Evolução microestrutural de concretos refratários ligados com sílica coloidal durante secagem e sinterização

• Ano de defesa: 2025
• Autor(a) principal: Prado, Ana Carolina Figueiredo
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP
• Palavras-chave em Português: binders; colloidal silica; concretos refratários; ligantes; matrix; matriz; microestrutura; microstructure; refractory castables; sílica coloidal
• Link de acesso: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/18/18158/tde-27032026-083849/

Cerâmicas refratárias são insumos fundamentais para a maioria dos processos industriais que trabalham com altas temperaturas e estão presentes na siderurgia, petroquímica e outras indústrias de base. Existem dois tipos de refratários que geralmente são utilizados para essas finalidades: os pré-formados e os monolíticos. Alguns pré-formados necessitam de pré-sinterização e, consequentemente, apresentam custos adicionais de tempo e energia, os monolíticos têm ganhado espaço por sua rapidez de instalação e maior liberdade de projeto. Os refratários monolíticos são compostos por partículas grossas de óxidos, ou agregados, (Dp = 10000 – 100 μm) e partículas finas (ou matriz, Dp ≤ 100 μm), água e ligantes que conferem resistência mecânica antes da secagem e sinterização. Dentre os ligantes mais utilizados, destacam-se os hidráulicos, cimento de aluminato de cálcio (CAC) e alumina hidratável (AH). Apesar de muito difundidos, eles apresentam dificuldades na etapa de secagem e sofrem redução significativa de resistência mecânica durante o aquecimento inicial. Os ligantes coloidais foram desenvolvidos principalmente para minimizar esses problemas e, dentre eles, evidencia-se a sílica coloidal (SC). Esse ligante consiste em uma dispersão aquosa de nanopartículas de SiO2 estabilizadas com aditivos e pH adequado e gelificadas com algum tipo de aditivo. A adição de SC em concretos refratários tem o potencial de facilitar a secagem, pois promove a formação de estruturas mais permeáveis, além de antecipar a densificação. No entanto, as modificações microestruturais que ocorrem ao longo do aquecimento inicial ainda foram pouco exploradas, o que dificulta o desenvolvimento de novas soluções tecnológicas de melhor desempenho. O trabalho desenvolvido teve como objetivo avaliar a evolução microestrutural e das propriedades físicas para concretos ligados com CAC (C-CAC) e ligados com SC (C-SC) tratados termicamente entre 120 °C e 1600 °C. Composições equivalentes contendo dois tipos de alumina calcinada, alumina fina (AF) e alumina grossa (AG), foram utilizadas como matéria-prima no desenvolvimento das matrizes e foram testadas nas mesmas condições como referência. De modo geral, as amostras ligadas a SC permitiram a obtenção de estruturas mais rígidas e resistentes após secagem apesar de serem mais porosas em comparação com CAC. Esse fator contribuiu para a manutenção da resistência mecânica nas temperaturas iniciais (300 – 700 °C) e intermediárias (700 – 1100 °C). Os concretos com SC apresentaram secagem mais fácil e rápida, devido à alta permeabilidade da microestrutura que facilita a saída da água livre. Nos sistemas com CAC, a secagem foi mais lenta, pois a desidratação dos hidratos gerou defeitos, alta porosidade e baixa resistência. Nas matrizes, a tendência foi distinta: CAC demonstrou maior taxa de perda de massa e permeabilidade, enquanto SC exibiu a menor permeabilidade, mas sem comprometer as propriedades. Essa diferença de permeabilidade entre matriz e concreto ocorreu devido à presença das microtrincas que se formam nas interfaces dos agregados a partir da secagem, aumentando a permeabilidade dos concretos. Nas matrizes com SC, os melhores resultados foram obtidos até 1300 °C, com microestruturas homogêneas e boa resistência mecânica e química, enquanto o desempenho máximo das composições com CAC ocorreu apenas em 1500 °C. Além disso, foi verificado que a granulometria da alumina influenciou fortemente as propriedades; partículas mais finas aumentaram a reatividade e a formação de trincas durante a secagem do gel, reduzindo a resistência. Isso aconteceu, provavelmente por conta do empacotamento ineficiente da alumina fina, porque apresenta uma distribuição de tamanho de grão estreita em comparação à alumina grossa.