INFLUÊNCIA DA PRESSÃO DE COMPATAÇÃO NAS PROPRIEDADES DE ROCHAS ARTIFICIAIS PRODUZIDAS COM RESIDUO DE MÁRMORE CALCITA E UM POLIÉSTER INSATURADO

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1 INFLUÊNCIA DA PRESSÃO DE COMPATAÇÃO NAS PROPRIEDADES DE ROCHAS ARTIFICIAIS PRODUZIDAS COM RESIDUO DE MÁRMORE CALCITA E UM POLIÉSTER INSATURADO C.E.G. Ribeiro (a), R.J.S. Rodriguez (b) Rod. BR 482, Cachoeiro x Alegre - Km 6,5 - Morro Grande - Cx. Postal 727, Cep cribeiro@ifes.edu.br a IFES - Instituto Federal do Espirito Santo Campus Cachoeiro de Itapemirim Coordenadoria de Engenharia Mecânica b UENF Universidade Estadual do Norte Fluminense Laboratório de Materiais Avançados RESUMO Rochas artificiais são produtos amplamente utilizados na construção civil em todo o mundo, e a demanda esperada para os próximos anos é crescente. O presente trabalho compara os índices físicos e as propriedades mecânicas de rochas artificiais produzidas com um poliéster insaturado e partículas de mármore Calcita. Foram utilizadas pressões de 1 e 10 MPa, apresentando ligeiras alterações nos resultados, em sua maioria, sem significância estatística. Os resultados apontam que o uso de pressões de compactação maiores que 1 MPa (e menores ou iguais a 10 MPa) podem não ser efetivas na alteração das propriedades do material, representando um dispêndio desnecessário de energia em sua produção. Palavras chave: rochas artificiais, materiais compósitos, rochas ornamentais INTRODUÇÃO Rochas artificiais compactas (RAC) são materiais compostos por um alto teor de agregados naturais, sendo amplamente utilizados na construção civil. Essa classe de rochas artificiais têm tido uma demanda crescente em todo o mundo. Espera-se, para o mercado norte americano, um aumento de 8,2% na demanda por estes produtos entre 2011 e No caso do Brasil, dados da Associação Brasileira da Indústria de Rochas Ornamentais, ABIROCHAS, indicam um crescimento considerável na demanda nacional ao longo dos anos (1,2). 2334

2 Apesar da tecnologia para a produção de rochas artificiais estar disponível há várias décadas, encontram-se poucas publicações sobre o tema e, pouco se sabe sobre as influências das variáveis de processo nas propriedades destes materiais. O presente estudo tem como objetivo avaliar a influência da pressão de compactação utilizada na produção das placas sobre as propriedades físicas e mecânicas destes materiais. MATERIAIS E MÉTODOS Resina poliéster Para a produção das placas, foi utilizado um poliéster insaturado ortoftálico (PO) de média viscosidade, transparente, visando não afetar a coloração do material. O iniciador utilizado para cura do poliéster foi o peróxido de metil etil cetona (MEKP) em teor de 1% em relação ao peso da resina. Partículas de mármore As partículas de mármore utilizadas foram do material comercial denominado Calcita (MC), extraído e comercializado pela empresa POLITA, localizada no município de Cachoeiro de Itapemirim, ES, Brasil. O material foi coletado na forma de aparas de blocos, denominadas casqueiros, provenientes do processo do desdobramento do bloco em placas. O material coletado foi britado com o auxilio de um britador de mandíbulas e separado, por peneiramento à seco, em três faixas granulométricas. As partículas denominadas GROSSAS apresentam granulometria entre 2,00 e 0,71 mm, as partículas denominadas MÉDIAS entre 0,71 e 0,06 mm, e as partículas denominadas FINAS abaixo de 0,06 mm. Produção das placas Para avaliar as propriedades mecânicas e físicas das RAC, foram produzidas duas composições, com variação na pressão de compactação aplicada. Foram utilizadas as pressões de compactação de 1 e 10 MPa, e as composições denominadas RAC 1 e RAC 10, respectivamente. 2335

