Materiais Cerâmicos INTRODUÇÃO. Materiais Naturais e Artificiais

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1 Materiais Cerâmicos INTRODUÇÃO A história dos cerâmicos se funde com a história do homem e se torna objeto de documentação e identificação das sociedades antigas revelando a sua evolução, cultura, crenças e comportamentos. De acordo com a palavra grega keramos, cerâmica quer dizer coisa queimada, termo que no dia a dia é usualmente aplicado para designar revestimentos em forma de placas ou pastilhas aplicados nas fachadas e pisos de nossas casas ou ao bonito vaso de flores que enfeita a mesa de jantar. As cerâmicas são obtidas a partir de uma massa a base de argila, submetida a um processo de secagem lenta e, após a retirada de grande parte da água, cozida em temperaturas elevadas. Um dos critérios mais tradicionais para a classificação das cerâmicas é a cor da massa, que pode ser branca ou vermelha. As cerâmicas vermelhas, o objeto deste capítulo, são provenientes de argilas sedimentares, com altos teores de compostos de ferro, responsáveis pela cor avermelhada após a queima. A argila como material de construção começou a ser utilizada pela sua abundância, pelo custo reduzido e por ser um material que, na presença de água, pode ser moldado facilmente, secando e endurecendo na presença de calor. Além disso, o uso dos produtos cerâmicos produzidos a partir do cozimento das argilas surgiu da necessidade de um material similar às rochas, nos locais onde havia escassez das mesmas. ARGILAS PARA CERÂMICA VERMELHA: As cerâmicas são obtidas a partir do tratamento térmico de materiais inorgânicos, não metálicos, em temperaturas elevadas. No caso da cerâmica vermelha, a matéria prima utilizada para a fabricação é a argila. A argila é um material natural, terroso, de baixa granulometria (com elevado teor de particulas com diâmetro inferior a 2µm), que apresenta plasticidade quando misturado com quantidades adequadas de água. As argilas são provenientes da decomposição de rochas. São constituídas por argilominerais, podendo conter outros minerais como quartzo, felsdpato, mica, pirita e hematita, além de matéria orgânica e outras impurezas. A argila apresenta algumas características que explicam o seu comportamento como material de construção. Entre as principais podemos destacar as citadas por Silva (1985) e Petrucci (1975): Plasticidade: um material possui plasticidade quando se deforma sob a ação de uma força e mantém essa deformação após cessada a força que a originou. A plasticidade das argilas é função da quantidade de água presente no material. De acordo com Silva (1985), quanto mais água, até certo ponto, maior a plasticidade da argila e a partir desse ponto, se for adicionada mais água, a argila se torna um líquido viscoso. Quanto mais pura a argila, mais plástica é a sua mistura com água e quanto maior a temperatura, menor a plasticidade, porque a quantidade de água é reduzida. 1 P á g i n a

