ESTUDO DO EFEITO DA UMIDADE NO PROCESSO DE SAZONAMENTO ACELERADO DE ARGILAS RESUMO

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1 ESTUDO DO EFEITO DA UMIDADE NO PROCESSO DE SAZONAMENTO ACELERADO DE ARGILAS R. Gaidzinski 1, L. M. M. Tavares 1, J. Duailibi Fh 2 1 Universidade Federal do Rio de Janeiro UFRJ/COPPE/PEMM Cx. Postal CEP: , Rio de Janeiro RJ. roberta@metalmat.ufrj.br 2 Instituto Nacional de Tecnologia INT. Av. Venezuela, 82 sala 602 CEP: , Rio de Janeiro RJ. RESUMO O sazonamento de argilas é definido como o período em que estas ficam expostas aos elementos do clima com o intuito de proporcionar melhorias nas propriedades das matérias-primas e aumentar sua uniformidade. Os mecanismos que atuam neste processo ainda não são suficientemente compreendidos. Acredita-se que fatores como grau de umidificação das partículas argilosas, ataque bacteriológico e oxidação da matéria orgânica exerçam influência sobre esse processo. O objetivo deste trabalho é estudar o comportamento de diferentes tipos de argilas durante a simulação de um sazonamento acelerado em laboratório. Foram utilizadas três tipos de argilas dos Municípios de Itaboraí e Rio Bonito RJ, as quais foram colocadas em uma câmara úmida com as seguintes condições: umidade saturada e temperatura de 35ºC, sendo feitas coletas periódicas de amostras. A influência deste processo nas propriedades tecnológicas de queima das matérias-primas também foi analisada. Os resultados obtidos demonstraram que o processo de sazonamento depende principalmente do tipo de argila, sendo mais significativo para argilas mais plásticas. Foi observado um aumento na plasticidade das amostras com o tempo de exposição em câmara úmida. Este aumento tem influência direta nas propriedades tecnológicas de queima destas argilas, como resistência mecânica e absorção de água. Palavras-chaves: Argilas, sazonamento, umidade, plasticidade INTRODUÇÃO Pela própria natureza, devido aos milhões de anos necessários à formação de depósitos de argilas, os mesmos apresentam variações significativas de ponto para ponto, sendo necessário um trabalho de homogeneização para que se tenha um insumo com maior uniformidade. Atualmente, em um número apreciável de fábricas de produtos de cerâmica vermelha do Brasil, as argilas vão diretamente da jazida para as máquinas de desagregação, mistura e molde. Esta prática gera sérios problemas na conformação, na secagem e na queima, resultando em maior consumo de energia, maiores perdas e produtos de baixa qualidade. Uma das técnicas mais utilizadas é o pré-preparo das argilas antes da preparação da massa cerâmica. Este consiste na extração racional das argilas e na homogeneização das mesmas através de técnicas de formação de pilhas, as quais podem ficar em descanso por períodos que variam de 3 meses a um ano. Durante este período, ocorre o processo de sazonamento e maturação da matériaprima, onde a argila recém extraída sofre a ação físico-química do intemperismo (chuva, sol, vento, etc.) (1). Os mecanismos que atuam neste processo ainda não são bem conhecidos. Fatores que apresentam grande influência são: temperatura, umidade, tempo de estocagem, ataque bacteriológico e oxidação da matéria orgânica. 309

2 Fatores que influenciam o processo de sazonamento de argilas Na partícula argilosa, a água pode se situar em dois tipos de posições: a) umas estáveis ou de máximo equilíbrio nas quais a força da ligação entre a argila e a água é máxima e b) outras posições meta-estáveis. Durante o tempo em que a argila permanece nos leitos de homogeneização ou sazonamento, a água situada em posições meta-estáveis se evapora, enquanto que outras moléculas de água existentes no ar em contato com a argila são fixadas em posições estáveis. Este processo de reacomodação da água até situar-se nas posições de máxima estabilidade é um processo lento nos