AVALIAÇÃO DA DURABILIDADE DE MATERIAIS CERÂMICOS DA REGIÃO DE CAMPOS DOS GOYTACAZES

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1 1 AVALIAÇÃO DA DURABILIDADE DE MATERIAIS CERÂMICOS DA REGIÃO DE CAMPOS DOS GOYTACAZES Paulo César de Almeida Maia, D.Sc., UENF (P.C.A. Maia) Aline Dias Pinheiro, UENF (A. D. Pinheiro) Jonas Alexandre, D.Sc., UENF (J. Alexandre) Av. Alberto Lamego, 2000, Pq. Califórnia Campos dos Goytacazes RJ RESUMO Este trabalho tem por objetivo fazer a avaliação das transformações sofridas pelos materiais cerâmicos provocadas pela exposição aos agentes de alteração. Foram moldados corpos de prova por prensagem da argila em molde prismático e calcinados a 600ºC e 950ºC. Fez-se a alteração dos corpos de prova de forma acelerada no laboratório ou de forma natural no campo, utilizando-se diferentes tempos, ou intensidades, de alteração. Foram utilizados diferentes procedimentos de alteração no laboratório: lixiviação contínua e ciclagem de umidade. Fez-se a determinação dos seguintes parâmetros característicos dos materiais intacto e alterados: massa específica, absorção e resistência à flexão. Os resultados indicam a variações nas características devido aos processos de alteração das cerâmicas, permitindo uma previsão de comportamento do material a longo prazo. Palavras-Chave: Cerâmica vermelha, durabilidade, lixiviação, alteração. INTRODUÇÂO A Engenharia Civil emprega diferentes tipos de materiais de construção que, muitas vezes, ficam expostos ao meio e assim sujeitos às modificações de suas características pela exposição aos agentes de alteração. As modificações das características dos materiais de construção ocorrem de modo gradativo. No entanto, a

2 2 literatura indica que alterações rápidas podem provocar problemas construtivos ou, até mesmo, a ruptura de obras civis (1) (2) (3). Para a Construção Civil, pode-se considerar que os principais agentes de alteração são de ordem climática, destacando-se as variações de temperatura, umidade, precipitação pluviométrica e pressão atmosférica (7). Dentre os materiais utilizados na construção civil, destaque especial merecem os materiais cerâmicos que são, provavelmente, os mais utilizados. No entanto, devido aos procedimentos de fabricação e às características da matéria-prima, os materiais cerâmicos podem ser afetados significativamente pelos agentes de alteração, o que ocasiona freqüentes problemas construtivos (1). Dentre estes problemas destaca-se a desagregação que se caracteriza pela perda de resistência e pelo desgaste do material. É importante salientar que, devido as diferentes características da matéria prima, dos processos de produção e das condições do meio ambiente, o estudo da durabilidade de materiais cerâmicos tem aplicação adequada somente a nível regional. Deste modo, a análise da alteração e da alterabilidade e seus efeitos nas propriedades dos materiais cerâmicos são de extrema relevância na possível previsão do comportamento destes materiais a longo prazo. Assim, este trabalho tem como objetivo avaliar as transformações sofridas pelos materiais cerâmicos, provocadas pela exposição do material ao meio ambiente exogeno. Esta avaliação é feita quantificando-se os parâmetros dos materiais estudados com diferentes níveis de alteração. Neste sentido, existem várias metodologias indicadas na literatura para o estudo da durabilidade de materiais de construção (4) (5) (7). O presente trabalho utiliza uma metodologia simplificada sugerida por Maia et al., 2000 (8), na qual as características dos materiais intacto não-alterado e alterados de forma natural no campo ou de forma acelerada no laboratório são correlacionadas diretamente. MATERIAL DE ESTUDO O material utilizado consiste de um solo argiloso coletadas na Cerâmica Primeira, localizada em Campos dos Goytacazes, RJ. A amostragem do solo foi feita em pilhas de estoque constituídas de sobras da prensagem das telhas (Figura 1). Deste modo,

3 3 pode-se considerar as amostras representativas do material utilizado na confecção das telhas na Cerâmica. Figura 1 - Pilhas de estoque de sobras da prensagem de telhas na Cerâmica Primeira. Inicialmente, o solo foi seco, destorroado e quarteado, garantindo-se a homogeneização da granulométrica e de umidade. A Figura 2 mostra a granulometria do solo após homogeneização. Da granulometria e dos Limites de Atterberg (LL=51%, LP=24% e IP=27%), o solo é classificado com uma argila inorgânica de elevada plasticidade. Posteriormente, fez-se o peneiramento, descartando-se todo material retido na peneira com abertura nominal da malha de 0,84mm, ótima para a produção de cerâmicas vermelhas. MOLDAGEM E PREPARAÇÃO DOS CORPOS DE PROVA Para o estudo da durabilidade de materiais é fundamental que os corpos de prova sejam regulares e homogêneos (9). Para isto, a moldagem dos corpos de prova foi feita por prensagem do solo argiloso com umidade igual a 6%. A pressão de prensagem utilizada foi de 25 MPa. Após secagem com temperatura de 110ºC, os corpos de prova foram calcinados com temperaturas de 600ºC e 950ºC. Estas temperaturas correspondem às temperaturas de calcinação de tijolos e telhas, respectivamente, observadas nas cerâmicas da Região de Campos dos Goytacazes. A Figura 2 ilustra um corpo de provas após calcinação a 600ºC. Após moldagem, os corpos de prova foram alteradas de forma natural no campo e de forma acelerada no laboratório. No campo, a alteração foi feita pela exposição dos

