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[pt] ESTUDO EXPERIMENTAL E NUMÉRICO DO COMPORTAMENTO DE COMPÓSITOS REFRATÁRIOS EM DIFERENTES TEMPERATURAS / [en] EXPERIMENTAL AND NUMERICAL STUDY OF REFRACTORY COMPOSITES BEHAVIOR AT DIFFERENT TEMPERATURES

[pt] Neste estudo diferentes concretos a base de cimento aluminoso foram desenvolvidos e caracterizados em termos de seu comportamento termomecânico para uma ampla faixa de temperaturas (25-1200 graus Celsius). Primeiramente, três refratários com diferentes teores de alumina (51, 71 e 90 porcento em peso) foram estudados para caracterizar seus comportamentos químico e mecânico em diferentes temperaturas. Para isso vários tipos de ensaios experimentais, após aquecimento e resfriamento, foram realizados: ensaios microestruturais, químicos, de compressão uniaxial, tração direta e flexão em três pontos. Com esses resultados foi desenvolvido, através de simulações numéricas, um novo tipo de revestimento combinando os três refratários em camadas. A solução mais eficiente em termos de gradiente térmico foi a combinação que usou o refratário com 90 porcento de alumina como camada interna e os refratários de 71 porcento e 51 porcento como as camadas média e externa, respectivamente. Um material compósito refratário reforçado com fibras de aço inoxidável foi também desenvolvido. Para isso o concreto refratário com 51 porcento de alumina foi selecionado, pois apresentou o melhor comportamento mecânico nas temperaturas analisadas (até 1200 graus Celsius). Três tipos de fibras foram consideradas: lisa, ondulada e recartilhada. Além da realização dos mesmos tipos de ensaios feitos para a matriz refratária, foram também realizados ensaios cíclicos, de arrancamento de fibras e estruturais (painéis circulares). Os ensaios forneceram os parâmetros necessários para o modelo constitutivo de dano plástico disponível no programa de elementos finitos ABAQUS. O modelo constitutivo foi validado através de simulações termomecânicas do ensaio do painel circular. Concluiu-se que o comportamento termomecânico dos compósitos refratários com a adição de fibras de aço inoxidável foi significativamente melhor do que do refratário sem reforço. O compósito com a fibra recartilhada foi o que teve o melhor desempenho devido à forte aderência da fibra com a matriz. Os resultados experimentais e as simulações numéricas mostraram que o efeito de reforço beneficia o comportamento mecânico pré-pico e pós-pico dos compósitos refratários. A influência do endurecimento por deformação observada na fase inicial das curvas e do abrandamento (softening) pós-pico indicam a importância desses parâmetros para projetos estruturais. O dano do compósito refratário foi analisado através da análise de correlação digital de imagem para estudar a propagação da fissura nas várias temperaturas. Observou-se que com o aumento de temperatura a propagação da fissura fica mais lenta e a abertura da fissura fica menos acentuada. Conclui-se então que esses materiais são apropriados para utilização em aplicações que envolvem temperaturas elevadas. / [en] In this study different concretes based on aluminous cement were developed and characterized in terms of their thermomechanical behavior over a wide temperature range (25-1200 Celsius degrees). First, three refractories with different alumina contents (51, 71 and 90wt. percent) were studied to characterize their chemical and mechanical behavior at different temperatures. For this, several types of experimental tests, after heating and cooling, were carried out: microstructural, chemical, uniaxial compression tests, direct tensile tests and three-point bending test. With these results, a new type of coating was developed through numerical simulations combining the three refractories in layers. The most efficient solution in terms of thermal gradient was the combination that used the refractory with 90 percent of alumina as the inner layer and the refractories of 71 percent and 51 percent as the middle and outer layers, respectively. A refractory composite material reinforced with stainless steel fibers was developed. For this, the refractory concrete with 51 percent of alumina was selected, since it presented the best mechanical behavior at the analyzed temperatures (up to 1200 Celsius degrees). Three types of fibers were considered: straight, wavy and knurled. In addition to performing the same types of tests for the refractory matrix, cyclic, fiber pullout and structural tests (round panels) were also performed. The tests provided the parameters for the Damage Plasticity constitutive model available in the finite element software ABAQUS. The constitutive model was validated through thermomechanical simulations of the round panel test. It was concluded that the thermo-mechanical behavior of the refractory composites with the addition of stainless steel fibers was significantly better than the non-reinforced refractory. The composite with the knurled fiber was the one that had the best performance due to the strong bond of the fiber to the matrix. The experimental results and numerical simulations showed that the reinforcement effect benefits the pre-peak and post-peak mechanical behavior of the refractory composites. The influence of the strain-hardening observed in the initial phase of the curves and the softening post-peak indicated the importance of these parameters for structural projects. The damage of the refractory composite was analyzed through digital image correlation to study the crack propagation at various temperatures. It has been observed that with the increase in temperature the propagation of the crack becomes slower and the opening of the crack becomes less pronounced. It is therefore concluded that such materials are suitable for use in applications involving high temperatures.

Identiferoai:union.ndltd.org:puc-rio.br/oai:MAXWELL.puc-rio.br:45730
Date09 October 2019
CreatorsWALTER GABRIEL BAREIRO
ContributorsELISA DOMINGUEZ SOTELINO
PublisherMAXWELL
Source SetsPUC Rio
LanguagePortuguese
Detected LanguageEnglish
TypeTEXTO

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