INCORPORAÇÃO DE RESÍDUO DE VIDRO EM CERÂMICA VERMELHA

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1 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 1 INCORPORAÇÃO DE RESÍDUO DE VIDRO EM CERÂMICA VERMELHA K.O. Godinho, T.R.Rabelo, J.N.F. de Holanda, A.G.P. da Silva Universidade Estadual do Norte Fluminense, CCT, LAMAV, Av. Alberto Lamego, 2000, Campos, RJ, karine@uenf.br RESUMO Este trabalho investigou o efeito da adição de pó de vidro de tipos diferentes sobre a absorção de água, a retração de queima e a tensão de ruptura de uma massa argilosa usada normalmente para a fabricação de telhas. Os vidros foram de vasilhame, de janela (vidro plano) e de funil de tubo de TV (com alto teor de chumbo). A mesma quantidade de cada pó de vidro (6% em peso) foi adicionada à massa argilosa. Observou-se que a adição diminui a absorção de água, enquanto que a retração linear e a tensão de ruptura à flexão aumentam. Este comportamento pode ser explicado em termos da quantidade de óxidos fundentes dos vidros adicionados e da qualidade da dispersão das partículas de pó de vidro na argila. Palavras-chaves: Incorporação de resíduo, vidro, cerâmica vermelha INTRODUÇÂO O crescente volume de resíduos gerados pelas atividades industrial, urbana e agrícola causa preocupações relacionadas à disposição de tais resíduos. O acúmulo de resíduos em depósitos, mesmo que adequadamente preparados e mantidos, é uma solução cada vez menos aceita pela sociedade em vista da necessidade da instalação contínua de tais depósitos. Isto causa degradação ambiental da área no entorno dos depósitos e sua conseqüente desvalorização. O reaproveitamento do resíduo é uma forma de retardar sua disposição final em depósitos. O reaproveitamento pode ocorrer de diversas formas, dependendo da natureza do resíduo. Ele pode ser simplesmente reutilizado na forma como foi produzida (reenvasamento de recipientes de vidro), pode ser utilizada como matéria-prima (latas de alumínio descartadas são usadas para a fabricação de novas latas), ou podem ser incorporadas em certos produtos como se fossem matérias-primas naturais destes, como ocorre com a indústria produtora de cimento portland. A incorporação

2 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 2 deve, entretanto, satisfazer simultaneamente certos critérios para se tornar viável (1). São eles: ambiental, técnico e econômico. Do ponto de vista ambiental, o processo de incorporação e os produtos incorporados não devem ser tão ou mais poluidores que o resíduo original. Do ponto de vista técnico, o processo de incorporação e as propriedades do produto incorporado não devem ser prejudicados além de um valor tolerável. Do ponto de vista econômico, o custo da incorporação não deve comprometer a comercialização dos produtos incorporados. Produtos de cerâmica vermelha são alternativas bastante promissoras tendo em vista a serem incorporadores de resíduos. Isto se dá em vista da enorme quantidade de artigos produzidos e da grande tolerância que tem estes artigos à mudança de sua composição ou de suas matérias-primas. O grande volume de produção de artigos de cerâmica vermelha faz com que mesmo uma pequena quantidade adicionada por artigo represente um grande volumes total de resíduo incorporado. Adicionalmente, a cerâmica vermelha é fabricada a partir de matérias primas variadas e, em geral, sem muito controle. O processo de fabricação é também bastante variado e rudimentar e os produtos finais não são de alto desempenho. Isto faz com que a adição de material em limitadas quantidades não cause mudança no processo de fabricação nem comprometa as propriedades dos artigos fabricados. A incorporação de resíduos diversos à cerâmica vermelha é tema de diversas pesquisas. (2,3,4,5) Resíduo de vidro é um material, em princípio, totalmente reciclável. Isto é, o resíduo pode ser indefinidamente usado para a fabricação de novos artigos de vidro. Contudo, razões de natureza técnica e econômica fazem com que enorme quantidade de resíduo de vidro não seja reciclada, sendo descartada em depósitos. Isto motiva estudos sobre a incorporação de resíduos de vidro em diversos produtos (6,7). Estudos de incorporação de resíduo de vidro em pisos cerâmicos e porcelana relatam resultados encorajadores (8,9,10). Como a matéria prima do vidro é bem parecida com a matéria prima dos produtos cerâmicos mencionados, o resíduo de vidro é quase uma matéria prima natural daqueles. Além disso, a adição de resíduo de vidro à matéria prima dos pisos e porcelana causa elevação dos teores de óxidos considerados fundentes, responsáveis pela densificação da estrutura durante a queima.

