Caracterização Reológica de Encosta em Vila Albertina – São Paulo Danielle Fernanda Morais de Melo Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, São Paulo, Brasil, [email protected] Roberto Cesar de Oliveira Romano Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, São Paulo, Brasil, [email protected] Rafael Giuliano Pileggi Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, São Paulo, Brasil, [email protected] Wanderley Moacyr John Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, São Paulo, Brasil, [email protected] Marcos Massao Futai Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, São Paulo, Brasil, [email protected] RESUMO: Nos grandes escorregamentos e corridas, o solo se apresenta como um material que transita entre as definições de líquido e sólido. A utilização da reologia é aplicável para a compreensão do comportamento do solo, durante esses eventos, para determinação das relações entre as tensões e as deformações sofridas durante um processo de movimentação. Essa complexidade de comportamento dos solos, durante um evento de movimentação de massa, muitas vezes não é levada em conta em ensaios rotineiros, daí a importância da utilização de novos métodos para a caracterização. A reologia ainda é pouco utilizada na Engenharia Geotécnica embora seja amplamente utilizada para caracterizar materiais de construção civil e nas indústrias cosmética e alimentícia. O trabalho apresenta dois ensaios reológicos que podem ser empregados objetivando uma melhor classificação que são a reometria compressiva e rotacional. As amostras utilizadas nos ensaios são de encosta na Vila Albertina, bairro da zona norte da cidade de São Paulo. Os resultados mostraram que é possível relacionar o teor de umidade com o comportamento do solo observado através das grandezas reológicas. PALAVRAS-CHAVE: Reometria rotacional, Squeeze flow, Escorregamento de solos, Viscosidade de Solos. 1 INTRODUÇÃO Vila Albertina, localizada na região norte do município de São Paulo, apresenta um talude com escorregamento complexo no qual o movimento é acelerado e desacelerado em função da oscilação do nível freático. A encosta passa por modificações antrópicas desde a década de 50, quando foi alvo de exploração de uma pedreira. Na década de 70, se instalou uma urbanização informal, sem tratamento algum para as águas servidas, que eram lançadas no local contribuindo para a instabilização. Na década de 80, a retirada de solo da encosta para cobrimento de um aterro sanitário diminuiu a declividade do terreno, favorecendo sua ocupação. Devido ao risco iminente de escorregamento todos os moradores foram removidos em 2006 e, desde então, a área manteve-se desocupada havendo recuperação de parte da vegetação. No entanto verificou-se que a encosta continua a se movimentar. Atualmente parte da área está coberta por entulhos devido às demolições das casas e, no pé do talude, a área está em constante modificação devido às movimentações ocorridas em períodos chuvosos. Para tentar entender o mecanismo de instabilização da área foi realizado um estudo, que serviu de base para uma dissertação de mestrado, sendo fundamentada em ensaios tradicionais de laboratório como caracterização do solo e resistência ao cisalhamento direto e também foi realizado o monitoramento da encosta através de inclinómetros, piezômetros, marcos superficiais e pluviométricos (Godois, 2011). Através do monitoramento dos marcos superficiais e da precipitação, foi possível observar que a velocidade de movimentação apresentou relação direta com a chuva acumulada em 30 dias. O pico de velocidade foi atingido no mês de fevereiro chegando a 65 mm/dia em um dos marcos. Para valores de precipitação acumulada menores que 150 mm não há movimentação, valores entre 150 mm e 250 mm somente parte da encosta se move e para valores acima de 250 mm toda a massa instável se movimenta. A análise da estabilidade através do equilíbrio limite, apesar de ser amplamente utilizada, é limitada porque é uma idealização da realidade dos solos, que apresentam um comportamento muito mais complexo. Nesse caso específico, o