AVALIAÇÃO DA INCORPORAÇÃO DE CINZA VOLANTE E ESCÓRIA DE ALTO FORNO EM MASSA DE CERÂMICA VERMELHA

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1 AVALIAÇÃO DA INCORPORAÇÃO DE CINZA VOLANTE E ESCÓRIA DE ALTO FORNO EM MASSA DE CERÂMICA VERMELHA M.H. Moraes¹, D.P. Queiroz¹, R.S.Jr. Cruz¹, H.F.P. Gomes¹, E.G. Corrêa¹, E.A. Hildebrando¹ ¹Universidade Federal do Pará - UFPA, Campus Ananindeua, PA, Brasil Faculdade de Engenharia de Materiais, FEMat. Rodovia BR 316, km 07, 590; Prédios I e II; Centro, Ananindeua/PA; CEP: para contato: demoraesmario@gmail.com RESUMO Neste trabalho avaliou-se o efeito da incorporação de resíduos industriais de cinza volante e escória de alto forno em um corpo cerâmico. Utilizou-se como base uma argila caulinítica, classificada e homogeneizada com os resíduos, para obtenção de três amostras com diferentes formulações. Posteriormente, os corpos de prova foram confeccionados por prensagem uniaxial a 20 MPa, secados à 105 ºC por 24 horas e sinterizados à 850 ºC por 2 horas. Após o processo de sinterização, foram realizadas análises mineralógica (DRX) e química (FRX) dos resíduos e da argila utilizada, bem como avaliadas propriedades físicas (ASTM C373-72) e a tensão de ruptura a flexão (ABNT NBR 13818). Os resultados demonstraram que a incorporação de 20 % em peso de resíduos foi a que promoveu maior aumento da resistência mecânica dos corpos de prova, além de cumprirem parâmetros determinados pelas normas, que garantiram a viabilidade comercial, mostrando-se um material cerâmico com potencial. Palavras-chave: cerâmica vermelha; construção civil; escória; cinza volante. 145

2 INTRODUÇÃO A cerâmica vermelha é responsável por constituir 4,8 % da indústria da construção civil brasileira, compondo 90 % das alvenarias e coberturas, com 63,6 bilhões de peças/ano e mais de 6 mil fábricas, gerando um faturamento anual de 18 bilhões (1). No que diz respeito as formulações de massa cerâmica, os produtos fabricados na indústria ceramista possuem caráter heterogêneo, basicamente constituídos de componentes plásticos, não plásticos e auxiliares. Os plásticos, tais como o caulim e outros filossilicatos, conferem ao corpo cerâmico moldabilidade, coesão e solidez à massa crua. Os não plásticos, a exemplo do chamote, da escória de alto forno e da cinza volante, são componentes inertes que diminuem a retração de secagem e constituem o esqueleto do corpo cerâmico. Os vitrificantes, como a sílica, são responsáveis pela formação da fase vítrea. Os fundentes são encarregados de diminuir a temperatura de transformação da fase vítrea: carbonatos, feldspatos, entre outros (2). E por fim, os componentes auxiliares se separam em fluidificantes, ligantes, defloculantes e plastificantes, os quais são responsáveis, respectivamente, por dispersar as partículas da massa, unir as partículas da massa crua, evitar a decantação das partículas e aumentar a plasticidade da massa. Tem-se como exemplos a água, polímeros, fosfatos, polifosfatos de metais alcalinos, glicol e outros constituintes auxiliares (2). Após tratamento adequado, as cerâmicas conseguem absorver em suas peças uma gama de resíduos. Esses resíduos advêm dos mais variados setores da economia do país, como: resíduos de mineração, da indústria do papel, metalúrgica, siderúrgica, energética e outros ramos econômicos. Um dos principais resíduos gerados na indústria siderúrgica como material não plástico, são a escória de alto forno e a cinza volante, ambas são geradas em alto forno, cuja destinação geralmente é aterro sanitário. Entretanto, há grande possibilidade desses resíduos lixiviarem substâncias tóxicas para o lençol freático, sendo o estopim de diversos impactos ambientais (3). Portanto, esse trabalho tem por objetivo o estudo de formulações utilizando argila caulinítica incorporada de resíduos, pretendendo avaliar sua produção e adequação como material de cerâmica vermelha. 146

