Cimento de aluminato de cálcio (CAC) e óxido de magnésio (MgO) são duas importantes matérias primas para a indústria de concretos refratários e apresentam grande tendência à hidratação. Os efeitos dessa reação em cada caso isolado são distintos e bem conhecidos: enquanto o CAC hidratado atua como ligante e garante a resistência mecânica do material antes da sinterização, a hidratação do MgO pode causar sua total desintegração em alguns casos. Devido ao interesse tecnológico nesses materiais, é importante investigar as peculiaridades desses processos e as potenciais interações entre eles. Neste trabalho, os efeitos da adição de diferentes teores de CAC na hidratação do MgO foram investigados em suspensões aquosas usando medidas de expansão volumétrica aparente, pH das suspensões e difração de raios X. Foi observado que os efeitos danosos da hidratação do MgO podem ser significativamente reduzidos com um controle adequado do teor de CAC nas formulações.

Calcium aluminate cement (CAC) and magnesium oxide (MgO) are two of the most important raw materials for refractory castables industry and both present a high driving force for hydration. The effects of this reaction for each compound are well known: whereas the hydrated CAC behaves as a binder, hardening the castable, MgO hydration can cause the total disintegration of the material. Due to the technological interests involved, it is important to study the peculiarities in these processes and their potential interactions. In the present work, the effects of the addition of different CAC contents on MgO hydration were investigated in aqueous suspensions by means of apparent volumetric expansion, pH measurements and qualitative X-ray diffraction. It was found out that the deleterious effects of MgO hydration can be significantly reduced with a proper control of the CAC content for the formulations.

A magnésia confere aos concretos excelentes propriedades refratárias aliadas a uma elevada resistência a escórias básicas. Entretanto, na presença de água, ela se hidrata em uma reação expansiva formando o hidróxido de magnésio. A expansão gerada, se não for controlada ou reduzida, danifica a estrutura do material podendo até levar à sua completa desintegração. Neste trabalho, aditivos conhecidos como quelantes foram adicionados à suspensão de sínter de magnésia, com e sem cimento de aluminato de cálcio, a fim de evitar a reação de hidratação da magnésia. Sob o ponto de vista químico, foram realizadas medidas de potencial zeta e grau de hidratação, correlacionando a mudança da carga superficial da magnésia gerada pela presença dos aditivos à quantidade de hidróxido formada. Sob o ponto de vista mecânico e físico, foram realizados o monitoramento da expansão volumétrica aparente e o registro de imagens das amostras. O melhor aditivo anti-hidratação para as amostras com aluminato de cálcio foi o ácido cítrico. A adição de apenas 0,3%-p foi capaz de quase anular a quantidade de hidróxido formada e adicionalmente zerar a expansão.

Magnesia addition to the refractory castables improves the refractoriness and basic slag corrosion resistance. However, in contact with water, magnesia hydrates by an expansive reaction resulting magnesium hydroxide, Mg(OH)2. If this expansion is not controlled or reduced, it can lead to the rupture and under harsh conditions, to material dusting. In this study, additives known as chelants were added to the magnesia sinter suspensions, with or without calcium aluminate cement, with the objective to inhibit the hydration reaction. Considering the chemical aspects, zeta potential and hydration degree were measured and the changes on the surface charge of magnesia caused by the additives adsorption were correlated to the hydroxide amount generated. Concerning the physical and mechanical aspects, apparent volumetric expansion was recorded. The best additive anti-hydration for the samples containing cement was citric acid. Just 0.3wt% was enough to almost inhibit completely the Mg(OH)2 formation, and led to no expansion.

