CONFECÇÃO DE AMOSTRAS CERÂMICAS LABORATORIAIS POR EXTRUSÃO E ANÁLISE DAS PROPRIEDADES FÍSICO-MECÂNICAS DE TIJOLOS VAZADOS E BARRINHAS MACIÇAS

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1 CONFECÇÃO DE AMOSTRAS CERÂMICAS LABORATORIAIS POR EXTRUSÃO E ANÁLISE DAS PROPRIEDADES FÍSICO-MECÂNICAS DE TIJOLOS VAZADOS E BARRINHAS MACIÇAS J. C. S. Andrade 1*, D. P. O. Brito 2, R. B. Nóbrega Júnior 2, T. O. Brito 2, A. M. D. Sousa 3, J. E. Soares Filho 3, J. C. C. Sales Junior 1, C. A. Paskocimas 3 1* Universidade Federal do Amazonas - UFAM, Departamento de Engenharia de Materiais - DEMA Av. Rodrigo Otávio Jordão Ramos, Coroado I, , Manaus/AM 2 Escola Agrícola de Jundiaí / PRONATEC, (EAJ/UFRN) RN Km 03 - Distrito de Jundiaí - Macaíba/RN CEP: Cx Postal 07 3 Universidade Federal do Rio Grande do Norte UFRN Campus Universitário, Lagoa Nova, , Natal, Rio Grande do Norte *jean.engmateriais@gmail.com Resumo O trabalho trata das propriedades físico-mecânicas de amostras cerâmicas confeccionadas por extrusão em laboratório utilizando massa cerâmica de uma indústria do município de Itajá/RN na proporção 2:1, ou seja, duas partes de argila pouco plástica para uma parte de argila plástica. Foram realizados ensaios objetivando conhecer sua resistência mecânica e os resultados obtidos após a sua sinterização mostram que quanto maior a temperatura de queima maior será a resistência mecânica. Entretanto, a compactação das amostras em pressão elevada dificultou a realização de alguns ensaios nas barrinhas maciças a temperatura 1050 C devido a não liberação dos gases na queima. Palavras-chave: extrusão, massa cerâmica, propriedades físico-mecânicas 10033

2 INTRODUÇÃO As argilas possuem alto teor de impurezas em sua composição mineralógica e é uma mistura de argilominerais do tipo caulinita, ilita, esmactita, montmorilonita, clorita, de minerais como mica, quartzo e feldspato. Os minerais como o ferro, por sua composição, é o responsável direto pela cor vermelha que caracteriza o produto cerâmico devido à oxidação durante o processo de queima. A plasticidade é uma das características das argilas que tende a aumentar a resistência mecânica, trabalhabilidade e refratariedade. Entretanto uma argila muito plástica pode apresentar dificuldade na secagem, podendo causar trincas e fissuras (OLIVEIRA,2016). As misturas deste trabalho referem-se à uma proporção de duas argilas do tipo fraca em relação à plasticidade e uma com alta plasticidade, aproximadamente 20% a 22% de resíduo granulométrico. Este trabalho tem como objetivo analisar as diversas modificações físicas e mecânicas em barras maciças e blocos vazados após submetidas ao processo de queima em diferentes temperaturas (850ºC, 950ºC e 1050ºC). MATERIAIS E MÉTODOS Para a realização desta atividade a amostra da massa já pronta para a extrusão foi coletada diretamente da cerâmica incorporando entre 20% a 22% de resíduo com 18% de umidade e uma proporção de 2:1 de argilas plásticas. Utilizaram-se dois tipos de boquilhas: uma com formato de bloco estrutural de oito furos e a outra com formato de barra maciça. Em seguida foram confeccionados doze corpos de prova da barra maciça marcados na parte frontal da peça com uma medida de 80 mm de comprimento para analisar sua retração linear de secagem e queima, e nove corpos de prova de blocos de oito furos estrutural marcados na parte frontal da largura da peça com uma medida de 50 mm de comprimento, analisando também sua retração linear de secagem e queima. Levaram-se as peças para estufa de secagem a 100ºC e posteriormente procedeu-se a queima das peças a três temperaturas (850ºC 950ºC e 1050ºC). Foram avaliadas algumas propriedades físicas e mecânicas das amostras tais como: Umidade (Equação (A)), Retração linear de secagem e queima (Equação (B)), Perda ao fogo (Equação (C)), Massa especifica aparente (Equação (D)), Absorção de água (Equação (E)), Porosidade 10034