3 As placas foram produzidas com teor de 15% em peso de PO e 85% em peso de MC. Do total de carga mineral utilizada, 45% em peso correspondiam à faixa granulométrica GROSSA, 30% em peso à faixa MÉDIA e 25% em peso à faixa FINA. A composição granulométrica e o teor de resina foram baseados em estudos apresentados por Ribeiro e colaboradores (3,4), no qual foram utilizados o mesmo tipo de carga mineral e resina. Para a produção das placas, a carga mineral, previamente britada, classificada, seca e pesada, foi colocada no interior de um misturador planetário que teve sua câmara fechada e evacuada (100 mmhg). A resina poliéster, já pesada e misturada ao iniciador, foi então sugada para dentro do misturador durante o processamento da mistura. Após a mistura, a massa foi transferida, ainda sob vácuo, para a cavidade de um molde feito em aço, medindo aproximadamente 100 x 100 mm. O molde foi então submetido à vibração para que a massa pudesse se espalhar em sua cavidade. Após o espalhamento da massa no molde, este foi desconectado do misturador e a massa prensada à 90ºC por 20 minutos, a fim de promover a cura do polímero. Determinação dos índices físicos Densidade, porosidade aparente e absorção de água, foram determinadas para as RAC 1, RAC 10 e para o MC. Doze corpos de prova de cada material (cubos com aresta aproximada de 30 mm) foram secos em estufa e imersos em água. As massas: seca, saturada e suspensa, foram determinadas para cada corpo de prova. Os tempos de imersão e cálculos foram realizados conforme orientações da norma ABNT NBR :2010 (5). Determinação das propriedades mecânicas Para determinação das propriedades mecânicas, foram avaliadas as tensões de ruptura e os módulos elásticos, sob esforços de flexão em três pontos, para as RAC 1, RAC 10, MC e PO. Os ensaios foram realizados em máquina de ensaios universal da marca EMIC, modelo DL Foi utilizada uma célula de carga com capacidade para 10 KN. 2336

4 Para os ensaios de flexão foram utilizados 12 corpos de prova de cada material. As dimensões dos corpos de prova e a taxa de carregamento utilizada tiveram como base orientações da norma ABNT NBR :2010 (5). As tensões de ruptura em flexão e os módulos de elasticidade foram calculados, para cada material, como sendo a média aritmética entre os valores obtidos para cada corpo de prova. RESULTADOS E DISCUSSÃO Índices físicos Os valores obtidos para a densidade, absorção de água e porosidade aparente das composições de RAC e para o MC, são apresentados na Tab. 1. Tab. 1. Intervalo de confiança (95%) para a densidade, absorção de água e porosidade aparente do MC e das RAC 1 e RAC 10 Material Densidade (g/cm3) Absorção de água (%) Porosidade aparente (%) MC 2,79 + 0,03 0,11 + 0,01 0,32 + 0,03 RAC 1 2,35 + 0,01 0,39 + 0,10 0,93 + 0,23 RAC 10 2,37 + 0,01 0,42 + 0,10 0,98 + 0,25 Podemos observar, a partir dos valores médios apresentados (Tab. 1), que o uso da pressão de compactação mais elevada, aponta para uma densidade maior, entretanto, ao observarmos os intervalos de confiança vemos que as densidades obtidas para RAC 1 e para RAC 10 não apresentam diferença com significância estatística. Da mesma forma que a densidade, os valores apresentados para a absorção de água e para a porosidade aparente, indicam que não existe diferença com significância estatística, entre os valores obtidos para as RAC 1 e RAC 10. Lee e colaboradores (6) apresentam um estudo com rochas artificiais produzidas utilizando diversas combinações de variáveis. Os autores obtiveram valores de 0,22 e 0,20% para a absorção de água de rochas artificiais produzidas com pressões de compactação de 4,9 e 9,8 MPa respectivamente. Nesse estudo foram utilizadas partículas de granito, o que de acordo com os autores é preferível ao mármore, uma vez que o granito apresenta uma menor absorção de água, o que justifica a menor absorção de água apresentada pelos autores 2337