3 MATERIAIS E MÉTODOS Os resíduos utilizados foram escória de alto forno, denominamos como resíduo A, cedida por uma siderúrgica localizada na cidade de Marabá no estado do Pará, e cinza volante, denominamos como resíduo B, proveniente da refinaria de alumina Hydro Alunorte, localizada no município de Barcarena no Estado do Pará. Foram preparadas três formulações, como mostra a Tabela 1 a baixo, com adições em peso de argila caulinítica, proveniente das mediações do Rio Guamá próximo a Universidade Federal do Pará. Tabela 1: Formulação cerâmica estudada (% em peso). Amostras Identificação Formulação 1 A % argila - 0% resíduo A - 0% resíduo B 2 A % argila - 5% resíduo A - 5% resíduo B 3 A % argila - 10% resíduo A - 10% resíduo B Resíduo A: Escória de alto forno Resíduo B: Cinza volante. A argila coletada, após remoção do excesso de material orgânico, foi secada em estufa com temperatura à 105 ºC por 24 horas, em seguida desagregada em um moinho de bolas por 30 minutos, depois classificada em peneiras de 65 mesh. A fração passante é a que constitui-se nas amostras de trabalho. Posteriormente, realizou-se a homogeneização a seco em moinha de bolas por 10 minutos, formulação obtendo-se as amostras 1, 2 e 3 e suas respectivas formulações de acordo com a Tabela 1 a cima. Em seguida, foram adicionados 7% em peso de água na massa de cada amostra, com a finalidade de umedece-las, para a confecção dos corpos de prova (CP). A confecção dos CP, deu-se pela prensagem da amostra umedecida em uma matriz de aço com dimensões 10,0 x 5,0 x 1,0 cm. Utilizou-se uma carga uniaxial de 20 MPa. Foi Confeccionado seis CP para cada amostra. Posteriormente, os CP's foram expostos à temperatura ambiente por 24 horas, e então levados a estufa à 105 ºC por 24 h para secagem dos mesmos. Na etapa de sinterização, os corpos de provas foram submetidos à queima por 02 horas em um patamar de 850 ºC. Após a sinterização, os CP's foram submetidos aos testes físicos de retração linear de sinterização (RLS), absorção de água (AA), porosidade aparente (PA) e massa específica aparente (MEA), seguindo 147

4 as diretrizes da norma ASTM C (1977) (4). Os ensaio mecânico de flexão em três pontos foi realizado em função da norma ABNT NBR (5). RESULTADOS E DISCUSSÃO A Tabela 2 apresenta o resultado do ensaio de Fluorescência de Raios-X (FRX) da cinza volante. Tabela 2: Composição química (% em massa) da cinza volante. Na2O MgO Al2O3 SiO2 P2O5 K2O CaO TiO2 MnO Fe2O3 SO3 0,941 1,836 16,399 42,530 0,194 1,610 19,005 0,897 0,073 7,081 9,208 Constata-se que a cinza possui alto teor de óxido de silício e de óxido de alumínio, constituintes presentes no carvão, os quais devido à processos térmicos inferiores à 1000 ºC não foram transformados. O alto teor de óxido de cálcio é devido a sua larga utilização como fundente na metalurgia. Há ainda impurezas, quais sejam: trióxido de enxofre e pentóxido de fósforo. A Tabela 3 a seguir apresenta o resultado do ensaio de FRX para a argila. Tabela 3: Composição química (% em massa) da argila. SiO2 Al2O3 Fe2O3 TiO2 CaO MgO K2O Na2O Perda ao Fogo 48,18 19,56 9,38 2,02 0,73 1,24 2,79 1,60 14,50 Observa-se um alto teor de óxidos de silício e alumínio que são característicos em argilas da região. Uma perda ao fogo relativamente alta, provavelmente devido à matéria orgânica. Há também um teor regular de óxido de ferro que irá contribuir para a cor avermelhada da cerâmica. Há ainda baixos teores de fundentes, quais sejam: óxidos de cálcio, magnésio, potássio e sódio. A Figura 1 mostra o resultado do ensaio mineralógico de Difração de Raios-X (DRX) para a cinza volante listando as principais fases mineralógicas constituintes do resíduo. O maior pico de quartzo justifica-se pelo alto teor de sílica na composição e a calcita é devido ao teor de óxido de cálcio, enquanto que a alumina justifica-se pelo alto teor de óxido de alumínio. Os picos confirmam os resultados obtidos pelo ensaio de FRX para cinza volante, Tabela