2 Ação do calor: nas argilas, a ação do calor pode ocasionar variação na densidade, porosidade, dureza, resistência, plasticidade, textura, condutibilidade térmica, desidratação e formação de novos compostos. As argilas cauliníticas perdem pouca água em temperaturas inferiores a 400 C, mas acima desta temperatura perdem água de constituição (água combinada quimicamente), modificando sua estrutura. As argilas em que predomina a montmorilonita perdem quase toda a água a 150 C e as micáceas a 100ºC, sendo que ambas começam a perder água de constituição a partir de 400 C. Retração e dilatação: De acordo com Silva (1985) a caulinita se dilata de modo regular, perdendo água de amassamento de 0 C a 500 C e contrai-se em temperaturas de 500 C a C. As argilas micáceas dilatam-se progressivamente até 870 C, contraindo-se em seguida. Porosidade: é a relação entre o volume de poros e o volume total de material. Quanto maior a porosidade maior a absorção de água e menor a massa específica, a condutibilidade térmica, a resistência mecânica e a resistência à abrasão. Quanto maior a comunicação entre os poros, maior é a permeabilidade, ou seja, a facilidade de líquidos e gases de circularem pelo material. A porosidade das argilas depende dos seus constituintes, da forma, tamanho e posição das partículas (argilas de grãos grossos são mais permeáveis que as de grãos finos) e dos processos de fabricação. Composição e Impurezas: alguns constituintes presentes nas argilas podem melhorar suas propriedades, enquanto alguns podem ocasionar defeitos aos produtos. Compostos de sílica e de alumínio fazem parte da constituição principal das argilas. A sílica pode estar presente de maneira livre ou combinada. Quando livre, segundo Silva (1985) aumenta a brancura do produto cozido, diminui a plasticidade, reduz a retração, diminui a resistência à tração e à variação de temperatura e causa variações na refratariedade. Os compostos de alumínio diminuem o ponto de fusão e a plasticidade e aumentam a resistência, a densidade e a impenetrabilidade do produto cozido. Compostos alcalinos e de ferro diminuem a plasticidade e a refratariedade, sendo que o último dá cor vermelha ao material. Compostos cálcicos desprendem calor e aumentam de volume, podendo ocasionar rompimento da peça. A fim de eliminar ou reduzir as impurezas, a argila pode passar por processos de purificação. Esses processos podem ser de natureza física como uma lavagem ou peneiramento e de natureza química, que envolvem modificação na temperatura, combinação entre alguns compostos e inibição da atividade de outros. CLASSIFICAÇÃO QUANTO A GEOLOGIA Argilas residuais -- São assim denominadas porque são formadas no mesmo local da rocha que lhe deu origem. O principal agente formador destas argilas é a água subterrânea que percola a rocha, provocando reações químicas que vão desgastando a rocha. A pureza da argila residual depende da natureza da rocha que lhe deu origem, da quantidade de impurezas removidas, etc. Argilas sedimentares -- Estas argilas são provenientes de materiais transportados por ações naturais: ventos, chuvas, ações glaciais, etc. 2 P á g i n a

3 CLASSIFICAÇÃO QUANTO A ESTRUTURA DO MATERIAL Caulinita -- são as argilas consideradas mais puras. Utilizadas na fabricação de porcelanas, materiais refratários e em cerâmicas sanitárias. Montmorilonita --por ser um material muito absorvente é pouco utilizada sozinha. É aplicada em misturas às caulinitas para corrigir a plasticidade. Micáceas -- utilizadas na fabricação de tijolos. CLASSIFICAÇÃO QUANTO A APLICAÇÃO Fusíveis -- são aquelas que se deformam a temperaturas menores de 1200ºC. Utilizadas na fabricação de tijolos e telhas, grés, cimento, materiais sanitários. Infusíveis -- resistentes a temperaturas elevadas. Utilizadas para a fabricação de porcelanas. Refratárias -- não deformam a temperaturas da ordem de 1500 C e possuem baixa condutibilidade térmica, sendo utilizadas para aplicações onde o material deva resistir ao calor, como na construção e revestimentos de fornos. FABRICAÇÃO DE COMPONENTES DE CERÂMICA VERMELHA O processo de fabricação de componentes de cerâmica vermelha (Figura 1) pode ser dividido entre as etapas de preparação da massa, moldagem, secagem, queima e resfriamento da cerâmica. PREPARAÇÃO DA MASSA Extração da argila Sazonamento Mistura Homogeneização Extrusão CONFORMAÇÃO Prensagem Natural SECAGEM Artificial QUEIMA até a temperatura especificada RESFRIAMENTO Figura 1 - Diagrama esquemático do processo de fabricação de componentes de cerâmica vermelha De acordo com Kazmierczak (2008), a definição do local de extração das argilas para a fabricação de componentes de cerâmica vermelha deve ser realizada em função do tipo de componente a ser fabricado. Os principais fatores a serem considerados são: a composição da jazida (tipos de argilominerais existentes e pureza da jazida), a quantidade de argila disponível e os custos do transporte até a cerâmica. A extração da argila, normalmente, é realizada com o auxilio de retroescavadeiras, pás carregadeiras ou tratores esteiras, e o transporte até o depósito é feito em caminhão basculante. Preparação da massa Tem como objetivos adequar a dimensão dos grãos ao processo de moldagem a que será submetida, aumentar sua reatividade e reduzir o teor de impurezas existentes. 3 P á g i n a