níveis mais baixos de umidade. Contudo, em níveis mais altos realiza-se com maior rapidez e facilidade porque a medida que a água se aproxima da superfície argilosa, consegue se mover com maior facilidade. Se a argila entra sem nenhum tipo de preparo no processo produtivo, a água adicionada na extrusão deve cobrir tanto os níveis baixos de umidade ou de acomodação lenta quanto os mais altos, e sem dispor de um repouso adicional é provável que a curta duração do tempo de preparação não seja suficiente para situar a água nas posições mais estáveis. A peça verde conformada com argila preparada desta maneira é menos plástica e coesa, mostrando-se mais sensível às tensões de secagem. Portanto, o grau de individualização e umidificação das partículas argilosas é um dos fatores que diferencia uma argila pré-preparada de outra (1). Durante o sazonamento, inicia-se também um processo de fermentação aeróbica com a intervenção de microorganismos (bactérias), os quais podem provocar a alteração dos minerais argilosos, modificar os equilíbrios eletrolíticos e segregar polissacarídeos que, ao atuar como ligantes entre as micelas argilosas determinam um aumento da plasticidade e resistência às tensões de secagem. As secreções bacterianas podem conter ácidos ou enzimas capazes de solubilizar certos íons como Fe +3 e Al +3 presentes no cristal argiloso, modificando sua carga elétrica e sua superfície específica, podendo, também, modificar o ph da argila. Estes dois fatores podem gerar um aumento na plasticidade (2). Os antigos ceramistas, sem nada saber sobre a existência das bactérias, já conheciam a relação entre a contribuição de substâncias orgânicas e seu efeito na aceleração do processo de sazonamento, adicionando, dentre outras substâncias, adubo, cola, carvão mineral e casca de madeira. Trabalhos de investigação realizados por S.N.Vajnberg et.al (1981), mostram que um bacillus mucilaginosus, cultivado durante 16 a 45 dias em suspensões argilosas, é capaz de aumentar a plasticidade das argilas em 96% e sua resistência à verde em cerca de 65% (2). Durante o sazonamento se produz, ao menos em parte, a oxidação da matéria orgânica e das piritas eventualmente presentes na argila. Esta oxidação pode dar lugar a uma elevação de temperatura na pilha, o que acelera o processo devido ao aumento da mobilidade da água. O aumento de temperatura também aumenta a velocidade de reação das oxidações citadas e diminui a viscosidade e a tensão superficial da água permitindo que esta penetre mais rapidamente através da pilha (3). Portanto, as pilhas de homogeneização favorecem a ocorrência do processo de umidificação das partículas argilosas, bem como as reações químicas e bacteriológicas das argilas na sua preparação indireta. Este trabalho tem o objetivo de estudar o comportamento de diferentes agilas submetidas a um sazonamento acelerado em laboratório. O efeito da umidade foi estudado, sendo as argilas submetidas à exposição de uma atmosfera com umidade saturada e temperatura controlada. MATERIAIS E MÉTODOS Duas diferentes argilas do Município de Itaboraí, as quais foram recém extraídas da jazida pertencente a uma Indústria local foram analisadas, uma de média plasticidade - denominada argila 310

3 forte (FO) - e uma de baixa plasticidade - denominada de argila fraca (FR). Foi analisada também uma argila de alta plasticidade da Região de Rio Bonito, denominada de argila forte (RB). As matérias-primas foram submetidas a difração de raios-x (DRX) para identificação dos argilominerais e minerais presentes nas mesmas. Os ensaios foram realizados em amostras em forma de pó por meio de um difratômetro marca PHILLIPS, modelo PW 3710, utilizando-se radiação de Cu-kα com ângulo de varredura 2θ variando de 3 a 70º. As composições químicas das matériasprimas foram determinadas por Espectrometria de fluorescência de