3 aparente (Equação (F)) e Resistência mecânica em termos de tensão de ruptura à flexão (Equação (G)). As formulações e procedimentos foram realizados de acordo com os trabalhos de Morais (2007) e Almeida (2007). U (%) = M v M u M v x 100 (A) Onde U é a umidade em porcentagem; M v é a massa verde inicial e M s é a massa seca após estufa. RL T (%) = C v C q C v x 100 (B) Onde RL T é a retração linear total; C v é o comprimento do corpo de prova verde e C q é o comprimento do corpo de prova após queima. PF (%) = M q M s M q x 100 (C) Onde PF é a perda ao fogo; M q é a massa final após queima e M s é a massa seca inicial. MEA (g/cm³) = M q V q AA (%) = M u M q M q x 100 PA (%) = M u M s M u M i x 100 (D) (E) (F) Onde MEA é a massa específica aparente (densidade aparente); AA é a absorção de água; PA é a porosidade aparante; M u é a massa saturada de água; M q é a massa do corpo de prova queimado e M i é a massa do corpo de prova imerso em água. TRF (MPA) = 3Pb 2Le² (G) Onde P é a carga em Kgf; b é a distância entre dois pontos de apoio (cm); L é a largura do corpo de prova e e é a espessura do corpo de prova (cm) 10035

4 RESULTADOS E DISCUSSÃO PROPRIEDADES TECNOLÓGICAS Analisou-se inicialmente o teor de umidade que foi evaporado depois de 24 horas em estufa a 110ºC dos doze corpos de prova em barras maciças na Tabela 1, e dos nove corpos de prova em blocos tipo estrutural na Tabela 2. Tabela 1 - Perda de umidade das barras Tabela 2 - Perda de umidade dos blocos UMIDADE (%) BARRAS UMIDADE (%) BLOCO DE OITO FUROS CP1 14,44 CP5 14,84 CP9 14,22 CP13 13,63 CP16 14,45 CP19 13,93 CP2 14,44 CP6 14,20 CP10 14,12 CP14 13,72 CP17 13,83 CP20 13,90 CP3 14,50 CP7 14,75 CP11 14,97 CP15 13,95 CP18 14,06 CP21 13,80 CP4 14,56 CP8 14,70 CP12 14,86 MÉDIA 13,77 14,11 13,88 MÉDIA 14,49 14,64 14,79 DESV. P. 0,16 0,31 0,07 DESV. P. 0,06 0,30 0,40 Pode-se observar que entre os corpos de prova das barras e blocos obtevese resultados relativamente próximos referentes à perda de umidade na secagem por estufa (13,63% a 14,97%). Considerando-se que a massa inicial chegou com 18% de umidade e a perda de umidade no processo de extrusão foi em média de 14,28% e desvio padrão de 0,21% de todas as amostras confeccionadas, dando destaque aos blocos que tiveram uma perda maior devido à pressão de compactação de 15 MPa, menor em relação a utilizada nas barras maciças (11 Mpa). A pressão exercida na confecção dos corpos de prova estimula contato íntimo entre as partículas e a saída de água livre dos poros, ou seja, quanto maior a pressão aplicada maior será sua perda de umidade livre e compactação das peças, aumentando assim sua resistência a verde. A secagem por estufa tende a retirar umidade da massa por evaporação e reduzir a dimensão linear das peças já que elas perdem massa no processo de retração. Na Tabela 3 mostra-se a retração que a marcação de 80 mm sofreu depois de 24 horas em uma estufa a 110ºC. Observa-se que a redução foi modesta na maioria das amostras devido a pressão de compactação reduzir o tamanho dos poros e, consequentemente, o volume de água livre na massa. Os resultados apresentaram 10036