4 Moldagem A moldagem ou conformação das peças pode ser realizada por extrusão ou por prensagem. O processo de extrusão é o mais comum na fabricação de tijolos e blocos, enquanto a prensagem é utilizada para telhas. Na moldagem por extrusão (Figura 2), a massa deve ser moída por via úmida. Os valores usuais de umidade estão entre 20% e 30%. Nesse processo, o equipamento usado é a maromba à vácuo, que tem as funções de retirar o excesso de ar existente na massa cerâmica e conformá-la por meio da passagem por uma boquilha, que funciona como molde para a cerâmica. O bloco de argila extrudido é contínuo e deve ser cortado nas dimensões previstas para o tipo de componente que está sendo fabricado. Figura 2 - Extrusão de bloco cerâmico em maromba Secagem As argilas utilizadas na fabricação de cerâmica vermelha possuem, usualmente, um teor elevado de umidade, necessário para viabilizar a moldagem. Esse teor de água deve ser retirado lentamente do componente cerâmico, de modo a impedir o aparecimento de deformações ou fissuras. A velocidade de secagem é influenciada pela temperatura, pela umidade e direção de incidência do ar sobre o componente moldado, pela forma do componente e também pela granulometria (argilas mais finas apresentam uma secagem lenta) e composição mineralógica da argila. A secagem pode ser realizada por meio de dois processos: secagem natural - por meio de estocagem dos componentes extrudados em prateleiras, em local protegido da chuva, expostos ao ar ambiente, por um período entre 10 e 30 dias (depende das condições ambientais); secagem artificial - é realizada em estufas ou em câmaras de alvenaria onde se aproveita o calor do forno. Pode ser realizada por processo contínuo (secadores de câmaras paralelas ou tipo túnel) ou intermitente (por batelada). Em geral, sua duração é inferior a 3 dias. 4 P á g i n a

5 Queima O aquecimento da argila gera alterações físico-químicas irreversíveis, que resultam em mudanças nas suas propriedades. A velocidade de acréscimo de temperatura deve ser especificada de modo a permitir a saída da água de forma gradual, sem a geração de deformações excessivas por contração. Na fabricação de blocos e tijolos de cerâmica vermelha, a temperatura máxima atingida fica na ordem de 800 C a 1100 C. Na medida em que a temperatura se eleva, há uma constante mudança de cor da argila, que se torna rósea e, posteriormente, escurece, passando por tons de marrom e podendo chegar até a cor preta, quando submetida a temperaturas muito elevadas. A cor da cerâmica é, muitas vezes, um requisito especificado pelo mercado, o que exige que o fabricante selecione a composição da argila (em especial, a quantidade de óxidos de ferro) e o ciclo de queima de modo a obter, simultaneamente, a cor e as propriedades físicas e mecânicas necessárias para o componente cerâmico. COMPONENTES DE CERÂMICA VERMELHA Os principais componentes de cerâmica vermelha são os tijolos maciços, os blocos cerâmicos, as telhas, os tubos cerâmicos, as tavelas e os elementos vazados. Componentes utilizados para a construção de alvenarias Os tijolos maciços são componentes que possuem forma paralepipédica, podendo apresentar rebaixos de fabricação em uma das faces de maior área. São classificados em duas categorias: tijolos maciços comuns e especiais. Os tijolos maciços devem possuir dimensões nominais de 19x9x5,7 cm ou de 19x9x9 cm. Tijolos fabricados sob formas e dimensões nominais diversas das especificadas para os tijolos comuns são denominados, segundo a NBR 7170 (ABNT, 1983), tijolos especiais. De modo geral, os tijolos maciços apresentam: Resistência à compressão entre 1,5 MPa e 20 MPa; Possuem elevada absorção de água (15% e 25%), e; Facilidade de corte. Normalmente são vendidos em milheiro. Segundo a NBR 7170, os tijolos comuns são de uso corrente e podem ser classificados em A, B e C, conforme sua resistência à compressão: Tabela 1 -Categorização de tijolos maciços comuns, em função da resistência à compressão - NBR 7170 (ABNT, 1983). Categoria Resistência à Compressão (MPa) A 1,5 B 2,5 C 4,0 Os blocos cerâmicos (Figura 3) são produzidos em diversas formas e possuem furos paralelos a uma de suas faces. A normalização classifica os blocos cerâmicos em duas categorias: blocos de vedação e blocos estruturais. O bloco cerâmico para alvenaria de vedação tem a função de suportar o peso próprio da alvenaria da qual faz parte. Pode ser produzido com furos no sentido vertical ou horizontal. O bloco cerâmico para 5 P á g i n a