raios-x. As matérias-primas foram secas naturalmente e trituradas em britador de rolos de laboratório (peneira 10 mesh) para desagregação dos torrões. Posteriormente, foram quarteadas utilizando-se o quarteador Jones, sendo preparadas cerca de 11 amostras com aproximadamente 350g cada. Estas foram colocadas em uma câmara úmida com as seguintes condições: umidade saturada e temperatura de 35ºC, sendo feitas coletas de amostras com espaçamento de alguns dias. A plasticidade de cada amostra foi medida imediatamente após sua coleta utilizando-se o método de Atterberg, de acordo com as normas NBR (4) e NBR (5). As propriedades tecnológicas de queima das matérias-primas com o tempo de exposição em umidade saturada também foram analisadas. De cada coleta, foram preparados corpos-de-prova retangulares com as dimensões 11,43 x 2,54 x 1,00 cm por prensagem uniaxial a 25 MPa e umidade de 6,5%. Estes foram secos em estufa a 110ºC e sinterizados na temperatura de 1050ºC, com taxa de aquecimento de 10ºC/min e patamar de 1 hora. Foram realizados ensaios de retração linear, absorção de água de acordo com a norma ASTM C (6). O módulo de ruptura à flexão em 3 pontos foi determinado de acordo com a norma ASTM C (7), com o auxílio de uma máquina de ensaios EMIC, modelo DL RESULTADOS E DISCUSSÃO De acordo com a Difração de Raios-X, observou-se que as matérias-primas apresentam composição mineralógica bastante semelhante, sendo a caulinita o argilomineral predominante. Apresentam também outras fases como quartzo e mica muscovita. A Tabela I mostra as composições químicas das matérias -primas. Pode-se observar que as argilas de Itaboraí apresentam elevado teor de sílica (SiO 2 ), a qual pode se apresentar na forma livre como quartzo e na forma combinada gerando os argilominerais. A alumina (Al 2 O 3 ), encontra-se presente em teores maiores na argila de Rio Bonito quando comparados às argilas de Itaboraí, sendo indicativo de alto teor de argilominerais na referida argila. Para as argilas de Itaboraí, principalmente a argila fraca, o alto teor de sílica e o baixo teor de alumina é um indicativo do baixo percentual de argilominerais e alto teor de quartzo livre presentes. Os teores de óxidos corantes, principalmente o Fe 2 O 3, são elevados em todas as argilas, principalmente para a de Rio Bonito. Os óxidos fundentes de sódio e potássio (Na 2 O e K 2 O) contribuem para a formação de fase líquida necessária para a densificação de materiais cerâmicos à base de argilas. O percentual de Na 2 O é baixo para todas as amostras, enquanto que o percentual de K 2 O é elevado para a argila forte de Itaboraí. Este fato pode estar relacionado com a maior presença de mica muscovita nesta matéria-prima. Os teores de óxidos alcalino terrosos (CaO e MgO), os quais são principalmente associados a carbonatos, são baixos em todas as amostras. São observados também elevados valores de perda ao fogo para todas as amostras e, principalmente, para a argila de Rio Bonito. 311

4 Tabela I Análise química das matérias-primas (% em peso) Determinações (%) Argila RB Argila FR Argila FO Al 2 O 3 29,50 22,40 25,20 SiO 2 46,40 61,60 53,90 Na 2 O 0,25 0,06 0,24 K 2 O 1,76 0,55 2,49 CaO 0,13 < 0,01 0,12 MgO 0,09 1,40 1,33 Fe 2 O 3 7,66 6,20 6,96 P 2 O 5 0,09 0,04 0,07 TiO 2 1,59 0,96 1,11 Mn 2 O 3 0,07 0,01 0,03 Perda ao fogo 11,10 8,13 7,98 A variação nos Limites de Plasticidade (LP) destas argilas com o tempo de exposição são observadas no gráfico da Figura 1. Limite de Plasticidade (%) Tempo de exposição (dias) RB FO FR Figura 1 Variação no Limite de Plasticidade das amostras com o tempo de exposição em câmara úmida As Tabelas II, III e IV apresentam os resultados obtidos para a plasticidade, representado por meio do limite de plasticidade, das matérias-primas de acordo com o tempo de exposição em câmara úmida. Os números em parênteses são relativos