5 média de 4% e desvio padrão 0,50%, não diferindo muito das médias e desvios da retração da barra completa demonstradas na Tabela 4. Tabela 3 - Retração linear de secagem Tabela 4 - Retração linear de secagem RETRAÇÃO (%) BARRAS 80 mm RETRAÇÃO (%) BARRAS CP1 4,13 CP5 3,75 CP9 4,00 CP1 4,24 CP5 3,85 CP9 3,75 CP2 4,38 CP6 3,13 CP10 4,25 CP2 4,52 CP6 4,34 CP10 4,64 CP3 4,13 CP7 5,00 CP11 4,25 CP3 2,90 CP7 4,03 CP11 4,13 CP4 3,50 CP8 3,88 CP12 3,50 CP4 4,13 CP8 4,04 CP12 3,97 MÉDIA 4,03 3,94 4,00 MÉDIA 3,94 4,07 4,12 DESV. P. 0,37 0,78 0,35 DESV. P. 0,72 0,20 0,38 Observa-se que na retração do bloco obteve-se uma redução ainda menos significativa quando comparada à barra maciça, devido sua perda de umidade ter sido inferior e influenciando diretamente na diminuição da massa das amostras com média total de 3,31% e 0,31% de desvio padrão total, apresentadas nas Tabela 5 e Tabela 6. Tabela 5 - Retração linear de secagem Tabela 6 - Retração linear de secagem RETRAÇÃO (%) BLOCO DE 8 FUROS 50 mm RETRAÇÃO (%) BLOCO DE 8 FUROS CP13 3,60 CP16 3,40 CP19 3,60 CP13 0,59 CP16 3,29 CP19 3,00 CP14 3,40 CP17 3,20 CP20 3,20 CP14 0,89 CP17 2,86 CP20 3,00 CP15 3,00 CP18 3,40 CP21 3,00 CP15 0,74 CP18 3,29 CP21 1,71 MÉDIA 3,33 3,33 3,27 MÉDIA 0,74 3,14 2,57 DESV. P. 0,31 0,12 0,31 DESV. P. 0,15 0,25 0,74 O perfil de queima das amostras detalha a temperatura aplicada, a taxa de aquecimento por minuto e o tempo de permanência (patamar) na temperatura de estabilização, apresentada a seguir nas Figura 1, Figura 2 e Figura 3. Na Figura 1 o tempo total de queima foi de 6 horas e 8 minutos. Na Figura 2 o tempo total de queima foi de 7 horas. Na Figura 3 o tempo total de queima foi de 7 horas e 20 minutos

6 Figura 1 - Perfil de queima 850 C barra/bloco: Temperatura de queima ( C) x Tempo (min). Figura 2 - Perfil de queima 950 C barra/bloco: Temperatura de queima ( C) x Tempo (min). Figura 3 - Perfil de queima 1050 C barra/bloco: Temperatura de queima ( C) x Tempo (min.). Durante a queima das amostras perde-se inicialmente os componentes orgânicos existentes, resultando em primeira redução da massa das peças, como vistas na Figura 4, que apresenta a média e desvio padrão da perda de massa de 12 amostras em barras maciças. Da Figura 4 observa-se que a perda de matéria orgânica a 850 C e 950 C teve valores próximos, porém desvios diferentes. Na temperatura de 1050 C à perda de massa foi 6,21% superior em relação à primeira temperatura, reforçando que quanto maior a temperatura aplicada maior será sua perda de massa

7 Figura 4 - Barras maciças: Perda ao fogo (%) x Temperatura de queima ( C). A Figura 5 demonstra a perda de massa de nove corpos de prova em bloco estrutural, da qual observa-se que os valores estão próximos, confirmando que a perda de massa a 1050 C é superior a 850 C, com uma diferença de 1,45%, mantendo a confirmação sobre relação entre temperatura x perda. Figura 5 - Blocos estruturais de oito furos: Perda ao fogo (%) x Temperatura de queima ( C). Observa-se que com o aumento da temperatura há menor porosidade nos corpos de prova, o que está embasado nos resultados das Figuras 6 à 11. Demonstra-se nestas que quanto mais compactos e densos, existem alterações tanto na absorção da água (AA) e porosidade aparente (PA), como na massa especifica aparente (MEA). Os valores não tiveram diferenças significativas, mantendo-se estáveis tanto nas barras como nos blocos, mostrados nas Figura 6 e Figura 7. Apesar da massa especifica aparente da barra ser menos porosa e mais densa em relação ao bloco, isto ocorre devido a pressão de compactação muito elevada

8 Figura 6 - Barras maciças: Massa Especifica Aparente (g/cm3) x T ( C). Figura 7 - Blocos estruturais de oito furos: Massa Especifica Aparente (g/cm3) x T ( C). Nas Figura 8 e Figura 9 observa-se a absorção de água das barras e dos blocos, cujos resultados reforçam a teoria que quanto menor a temperatura maior será a aberturas dos poros, ocasionando uma porosidade superior em relação a uma temperatura mais elevada. No caso das barrinhas que foram submetidas a uma queima de 1050 C não foi realizado ensaio devido à deformações e trincas, adquiridos através da não liberação dos gases presos na massa por ter sido submetida à uma pressão muito elevada, diferentemente dos blocos que adquiriu maior absorção por ter poros mais abertos