movimento não ocorre em forma de bloco rígido e apresenta característica viscosa, assim a análise por equilíbrio limite não consegue representar bem o comportamento. De acordo com Keedwell (1984), o principal objetivo dos ensaios em solos é determinar valores dos parâmetros tensão – deformação – tempo que se adequam ao comportamento do solo e que podem ser utilizadas na análise de problemas geotécnicos. A validação de uma interpretação dos resultados obtidos através de ensaios depende da qualidade da amostra e da validação do modelo utilizado para representar o comportamento do solo. Nos casos onde o modelo utilizado não consegue boa representação em relação à realidade, pode ser necessário que este seja modificado e nesse ponto a utilização de um modelo reológico pode ajudar. Nesse artigo, o solo que está envolvido no escorregamento será estudado através de ensaios e conceitos da reologia dos materiais. A reologia é uma ciência que estuda os materiais em seu estado fluido, a partir da relação entre a deformação aplicada e a força obtida como resposta. Apesar dos conceitos de reologia serem comuns em alguns setores de engenharia civil e de materiais, cosmetologia e alimentos, a aplicação na caracterização de solos ainda é pouco explorada. Por esse motivo é importante que sejam apresentadas breves descrições sobre os métodos aplicados neste trabalho. 2 REOLOGIA A reologia é uma ciência relativamente moderna, citada primeiramente por Bingham em 1928. Foi criada para responder às necessidades das novas tecnologias na caracterização de materiais, utilizando para isso a investigação experimental sobre os mais diversos materiais tais como: a borracha, os plásticos fundidos, polímeros, pastas, os fluídos electroreológicos, sangue, vernizes e tintas. Esses materiais apresentam propriedades que a mecânica de fluidos clássica e a elasticidade não conseguem descrever. O interesse e rápido desenvolvimento desta área ocorreram juntamente com o crescimento da indústria petroquímica e seus derivados. Os materiais poliméricos e os plásticos surgiram como um vasto campo para novas descobertas e aplicações. Na indústria, os dados reológicos são importantes para determinar a funcionalidade de ingredientes no desenvolvimento de produtos, no controle de qualidade do produto final e intermediário, na determinação da vida útil e na avaliação da textura através da correlação com dados sensoriais. Os ensaios de reometria são realizados para medir propriedades reológicas em laboratório. Existem vários instrumentos disponíveis para a realização das medidas de reologia, com três princípios de funcionamento: compressivo, tubular ou capilar e rotacional, sendo que os instrumentos rotacionais podem operar em cisalhamento estacionário, com velocidade angular constante; ou dinâmico, com velocidade oscilatória. Estes ensaios permitem investigar o comportamento reológico em condição de fluxo e determinar o comportamento viscoelástico de fluidos. conformação final do ensaio, o deslocamento aplicado foi de 9 mm e com isso parte da amostra de solo envolveu a parte inferior da punção. 2.1 Reometria Compressiva – Squeeze flow A reometria por squeeze-flow consiste na compressão de uma amostra cilíndrica entre duas placas paralelas, onde a amostra sofre deformação enlogacional e de cisalhamento. Esse tipo de ensaio é utilizado nos domínios da engenharia, biologia, entre outras áreas (Engmann, 2005). O método é simples e versátil, sendo capaz de avaliar com precisão materiais em ampla faixa de consistência e com velocidades e graus de deformação variáveis. O ensaio pode ser realizado com controle de força ou de deslocamento: no primeiro caso uma determinada força é aplicada ao material e a deformação resultante é registrada, enquanto no segundo caso o material é submetido a um deslocamento efetuado com velocidade constante e a força é medida (Cardoso et al., 2008). O resultado obtido em um ensaio de squeezeflow com controle por deslocamento é expresso na forma de carga vs. deslocamento, conforme representado na Figura 1. Figura 1: Formato típico curva obtida no squeeze Flow Na Figura 