ao desvio padrão de cada medida. As referidas Tabelas apresentam também os resultados obtidos nos ensaios tecnológicos das três argilas estudadas. Tempo de exposição (dias) Tabela II Ensaios de caracterização tecnológica da argila de Rio Bonito Limite de Retração Perda ao Densidade Resistência Plasticidade queima fogo de queima mecânica (%) (%) (%) (g/cm 3 ) (MPa) Absorção de água (%) 0 30,67 (0,30) 8,35 12,39 2,10 10,15 10, ,65 (0,40) 8,74 12,47 2,15 10,04 9, ,49 (0,85) 8,33 12,29 2,10 11,76 8, ,39 (0,66) 9,22 12,40 2,10 16,61 8, ,79 (0,31) 8,64 12,36 2,14 16,70 8,19 312

5 19 33,77 (0,31) 8,80 12,33 2,14 16,09 8, ,77 (0,20) 8,64 12,19 2,13 15,39 8,71 Tempo de exposição (dias) Tabela III Ensaios de caracterização tecnológica da argila forte de Itaboraí Limite de Retração Perda ao Densidade Resistência Plasticidade queima fogo de queima mecânica (%) (%) (%) (g/cm 3 ) (MPa) Absorção de água (%) 0 27,98 (0,45) 3,88 11,79 2,05 6,44 10, ,94 (0,19) 4,26 11,11 2,07 6,47 10, ,52 (0,25) 4,07 11,20 2,05 6,50 10, ,53 (0,23) 4,18 10,92 1,97 6,39 10, ,41 (0,30) 4,47 11,13 2,10 6,63 10, ,03 (0,63) 4,23 10,02 2,04 8,49 10, ,06 (0,31) 4,35 9,81 2,10 8,81 10, ,05 (0,24) 4,39 9,80 2,02 8,94 10, ,90 (0,20) 4,51 9,46 2,06 9,09 10,86 Tempo de exposição (dias) Tabela IV Ensaios de caracterização tecnológica da argila fraca de Itaboraí Limite de Retração Perda ao Densidade Resistência Plasticidade queima fogo de queima mecânica (%) (%) (%) (g/cm 3 ) (MPa) Absorção de água (%) 0 28,78 (0,32) 1,07 8,67 1,76 1,25 20, ,48 (0,55) 1,05 8,61 1,79 1,31 20, ,62 (0,60) 0,98 8,64 1,77 1,27 20, ,68 (0,36) 0,91 8,63 1,80 1,25 19, ,57 (0,37) 1,05 8,62 1,78 1,23 19, ,66 (0,18) 1,00 8,63 1,77 0,85 19, ,80 (0,35) 1,12 8,60 1,74 1,27 19, ,58 (0,03 ) 1,20 8,77 1,72 1,20 20,00 Para todas as argilas analisadas, foi observado um aumento na resistência mecânica e uma diminuição da absorção de água com o aumento da plasticidade. De acordo com os resultados obtidos para a amostra de Rio Bonito, observou-se um aumento no limite de plasticidade a partir do terceiro dia de exposição, sendo observado também no mesmo período, um aumento na resistência mecânica e diminuição da absorção de água. A seguir, a plasticidade atinge seu valor máximo no tempo de 16 dias, onde um aumento de cerca de 3,1% em relação ao valor inicial é observado, sendo o valor máximo de resistência mecânica alcançado por esta amostra (16,7 MPa) verificado neste período. A partir daí, nos próximos 6 dias de ensaio, praticamente nenhuma modificação nos resultados de plasticidade foi verificado. No período total de exposição da referida argila (22 dias), observou-se um aumento de cerca de 6,7 MPa (66%) na resistência mecânica e uma diminuição de aproximadamente 2,5% nos valores de absorção de água, em relação à amostra inicial. A argila forte de Itaboraí apresentou, inicialmente, um pequeno aumento no Limite de Plasticidade (cerca de 0,5%), ocorrido a partir do quarto dia de exposição e permanecendo até o tempo de 16 dias. Constatou-se que este pequeno aumento inicial na plasticidade não refletiu em mudanças em suas características tecnológicas de queima, já que os valores de resistência mecânica e absorção de água sofreram apenas pequenas alterações neste período. A partir daí, um novo aumento de aproximadamente 0,5% no limite de plasticidade foi verificado, desta vez sendo acompanhado também por um aumento na resistência mecânica de cerca de 2,0 MPa (31,1 %). 313

