EFEITO DA ADIÇÃO DE VIDRO SOBRE PROPRIEDADES DE QUEIMA DE UMA ARGILA VERMELHA

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1 1 EFEITO DA ADIÇÃO DE VIDRO SOBRE PROPRIEDADES DE QUEIMA DE UMA ARGILA VERMELHA K.O. Godinho, J.N.F. de Holanda, A.G.P. da Silva Universidade Estadual do Norte Fluminense, CCT, LAMAV, Av. Alberto Lamego, 2000, Campos, RJ, RESUMO Este trabalho investiga 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). Foram adicionadas às massas argilosas quantidades de (6%, 13% e 20%) dos três vidros. 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, vidros, cerâmica vermelha INTRODUÇÂO O vidro é um material cem por cento reciclável. Ele pode ser reutilizado e também incorporado. É reciclável quando cacos são usados como matéria-prima pelos fabricantes, reutilizado quando são reaproveitados para utensílios e pode ser incorporado à massa argilosa para fabricação de cerâmica vermelha, pois o vidro possui uma composição química condizente com a argila, fornecendo fundentes à massa cerâmica, sendo vantajosa sua incorporação. Apesar da forte componente tecnológica na alternativa de incorporar o vidro, existem também outras componentes que estão envolvidas, como: a componente ambiental, pois trata-se de inserir em produtos materiais que seriam descartados em aterros, e a componente acadêmica, pois conhecer a interação entre a massa cerâmica e o resíduo de vidro durante a queima é importante para entender os

2 2 processos envolvidos na evolução da estrutura que incorpora o resíduo; tendo este conhecimento, pode-se modificar, alterando alguns processos de maneira racional. Diversos tipos de rejeitos de vidro têm sido utilizados e estudados com o objetivo de melhorar as propriedades dos materiais cerâmicos (1).Resíduos de vidro de carbonato de cálcio foi incorporado a uma massa cerâmica para a fabricação de azulejos (2). A adição foi considerada interessante já que não provocou modificações significativas no processo de fabricação de tais produtos. Um outro trabalho foi desenvolvido (3) adicionando-se pó de vidro de garrafas ao cimento. O vidro podia substituir certa quantidade de cimento, graças à atividade pozolânica que possui. Em outro caso (), vidro foi incorporado ao concreto asfáltico como agregado. Isto resultou em diminuição da estabilidade do concreto (deformação devido à carga sobre ele), aumentando a reflexão de luz à noite e o atrito, dificultando assim derrapagens. A reciclagem de materiais como rejeitos de vidro, além de ser economicamente atraente, traz benefícios inquestionáveis ao meio ambiente (5,6) Este trabalho relata o estudo feito com três diferentes tipos de vidros (vidro de embalagem, plano e vidro de tubo de TV a cores) sobre as propriedades de queima de uma massa argilosa empregada pela indústria para a fabricação de telhas. MATERIAIS E MÉTODOS Foram utilizados os vidros de embalagem, plano e de um tubo de TV a cores. Estes foram quebrados manualmente. Os cacos foram moídos em um moinho de bolas a seco. O tempo de moagem variou para cada tipo de vidro. Após a moagem, os três pós de vidros foram passados em peneira de 60 mesh. A fração passante foi utilizada. Uma outra fração de vidro de embalagem, retida na peneira de 0 mesh, foi também utilizada para investigar o efeito de sua granulometria. A massa argilosa para a fabricação de telhas foi coletada na linha de produção de uma indústria cerâmica da região de Campos dos Goytacazes-RJ. Trata-se de uma mistura de duas argilas com comportamento plástico diferentes. Apenas a fração passante em peneira de 60 mesh foi utilizada. A argila ficou em estufa por 2h em 110ºC.

3 3 As composições químicas, tanto da argila quanto do vidro, foram determinadas por absorção atômica e são mostradas na Tabela I, em percentual em peso dos óxidos constituintes, mais a perda ao fogo P.F. Tabela I: 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 6,26 26,1,09 0,65 0,16 0,95 1,75 0,65 <0,01 11,3 Vidro embalagem 67,9 0,90 0,09 0,05,6 0,10 0,79 16,65 <0,01 0,51 Vidro plano 65,75 0,66 0, <0,01,5 3,05 0,7 16,71 <0,01 0, Vidro tubo TV,60 1,6 0,11 0,01 2,0 1,0 7,6 7,31 2,96 0,67 Observa-se o baixo valor de óxidos fundentes K 2 O, Na 2 O, o que irá dificultar na sinterização por fase líquida. O vidro de tubo de TV é um vidro ao chumbo que possui uma grande quantidade de PbO, desempenhando papel de fundente. Massas foram formuladas com diferentes teores dos três diferentes vidros (6%, 13% e 20%). Uma massa sem adição de vidro foi usada para servir de referência, conforme mostra a Tabela II. A mistura foi feita a seco por 20 minutos, no mesmo moinho de bolas usado para a moagem dos vidros. Duas outras massas foram também preparadas. Uma contêm 13% de pó de vidro de vasilhame, retido na peneira de 0 mesh; a outra com 20% de resíduo de tubo de TV. Esta última não foi misturada em moinho, mas sim manualmente em um recipiente por 5 minutos, para investigar o efeito da qualidade da mistura do aditivo. Tabela II: Composição das Massas Cerâmicas Utilizadas. Argila Primária Vidro vasilhame Vidro Plano Vidro TV M MV MV MV MP MP MP MTV MTV MTV

