FORMULAÇÃO DE MASSA CERÂMICA PARA FABRICAÇÃO DE TELHAS

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1 1 FORMULAÇÃO DE MASSA CERÂMICA PARA FABRICAÇÃO DE TELHAS R.M.P.R. Macêdo 1,2 ; R.P.S. Dutra 1 ; R.M. Nascimento 1,3 ; U.U. Gomes 1 ; M.A.F. Melo 1 Universidade Federal do Rio Grande do Norte - UFRN Campus Universitário - Lagoa Nova CEP: , CP. 1524, Natal / RN Brasil rosemacedo@ufrnet.br 1- Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais PPgCEM 2- Escola Agrícola de Jundiaí EAJ/UFRN 3- Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica PPGEM RESUMO A formulação da matéria-prima para produção na indústria cerâmica é constituída de duas ou mais argilas com características específicas. Muitas indústrias cerâmicas utilizam ferramentas de natureza empírica para determinar alguns parâmetros necessários para a formulação de massas cerâmicas. O objetivo deste trabalho é desenvolver uma formulação de massa apropriada para uma indústria de cerâmica vermelha na produção de telhas, utilizando percentuais diferentes das argilas plásticas e não-plásticas da própria empresa, a partir da caracterização do material. Foram realizadas análises de difração de raios-x, fluorescência de raios-x, determinação dos índices físicos e determinação de propriedades físico-mecânicas das argilas estudadas. Foram desenvolvidos corposde-prova com percentuais diferentes de argila plástica e não-plástica fornecida pela indústria cerâmica, e queimados a 950 ºC. Os resultados indicam que existe um percentual apropriado para a formulação de massa utilizando argila plástica e nãoplástica para a produção de telhas cerâmicas na indústria estudada. Palavras-chave: Argila, formulação de massa, caracterização. INTRODUÇÃO A principal matéria-prima para a produção de cerâmica estrutural (tijolos, telhas, lajotas, etc) é a argila. A Associação Brasileira de Cerâmica (1) apresenta as argilas como material de fácil desagregação e permite moldagem adequada; granulometria fina e distribuição granulométrica conveniente; teor de matéria orgânica que possa

2 2 obter, com a granulometria, boa plasticidade e resistência mecânica suficiente para evitar deformações e permitir o manuseio das peças cruas; baixo teor de carbonatos, sulfatos e sulfetos. A formulação utilizada para a obtenção da massa nas indústrias cerâmicas é composta de duas ou mais argilas com características específicas. Muitas indústrias cerâmicas utilizam ferramentas de natureza empírica para determinar alguns parâmetros necessários para a formulação de massas cerâmicas. A matéria-prima utilizada para a produção de cerâmica vermelha é obtida da extração da argila em jazida própria ou comprada de terceiros. Com o objetivo de garantir a qualidade e reduzir os custos do produto final, os produtores exploram jazidas onde as argilas existentes precisem de pouca ou nenhuma mistura adicional (2). Na extração, obtém-se dois tipos de material: a) não-plástico, representados por areias, micas, feldspatos, quartzos e outros, que reduzem o grau de compactação da massa, atuando como agentes desplastificantes. Para que possam agir com eficácia sobre as características das argilas, devem apresentar granulometria acima de 60 µm e ser usados em quantidades moderadas (3) e; b) plástico, que apresenta granulometria muito fina (grãos abaixo de 2 µm), mas precisam de uma considerável quantidade de água para desenvolver completamente essa plasticidade. Apresentam alta resistência mecânica a seco e após a queima (3). Uma formulação composta de material excessivamente plástico dificulta a moldagem das peças em virtude de seu elevado grau de aderência, tornando o processamento inviável, desde a conformação das peças, incluindo ainda a secagem e a queima, conseqüentemente as características do produto final. Para reduzir a plasticidade da massa é necessário introduzir na massa cerâmica as argilas que apresentem maior teor de impurezas misturadas aos argilominerais, facilitando o processo de fabricação. Neste caso, é necessário misturar as argilas entre si, a fim de se obter uma massa com característica adequada ao processamento e que proporcione melhor qualidade do produto final. O objetivo deste trabalho é desenvolver uma formulação de massa apropriada para uma indústria de cerâmica vermelha na produção de telhas, utilizando percentuais diferentes das argilas plásticas e não-plásticas da própria empresa, a partir da caracterização do material.