6 Posteriormente, após 39 dias de ensaio, ocorre um novo aumento na plasticidade, acompanhado de um aumento na resistência mecânica que atinge seu valor máximo (9,1 MPa). Em relação à argila fraca de Itaboraí, não foi observado aumento de plasticidade significativo em 66 dias de ensaio. Da mesma forma, os valores de resistência mecânica e absorção de água permaneceram praticamente constantes durante o tempo total do ensaio. Este fato está relacionado às características da referida argila, principalmente por apresentar elevado teor de resíduos (material não plástico) e baixo teor de partículas abaixo de 2µm (fração argilosa); consequentemente, um aumento em sua plasticidade se refl etiria somente sobre a pequena fração argilosa presente na amostra. Através da realização deste ensaio, verificou-se que o efeito do sazonamento é mais significativo para argilas mais plásticas, sendo este efeito muito lento para argilas de baixa plasticidade. CONCLUSÕES Por meio da aceleração em laboratório do processo de sazonamento de argilas, verificou-se um aumento na plasticidade das matérias-primas em poucos dias de exposição em câmara úmida. Comprovou-se também a influência deste aumento nas propriedades tecnológicas de queima de cada tipo de argila analisada. Os resultados demonstraram que o efeito da umidade no sazonamento depende do tipo de matéria-prima, sendo mais significativo para argilas de maior plasticidade inicial. A argila de Rio Bonito, por exemplo, apresentou um aumento total de 6,1 MPa (66,0%) na resistência mecânica em relação à amostra inicial. A argila fraca de Itaboraí, de baixa plasticidade, não apresentou nenhuma alteração na plasticidade durante o tempo total do ensaio (66 dias), não sendo observada também praticamente nenhuma alteração nas suas propriedades tecnológicas. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) pelo auxílio financeiro à realização deste estudo. Agradecem à Tijolar Indústrias Cerâmicas Ltda, pelo fornecimento das matérias -primas e ao Professor Lúcio Sathler do Laboratório de Corrosão da COPPE/UFRJ, pela utilização da Câmara úmida. REFERÊNCIAS 1. E. Facincani, Tecnología Cerámica los ladrillos, Faenza Editrice Ibérica S.L, 3 a edição, Barcelona (1993). 2. M.F.Abajo, Manual sobre fabricación de baldosas, tejas y ladrillos, Beralmar, Colômbia (2000). 3. M.A. Fernández, Fabricacion y control de calidad de los materiales de arcilla cocida, vol. I, Seminario Internacional, Medellín, Colômbia (1990). 4. Associação Brasileira de Normas Técnicas Determinação do Limite de Plasticidade. NBR , Rio de Janeiro, 1984, 2p. 5. Associação Brasileira de Normas Técnicas Determinação do Limite de Liquidez. NBR , Rio de Janeiro, 1984, 5p. 6. American Standard for Tasting Materials Standard Test Methods for Water Absorption, Bulk Density, Apparent Porosity, ana Apparent Specific Gravity of Fired Whiteware Products. ASTM C , R. 1988, 2p. 7. American Standard for Tasting Materials Standard Test Methods for Flexural Properties of Ceramic Whiteware Materials. ASTM C , R. 1988, 4p. 314

7 STUDY OF THE HUMIDITY EFFECT ON THE ACCELERATED AGING PROCESS OF CLAYS R. Gaidzinski 1, L. M. M. Tavares 1, J. Duailibi Fh 2 1 Universidade Federal do Rio de Janeiro UFRJ/COPPE/PEMM Cx. Postal CEP: , Rio de Janeiro RJ. roberta@metalmat.ufrj.br 2 Instituto Nacional de Tecnologia INT. Av. Venezuela, 82 sala 602 CEP: , Rio de Janeiro RJ. ABSTRACT The mechanisms that acts in the aging process of clays are not yet well known. It is believed that facts like humidity level of clay particles, bacteriological attack and organic material oxidation can play an important rule in the aging process. The objective of this work is to study the behavior of different clays during the acceleration of this process in laboratory. Three different clays of Itaboraí and Rio Bonito Region in Rio de Janeiro State, were exposed to a humidity saturated atmosphere and controlled temperature. Samples were collected periodically, and some technological properties of the raw materials was determined. The results showed that the effect of the aging process seems to be only significant for clays with higher plasticity, improving, also, technological properties after firing. Key-words: Clays, aging process, humidity, plasticity. 315