Aplicações de Fibras Vegetais na Secagem de Concretos ...* Fitesa S.A., Brasil; ** Companhia Têxtil de Castanhal, Brasil. Depois de processadas em um misturador, as composições

APLICAÇÕES DE FIBRAS VEGETAIS NA SECAGEM DE CONCRETOS REFRATÁRIOS

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 [email protected] ou [email protected]

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,

Anais do 48º Congresso Brasileiro de Cerâmica Proceedings of the 48th Annual Meeting of the Brazilian Ceramic Society

28 de junho a 1º de julho de 2004 – Curitiba-PR

1

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 dasecção transversal

30-50 µm

Fibrilas

Canais permeáveis(10 % da área dasecção 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.

MATERIAIS E MÉTODOS



2

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



3

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):

2s

2s

10

20

2i v

kv

kLP2PP 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



4

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):

f0

0MMMM

100(%)W--

×= (B) 1-

- -

-

i1i

1i1ii tt

WW)

dtdW

(+

+= (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

k2 (1

0-15 m

)

Verdes900ºC

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

termicamente a 900ºC.



5

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 1020

30

40

50

60

70

Tempo (h)

Vaz

ão (m

l/min

)

Sem fibrasPP (0,36 vol%)Juta (0,36 vol%)Temperatura daamostra (ºC)

Tem

pera

tura

da

amos

tra (º

C)

0

10

20

30

40

50

0 2 4 6 8 1020

30

40

50

60

70

Tempo (h)

Vaz

ão (m

l/min

)

Sem fibrasPP (0,36 vol%)

Temperatura daamostra (ºC)

Tem

pera

tura

da

amos

tra (º

C)

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.



6

Durante a misturaFibra secas

30-50 µm

Fibrilas

Canaispermeáveis

Secagem (T < Tdegradação da fibra)

Regiões de elevada permeabilidade geradas

após contração desecagem das fibrilas

Redução de diâmetrodurante a secagem

Concreto

Aumento do diâmetro dasfibrilas e da

distânciainterfibrilar

Absorção deágua / matriz

Durante a misturaFibra secas

30-50 µm

Fibrilas

Canaispermeáveis

Fibra secas

30-50 µm

Fibrilas

Canaispermeáveis









Concreto




Durante a misturaConcreto




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.



7

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)

Vaz

ão (m

l/min

)dW

/dt (

%/m

in)

c)

b)

a)

400 %

Polipropileno (0,36 vol%)Sem fibras

EstabilidadeFusãoDegradação

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)

Vaz

ão (m

l/min

)dW

/dt (

%/m

in)

c)

b)

a)

400 %





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.



8

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)

Vaz

ão (m

l/min

)dW

/dt(

%/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)

Vaz

ão (m

l/min

)dW

/dt(

%/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



9

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 (217-



10

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.

REFERÊNCIAS

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11

[10] Innocentini, M.D.M.; Pardo, A.R.F.; Pandolfelli, V.C., Permeability of High-Alumina Refractory Castables Based on Various Hydraulic Binders, J.Am.Ceram.Soc., 85[6], 1517-1521 (2002). [11] Innocentini, M.D.M; Ribeiro, C.; Salomão, R.; Bittencourt, L.; Pandolfelli, V.C., J.Am.Ceram.Soc., Assesment of Mass Loss and Permeability Changes During The Dewatering Process of Refractory Castables Containing Polypropylene Fibers, 85[8] 2110-2112 (2002). [12] Innocentini, M.D.M.; Cardoso, F.A.; Akyioshi, M.M.; Pandolfelli, V.C. Drying Stages During The Heat-Up of High Alumina, Ultra-Low Cemente Refractory Castables. J.Am.Ceram.Soc., 86[7] 1146-48 (2003). [13] Yue, Y.; Li, G.Z.; Xu, X.S.; Zhao, Z.J., Properties and Microstructure of Plant-Fiber Reinforced Cement-Based Composites, Cem. And Conc. Research, 30, 1983-1986 (2000). [14] Salomão, R.; Innocentini, M.D.M.; Pandolfelli, V.C., Drying Behavior of Polymeric-Fiber Containing Refractory Castables, aceito para publicação em Taikabutso Overseas (jul/2004).

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). Key words: refractory castables, drying, permeability, vegetable fibers.



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