4 4 corpos de prova aos agentes atmosféricos de alteração. Para isto, os corpos de prova foram dispostos em tabuleiros e levados ao campo. Uma vez por semana, os corpos de prova foram virados a fim de se promover uma alteração uniforme nas faces dos copos de prova. No laboratório, foram executados dois procedimentos de alteração: Porcentagem que Passa (%) ,001 argila 0,01 silte 0,1 media grossa areia 1 0,001 0,01 0,1 1 Diâmetro (mm) Figura 2 - Curva granulométrica do solo utilizado para moldagem dos corpos de prova Figura 2 - Corpo de prova após a calcinação a 600ºC. (i) por lixiviação contínua: os ensaios de lixiviação contínua são, provavelmente, os que melhor representam os mecanismos de alteração por carreamento de minerais constituintes dos materiais. O equipamento mais utilizado para ensaios de lixiviação contínua é o extrator Soxhlet. O equipamento Soxhlet permite submeter amostras de pequenos volumes a períodos controlados de variação de temperatura, de precipitação e de flutuação do nível da solução de lixiviação. O equipamento convencional é constituído por manta aquecedora, balão, tubo

5 5 extrator e tubo condensador (Figura 3). Dentro do balão coloca-se a solução de lixiviação. A manta aquece a solução e produz vapor que é conduzido ao topo do tubo extrator através do tubo condutor de vapor. O vapor é condensado no tubo condensador. No tubo extrator, a amostra é submetida a três diferentes condições de alteração. Na primeira, o material é submetido a variações de temperatura, enquanto é lavado continuamente pela solução condensada (Figura 3b). A solução que passa pelo primeiro trecho é acumulada no fundo do tubo extrator. Quando o nível da solução no tubo extrator atinge determinado ponto, ocorre o rebaixamento da solução de lixiviação através do sifão. A solução sifonada retorna para o balão. A segunda condição de alteração corresponde às variações do nível da solução de lixiviação (Figura 3b). A terceira condição é de submersão permanente (Figura 3b). A temperatura média da amostra durante o ensaio é da ordem de 80 C. O material permanentemente submerso (terceira condição) sofre níveis de alteração inferiores aos do material nas duas primeiras condições (5). Assim, o equipamento é adaptado para que não ocorra submersão permanente. Tubo condensador 40 cm 40 cm Entrada da água de resfriamento Tubo extrator Tubo condutor de vapor φint=10cm Saída da água de resfriamento 1 a condição: lavagem periódica 2 a condição: variação do nível da solução Sifão Balão 3 a condição: submersão permanente Manta aquecedora (a) equipamento (b) esquema construtivo Figura 3 - Equipamento Soxhlet convencional para ensaios de lixiviação contínua.

6 6 (ii) por ciclos de saturação e secagem: os ensaios de ciclos de saturação e secagem tentam reproduzir, no laboratório, a alteração do material provocada pelas variações da umidade e da temperatura do material no campo. O ensaio de saturação e secagem mais comum é o de saturação por submersão em água natural ou destilada seguido de secagem ao ar ou em estufa. No presente trabalho a submersão foi feita em água destilada a 21ºC e secagem em estufa a 110ºC. O tempo necessário para o umedecimento e para a secagem depende do material, podendo ser previamente definido através das curvas de variação de umidade com o tempo, obtidas a partir de ensaios de absorção e de secagem (7). Através destes ensaios determinou-se que os estados saturado e seco dos materiais cerâmicos estudados são alcançados para 10 horas de submersão ou secagem, respectivamente. Destaca-se que as condições de alteração no laboratório não são as mesmas as condições de alteração no campo. No entanto, resultados indicados na literatura mostram que os ensaios de lixiviação contínua e de saturação e secagem podem ser representativos das condições de alteração no campo (6) (4). PROGRAMA EXPERIMENTAL O programa experimental consiste da determinação dos parâmetros físicos e mecânico dos materiais. A caracterização física foi feita através da determinação da perda de massa, da massa específica aparente e da absorção. Para a caracterização mecânica fez-se a determinação da tensão de ruptura à flexão. Destaca-se que para cada nível ou tipo de procedimento de alteração foram executados 10 ensaios em diferentes corpos de prova a fim de se garantir uma representatividade estatística dos resultados. ANÁLISE DOS RESULTADOS Dos resultados, verifica-se, inicialmente, o aumento da massa específica aparente γ ap com a temperatura de calcinação (Figura 4a). Observa-se, também, que a