2 está apresentada foto do ensaio, sendo que em (a) a amostra está em sua conformação inicial, já moldada e com a punção em contato com o solo pronta para iniciar a aplicação de deslocamento e, em (b) a Figura 2: Foto do ensaio de squeeze flow em sua conformação inicial (a) e final (b) A partir da Figura 1, três estágios podem ser diferenciados durante a compressão da amostra: I: deformação elástica; II: deformação plástica e/ou fluxo viscoso; e III: enrijecimento por deformação (strain hardening). (Min et al, 1994). No primeiro estágio, em pequenas deformações, o material comporta-se como um sólido, apresentando deformação elástica linear e está relacionado à tensão de escoamento. No estágio seguinte (II) a compressão resulta em deformação radial elongacional e de cisalhamento, superando as forças que mantinham o material sob comportamento elástico e, assim, o mesmo flui por deformação plástica e/ou viscosa dependendo das suas características. Nesta etapa, o material é capaz de sofrer grandes deformações sem aumento significativo da força necessária para o deslocamento. No terceiro estágio, ocorre um aumento exponencial da carga necessária para prosseguir a deformação do material, consequentemente, as forças de atrito são predominantes nessa situação. (Min et al, 1994) É importante ressaltar que a faixa de deslocamento e a intensidade variam de acordo com a composição dos materiais (teores de água e de ar, dimensões mínima e máxima das partículas, presença de aditivos) e também com os parâmetros de ensaio utilizados. Entretanto, a análise da curva de carga ou tensão versus deslocamento possibilita a compreensão do comportamento reológico em diferentes situações, durante sua aplicação, partindo de uma condição estacionária representando o material em repouso, até um elevado nível de deformação, cisalhamento e restrição geométrica (Cardoso et al., 2010). 2.2 Reometria Rotacional Os reômetros rotacionais são equipamentos utilizados para avaliar o comportamento dos materiais em diferentes taxas de cisalhamento, registrando a tensão ou torque de cisalhamento resultante. Entretanto, as limitações nos níveis de torque máximo, que restringem a faixa de consistência que os poucos equipamentos disponíveis no mercado internacional são capazes de medir, aliadas ao alto custo, fazem com que os reômetros rotacionais sejam utilizados de maneira discreta apenas em laboratórios de universidades e centros de pesquisa. (Pillegi, 2001). O equipamento utilizado no trabalho, apresentado na Figura 3, é o Reômetro tipo planetário construído conforme Projeto FAPESP de Auxílio à Pesquisa número 03/12199-4 e pertence ao Laboratório de Microestrutura da EPUSP. avaliado o torque necessário para tal. (Pileggi, 2001) A tensão de escoamento pode ser definida como a tensão mínima para o material iniciar o fluxo, sendo uma característica muito importante na análise dos solos, visto que as movimentações estão associadas a este parâmetro reológico. Esta definição usada na reologia é específica e não é a mesma usada na Mecânica dos Solos, tal como na Teoria de Estados Críticos. O equipamento utilizado é automatizado o que minimiza a interferência humana, aumenta o número de pontos de leitura e facilita o manuseio gerando um resultado com maior confiabilidade. Como o equipamento pode ser regulado em diversas velocidades, ou seja, consegue impor diferentes taxas de cisalhamento, mostra-se vantajosa a utilização em solos, tanto em baixas quanto em altas velocidades simulando fenômenos de movimentação de massa. 