5 Figura 1: Análise mineralógica da cinza volante. A Figura 2 apresenta o DRX da argila, onde o maior pico é o de quartzo, um dos responsáveis pela ligação das partículas no processo de queima e pelo controle dimensional do CP durante a sinterização, seguido do pico de caulinita, que dará plasticidade a massa cerâmica quando umedecida no processo conformação. Os picos são coerentes com os resultados obtidos por ensaio de FRX para argila, Tabela 3. Figura 2: Análise mineralógica da argila. A Figura 3 demonstra os dados coletados, em intervalos de 30 min, pelo monitoramento do forno, no qual ocorreu a sinterização dos corpos de prova. 149

6 Figura 3: Gráfico do ciclo de queima dos corpos de prova. A taxa de aquecimento foi de aproximadamente 2,57 ºC/min, que mostrou-se adequada ao ciclo de queima, pois não foi tão rápida a ponto de produzir trincas nos CP, o que facilitaria a sua ruptura futuramente. De 0 a 5,5 h ocorreu o aquecimento dos CP, com a eliminação da água estrutural e transformação alotrópica do quartzo, de quartzo-α para quartzo-β à 573 ºC. A temperatura atingiu 850 ºC, patamar para a queima dos corpos de prova por um período de 2 h. Posteriormente, houve o resfriamento dos CP, de maneira natural, dentro do forno, para que não fosse muito rápido, o que poderia ocasionar deformações, trincas ou defeitos nos corpos de prova. O processo de sinterização para os materiais cerâmicos é de extrema importância para melhora nas propriedades mecânicas, sendo essas requeridas especialmente em aplicações de construção civil. A Figura 4 mostra os resultados dos ensaios físicos de absorção de água (AA), porosidade aparente (PA) e retração linear de sinterização (RLS) (4). Figura 4: Resultados dos ensaios físicos de AA, PA e RLS. 150

7 A incorporação de resíduos à massa cerâmica reduziu a absorção de água, a porosidade aparente e manteve praticamente constante a retração linear. Essa diminuição provavelmente seja por causa da fase vítrea que preencheu parte dos poros, pois os resíduos possuem maior teor de sílica. A porosidade está relacionada com a resistência mecânica, pois ela é uma descontinuidade que concentra tensão, logo a incorporação do resíduo aumentou diretamente a resistência, o que pôde ser ratificado também pelo ensaio de flexão. A absorção de água está de acordo com a norma da NBR (5) para a produção de placas cerâmicas para revestimento. Já a Figura 5 mostra os resultados de massa especifica aparente (MEA). Figura 5: Resultados de MEA. Ocorreu um aumento da massa específica aparente devido à incorporação de resíduos e essa propriedade manteve-se constante das amostras 2 para a 3. O aumento é devido ao preenchimento de grande parte da porosidade. A massa específica aparente está relacionada com o grau de empacotamento atômico que consiste no melhor ordenamento dos átomos, dificultando a ruptura do corpo cerâmico. 151

8 A Figura 6 mostra a tensão de ruptura por flexão (TRF). Figura 6: Resultados de Tensão de Ruptura a Flexão. Houve um aumento da resistência à flexão com a incorporação de resíduos, com um pequeno aumento nas amostra 1 e 2, seguidos de um aumento significativo da amostra 3. Esse aumento de resistência mecânica é principalmente devido à fase vítrea que preenche quantidade considerável de poros dos corpos de prova durante o processo de sinterização, que relacionado aos dados obtidos com os ensaios físicos, confirma que a incorporação de resíduos é favorável para o aumento das propriedades mecânicas dos corpos de prova. 152