4 As massas, em seguida, foram umidificadas com 7% em peso de água e prensadas a seco hidraulicamente em uma matriz com seção retangular de dimensões 115x25,mm 2, sob pressão de 25Mpa. Os corpos prensados foram secos em 110ºC em estufa por 2 horas. Os corpos foram queimados em forno tipo mufla em três temperaturas de patamar: 900º, 975º e 1050ºC; seguindo um ciclo de queima lento, conforme é descrito na Tabela III. Tabela III: 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 0 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, absorção de água e tensão de ruptura à flexão por três pontos. Difrações de raios-x foram analisadas para detectar a formação de novas fases, resultantes da interação do vidro. Alguns corpos de prova, foram observados por microscopia eletrônica de varredura, com o objetivo de revelar o comportamento do vidro durante a queima. RESULTADOS E DISCUSSÃO 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. Para observar o efeito da adição de vidro sobre as propriedades dos corpos queimados, a massa sem aditivos foi usada como referência. Na Figura 1 (a-c), observa-se que com 6% de vidro adicionado, a retração de queima e a tensão de ruptura aumentam com a elevação da temperatura e com a quantidade de vidro que foi adicionado, onde o tipo de vidro não teve tanta importância. Já para a absorção de água o comportamento foi inverso. Com 13% de adição, percebe-se que os diferentes tipos de vidros influenciam as propriedades de queima. O vidro de embalagem foi o que mais influenciou, seguido vidro de tubo de TV e o vidro plano, Figura 2 (a-b).

5 Absorção de Água % Argila + Vasilhame Argila + Plano Argila + Tubo de TV Figura 1 a: Absorção de água em função da temperatura de queima com 6% de vidro. Retração Linear % Argila + Vasilhame Argila + Plano Argila + Tubo TV Figura 1 b: Retração linear em função da temperatura de queima com 6% de vidro. Tensão de Ruptura MPa Argila + Vasilhame Argila + Plano Argila + Tubo TV Figura 1 c: Tensão de ruptura em três pontos em função da temperatura de queima com 6% de vidro.

6 6 Absorção de Água % Argila + Vasilhame Argila + Plano Argila + Tubo TV Temperatura º C Figura 2 a: Absorção de água em função da temperatura de queima com 13% de vidro. Retração Linear % Argila + Vasilhame Argila + Plano Argila + Tubo TV 0 Temperatura º C Figura 2b: Retração linear em função da temperatura de queima com 13% de vidro. As curvas de retração linear e de absorção de água estão relacionadas ao nível de sinterização na estrutura. Há uma clara relação entre o aumento da tensão de ruptura (sensível à porosidade) e a redução de absorção de água. Já com 20%, a ordem de influência mudou. Foi o vidro de tubo de TV que teve maior influência, atingindo 2,5% a absorção de água. A partir de 900ºC, as outras massas apresentavam absorção de água abaixo de 16%, Fig. 3.

7 7 20 Absorção de Água % 16 0 Argila + Vasilhame Argila + Plano Argila + Tubo TV Figura 3: Absorção de água em função da temperatura de queima com 20% de vidro. A tensão de ruptura mínima especificada para telhas (6,5Mpa) foi alcançada para todas as formulações estudadas. A Figura (a e b) exibe as curvas de absorção de água e tensão de ruptura para a massa com adição de 13% em peso de vidro de embalagem retida na peneira de 0 mesh. As partículas mais grossas de vidro representam concentrações locais de líquido e carência de líquido em outros locais. Por isso a adição de vidro grosso apresentou propriedades mais próximas da amostra sem aditivo do que da amostra com a mesma adição de vidro, porém mais fino Absorção de Água % Argila + 13% Vidro Vasilhame -60 Mesh Argila + 13% Vidro Vasilhame +0 Mesh Figura a: Absorção de água em função da temperatura de queima com 130% de vidro (efeito da granulometria).

8 36 30 Argila + 13% Vasilhame -60 Mesh Argila + 13% Vasilhame +0 Mesh Tensão de Ruptura MPa Figura b: Tensão de ruptura em três pontos em função da temperatura de queima com 13% de vidro (efeito da granulometria). A Figura 5 (a-c), exibe as curvas das propriedades para a massa com 20% de vidro de tubo de TV, misturada manualmente por 5 minutos. É possível compará-las com a massa de 20% do mesmo tipo de vidro que foi misturada em moinho de bolas por 20 minutos. Em ambos os casos, os comportamentos da retração linear e da absorção de água são bastante parecidos. A tensão de ruptura foi claramente inferior para a massa misturada já que não houve uma mistura homogênea entre a argila e o aditivo, o que comprova a existência de locais pobremente sinterizados, que atuam como elos fracos da estrutura quando submetidos à tensão Argila + 20% Tubo TV - Moído Argila + 20% Tubo TV - Misturado Absorção de Água % Figura 5 a: Absorção de água em função da temperatura de queima com 20% de vidro (influência da dispersão).