6 alvenaria estrutural tem a função de suportar as cargas previstas em uma alvenaria estrutural (não armada, armada ou protendida), e seus furos são posicionados no sentido vertical. A normalização brasileira classifica os blocos estruturais em três categorias: blocos com paredes vazadas, blocos com paredes maciças e blocos perfurados. (a) Vedação com furos na horizontal (b) Vedação com furos na vertical (c) Estrutural com paredes maciças (d) Estrutural com paredes vazadas (e) Estrutural perfurado Figura 3 - Blocos cerâmicos utilizados para a construção de alvenarias Os blocos cerâmicos podem ser fabricados em diversas dimensões, havendo uma tendência à modularidade. As principais dimensões de fabricação especificadas pela NBR (ABNT, 2005) são citadas na Tabela 2. Para cada dimensão de bloco principal, também são produzidos meio blocos, necessários para compor as extremidades (cantos) de paredes. Largura (cm) 9 11,5 Tabela 2 -Dimensões de fabricação de blocos cerâmicos - NBR (ABNT, 2005). Altura (cm) Comprimento do bloco principal (cm) Comprimento do ½ bloco (cm) 9 19 ou 24 9 ou 11, ou 24 ou 29 9 ou 11,5 ou ou 24 ou 29 ou 39 9 ou 11,5 ou 14 ou 19 11, , , ou 24 ou 29 9 ou 11,5 ou 14 ou ou 24 ou 29 ou 39 9 ou 11,5 ou 14 ou ou 24 ou 29 ou 39 9 ou 11,5 ou 14 ou ou 29 ou 39 11,5 ou 14 ou 19 Os blocos cerâmicos devem apresentar resistência à compressão superior às especificadas na Tabela 3. Tabela 3 -Categorização de tijolos maciços comuns, em função da resistência à compressão - NBR 7170 (ABNT, 1983). Tipo de bloco Resistência à Compressão (MPa) Blocos de vedação utilizados com furos na horizontal 1,5 Blocos de vedação utilizados com furos na vertical 3,0 Blocos estruturais 3,0 As principais propriedades exigidas para tijolos e blocos são relacionadas a seguir: resistência à compressão compatível com as exigências de projeto; dimensões adequadas para o levantamento da alvenaria; permeabilidade compatível com as condições de exposição a que a alvenaria está submetida; variação volumétrica (em função de gradientes de temperatura e de umidade); características de superfície e distribuição dos poros compatível com a argamassa a ser utilizada para o assentamento e/ou revestimento da alvenaria. 6 P á g i n a

