IX Congresso Brasileiro de Análise Térmica e Calorimetria 09 a 12 de novembro de 2014 Serra Negra SP - Brasil

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1 CARACTERIZAÇÃO FÍSICA E COMPORTAMENTO TÉRMICO DE UMA ARGILA PARA USO EM CERÂMICA VERMELHA Auro Tanaka 1, José Marques Luiz, Rafael Fontebasso 1. Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá, UNESP Univ. Estadual Paulista, Guaratinguetá SP Brasil. 1 Departamento de Engenharia Civil, Departamento de Física e Química. * jmluiz@feg.unesp.br RESUMO O trabalho trata dos resultados de caracterização física e da análise do comportamento térmico de argila utilizada em indústria de cerâmica vermelha (tijolos maciços e furados). A amostra de argila é de jazida existente no município de Canas no estado de São Paulo e que é utilizada por uma olaria ao lado da Rodovia Oswaldo Ortiz Monteiro em Canas. Os ensaios da argila de coloração bege claro constaram das seguintes determinações: teor de umidade natural, distribuição granulométrica através do peneiramento e sedimentação; limites de plasticidade de Atterberg e massa específica aparente dos grãos. O comportamento térmico foi avaliado por termogravimetria (TG) e análise térmica diferencial (DTA). A distribuição granulométrica mostrou que 6 % tem textura dos grãos do tamanho de argila, ou seja, de diâmetro equivalente menor que,5 mm; limite de liquidez igual a 53 %, limite de plasticidade igual a 41 %; e massa específica de,6 g cm -3. As curvas TG mostraram uma perda de massa total em torno de 11 % ocorrendo entre as temperaturas de 4 e 73C. Em torno de 348 C entre 4 C e 45 C a curva DTA sugere, com uma alteração ascendente, um evento exotérmico de queima de material orgânico. Palavras-chave: Argila, cerâmica vermelha, limites de plasticidade, perda de massa e análise térmica. INTRODUÇÃO O termo argila é definido como um material inorgânico natural, de tamanho de partículas com alguns microns (1-6 m), e que exibem comportamento plástico quando se adiciona uma pequena quantidade de água[1]. De acordo com a classificação proposta pela Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT), o tamanho das partículas da fração argila é inferior a,5 mm; que corresponde à abertura (dimensão) da malha de peneira utilizada no ensaio de granulometria []. A argila é a matéria prima fundamental usada no setor industrial de cerâmica vermelha (tijolos maciços e furados, telhas, manilhas, etc.). A composição química predominante de argilas é dada pela presença de sílica (SiO ), alumina (Al O 3 ) e óxidos de ferro (Fe O 3 ) [3,4]. A grande presença de óxidos de ferro é responsável pela coloração avermelhada após a queima em fornos; daí que, os seus produtos (peças) industriais serem conhecidos como cerâmica vermelha [5,6]. O mineral de argila mais utilizado na produção de cerâmica vermelha é a caulinita, cuja estrutura cristalina é composta em geral, de arranjo com camada dupla de silicato de alumínio hidratado cuja fórmula é Al (Si O 5 )(OH) 4 [3,4]. A presença de água no estado livre (natural) na massa de argila, da água absorvida na superfície dos minerais; da água adsorvida na superfície do reticulado cristalino e da água de constituição da estrutura cristalina de uma argila têm, portanto, uma relação direta com a plasticidade da massa de argila e daí, com a técnica de conformação e moldagem ( trabalhabilidade ) das peças [4,5]. O emprego da DTA nas análises de argilas é muito eficiente e justificado para a detecção da presença de substâncias amorfas e/ou de matéria orgânica. Além de levar a um melhor entendimento do processo de perda da água natural, absorvida, adsorvida e da água de constituição; uma vez que, a perda de massa e a retração linear tem relação direta com a resistência mecânica dos tijolos [4,5,6]. A coleta de amostras de argila foi de uma jazida existente no município de Canas no estado de São Paulo, que é utilizada por uma olaria ao lado da Rodovia Oswaldo Ortiz Monteiro entre as cidades de Lorena e Cachoeira Paulista.