3 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 3 Este trabalho relata os resultados preliminares de um estudo que visa compreender o efeito que adições de vidro causam em propriedades e na estrutura de um artigo cerâmico baseado em uma massa argilosa usada na fabricação de telhas. O estudo mais amplo pretende investigar a interação entre o vidro e a argila e os resultados daí advindos, dando destaque à influência da composição do vidro adicionado e à quantidade incorporada. O presente relato limita-se à descrever a influência da adição de uma quantidade fixa de três tipos de vidro sobre a absorção de água (11), retração linear de queima e resistência à flexão. MATERIAIS E MÉTODOS Uma massa cerâmica e três tipos de pós de vidro foram utilizados neste trabalho. A massa cerâmica foi coletada na linha de produção em uma Indústria cerâmica da Região de Campos dos Goytacazes (RJ). Ela é empregada na fabricação de telhas. Trata-se de uma mistura de duas argilas com diferentes comportamentos plásticos: uma forte e outra fraca. Vasilhames, vidro plano (de janela) e vidro de tubo de TV foram usados para se produzir os pós de vidro. Cacos destes vidros foram colocados em moinho de bolas e moídos a seco por diferentes intervalos de tempo. Quanto mais grossos os cacos maior o tempo de moagem necessário. A massa argilosa como coletada foi seca, destorroada e peneirada. Apenas a fração passante pela peneira 60 mesh foi utilizada. Os pós de vidro também foram peneirados e apenas a fração passante por 60mesh foi usada. A Tabela I mostra a distribuição granulométrica da fração utilizada da massa e dos vidros, determinada por peneiramento e sedimentação. Tabela I: Granulometria da massa argilosa e dos pós de vidro determinada por peneiramento e sedimentação. AMOSTRA S FRAÇÃ O FRAÇÃO SILTE FRAÇÃO AREIA FINA FRAÇÃO AREIA MÉDIA DENSIDAD E ARGILA (< 2µm) (2<x<60µm (60<x<2000µm (60<x<2000µm g/cm 3 ) ) ) Argila Pura ,69 Vidro ,52 Vasilhame Vidro Plano ,54 Vidro Tubo de TV ,01

4 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 4 A composição química da massa e dos pós de vidro é mostrada na Tabela II. Observa-se o elevado teor de alumina na massa cerâmica, caracterizando um comportamento refratário de queima, e o teor de fundentes dos vidros. O vidro de tubo de TV é um vidro ao chumbo. Tabela II: Composição química da massa argilosa e dos vidros determinada por absorção atômica. Amostras SiO 2 Al 2 O 3 Fe 2 O 3 TiO 2 CaO MgO K 2 O Na 2 O PbO P.F. Argila 46,26 26,14 12,09 0,65 0,16 0,95 1,75 0,65 <0,01 11,3 Vidro vas 67,49 0,90 0,09 0,05 12,6 0,10 0,79 16,65 <0,01 0,51 Vidro plano 65,75 0,66 0,12 <0,01 12,5 3,05 0,74 16,71 <0,01 0,48 Vidro tubo TV 48,60 1,68 0,11 0,01 2,80 1,80 7,68 7,31 24,96 0,67 Quatro massas foram preparadas a partir das matérias primas. Uma delas é a massa argilosa sem adição de vidro (M0) que serve como referência. Nos demais casos, foram adicionados 6% em peso de cada pó de vidro (MV, MP e MTV). A mistura foi feita a seco em moinho de bolas por 20 minutos. Depois de misturadas, as massas foram secas por 24 horas em 110 C. A Tabela III mostra as composições de cada massa em percentagem em peso e em volume dos constituintes. Tabela III: Composição das massa cerâmicas em peso e em volume. MASSA M0 MV MP MTV % peso %vol. % peso %vol. % peso %vol. % peso %vol. Argila , , ,60 Vasilhame , Plano , Tubo TV ,40 Em seguida as amostras foram prensadas hidraulicamente com ação única dos pistões sob pressão de 25Mpa em matriz de cavidade com seção quadrada de dimensões 115 x 25,4 mm 2. Amostras com altura em torno de 7,5 mm foram produzidas. Antes da prensagem, as massas foram umidificadas com 7% em peso de água. Os corpos cerâmicos foram secos em 110 C por 24 horas e suas massas e dimensões foram medidas. A porosidade foi calculada, variando entre 30% e 35% em volume.