9 Figura 8 - Barras maciças: Absorção Água (%) x Temperatura de queima ( C). Figura 9 - Blocos estruturais de oito furos: Absorção Água (%) x Temperatura de queima ( C). As Figura 10 e Figura 11 mostram uma diminuição acentuada da porosidade aparente (PA) entre as temperaturas 850 C a 1050 C, tanto nas barrinhas como nos blocos, salientando novamente a não realização do ensaio das barras na queima à 1050 C por deformação e trincas. Figura 10 - Barras maciças: Porosidade Aparente (%) x Temperatura de queima ( C)

10 Figura 11 - Blocos estruturais de oito furos: Porosidade Aparente (%) x T ( C). Módulo de ruptura a flexão e resistência a compressão são ensaios nos quais as amostras são submetidas a uma força em área específica até atingir a tensão de ruptura do material, ocasionado uma trinca, deformação ou quebra. As Figura 12 e Figura 13 apresentam os resultados desta propriedade mecânica. Observa-se destas figuras que a mesma massa cerâmica apresenta maior resistência mecânica quando queimada à maiores temperaturas. Observa-se da Figura 13 que nos blocos queimados a temperatura de 1050 C obteve-se um valor 74,42% maior que na temperatura 850 C, não sendo realizado ensaios a 1050 C das barras na Figura 12 devido à deformações dos corpos de prova. Figura 12 - Barras maciças: Modulo de ruptura a reflexão (MRF) x Temperatura de queima ( C)

11 Figura 13 - Blocos estruturais de oito furos: Resistência a Compressão (MPa) x Temperatura de queima ( C). CONCLUSÃO Os resultados obtidos após os ensaios foram compatíveis com o esperado, no qual o aumento da temperatura de queima das amostras cerâmicas resulta em acréscimo considerável das propriedades físicas e mecânicas. Porém, a compactação elevada das amostras pode reduzir significativamente a aberturas dos poros, dificultando a saída dos gases durante o processo de queima principalmente em temperaturas elevadas, ocasionado trincas e deformações que inviabilizariam sua utilização na indústria sob tais condições de pressão de compactação/temperatura de queima. REFERÊNCIAS [1]. ANDRADE, Jean Carlos Silva. Apostila Formulação de Massas Cerâmicas Curso Técnico de Ensino Médio em Cerâmica (2015.1). UFRN/EAJ PRONATEC, Natal/RN p. [2]. MORAES, M.L.V.N. (2007). Aproveitamento de resíduo de beneficiamento do caulim na produção de porcelanato cerâmico. Tese (Doutorado), Universidade Federal do Rio Grande do Norte. [3]. OLIVEIRA, L. T., FERREIRA, C. C., CÁCERES, G. R., MENDONÇA, G. C., & NUNES, F. M. (2016). Estudo da contração linear de queima de produtos cerâmicos tradicionais produzidos por extrusão e prensagem. Anais do Salão Internacional de Ensino, Pesquisa e Extensão, 7(2). [4]. ALMEIDA, R. R., SANTANA, L. N. L., FERREIRA, H. S., NEVES, G. A., & FERREIRA, H. C. (2007). Utilização do resíduo do beneficiamento do caulim na produção de blocos e telhas cerâmicos. Revista Matéria, 12(1),

12 SAMPLES OF MANUFACTURE CERAMIC LABORATORY BY EXTRUSION AND ANALYSIS OF PHYSICAL AND MECHANICAL PROPERTIES OF BRICKS HOLLOW AND COMPACT MASSIVE ABSTRACT The work deals with the physical and mechanical properties of ceramic samples made by extrusion in the laboratory using ceramic mass of an industry in the city of Itajá / RN in the ratio 2: 1 ie two parts of little plastic clay to a piece of plastic clay. Assays were performed aiming meet its mechanical strength and the results obtained after sintering showed that the higher the firing temperature is mechanical strength. However, compression of the samples in high pressure hindered the realization of some tests the solid bars the temperature 1050 C due to not release gases on burning. Key-words: extrusion, ceramic mass, physical and mechanical properties