2 OBJETIVOS O presente trabalho é parte de estudos sobre propriedades tecnológicas de argilas utilizadas na produção de cerâmica vermelha nos municípios de Guaratinguetá, Cunha e Lorena objetivando agregar conhecimento e melhoria destes produtos industriais; uma vez que, a prática empregada pelo setor industrial de produção de cerâmica vermelha é muito empírica e sem qualquer controle no processo de secagem e queima das peças nos fornos. MATERIAIS E MÉTODOS As amostras de argila foram coletadas de uma jazida situada na área do município de Canas que é utilizada por uma olaria localizada na Rodovia Deputado Oswaldo Ortiz Monteiro (km 95), entre as cidades de Lorena e Cachoeira Paulista, no estado de São Paulo. A amostra coletada (argila) apresenta uma coloração bege claro. A execução dos ensaios de laboratório desde a secagem ao ar, moagem e separação de quantidade representativa para a caracterização granulométrica foi conforme a metodologia proposta pela ABNT [7,8]. A determinação dos limites de plasticidade ou de consistência de Atterberg (Limite de Liquidez - LL, Limite de Plasticidade - LP de solos argilosos) e da massa específica dos grãos também foi desenvolvida conforme as normas de ensaios da ABNT [9,1,11]. Os ensaios termoanalíticos de TG e DTA foram realizados no Laboratório de Análise Térmica da Faculdade de Engenharia do Campus de Guaratinguetá. A argila bege claro foi separada em duas amostras, uma com as partículas menores que passam nas peneiras de abertura de malha #4 ( eq, de,4 mm) e a outra de partículas que passam na peneira de abertura #1 ( eq, de,147 mm) conforme [1]. Na obtenção das curvas TG e DTA foi utilizado o sistema RB 3 da BP Engenharia, em atmosfera estática de ar, usando-se razão de aquecimento de 1 o C min -1 na faixa de 3 a 1 o C, cadinho de alumina, massa de amostra da ordem de 3, g. Para as curvas DTA usou-se -Al O 3 como material de referência [13, 14]. RESULTADOS E DISCUSSÃO Os resultados obtidos na caracterização física da amostra, ou seja: cor, distribuição granulométrica, limites de consistência ou de Atterberg e densidade dos grãos estão sumarizados na Tabela 1. Tabela 1:Resultados relacionados às propriedades físicas das amostras de argila. Propriedade Física Amostra Argila Cor Bege claro Limites de Atterberg LL(%) LP(%) IP(%) 53, 41, 1, Teor Umidade natural, h(%) 36,9 Distribuição granulométrica argila (Φ equiv <,5 mm) silte (,5<Φ equiv <,5 mm) areia (,5<Φ equiv < mm) 6 (%) 1 (%) 8 (%) Densidade dos grãos (g cm -3 ),6

3 Exo % perda de massa T T = 138,6 o C T = 89,5 o C T = 339, o C T = 798,7 o C T = 969, o C IX Congresso Brasileiro de Análise Térmica e Calorimetria Os resultados (fração argila, LL, LP e IP) se enquadram dentro do sistema de classificação [1] entre os grupos definidos como ML, ou seja, silte de baixa plasticidade e com matéria orgânica e CH, de argila de média a alta plasticidade e com matéria orgânica. Na Tabela estão sumarizados os resultados extraídos das curvas TG e DTA, mostradas nas Figuras 1 e. Tabela :- Resultados da interpretação das curvas TG e DTA. ARGILA T % PERDA < # 4 (,4 mm) < # 1 (,147 mm) Nota: ou = Alteração na linha base.,17 1,39 7,9,49 1,54 8,9 % PERDA TOTAL DTA T Pico ( o C) Característica 1,7 1,3 89, , Exotérmico Exotérmico TG Amostra 1 # 4 5 DTA Amostra 1 # T = 69, o C Figura 1:- Curvas TG e DTA da amostra com granulometria que passa pela peneira # 4.