9 9 10 Argila + 20% Tubo TV - Moído Argila + 20% Tubo TV - Misturado Retração Linear % 6 2 Figura 5b: Retração linear em função da temperatura de queima com 20% de vidro (efeito da dispersão) Argila + 20% Tubo TV - Moído Argila + 20% Tubo TV - Misturado Tensão de Ruptura MPa Figura 5 c: Tensão de ruptura em três pontos em função da temperatura de queima com 20% de vidro (efeito da dispersão). Conforme atesta os padrões de difração de raios x exibidos na Figura 6, a caulinita é o principal mineral presente na argila. Os minerais como quartzo, goetita, gibsita e mica/muscovita foram também identificados. As transformações sofridas durante a queima pelos minerais presentes na argila em uso são bem conhecidas (7). Dentre elas destacam-se as decomposições da gibsita e goetita, a desidroxilação da caulinita, a partir da qual passa a denominar-se metacaulinita, e o posterior aparecimento de mulita a partir da metacaulinita. Difrações feitas em corpos queimados das massas contendo 20% em peso de cada um tipo de vidro e nas três

10 10 temperaturas produziram resultados semelhantes. Isto elimina a possibilidade de cristalização do vidro ou da formação de uma fase qualquer resultante de uma ração entre vidro e argila. Mu Q Cr Mu Q M Mu Mu Q Q Argila 1050 C Q Intensidade (u.a.) Argila 975 C Argila 900 C Q C Q C Argila Crua C M g go C Q Q Q Q Q C C Figura 6: Difratograma da argila crua e queimada nas três temperaturas. 2θ A Figura 7 exibe uma imagem da estrutura da massa MTV 20 após queima em 1050ºC. São observadas regiões muito densas e poros grandes e arredondados. A evolução da estrutura sugere que a fase líquida foi formada pelo vidro amolecido que se infiltrou nos poros da estrutura. Já os poros arredondados são formados pelo aprisionamento de gases. Figura 7- microestrutura da massa com 20% de vidro de tubo de TV, queimada à 1050ºC.

11 11 Foi demonstrado que os rejeitos de vidro, desempenham durante a queima um papel que pode substituir parcial ou totalmente os componentes fundentes tradicionais usados nas formulações cerâmicas. CONCLUSÕES Os três tipos de vidro, em todas as quantidades empregadas, possuem efeito positivo na sinterização de uma massa cerâmica usada para a fabricação de telhas e sobre as propriedades dos corpos queimados. A incorporação de vidro à massa cerâmica requer que este esteja na forma de pó, a granulometria do vidro deve ser a mais próxima possível da granulometria da massa argilosa, o que irá otimizar a dispersão. O vidro promove a sinterização da massa argilosa servindo, ele mesmo como fase líquida, quando sofre amolecimento com o aumento da temperatura. Por ser mais rica em óxidos fundentes, a fase líquida formada a partir do vidro de tubo de TV forma-se em menores temperaturas e tende a ser menos viscosa. Isto explica a maior influencia deste aditivo em algumas massas. Este vidro ao chumbo é mais denso que os demais. Os rejeitos de vidro têm potencial para serem reutilizados como matéria-prima alternativa na fabricação de produtos cerâmicos. REFERÊNCIAS 1. A.C. Morelli, J.B. Baldo, Cerámica Industrial, 3 (2003) 2-6.F. 2. Matteucci, M. Dondi, G. Guarani. Effect of soda-lime glass on sintering and techonological properties of porcelain stoneware tiles. Ceramics International A. Shayan, A. Xu, Cement and Concrete Res., 3, 1 (200) Nan Sun, J.S. Chen, Resources, Conservation and Recycling 35 (2002) S. R. Bragança, C. P. Bergmann. Comparação das propriedades de uma porcelana que utiliza vidro como fundente com uma tradicional. 6. C. Morelli,Arnaldo e B.Baldo, João. Barbotinas cerâmicas contendo rejeito de vidro soda cal para maturação em baixa temperatura. Cerâmica Industrial, (3) G.P. Souza, R. Sanches, J.N.F. Holanda, J. Thermal Anal. Ca., 73, (2003)

12 EFFECT OF THE ADDITION OF GLASS POWDER ON THE PROPERTIES OF A FIRED RED CLAYEY FORMULATION K.O. Godinho, 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 glass powders upon the water absorption, the linear shrinkage and the bending strength of a clayey formulation used for fabrication of roof tiles. Bottle glass, flat glass and glass of cathode tube (lead glass) were used. Additions of 6, 13 and 20% weight glass were utilized. The water absorption decrease and the linear shrinkage and the bending strength increase as the glass addition increases. This behavior can be explained by the amount of flux oxides in the glass addition and by the dispersion quality of clay and glass. Key-words: waste glass, recycling, clay firing