7 7 massa específica γ ap não apresenta modificação significativa com o tempo de alteração natural. A absorção do material intacto (0 dias de alteração) não foi significativamente afetado pela temperatura de calcinação (Figura 4b). No entanto, observa-se uma redução da absorção, principalmente no material calcinado a 600ºC, para nível de alteração correspondente a 40 dias de alteração natural, aproximadamente (Figura 4b). 21,0 1,80 20,5 ap (g/cm 3 ) 1,78 1,76 1,74 1,72 1, Tempo de alteração (dias) (a) massa específica aparente Absorção (%) 20,0 19,5 19,0 18,5 18, Tempo de alteração (dias) (b) absorção Figura 4 Variação da massa específica aparente e da absorção com o tempo de alteração natural Não se verifica modificação significativa da massa especifica γ ap com o nível de alteração das cerâmicas alteradas no laboratório (Figura 5). No entanto, observa-se que a absorção é afetada pelo nível de alteração no laboratório (Figura 6). Verifica-se que a absorção da cerâmica calcinada a aumenta com o nível de alteração, independentemente do processo de alteração no laboratório. Para a cerâmica calcinada a 600ºC verifica-se, ao contrário, a redução da absorção com o nível de alteração. Particularmente na lixiviação contínua, a absorção sofre significativa redução para baixos níveis de alteração. Para níveis mais elevados de alteração observa-se aumento gradativo da absorção. Na cerâmica calcinada com maiores temperaturas, espera-se que os minerais estejam mais cristalizados que na cerâmica calcinadas com menores temperaturas. Assim, devido à alteração, espera-se que ocorra nas cerâmicas com

8 8 menores temperaturas de calcinação a formação de uma camada superficial de óxidos provenientes do material de alteração dos minerais ainda não totalmente cristalizados, reduzindo a absorção. Para maiores temperaturas de calcinação, a alteração deverá provocar o carreamento dos minerais pela ruptura do material cimentate, aumentando a absorção. 1,80 1,78 1,80 1,78 ap (g/cm 3 ) 1,76 1,74 1,72 1, Tempo de alteração (horas) (a) lixiviação contínua ap (g/cm 3 ) 1,76 1,74 1,72 1, Tempo de alteração (ciclos) (b) saturação e secagem Figura 5 Variação da massa específica aparente com o nível de alteração. 21,5 21,5 21,0 21,0 Absorção (%) 20,5 20,0 19,5 19,0 Absorção (%) 20,5 20,0 19,5 19,0 18,5 18, ,5 18, Tempo de alteração (horas) Tempo de alteração (ciclos) (a) lixiviação contínua (b) saturação e secagem

9 9 Figura 6 Variação da absorção com o nível de alteração. A Tabela 1 apresenta os valores de resistência à flexão σ f dos materiais nãoalterados (0 dias) e dos alterados naturalmente (80 dias). Verifica-se o aumento da resistência à flexão com a temperatura de calcinação e com o nível de alteração. Verifica-se que os procedimentos de alteração no laboratório provocaram a redução de σ f com o nível de alteração para elevadas temperaturas de calcinação (Figura 7). Para a menor temperatura de calcinação, observa-se o aumento de σ f para baixos níveis de alteração com posterior redução para elevados níveis de alteração. Das figuras 6 e 7 verifica-se que o aumento de σ f é acompanhado de uma redução da absorção. Este comportamento se justifica, provavelmente, pela formação da cada de óxidos na superfície dos corpos de prova calcinados a 600ºC, conferindo maior resistência à flexão. Das figuras 6 e 7 observa-se que as variações da absorção com o nível de alteração se refletem nas variações da resistência σ f de forma não-linear e inversamente proporcionais. Além disto, os resultados apresentados na Tabela 1 e na Figura 7 sugerem que os materiais alterados com 80 dias de exposição aos agentes atmosféricos ainda apresentam baixos níveis de alteração. Isto se justifica pela observação do aumento de σ f somente para baixos níveis de alteração no laboratório. Assim, espera-se que 80 dias de alteração natural correspondam, provavelmente, a 25 horas de lixiviação contínua ou 20 ciclos de saturação e secagem (Tabela 1 e Figura 7). Considerando que a relação entre o tempo de alteração no laboratório e o tempo de alteração natural é linear e que o estado inicial de alteração no laboratório ou no campo são iguais (6), pode-se fazer a previsão do comportamento do material a longo prazo, através da extrapolação dos resultados experimentais. Por exemplo, considerando que 80 dias de alteração natural é igual a 25 horas de lixiviação contínua e dos resultados indicados na Figura 7b, conclui-se que a resistência à flexão das cerâmicas calcinadas à 600ºC e 950ºC após 800 dias de alteração natural é de 220KPa e 185KPa, respectivamente. Estes valores corresponde a perdas de resistência da ordem de 22% e 13% para as calcinadas à 600ºC e 950ºC, respectivamente.