9 CONCLUSÃO O processo de sinterização com patamar de 850 ºC mostrou-se adequado para a formação de fase vítrea, fase essa proporcionada pelo alto teor de sílica presente na argila, no qual foi constatado pelos ensaios de DRX e FRX. O preenchimento de parte dos poros abertos e o aumento da massa especifica aparente resultou no aumento da resistência mecânica do corpo cerâmico, ratificado pelo ensaio de flexão. Portanto, através dos resultados preliminares dos experimentos realizados, a amostra 3 com utilização de 10 % em peso de cinza volante e 10 % em peso de escória de alto forno incorporada na massa cerâmica vermelha, possui melhor potencial para a produção de produtos cerâmicos de revestimento. A amostra 3 apresenta absorção de água em torno de 17 % em peso, dentro da faixa de 8 à 25 % estabelecidos pela norma, e de 3,2 MPa para tensão de ruptura a flexão, superior ao parâmetro limitante de 1 MPa, também estabelecido pela norma para a produção de revestimentos a base cerâmica vermelha (6). Além de fornecer uma alternativa tão economicamente viável quanto os já tradicionais métodos de produção de peças de cerâmicas vermelha, o estudo demonstrou a viabilidade de produção de peças de cerâmicas com o aproveitamento de resíduos industriais, minimizando o impacto ambiental, pois outrora seriam descartados impropriamente na natureza. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem a Hydro Alunorte, ao Instituto Federal de Ciência e Tecnologia do Estado do Pará e ao Laboratório de Engenharia Química da Universidade Federal do Pará por todo o suporte fornecido a este trabalho. 153

10 REFERÊNCIAS 1. Associação Nacional da Indústria Cerâmica. ANICER: Disponível em: Acesso em: 19 fev SANTOS, Pérsio de Sousa. Ciência e Tecnologia de Argilas. São Paulo: Edgard Blücher. v ANDRÉ, C. C. M. D. Reciclagem de lama de alto-forno em cerâmica vermelha.tese (Doutorado em Engenharia e Ciência dos Materiais) UENF. Rio de Janeiro, p Norma ASTM C373-72, "Standard test methods for determination of water absorption and associated properties by vacuum method for pressed ceramic tiles and glass tiles and boil method for extruded ceramic tiles and non-tile fired ceramic whiteware products", ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (1992). ABNT NBR 13818: Placas cerâmicas para revestimento Especificação e métodos de ensaios. Rio de Janeiro: ABNT, ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE CERÂMICA. Informações Técnicas. Disponível em: Acesso em: 19 fev

11 EVALUATION OF THE INCORPORATION OF FLY ASH AND BLAST FURNACE SLAG INTO RED CERAMIC MASS M.H. Moraes¹, D.P. Queiroz¹, R.S.Jr. Cruz¹, H.F.P. Gomes¹, E.G. Corrêa¹, E.A. Hildebrando¹ ¹Federal University of Pará - UFPA, Ananindeua Campus, PA, Brazil Department of Materials Engineering, FEMat. BR 316, km 07, 590. Ananindeua/PA; CEP (ZIP CODE): demoraesmario@gmail.com ABSTRACT This work has the objective of evaluating the effect of the incorporation of wastes such as fly ash and blast furnace slag into a ceramic material, up to 0 %, 10 % and 20 % by weight of waste, organized on three samples. Test specimens were made by uniaxial pressing at 20 MPa and submitted to a sintering process at 850 ºC. Physical and mechanical properties such as water absorption and flexural modulus were evaluated. Results showed that the incorporation up to 20% by weight of waste can improve the technological properties of the ceramic piece, making it a suitable material. Keywords: Red ceramics; civil construction, blast furnace slag; fly ash; 155