5 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 5 A queima dos corpos ocorreu em forno resistivo, ao ar, em três temperaturas de patamar: 900, 975 e 1050 C. Os programas de temperatura completos são mostrados na Tabela IV. Tabela IV: Programa de temperatura de queima. T. Ambiente 600 C 2 C/min. 600 C 60 min. 600 C T. Patamar 2 C/min. T. Patamar 120 min. T. Patamar 600 C -10 C/min. 600 C T. Ambiente -2 C/min. Após a queima, as amostras foram caracterizadas com respeito à retração de queima, à absorção de água e tensão de ruptura à flexão por três pontos. Foram feitas difrações de raio-x para detectar possíveis formação de fases resultantes da interação entre argila e vidro. RESULTADOS E DISCUSSÃO Espera-se, a exemplo do ocorrido com massas para pisos cerâmicos e para porcelana, que a adição de vidro à massa argilosa contribua para a densificação do material em vista do aumento do teor de óxidos fundentes. No entanto, o teor de fundentes adicionados depende do tipo de vidro que se adiciona. Obviamente, não se espera que em na incorporação de resíduo de vidro os fabricantes controlem a composição do resíduo através do controle do tipo de vidro a ser incorporado. Porém, a variação da composição do resíduo de vidro a ser incorporado pode produzir variação nas propriedades dos produtos queimados. O uso de resíduos de vidro de três diferentes composições foi motivado pela necessidade de se saber o quanto a variação da composição de vidro é importante para definir as propriedades e a estrutura do produto queimado. Observa-se que as composições dos vidros de vasilhame e plano são quase iguais e suas densidades idem. Porém, a composição e densidade do vidro de tubo de TV diferem bastante daquelas. Em vista disso, as quantidades em volume de vidro adicionadas a cada massa são diferentes. Isto é importante com respeito à sinterização, pois juntamente com o tamanho de partícula, a quantidade em volume determina o quanto o aditivo está disperso na massa argilosa. Quanto maior a quantidade de vidro em volume e menor o tamanho de partícula do aditivo, melhor ele estará disperso entre as partículas da massa argilosa. Evidentemente, densidade e moagem são outros parâmetros que influem na dispersão.

6 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 6 As Figuras 1-3 exibem as curvas de absorção de água, retração linear e tensão de ruptura em função da temperatura de queima para todas as massas Absorção de Água % Argila Pura Argila + Vasilhame Argila + Plano Argila + Tubo de TV Temperatura C Figura 1: Absorção de água em função da temperatura de queima. Retração Linear % Argila Pura Argila + Vasilhame Argila + Plano Argila + Tubo TV Temperatura C Figura 2: Retração linear em função da temperatura de queima.

7 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 7 Tensão de Ruptura MPa Argila Pura Argila + Vasilhame Argila + Plano Argila + Tubo TV Temperatura C Figura 3: Tensão de ruptura em três pontos em função da temperatura de queima. As curvas de retração linear e de absorção de água sabidamente estão relacionadas, pois quanto maior a retração ocorrida menor será o volume da porosidade aberta, representada pela absorção de água. Observa-se claramente que a adição de vidro nesta quantidade influenciou as propriedades medidas, comparando-se com as propriedades dos corpos preparados com a massa sem adição de vidro. A adição de vidro diminuiu a absorção de água, aumentou a retração de queima e aumentou a tensão de ruptura. Com respeito à influência de cada tipo de vidro adicionado, percebe-se que o pó de vidro de vasilhame foi o que mais influenciou as propriedades das amostras, seguido pelo vidro plano e o de tubo de TV. Embora a diferença observada nas propriedades para cada tipo de resíduo esteja algumas vezes dentro da margem de erro das medições. Este tipo de comportamento pode ser entendido analisando-se a dispersão dos aditivos na massa argilosa, a quantidade de óxidos fundentes e o tipo de interação entre a argila e cada tipo de vidro em função da temperatura de queima. Os vidros de vasilhame e plano possuem praticamente as mesmas quantidades de óxidos alcalinos. Espera-se que eles tenham o mesmo tipo de interação com a argila. A pequena diferença observada nas propriedades pode ser creditada à maior finura do vidro de vasilhame, que propiciou uma melhor dispersão de suas partículas entre as partículas da argila. Com respeito ao vidro de tubo de TV, ele foi o que menos influenciou as propriedades. No entanto, ele teve a menor adição em volume e é também o mais grosso de todos. A despeito disto, seu comportamento não esteve tão abaixo dos

8 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 8 demais. Este tipo de vidro possui menor quantidade de óxidos alcalinos, entretanto possui grande quantidade de óxido de chumbo. Este óxido é adicionado em tubos de TV para aumentar a absorção de raios x bem como para ajustar a viscosidade de trabalho para um largo intervalo de temperatura. O óxido de chumbo atua em geral como modificador de rede nos vidros. Dado à quantidade de PbO no vidro de tubo de TV, espera-se que ele tenha a menor temperatura de amolecimento dentre os pós de vidro utilizados. Isto influencia positivamente o processo de densificação, mas a significância desta influência depende do papel que o vidro desempenha na densificação da estrutura. Em princípio, o vidro adicionado pode reagir com a argila e formar uma fase vítrea (para isto o vidro contribui com os fundentes) ou pode amolecer e funcionar como a fase vítrea, sem a necessidade de reagir. Difrações de raio x feitas das amostras queimadas das massas MV e MTV para as três temperaturas de queima (Figura 4) não revelaram qualquer diferença, mostrando que do ponto de vista de formação de fases cristalinas estes vidros tiveram a mesma interação com a argila, apesar de suas diferentes composições. Intensidade (u.a.) Intensidade (u.a.) MTV MV θ Figura 4: Difração de raio x para massas M0 e MTV queimadas em 975 C.