7 Telhas cerâmicas As telhas cerâmicas são componentes que, em conjunto com componentes acessórios, são utilizados para a construção de telhados. As argilas mais utilizadas na fabricação de telhas cerâmicas são dos tipos ilita e montmorilonita, sendo necessária um seleção criteriosa da mistura de argilas que irão compor a massa, em função do tipo de telha a ser fabricada. A primeira etapa da fabricação das telhas consiste na extrusão da argila, numa umidade entre 20% e 25%, formando um bastão que é cortado nas dimensões adequadas para a fabricação da telha. A argila cortada é submetida à prensagem, em fôrmas que lhe conferem a forma da telha em fabricação. Após o processo de secagem, são queimadas em temperaturas entre 900 C e 1100 C. Algumas ainda podem ser submetidas à esmaltação, num processo similar ao utilizado na fabricação de peças cerâmicas de revestimento, que lhes confere maior impermeabilidade e brilho. Segundo a NBR (ABNT, 2005), a classificação dos tipos de telhas (Figura 4) é função de suas características geométricas e do tipo de fixação, havendo quatro tipos: (a) Plana de encaixe (b) Composta de encaixe (c) Simples de sobreposição (d) Planas de sobreposição Figura 4 - Tipos de telhas, segundo a NBR (ABNT, 2005) Uma das principais exigências para um telhado é que não permita a passagem de água, quando submetido à ação concomitante de chuva e vento. Além de atenderem à exigência de impermeabilidade, as telhas devem apresentar retilineidade e planidade, sem as quais ocorrerão problemas de encaixe, que podem comprometer o desempenho do telhado. A absorção de água deve ser pequena, de modo a impedir a passagem de água pelo corpo da telha após longos períodos de exposição à chuva. A massa da telha é outro parâmetro importante, pois a carga a que a estrutura do telhado estará submetida é diretamente proporcional a essa propriedade. Além das propriedades citadas, as telha ainda devem não só apresentar resistência compatível com os esforços decorrentes das atividades de transporte e de montagem do telhado, como também resistir ao trânsito eventual de pessoas sobre o telhado, após sua execução. Tabela 4 - Cargas de ruptura para telhas cerâmicas Tipo de telha Exemplos Carga de ruptura a flexão (N), em ensaio de três pontos Plana de encaixe Telha francesa 1000 Composta de encaixe Telha romana 1300 Simples de sobreposição Telha capa e canal colonial Telha plana Telha paulista 1000 Telha piauí Plana de sobreposição Telha alemã P á g i n a

8 Materiais cerâmicos para acabamentos O revestimento cerâmico constitui-se de um sistema em que a qualidade de seu funcionamento depende basicamente: a) da qualidade da base ou substrato; b) da qualidade do chapisco; c) da qualidade da placa em função do local de uso; d) da correta especificação de todo sistema; e) do correto assentamento. Este último envolve: correta preparação e aplicação da argamassa de assentamento, correta especificação da argamassa de rejunte e mão-de-obra adequadamente treinada. Para um bom resultado, os cinco elementos devem manter níveis de qualidade mínimos exigidos em norma. A cerâmica para revestimento tem como atividade a produção de pisos, azulejos, representando, juntamente com a cerâmica estrutural vermelha (tijolos, telhas e outros refratários), as louças, a cal e o vidro, uma cadeia produtiva que compõe o complexo industrial de materiais de construção. A Figura 5 apresenta o diagrama dos processos de fabricação de diversos produtos para revestimentos cerâmicos. Atualmente, também existem empresas produzindo o porcelanato esmaltado. A produção do porcelanato ainda exige etapas adicionais de polimento (para os não esmaltados) e retificação de suas características dimensionais. Figura 5 - Esquema de fabricação de revestimentos cerâmicos 8 P á g i n a

9 CARACTERÍSTICAS DAS PLACAS CERÂMICAS Especificação Para a correta especificação dos revestimentos cerâmicos precisamos conhecer: Propriedades do material em função do local de uso. O clima ou variações de temperaturas a que o revestimento cerâmico será submetido. Local de uso, conforme o esquema da Figura 6. A correta especificação deve ser feita a partir da diferenciação entre as partes que compõem o revestimento cerâmico: base e superfície (esmaltada ou não), conforme Figura 7. Figura 6 - Esquema de escolha (aplicação conforme o uso) de revestimentos cerâmicos Figura 7 - Esquema de uma placa cerâmica. As especificações, em função do local de uso, devem começar pelas características da base (Fonte: Sichieri, 2003). Características geométricas A NBR (ABNT, 1997) estabelece as tolerâncias dimensionais das placas cerâmicas, bem como os desvios de forma, ou seja: a) Ortogonalidade - diz respeito ao esquadro da placa, ou seja, se os seus lados são perpendiculares e seus ângulos são retos; b) Curvatura central - corresponde à flecha vertical no centro de uma placa em relação a uma diagonal da placa. c) Curvatura lateral - corresponde à flecha vertical em relação a um lado da placa; d) Empeno - corresponde ao desvio de um vértice com relação ao plano definido pelos outros três vértices; e) Retitude dos lados - está relacionada à curvatura dos lados da placa, para dentro ou para fora. 9 P á g i n a