5 Ribeiro e colaboradores (7,8) apresentam um valor de 2,27 g/cm 3 para a densidade de RACs produzidas com 85% de particulas de mármore, um valor significativamente inferior ao observado neste estudo. Uma vez que os autores utilizaram cargas minerais e resinas poliméricas semelhantes, esta diferença na densidade é associada aos processos de produção das placas, que não foram capazes de gerar placas com um bom adensamento das partículas. Para a absorção de água, Ribeiro e colaboradores (7) relatam o valor de 3,64%, um valor excessivamente elevado, atribuído ao uso de um solvente não reativo, que ao sair do material por evaporação, deixa vazios. Já em outro trabalho Ribeiro e colaboradores (8) relatam um valor de 0,67% para a absorção de água, apesar significativamente inferior à relatada no outro trabalho dos autores, ainda é cerca de 50% superior aos valores relatados nesta pesquisa. Neste caso, os autores atribuem a alta absorção de água encontrada ao aprisionamento de bolhas de ar durante a etapa de transferência do misturador para o molde. Propriedades mecânicas Os intervalos de confiança (95%) para as propriedades mecânicas, obtidas na avaliação das composições RAC 1 e RAC 10, estão sumarizadas na Tab. 2 e apresentadas nas Fig. 1 e 2. Para a tensão de ruptura em flexão observa-se que a rocha artificial produzida apresentou uma tensão de ruptura cerca de cinco vezes menor que a do poliéster insaturado utilizado, entretanto, cerca de três vezes maior que a do mármore calcita. De acordo com Gunduz (9), teores excessivos de pós de enchimento causam decréscimo na tensão de ruptura em flexão dos poliésteres insaturados. Tab. 2 Valores obtidos para as propriedades mecânicas dos materiais: PO, MC, RAC 1 e RAC 10 Tensão de ruptura em Módulo elástico em Composição flexão (MPa) flexão (GPa) PO 95,32 + 8,79 2,14 + 0,24 MC 6,74 + 1,17 4,73 + 0,63 RAC 1 17,70 + 2,10 8,51 + 0,86 RAC 10 18,38 + 2,74 9,67 + 1,

6 Módulo de Elasticidade em Flexão (GPa) Tensão de Ruptura em Flexão (MPa) 21º CBECIMAT - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais Comparando o módulo elástico obtido para as rochas artificiais RAC1 e RAC10, com os valores obtidos para as matérias primas, podemos observar que o compósito apresentou um módulo consideravelmente superior ao de suas matérias primas. Intervalo de Confiança para a Média (95%) PO MC RAC1 RAC10 Fig. 1 Tensão de ruptura em flexão dos materiais: PO, MC, RAC 1 e RAC 10 O conceito básico diz que o comportamento do compósito deve estar em algum lugar entre o comportamento de suas fases constituintes, como previsto pela regra das misturas, entretanto, para as rochas artificiais produzidas, uma interação benéfica entre as fases deu origem a materiais com módulos elásticos maiores que os esperados. A alta resistência do poliéster deu origem a contornos de grão com uma resistência muito superior à encontrada no mármore natural, enquanto que, as partículas de mármore, aumentaram significativamente a rigidez do poliéster insaturado Observando os intervalos de confiança, vemos que não há diferença estatisticamente significativa entre os valores de tensão de ruptura e do módulo elástico obtido para as RAC 1 e RAC 10. Intervalo de Confiança para a Média (95%) PO MC RAC1 RAC10 Fig. 2 Módulo elástico em flexão dos materiais: PO, MC, RAC 1 e RAC

7 Borsellino, Calabrese e Di Bella (10) apresentam um valor de 16,6 MPa para a tensão de ruptura em flexão e de 9,1 GPa para o módulo elástico de um mármore compósito com 80% em peso de partículas de um mármore calcítico. O material apresentado pelos autores foi produzido sem a utilização de vácuo, apresentando grandes vazios. Com um teor de resina maior, maiores valores para a resistência à flexão eram esperados para o compósito de Borsellino e colaboradores, entretanto, a grande porosidade foi causadora de menores valores para as propriedades em flexão. Ribeiro e colaboradores (7) apresentam o valor de 9,2 MPa para a tensão de ruptura em flexão. Partículas de mármore, um poliéster ortoftálico e o processo de moldagem por transferência de resina foram utilizados. Os baixos valores apresentados no estudo de Ribeiro e colaboradores são conseqüência de uma matriz altamente porosa causada pela adição de um solvente não reativo. Ribeiro e colaboradores (8) apresentam estudo em que utilizam partículas de mármore, um poliéster insaturado ortoftálico e o processo de vibro compressão a vácuo. Uma tensão de 15 MPa é apresentada para a resistência a flexão em três pontos, valor próximos aos encontrados neste estudo. Além disso, um módulo elástico superior ao das matérias primas foi observado nos testes em flexão, assim como observado neste estudo. CONCLUSÃO A partir das observações e resultados relatados acima podemos concluir que a composição que utilizou 10 MPa como pressão de compactação em sua produção apresentou comportamento similar ao da composição que utilizou uma pressão de compactação de 1 MPa, indicando que um aumento da pressão de compactação neste nível não é efetiva na melhoria da resistência à flexão e no aumento do módulo elástico das rochas artificiais produzidas com partículas de mármore calcita e poliéster insaturado, assim, o uso de uma tensão de compactação de 10 MPa promoverá um consumo energético desnecessário. REFERÊNCIAS 1. Woodworking network, US Demand for Cast Polymers to Reach 251 Million Sq. Ft. in em 04/09/