9 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 9 CONCLUSÕES A adição de resíduo de vidro à argila na quantidade usada neste estudo comprovadamente alterou a absorção de água, retração linear e tensão de ruptura à flexão. A adição de vidro altera a composição da massa, elevando os teores de óxidos fundentes. Isto, em princípio, auxilia a densificação da estrutura. Os resultados indicam que a adição de vidro realmente ajuda a densificar a estrutura, pois a diminuição da absorção de água e o aumento da retração linear são sinais claros da maior densificação estrutural. O também verificado aumento da tensão de ruptura é conseqüência da diminuição da porosidade. Há uma relação entre composição do vidro adicionado, da quantidade adicionada em volume e da finura do pó adicionado e o efeito que esta adição causa sobre as propriedades do corpo queimado. A composição está relacionada com a quantidade de óxidos fundentes que o vidro leva à massa argilosa, enquanto que a quantidade em volume e a finura do pó estão relacionados à qualidade da dispersão das partículas de vidro na massa argilosa. Quanto maior a quantidade de fundente e melhor a dispersão maior será o efeito do aditivo sobre a densificação. Isto explica o maior efeito da adição de pó de vasilhame sobre as adições de pó de vidro plano e de tubo de TV. Nas condições de queima estudadas a interação entre vidro e argila é igual para os três tipos de vidro adicionados do ponto de vista de formação de fases cristalinas. REFERÊNCIAS 1. Callister, W. D. Jr. Ciências e Engenharia dos Materiais: Uma Introdução,5º edição, LTC, 589p. 2. H. R. Costa, C. F. Ferreira. Introdução de lodos industriais contendo metais pesados em tijolos de cerâmica, Anais do 13º Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental, pub.feema, RJ.,p Arkhipov, Z. O. Nemchenok, A. P. Rempel. Using waste for the production of ceramic tiles, Glass and Ceram. 36 (10) J. Dweck e M. H. C. da Silva. Caracterização de corpos cerâmicos feitos com cinzas de combustão de rejeito industrial, Anais do 42º Congresso Brasileiro de Cerâmica, no prelo, pub. ABC, Poços de Caldas, R. R. Zucchini, N. Ortiz, S. Saka e A. R.Zandonadi. Melhoramento de propriedades de cerâmica vermelha utilizando resíduo industrial argiloso, Anais do 37º Congresso de Brasileiro de Cerâmica, pub. ABC, Alves, O. L, Gimenez,I. F. Vidros. Cadernos temáticos- Química Nova na Escola. Edição especial. Fev Akerman, Mauro. Natureza, Estrutura e Propriedades do Vidro. Nov.2000.

10 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR F. Matteucci, M. Dondi, G. Guarini. Effect of soda-lime glass on sintering and techonological properties of porcelain stoneware tiles. Ceramics International 2002 (28) S. R. Bragança, C. P. Bergmann. Comparação das propriedades de uma porcelana que utiliza vidro como fundente com uma tradicional. 10. C. Morelli,Arnaldo e B.Baldo, João. Barbotinas cerâmicas contendo rejeito de vidro soda cal para maturação em baixa temperatura. Cerâmica Industrial, 8 (3) Associação Brasileira de Normas Técnicas- ABNT (1995) Cerâmica: Determinação da absorção de água: NBR Rio de Janeiro-RJ. THE EFFECT OF GLASS WASTE ADDITION ON THE PROPERTIES OF FIRED CLAY CERAMIC BODIES K.O. Godinho, T.R.Rabelo, J.N.F. de Holanda, A.G.P. da Silva Universidade Estadual do Norte Fluminense, CCT, LAMAV, Av. Alberto Lamego, 2000, Campos, RJ, karine@uenf.br ABSTRACT This work investigates the effect of the addition of three different waste glass powders to a clay used for the production of roof tiles on the water absorption, linear shrinkage and flexural strength. Waste glass powder of float glass, bottle glass and of the imaging funnel of TV sets was added in 6wt%. The samples were fired at 900 C, 975 C and 1050 C. The glass addition decreased the water absorption and increased the linear shrinkage and the flexural strength. This behaviour can be explained by the amount of flux agents on the glass waste and by the quality of the dispersion of the glass particles in the clay. Key-words: waste glass, recycling, clay firing