3 MATERIAL Para a realização do ensaio foi utilizada uma amostra de solo deformada, ilustrada na Figura 4, coletada a partir da superfície do terreno dentro da porção inferior da área de escorregamento. A umidade em campo variou entre 28 e 42 %. Figura 3: Reômetro rotacional utilizado no trabalho Figura 4: Amostra de solo deformada coletada na encosta Parâmetros como viscosidade e tensão de escoamento podem ser determinados através de dois princípios básicos de funcionamento: (1) aplicação de torque ao fluido (ou suspensão) e medida do cisalhamento resultante ou (2) o cisalhamento aplicado é controlado sendo A composição granulométrica do solo utilizado no ensaio é apresentada na Figura 5, sendo 43% de fração argila, 28% de fração silte, 28% de areia fina e 1% de areia média. O limite de liquidez, wL, foi de 49%, o de plasticidade, wP, de 25% e consequentemente, o índice de plasticidade (IP) foi de 24%. Sendo assim, o Areia Fina Areia Média 0,01 0,1 1 Diâmetro dos grãos (mm) Figura 5: Distribuição granulométrica da amostra 4 MÉTODOS Os ensaios de caracterização do solo foram realizados seguindo as recomendações das normas ABNT pertinentes, conforme listado a seguir: Limite de Liquidez (NBR 6457) Limite de Plasticidade (NBR 6459) Grãos de Solos que Passam na Peneira 4,8mm – Determinação da Massa Específica (NBR 6508) Análise Granulométrica por Peneiramento e Sedimentação (NBR 7181) Para a realização dos ensaios reológicos, o solo foi seco ao ar e passado na peneira # 4, com abertura de 4,76 mm, sendo posteriormente umedecido através da adição de água destilada até chegar à umidade próxima a desejada para fazer o ensaio. O ensaio de squeeze flow foi realizado com as amostras moldadas em um anel de PVC rígido de diâmetro de 100,1 mm e punção, através da qual a força é aplicada na amostra, de diâmetro 50,05 mm. A utilização do anel de PVC é recomendada quando o material a ser ensaiado apresenta-se muito fluido, sendo o anel utilizado para evitar o escoamento e manter a geometria adequada para o ensaio (Cardoso et al., 2005). Os testes foram realizados em uma máquina universal de ensaios (Instron, modelo 5569) com células de carga de 1 kN. A velocidade de deslocamento adotada foi de 0,1mm/s, pois leva 10 1500 II homogeneização do solo I 1250 posicionamento da mesa Silte a uma situação na qual é favorecida a separação de fases. A deformação imposta foi a maior possível, para que o comportamento do material fosse avaliado numa ampla faixa de deformações, de 0 a 80%. (Cardoso et al., 2008) Para a realização dos ensaios de reometria rotacional foram utilizados aproximadamente 3,5 kg de solo de cada amostra na umidade desejada. Esse solo foi submetido a cisalhamento continuo, com variação de velocidade de aplicação de cisalhamento de 50 a 1250 rpm. Uma ilustração da programação do ensaio é mostrada na Figura 6: I primeiro estágio, com velocidade de 100 rpm, refere-se ao posicionamento da mesa em que o solo ainda não está em contato com a raquete, II segundo estágio, a 500 rpm, ocorre a homogeneização da amostra para deixá-la apropriada para o ciclo de cisalhamento que é o terceiro estágio, III. Velocidade (rpm) 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0,001 Argila Porcentagem Passada solo é classificado como argiloso e, em relação à umidade, plástico. 1000 750 500 250 III ciclo de cisalhamento 0 0 20 40 60 80 100 Tempo (s) 120 140 160 Figura 6: Programação do ensaio de reometria rotacional 5 RESULTADOS E DISCUSSÕES As umidades utilizadas nos ensaios de reometria foram determinadas em relação aos índices físicos, sendo que foi adotada uma amostra com umidade próxima ao wP (com w=26%) amostra entre o wP e o wL (com w=39%) e duas amostras com umidade superior ao wL (w=58 e 65%). Na Figura 7 são apresentadas as curvas referentes ao ensaio de reometria rotacional em função da variação do teor de umidade. Como o ensaio foi realizado em duas etapas, aceleraçao e desaceleração da velocidade de rotação, as setas vermelhas se referem à etapa de aceleração e as setas azúis à desaceleração. Independente do teor de umidade, os solos apresentam perfil reológico de materiais pseudoplásticos com torque de escoamento. Ou seja, apresentam um aumento do torque em função do aumento da rotação, e uma diminuição da viscosidade com o aumento da rotação. Estimativa de Torque (N.m) 16 14 12 10 w = 25,7% w = 39,2% w = 57,8% w = 64,6% 8 6 4 2 0 0 250 500 750 Rotação (rpm) 1000 1250 Figura 7. Resultado do ensaio de Reometria rotacional O termo tixotropia é usado para descrever a tendência de alguns materiais a fluir facilmente quando agitado e se solidificar gradualmente quando a fonte de agitação for removida. Um exemplo