8 2. ABIROCHAS, Informe 09/ Balanço das Exportações e Importações Brasileiras de Rochas Ornamentais no 1º Semestre de Associação Brasileira da Indústria de Rochas Ornamentais. 3. RIBEIRO, C.E.G.; RODRIGUEZ, R.J.S.; VIEIRA, C.M.F. Determination of apparent dry density for ternary mixture of crushed marble waste. In: Yurko, J.; Zhang, L.; Allanore, A.; Wang, C.; Spangenberger, J.S.; Kirchain, R.E.; Downey, J.P. e May, L.D. (Ed.) EPD Congress 2014, John Wiley & Sons: Hoboken, NJ, USA, p RIBEIRO, C.E.G.; RODRIGUEZ, R.J.S.; VIEIRA, C.M.F. Production of Ornamental Compound Marble with Marble Waste and Unsaturated Polyester. In: Yurko, J.; Zhang, L.; Allanore, A.; Wang, C.; Spangenberger, J.S.; Kirchain, R.E.; Downey, J.P. e May, L.D. (Ed.) EPD Congress 2014, John Wiley & Sons: Hoboken, NJ, USA, p ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS, Rochas para revestimento: método de ensaio NBR Rio de Janeiro. 6. LEE, M.Y., KO, C.H., CHANG, F.C., LO, S.L., LIN, J.D., SHAN, M.Y., LEE, J.C. Artificial stone slab production using waste glass, stone fragments and vacuum vibratory compaction. Cement & Concrete Composites, v. 30, p , RIBEIRO, C.E.G; RODRIGUEZ, R.J.S.; VIEIRA, C.M.F; CARVALHO, E.A.; CÂNDIDO, V.S.; MONTEIRO, S.N. Fabrication of artificial stone from marble residue by resin transfer molding. Materials Sc. Forum, v , p , RIBEIRO, C.E.G; RODRIGUEZ, R.J.S.; VIEIRA, C.M.F; CARVALHO, E.A.; CÂNDIDO, V.S.; MONTEIRO, S.N. Production of synthetic ornamental marble as a marble waste added polyester composite. Materials Sc. Forum, v , p , GÜNDÜZ, G. Processing of Unsaturated Polyesters, In: Cheremisinoff, N.P. (Ed.), Advanced Polymer Processing Operations, William Andrew Publishing, Westwood, NJ, p BORSELLINO, C.; CALABRESE, L.; DI BELLA, G. Effects of powder concentration and type of resin on the performance of marble composite structures. Construction & Building Materials, v. 23, p , INFLUENCE OF COMPACTION PRESSURE IN MECHANICAL PROPERTIES OF ARTIFICIAL STONES PRODUCED WITH CALCITA MARBLE AND AN UNSATURATED POLYESTER ABSTRACT Artificial Stones are widely used in building constructions around the world, and the expected demand for these materials to the next years it's growing. This work compares physical and mechanical properties of artificial stones produced with an unsaturated polyester resin and marble calcite particles. Were used 1 and 10 MPa as compaction pressures, presenting little changes in presented results, mostly, without statistical significance. Results pointing that pressures greater than 1 MPa (and smaller than 10 MPa) should not be effective in changing the material properties, representing an unnecessary power consumption in your production. Key-words: artificial Stones, composite materials, ornamental stones 2341