, já que a incompatibilidade entre matriz e as
fases formadas e altas temperaturas podem danificar o material.
REFERÊNCIAS
ABCP. Associação Brasileira de Cimento Portland. Disponível em:
www.abcp.org.br/basico_sobre_cimento/historia. shtml. Acesso em: 23 ago. 2007.
DOMONE, P. L.. A review of the hardened mechanical properties of self-compacting
concrete. Cement & Concrete Composites, v. 29, p. 1–12, 2007.
GARCIA, J. R.; OLIVEIRA, I. R.; PANDOLFELLI, V. C. Processo de hidratação e os
mecanismos de atuação dos aditivos aceleradores e retardadores de pega do
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