3 3 MATERIAIS E MÉTODOS As matérias-primas utilizadas para o desenvolvimento deste trabalho foram duas argilas usadas em uma indústria de cerâmica vermelha do estado do Rio Grande do Norte. O procedimento experimental teve a seguinte seqüência: preparação das matérias-primas, análise das argilas (difração de raios-x, fluorescência de raios-x, determinação dos índices físicos (limites de Atterberg), formulação da massa, conformação dos corpos-de-prova, processamento e determinação das propriedades físico-mecânicas das argilas estudadas). Na etapa de preparação das matérias-primas, após a secagem natural e em estufa (110 C ± 5 C), as argilas selecionadas, denominadas A1 e A2 foram destorroadas em um britador para desaglomeração dos grânulos e classificadas com granulometria inferior 0,42 mm correspondente à passagem na peneira ABNT n 35. Em seguida foram feitas as formulações com percentuais diferentes das duas argilas, conforme Tabela I. Esta formulação foi definida procurando-se preencher todo intervalo possível da mistura entre essas argilas. Tabela I Formulações utilizadas das argilas A1 e A2 (% em peso). Formulação A B C D E F G Argila 1 0,0 25,0 33,5 50,0 66,5 75,0 100,0 Argila 2 100,0 75,0 66,5 50,0 33,5 25,0 0,0 Com o objetivo de manter constante o teor de umidade das formulações, foram adicionados 10 % de água para todas as composições e, em seguida, todo material foi vedado em sacos plásticos a fim de manter a umidade. A etapa de conformação, utilizou-se uma prensa hidráulica da Shimadzu e uma matriz de aço de forma retangular com dimensões de 6 cm x 2 cm. Para cada corpode-prova produzido foram utilizadas 13 g da massa e uma pressão de compactação uniaxial e de simples efeito de 25 MPa. A queima dos corpos-de-prova foi realizada em um forno elétrico utilizando-se as temperaturas de 950 C, mantendo a taxa de aquecimento constante de 2 C/min e patamar final de 30 minutos. A resistência mecânica foi realizada por meio da tensão de ruptura a flexão em três pontos, determinada na máquina universal da Shimadzu. A retração linear de

4 4 queima (RL q ) foi determinada pelas dimensões dos corpos-de-prova, enquanto a absorção de água (AA), porosidade aparente (PA) e massa específica aparente (MEA) forma determinadas pelo norma ABNT NBR 8947 (4). Todas as propriedades determinadas neste trabalho referem-se à média aritmética de cinco formulações. RESULTADOS E DISCUSSÃO Na Tabela II são apresentados os resultados dos índices físicos, também chamados de limites de Atterberg, em percentagem em peso, para as duas argilas. Observa-se que a A1 é uma argila altamente plástica (IP>15), apresentando uma plasticidade superior ao da A2, a qual pode ser classificada com como argila mediamente plástica (7<IP<15). Considerando os índices de plasticidades das argilas, para efeito de identificação, A1 será denominada argila plástica e A2 argila não-plástica. Tabela II: Limites de Atterberg das argilas utilizadas. Argila Índices físicos A1 A2 Limite de liquidez - LL 48,08 33,46 Limite de Plasticidade - LP 32,00 24,07 Índice de plasticidade - IP 16,08 9,39 A composição química, determinada por fluorescência de raios-x, é apresentada, em forma de óxidos, na Tabela III. As duas argilas apresentaram componentes qualitativa e quantitativamente semelhantes. Destaque para o teor de óxido de ferro um pouco maior (11,09 %) para a argila plástica e para a maior quantidade (12,86 %) de óxidos fundentes (CaO, Na 2 O, K 2 O, MgO, BaO) para a argila não-plástica. Tabela III - Composição química, em forma de óxidos, das argilas A1 e A2. Argilas SiO 2 Al 2 O 3 Fe 2 O 3 CaO Na 2 O K 2 O TiO 2 MgO BaO P 2 O 5 Outros 1 46,45 28,72 11,09 2,30 2,36 4,50 1,17 2,25 0,43-0, ,81 27,19 8,09 2,81 2,47 5,24 1,19 1,99 0,35 0,13 0,82

5 5 As figuras seguintes referem-se às curvas de difração das argilas estudas. Observa-se que a semelhança na composição química também foi encontrada na análise mineralógica, tendo a argila plástica como uma argila ilítica-montmorilonita (Figura 1), apresentando ainda os minerais acessórios quartzo e feldspato, este representado pelo mineral albita; e a argila não-plástica como uma argila ilítica (Figura 2) contendo quartzo e feldspato, como minerais acessórios. A presença da arnotita (CaAl Si O 2 2 8), mineral do grupo de feldspato, favorece a presença dos óxidos alcalinos (óxidos fundentes) como visto na Tabela III. Associando a mineralogia das argilas com a Tabela II dos limites de Atterberg, comprova-se que a argila nãoplástica (A2) apresenta uma maior quantidade de minerais acessórios, provavelmente com uma maior distribuição de tamanho de partículas. Figura 1 - Difratograma da argila plástica.