4 Exo perda de massa T T = 141, o C T = 89,5 o C T = 337,3 o C T = 813,8 o C T = 969, o C IX Congresso Brasileiro de Análise Térmica e Calorimetria TG Amostra 1 # 1 5 DTA Amostra 1 # Figura :- Curvas TG e DTA da amostra com granulometria que passa pela peneira # T = 611,4 o C CONCLUSÕES. As curvas TG das amostras de argila bege clara evidenciam uma perda de massa em três etapas contínuas sem formação de um intermediário estável (Figuras 1 e ). A perda total em torno de 11 % de massa ocorre entre 4 e cerca de 73 o C. Entre 4 e 4 o C, observa-se uma perda de massa entre a 3 %, que corresponde ao desprendimento de moléculas de água (água retida entre os capilares, água adsorvida e água coordenada a íons metálicos). Esses eventos térmicos são caracterizados por picos endotérmicos nas curvas DTA. Entre 4 e 45 o C ocorre uma perda de massa da ordem de 1,5 a %. Nessa etapa, em torno de 348 o C, observa-se uma alteração ascendente na linha base nas curvas DTA, sugerindo um evento exotérmico atribuído a queima de material orgânico ou uma mudança na capacidade calorífica do material (Tabela ). A presença de matéria orgânica foi confirmada através de teste em tubo de ensaio, onde sobre a amostra foi adicionada uma quantidade de água oxigenada de 4 %. A liberação de bolhas de gás e mudança gradativa da cor da amostra é uma indicação de presença de matéria orgânica. A partir de 45 até cerca de 74 o C, observa-se perda de massa mais significativa, em torno de 7 e 8,3 %; que pode ser atribuída a liberação de hidroxila principalmente ligadas à caulinita [Al Si O 5 (OH) 4 ]. Outras espécies podem também eliminar hidroxila nessa faixa de temperatura: KAl Si 3 AlO 1 (OH,F) ] (Muskovita) e [Al(OH) 3 ] (Gibsita). No caso da caulinita a desidroxilação tem início por volta de 45 o C com um intenso pico endotérmico e termina em torno de 6 o C, onde pode se formar a metacaulinita, que é amorfa. No intervalo de temperaturas entre 798 e 814 o C, observa-se uma depressão na linha base, que pode estar ligada a alteração na capacidade calorífica da amostra, devido a alguma mudança estrutural. No entanto, cabe ressaltar que em torno de 96 o C observa-se um pico exotérmico, sem nenhuma correlação com qualquer perda de massa, o que deve representar a nucleação da mulita (Al O 3 -SiO ). Não ficou evidenciada nenhuma mudança significativa no comportamento térmico das amostras com relação à granulometria (partículas que passam na peneira # 4 ou #1). A sensibilidade e a resolução do sistema de análise térmica utilizado não foram capazes de mostrar mudanças significativas. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem à Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo - FAPESP pelo apoio e concessão de auxílio à execução de ensaios de laboratório (Processo 1/1857-5).

5 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS. 1. MOTTA, J. F. M; ZANARDO, A e CABRAL JÙNIOR, M. As matérias primas plásticas para a cerâmica tradicional: argilas e caulins. São Paulo, maio/junho 4; disponível em Acesso em 6.. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 7181: Solo Análise granulométrica. Rio de Janeiro: ABNT, 1984c. 3. GRIMSHAW, R. W. The chemistry and physics of clays and allied ceramic materials. 4 th. edition, Wiley- Interscience, London, SANTOS, P. de S. Tecnologia de argilas: Fundamentos. Edgard Blücher Editora Ltda, São Paulo, vol. 1, SANTOS, P. de S. Tecnologia de argilas: Aplicações. Edgard Blücher Editora Ltda,São Paulo, vol VIEIRA, C. M. F e MONTERIO, S. N. Influência da temperatura de queima na microestrutura de argilas de Campos de Goytacazes/Rj. Cerâmica,São Paulo, v.49, p.6-1, ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 6457: Amostras de solo Preparação para ensaios de compactação e ensaios de caracterização. Rio de Janeiro: ABNT, 1986c. 8. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 7181: Solo Análise granulométrica. Rio de Janeiro: ABNT, 1984c. 9. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 718: Solo - Determinação do limite de plasticidade de solos. Rio de Janeiro: ABNT, 1984c. 1. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 6459: Solo - Determinação do limite de liquidez de solos. Rio de Janeiro: ABNT, 1984c. 11. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 658: Grãos de solos que passam na peneira de 4,8 mm Determinação da massa específica. Rio de Janeiro: ABNT, 1984c. 1. Wagner, A. A. The use of the Unified Soil Classification System by the Bureau of Reclamation. Proceedings Symposium; Duke Un., Durham, N. C., vol. 1, p IONASHIRO, M. GIOLITO: Fundamentos da Termogravimetria, Análise Térmica Diferencial, Calorimetria Exploratória Diferencial. 1ª. Edição, Giz Editorial, São Paulo, WENDLANDT, W. W. Thermal Methods of Analysis. 3ª edição, Interscience, New York,1985.