10 10 Tabela 1 Variação da resistência à flexão com o nível de alteração natural Temperatura de Tensão σ f (Kpa) calcinação 0 dias 80 dias 1020ºC ºC f (KPa) 250 f (KPa) Tempo de alteração (horas) Tempo de alteração (ciclos) (a) lixiviação contínua (b) saturação e secagem Figura 7 Variação da tensão de ruptura à flexão com o nível de alteração. CONCLUSÕES O trabalho apresenta resultados de ensaios de laboratório mostrando a variação de propriedades dos materiais cerâmicos com diferentes níveis e procedimentos de alteração. Os resultados permitem avaliar a evolução das características dos materiais estudados com a alteração. Os resultados indicam que os processos de alteração envolvem mecanismos complexos provocando variações não-monotônicas nas propriedades dos materiais cerâmicos. Este comportamento dificulta a previsão do comportamento a longo prazo destes materiais. As variações de absorção se refletem, aproximadamente, de forma inversamente proporcional, não-linearmente, com a resistência á flexão.

11 11 AGRADECIMENTOS Os autores agradecem á Cerâmica Primeira pelo fornecimento do material de estudo, ao LAMAV-UENF por disponibilizar os equipamentos para ensaios mecânicos e ao CNPq pelo apoio financeiro. REFERÊNCIAS 1. Amorim, L. V.; Neves, G. A.; Oliveira, R. A.; Ferreira, H. C. Estudo da Expansão por Umidade (EPU) em Tijolos Cerâmicos Provenientes de Edifícios em Alvenaria com Falência Estrutura. Florianópolis, (2001). 2. Fookes, P. G.; Gourley, C. S.; Ohikere, C. Rock Weathering in Engineering Time. Quarterly Journal of Engineering Geology, London, vol. 21, (1988), p Frazão, E. B.; Caruso, L. G. Síntese do Conhecimento sobre Alterabilidade de Rochas Basálticas como Material de Construção em Algumas Barragens da Bacia do Alto Paraná. Simpósio sobre a Geotecnia da Bacia do Alto Paraná, vol. II A, São Paulo, SP, (1983), p Minette, E. Quantificação geomecânica e de alterabilidade de um diorito, Dissertação de mestrado, DEC PUC-Rio, Rio de Janeiro, RJ, (1982),.253 p. 5. Frazão, E.B. Metodologia para avaliação da alterabilidade de rochas a partir de estudo experimental em amostras de basalto da U.H.E. de Três Irmãos - Estado de São Paulo. Tese de doutoramento, Escola de Eng. de São Carlos, Universidade de São Paulo, SP, (1993), 175 p. 6. Maia, P. C. A.; Sayão, A. S. F. J.; Nunes, A. L. L. S; Antunes, F. S. Avaliação Experimental da Alteração de Enrocamentos. Solos e Rochas, 24(2), (2001), p Maia, P. C. A. Avaliação do Comportamento Geomecânico e de Alterabilidade de Enrocamentos. Tese de Doutorado, Departamento de Engenharia Civil da Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, RJ, (2001), 351 p. 8. Maia, P. C. A.; Sayão, A. S. F. J.; Antunes, F. S.; Nunes, A. L. L. S. Avaliação da Alterabilidade de Enrocamentos. VII Congresso Nacional de Geotecnia, Porto, Portugal, 1, (2000),.p Alexandre, J. - Análise de matéria-prima e composições de massa utilizada em cerâmicas vermelhas, Tese de Doutorado, fevereiro (2000).

12 12 DURABIBITY EVALUATION OF CERAMIC MATERIALS IN THE CAMPOS DOS GOYTACAZES SITE Abstract This work intends to make an evaluation about transformations suffered by the ceramic materials when they were exposed by alterations agents. Samples had been shaped by pressing the clay in prismatic mould and burned in 600ºC and 950ºC. Accelerated alterations of the samples in lab and normal acceleration in field had been made, by using different times or intensities of alteration. Different alteration procedures in lab had been used: continuous lixiviation and wet and dry cycles. After that, these characteristic s parameters of the materials intact and weathering had been pointed: specific mass, absorption e flexion resistance. The results show variations in the characteristics by the processes of the ceramic alteration, which allows a prediction of the behavior material in long-term. Key-words: Red ceramics, durability, lixiviation, weathering.