6 6 Figura 2 - Difratograma da argila não-plástica. Na Tabela IV são apresentados os resultados das propriedades físicomecânicas das formulações estudadas, com seus respectivos desvios-padrão. Tabela IV - Propriedades físico-mecânicas das formulações. Formulações PF RL AA PA MEA (g/cm 3 ) TRF (MPa) A Média 3,64-0,29 10,52 23,94 2,04 3,64 DP 0,04 0,05 0,33 0,66 0,02 0,71 B Média 4,18-0,18 10,66 24,19 2,03 6,28 DP 0,16 0,06 0,25 0,45 0,02 0,30 C Média 4,47 0,00 10,48 24,11 2,06 7,20 DP 0,15 0,06 0,18 0,21 0,02 0,48 D Média 4,96 0,13 10,32 23,75 2,06 8,71 DP 0,12 0,05 0,24 0,34 0,03 0,75 E Média 5,47 0,33 10,31 23,62 2,06 11,75 DP 0,06 0,09 0,23 0,41 0,02 0,65 F Média 6,01 0,56 10,28 23,63 2,06 10,57 DP 0,07 0,05 0,15 0,31 0,01 0,52 G Média 7,32 1,43 10,58 24,14 2,04 8,37 DP 0,09 0,17 0,21 0,46 0,01 0,57 Nota-se que para todas as formulações a absorção de água (AA), a porosidade aparente (PA) e a massa específica aparente (MEA) não sofreram variação, ou seja, para essas formulações e para o processamento utilizado a estrutura do sinterizado teve comportamento semelhante, devido à similaridade da composição química e

7 7 mineralógica das argilas. Entretanto, a perda de massa ao fogo (PF), a retração linear de queima (RL) e a tensão de ruptura à flexão tiveram variações, e será discutido com base nas Figuras 3 e 4. A avaliação da perda de massa ao fogo pode ser visualizada por meio da Figura 3. Observa-se o aumento da perda de massa do material com o aumento da quantidade da argila plástica, esta com maior quantidade de argilominerais. Desta forma, o ideal seria trabalhar com uma massa que tivesse a menor perda de massa, no caso a formulação A. Entretanto, isso não é possível considerando as outras propriedades, como, por exemplo, a resistência mecânica e plasticidade. Figura 3 - Curva da perda de massa ao fogo das formulações. A Figura 4 apresenta o comportamento da retração linear e da resistência à flexão das formulações. Observa-se que o aumento da quantidade da argila plástica (formulação A G ) aumenta a retração linear, podendo ser um problema, e que deve ser controlado. No entanto, a adição desta mesma argila melhora, até certo ponto, a resistência mecânica do material. A formulação E foi a que apresentou a melhor tensão de ruptura à flexão (11,75 MPa) e com uma retração linear inferior a 0,40 %, enquanto as formulações A e G a retração ficou, graficamente, acima da

8 8 resistência mecânica, devendo ser evitada o uso destas. Esse comportamento devese unicamente as características químicas e físicas das argilas, considerando que todas as formulações foram processadas (teor de umidade, temperatura de queima, taxa de aquecimento, etc.) da mesma forma. Figura 4 - Representação gráfica da retração linear e da resistência à flexão das formulações estudadas. CONCLUSÕES As argilas estudadas apresentaram características químicas e mineralogia semelhante, sendo a amostra A1 uma argila ilítica-montmorilonita tendo como minerais acessórios o quartzo e o feldspato, este representado pelo mineral albita. Enquanto a amostra A2 é uma argila ilítica, contendo quartzo e feldspato (arnotita) como minerais acessórios. Considerando os índices físicos, a A1 apresentou uma plasticidade superior ao da A2. A adição da A1 na A2 (formulação A G ) não alterou a absorção de água, a porosidade aparente nem a massa específica aparente. No entanto, a perda de massa do material foi maior com o aumento da quantidade da argila plástica (A1), devido a maior quantidade de argilominerais. Por este mesmo motivo a retração linear de queima foi crescente com a adição da A1 na A2. Enquanto a tensão de

9 9 ruptura a flexão sofreu um aumento até a formulação E de crescendo em seguida para as formulações F e G. Com os resultados obtidos e mantida as variáveis de processo, a formulação E é a mais adequada para fabricação de telhas cerâmicas. REFERÊNCIAS 1. ABC ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE CERÂMICA. Anuário Brasileiro de Cerâmica São Paulo: C. COELHO. Quantificação de fases mineralógicas de matériasprimas cerâmicas via numérica. Programa de Pós-Graduação em Ciências e Engenharia dos Materiais, UFSC, S. Pradicelli, F.G. Melchiades. Importância da composição granulométrica de massas para a cerâmica vermelha. Cerâmica Industrial 2 (1/2), Norma ABNT. NBR (1985). FORMULATION OF CERAMIC MASS FOR MANUFACTURE OF ROOFING TILES ABSTRACT Formulation of the raw material to production in ceramic industry is constituted of two or more clays with specific characteristics. In general, the ceramic industry uses an empirical procedure to determine some necessary parameters for the formulation ceramics. The objective of this paper is to develop a formulation of appropriate mass for a red ceramics industry in the production of roofing tiles, using percentile different of plastic and not-plastic clay of the company, from the characterization of the material. Analyses were carried out of X-ray diffraction, X-ray fluorescence, determination of physical indices and determination of studied physical-mechanical properties of clay. Had been developed samples with different percentages of plastic and not-plastic clay supplied by ceramic industry, and burnt at 950 ºC. Results obtained show an appropriate percentage on the body formulation using plastic and not-plastic clay for the production of ceramic roofing tiles in the studied industry. Key-words: Clay, formulation, characterization.