bem conhecido é a bentonita misturada com água. Esta mistura é frequentemente usada como lama de perfuração, onde no furo a mistura é constantemente agitada pelas ferramentas de perfuração e, se mantém sob a forma de uma lama, mas nos poros do solo em torno do furo, onde é protegido de agitação se torna um gel. (Keedwell, 1984) O perfil de tixotropia positiva foi observado nas amostras com menores quantidades de água, sendo que na amostra com 64,6% de umidade foi observado o perfil de reopexia ou tixotropia negativa. A tixotropia positiva indica que a taxa com que o material se fluidifica, causada a partir da aplicação de esforços, é maior do que a taxa que ele se solidifica com a retirada desse esforço e o contrário para a tixotropia negativa, ou reopexia, no qual o material tem mais facilidade para se solidificar do que para fluir. O solo foi avaliado após mistura com água sob baixa energia de cisalhamento, utilizando espátula e almofariz de porcelana, não sendo suficiente para o completo rompimento dos aglomerados. Em argamassas, os aglomerados se formam devido às forças de interação de van der Waals, forças eletrostáticas entre partículas com cargas opostas e forte interação ou ligação envolvendo as moléculas de água ou hidratos (Romano et al., 2009), o mesmo processo ocorre nos finos do solo. E essa aglomeração é responsável pela retenção de parte da água quando a energia de mistura não é suficiente para o rompimento dos aglomerados. Nas amostras mais secas, durante o período de aceleração da rotação, os aglomerados foram rompidos. Na etapa de desaceleração, a taxa de reaglomeração dessas partículas foi mais lenta que a desaglomeração, gerando o perfil de tixotropia positiva. No caso da amostra com umidade de 64,6%, a taxa de reaglomeração foi maior. Assim, quanto menor o teor de água maior o torque necessário para impor à rotação no solo e maior a área de histerese (área inscrita entre as curvas de aceleração e desaceleração). A partir das curvas apresentadas na Figura 7 foi possível estimar o torque de escoamento e a viscosidade aparente, respectivamente na mínima e na máxima velocidade de rotação. A viscosidade foi definida por Newton em 1687 como a resistência ao deslizamento de suas moléculas devido à fricção interna, sendo que quanto maior o grau de fricção interna de um fluido, maior é a sua viscosidade, em geral é função da temperatura. Na Figura 8, são apresentadas essas grandezas reológicas em função do teor de umidade em cada solo. Em (a) estão os resultados da viscosidade e em (b) do torque de escoamento. Fica nítido que as alterações nos parâmetros reológicos, sob solicitação de fluxo, foram diretamente proporcionais aos teores de umidade. Na Figura 9, são apresentados os resultados do ensaio de squeeze flow em função dos teores de umidade do solo. (a) 0,012 0,010 0,009 R² = 0,98 0,005 0,004 0,000 0,30 20 wL wP 25 30 35 40 45 0,001 50 55 60 65 (b) umidade do solo (%) 0,236 0,25 70 0,20 0,143 0,15 0,10 R² = 0,99 0,066 0,05 wL wP 0,00 20 25 30 35 40 45 0,008 50 55 60 65 70 Umidade do solo (%) Figura 8 Relação entre a viscosidade aparente (a) ou o torque de escoamento (b) com o teor de água 500 w = 25,7% w = 39,2% w = 57,8% w = 64,6% 450 400 Carga (N) 350 300 250 200 150 100 50 0 0 1 2 3 4 5 6 Deslocamento (mm) 7 8 9 Figura 9: Perfil das curvas de squeeze flow As amostras com os menores teores de umidade (25,7 e 39,2%), as quais representam umidades próximas às encontradas em campo, apresentaram comportamentos distintos das demais, sendo observado o regime elástico desde as menores deformações impostas durante o ensaio, comportamento típico de material sólido. As demais amostras, com maiores teores de água, apresentaram fluxo viscoso e atingiram maiores deformações sem aumento expressivo da carga. Da mesma forma que apresentado anteriormente, no ensaio de reometria rotacional, a umidade governou o fluxo sob compressão. Quanto menor o teor de água maior a viscosidade elongacional e mais difícil o espalhamento. A aproximação e o rearranjo das partículas geram forças restritivas ao fluxo, dificultando a movimentação de massa. Por