Concretos refratários contendo óxido de magnésio (MgO) apresentam grande interesse tecnológico por unir a versatilidade e a liberdade de design dos refratários monolíticos aos benefícios conferidos pelo MgO, tais como, elevada refratariedade e resistência a escórias básicas. Entretanto, o MgO é facilmente hidratado formando Mg(OH)2 e essa reação leva a uma grande expansão volumétrica do material, o que limita sua aplicação em concretos refratários. Para encontrar soluções que minimizem esse efeito, torna-se necessário uma melhor compreensão a respeito dos fatores que afetam essa reação, como a temperatura. Neste trabalho, o impacto do deslocamento de equilíbrio químico conhecido como efeito do íon comum na hidratação do MgO foi avaliado na presença de diversos aditivos (MgCl2, MgSO4, CaCl2 e KOH). Entre os aditivos, o CaCl2 comportou-se como um retardador da reação, enquanto um comportamento oposto foi obtido para o KOH. O MgCl2 e o MgSO4 apresentaram ambos os efeitos dependendo de suas concentrações na suspensão. As possíveis causas para esses comportamentos são discutidas no artigo. Os resultados foram abordados considerando-se a termodinâmica e a cinética da reação, bem como os conseqüentes danos mecânicos causados ao material.

MgO based refratory castables present a wide technological interest because they add together the versatility and the installation efficiency of the monolithic refractories to the intrinsic MgO properties, such as high refractoriness and resistance to basic slag corrosion. Nevertheless, MgO is easily hydrated by water generating Mg(OH)2 and this reaction causes a volumetric expansion that could lead to material’s breakdown and inhibit its application in refractory castables. In order to develop solutions to minimize this effect, it is necessary a better understanding of the main variables involved in this reaction, such as temperature. In this work, the impact of the chemical equilibrium shifting, known as common-ion effect, on the MgO hydration was evaluated adding several additives (MgCl2, MgSO4, CaCl2 e KOH). Among them, the CaCl2 delayed the reaction, whereas KOH showed opposite behavior. MgCl2 and MgSO4 presented similar results and both effects (reaction delay and speed up), depending of their concentration in suspensions. The possible explanation for these behaviors are discussed in this paper. The results were evaluated considering the kinetics and the thermodynamics of the reaction, and the mechanical damages caused in the materials.

O óxido de magnésio, MgO, é uma importante matéria-prima para a indústria de refratários por ser um material de elevada refratariedade (ponto de fusão próximo a 2800 °C), resistente a escórias básicas, e de custo competitivo. No entanto, em presença de água, o MgO rapidamente se hidrata formando hidróxido de magnésio, Mg(OH)2. Essa reação leva a uma expansão volumétrica de até três vezes, limitando sua aplicação em concretos refratários. Para desenvolver soluções que minimizem este problema, torna-se necessário um melhor entendimento do mecanismo pelo qual o MgO se hidrata e quais as principais variáveis envolvidas. Dois mecanismos distintos para esta reação foram propostos: a) dissolução seguida de precipitação e b) reação em uma única etapa ocorrendo diretamente na superfície das partículas. Este trabalho apresenta uma revisão crítica com relação aos mecanismos propostos e sua potencial aplicação em concretos refratários contendo MgO. Suspensões aquosas de MgO e diferentes técnicas de caracterização (ensaios reológicos oscilatórios, medidas de expansão volumétrica aparente e condutividade iônica) permitiram correlacionar os mecanismos apresentados, principalmente com respeito à cinética da reação de hidratação.

Magnesium oxide, MgO, is an important raw material for refractories industry due to its high refractoriness (melting point of approximately 2800 ºC), corrosion resistance in basic environment and competitive cost. Nevertheless, MgO presents a great tendency to react with water producing magnesium hydroxide, Mg(OH)2. This reaction generates a threefold volumetric expansion and could lead to material breakdown inhibiting its application in refractory castables. In order to develop solutions to minimize this effect, a further understanding of the magnesia hydration mechanism and the main variables involved in this reaction is required. Two different mechanisms were proposed: a) dissolution followed by magnesium hydroxide precipitation and b) reaction in a single step that occurs on the particles surface. Aqueous suspensions were used in association with different characterization techniques (oscillatory tests, apparent volumetric expansion and ionic conductivity), showing relationships between the mechanisms presented mainly related to the kinetics of hydration of magnesia.