10 Características técnicas a) Absorção de água (Aa) - mede a porosidade da placa e classifica os produtos cerâmicos nos seguintes grupos: Tabela 5 - Classificação dos grupos em função da absorção de água Produtos prensados Produtos extrudados BIa: 0 a 0,5% AI: 3 % BIb: 0,5 a 3% AIIa: 3 a 6% BIIa: 3 a 6% AIIb: 6 a 10% BIIb: 6 a 10% AIII: 10% BIII: 10% -- A seguir, na Tabela 6, é apresentada a faixa de absorção de água em função da tipologia do produto - (classificação comercial): Tabela 6 - Classificação dos grupos em função da absorção de água Nomenclatura comercial Absorção (%) Porcelanato 0,5 Grés 0,5<abs 3 Semigrés 3<abs 6 Semiporoso 6<abs 10 Poroso 10 abs b) Resistência à abrasão - consiste na resistência ao desgaste superficial que placa cerâmica apresenta devido ao movimento de pessoas e objetos. No caso das placas esmaltadas, a avaliação é feita de acordo com a metodologia desenvolvida pelo Porcelain Enamel Institute (Instituto de Esmalte para Porcelana), cuja sigla é PEI. Na Tabela 7, são apresentados as classe de abrasão e os respectivos tipos de ambiente para placas esmaltadas. Tabela 7 - Classes de abrasão e tipos de ambientes para placas esmaltadas Classes de abrasão Nível de resistência Tipo de ambiente PEI-0 Baixíssima Paredes (desaconselhável para piso) PEI-1 Baixa Banheiros residenciais, quartos de dormir PEI-2 Média Ambientes sem portas para o exterior e banheiros PEI-3 PEI-4 PEI-5 Média alta Alta Altíssima e sem encardido Cozinhas residenciais, corredores, hall e sacadas residenciais Hotéis, showrooms, salões de vendas, ambientes públicos sem portas para fora Shoppings, aeroportos, passagens públicas, padarias e lanchonetes, ambientes públicos com porta para fora 10 P á g i n a

11 c) Resistência a manchas e ataques químicos - estão relacionadas ao comportamento da placa cerâmica, quando em contato com produtos químicos ou manchantes (sujeiras decorrentes do uso, e não o encardido referido acima), de não apresentar alteração na sua aparência. A NBR (ABNT, 1997) apresenta uma classificação em função da facilidade de remoção de manchas ou classes de limpabilidade, a saber na Tabela 8: Tabela 8 - Classes de limpabilidade Classes Facilidade de remoção 5 Máxima facilidade de remoção de mancha 4 Mancha removível com produto de limpeza fraco 3 Mancha removível com produto de limpeza forte 2 Mancha removível com ácido clorídrico, hidróxido de potássio e tricloroetileno 1 Impossibilidade de remoção de mancha d) Resistência ao choque térmico - refere-se a capacidade da placa cerâmica de resistir a variações de temperatura sem dano a sua estrutura. Como exemplo podemos citar locais como lareiras, churrasqueiras, fogões e demais situações que acarretam mudanças bruscas de temperatura que resultam na dilatação do conjunto e na saída sob pressão de água absorvida dos revestimentos cerâmicos no interior dos poros da placas. e) Resistência a gretagem - consiste em pequenas fissuras, com espessura aproximada de um fio de cabelo, que ocorre no esmalte da placa cerâmica, com formato variável, espiral, circular ou teia de aranha, que pode ser causada por uma elevada expansão de umidade. f) Coeficiente de atrito - essa especificação leva em consideração a segurança do usuário ao andar sobre a superfície (Tabela 9). Tabela 9 - Coeficiente de atrito x uso - Classificação do Transport Road Research Laboratory (NBR 13818, 1997) Coeficiente de atrito Uso <0,4 Satisfatório para instalações normais e secas 0,4 Recomendado para uso onde requer resistências ao escorregamento g) Dureza - a resistência ao risco está associada à dureza da superfície da placa. Sujeira nos pés ou o arraste de móveis podem riscar os pisos. É importante frisar que todos os pisos riscam, em proporções diferentes. Todo produto liso e brilhante risca com areia (quartzo). Tabela 10 - Valores da dureza Mohs para diversos minerais 11 P á g i n a