isso, a resposta do solo mais úmido é uma maior facilidade em sofrer movimentações. A área assinalada na Figura 9 com o círculo, representa uma região onde foi encontrada maior resistência devido à presença de um aglomerado ou um grão de areia embaixo da punção, sendo que o maior diâmetro de grão encontrado na granulometria foi de 2 mm. Após o rompimento da barreira a curva seguiu sua tendência normal. A relação entre a umidade do solo e a carga necessária para deformação de 15%, adotada somente como um parâmetro comparativo, é apresentada na Figura 10. A relação entre a deformação fixa e a umidade precisaria de ensaios complementares para definir melhor o formato da curva. Mesmo com essa limitação, estabeleceram-se duas possibilidades de interpretação, conforme apresentado na Figura 10. Carga para deformação de 15% (N) Estimativa da viscosidade aparente (N.m.rpm) Estimativa do torque de escoamento (N.m) 0,015 250 205 200 182 150 100 50 wL wP 0 20 25 30 7 35 40 45 50 55 Umidade do solo (%) 10 60 65 70 Figura 10: Relação entre umidade e deslocamento em carga constante e carga em deformação constante obtida através do squeeze Flow As amostras que foram avaliadas com teor de umidade abaixo do limite de liquidez apresentaram cargas compressivas muito mais altas que as amostras com umidade acima do limite de liquidez. Um aumento de 19% no teor de água (de 39,2% para 57,8%) resultou em uma redução de mais de 95% no valor da carga compressiva. 6 CONCLUSÕES O limite de liquidez do solo avaliado ficou em 49% e o de plasticidade em 25% obtidos a partir da realização de ensaios de acordo com as NBR 6457 e NBR 6459. Por isso, os ensaios de reometria rotacional e compressiva foram realizados com as amostras varrendo esses teores e além deles. De acordo com os resultados do ensaio de squeeze flow as amostras com teores de umidade abaixo do limite de liquidez apresentaram comportamento de sólidos elásticos enquanto que, para teores de umidade acima, foi observado comportamento de fluidos viscosos. A partir da reometria rotacional foram observados perfis de tixotropia positiva e negativa dependendo do teor de umidade, onde as maiores umidades representaram tixotropia positiva e a menor umidade negativa. Ainda de acordo com a reometria rotativa, foram observados, para todos os valores de umidade, comportamentos de fluidos pseudoplásticos com torque de escoamento. As propriedades reológicas, sejam as quantificadas por reometria compressiva ou durante o fluxo contínuo, apresentaram relação direta com o teor de umidade, variável de maior impacto nos ensaios. A grande vantagem desses ensaios é que eles caracterizam as amostras para diversas taxas de cisalhamento. A análise através da reologia permite que sejam explorados os efeitos da umidade na estrutura do solo, sendo que foi possível observar a mudança do comportamento sólido para a fluidização. A quantificação da influência da umidade nas propriedades do solo, que não é facilmente obtida em ensaios comuns realizados em solos, é obtida através do uso da reometria. Para que haja um melhor aproveitamento dos dados que são obtidos através da utilização desses ensaios, é necessário um aprofundamento em suas bases teóricas, o que está sendo feito de forma gradual. A adequação dos conceitos de reologia para o setor de Engenharia Geotécnica pode ser uma ferramenta importante para a avaliação de escorregamentos onde os modelos existentes não conseguem representar o comportamento observado, sendo uma prática nova que pode agregar valor as análises realizadas de estabilidade e na caracterização do solo. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao CNPq pelo apoio financeiro. REFERÊNCIAS Cardoso, F.A., Pileggi, R.G., Jhon, V.M. (2005) Caracterização reológica de argamassas pelo método de squeeze-flow. VI Simpósio Brasileiro de Tecnologia de Argamassas, Florianópolis/SC. Cardoso, F.A., Pileggi, R.G., Jhon, V.M. (2008) Squeezeflow aplicado a argamassas de revestimento: Manual de utilização, Boletim Técnico da Escola Politécnica da USP, São Paulo/SP. 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