ANÁLISE ESTATÍSITICA DA RESISTÊNCIA MECÂNICA DE CORPOS CERÂMICOS CONTENDO RESÍDUO MUNICIPAL

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1 ANÁLISE ESTATÍSITICA DA RESISTÊNCIA MECÂNICA DE CORPOS CERÂMICOS CONTENDO RESÍDUO MUNICIPAL E.M.S. Oliveira, V.G. Sampaio, J.N.F. Holanda Grupo de Materiais Cerâmicos, LAMAV, Universidade Estadual do Norte Fluminense, 83-6 Campos dos Goytacazes, RJ. RESUMO Este trabalho apresenta os resultados de um estudo sobre a avaliação da resistência mecânica de corpos cerâmicos contendo resíduo municipal por meio da estatística de Weibull. O resíduo municipal é um material que pode causar impacto ambiental negativo, caso não seja dado a ele um destino correto. As suas características químico-mineralógicas indicam que o resíduo municipal tem grande potencial para aproveitamento cerâmico. Neste trabalho corpos cerâmicos contendo até 5 % em peso de resíduo municipal foram preparados por prensagem uniaxial em 4 MPa e sinterizados em 95 ºC. A tensão de ruptura a flexão em carregamento de três pontos dos corpos cerâmicos foi determinada. Os dados de tensão de ruptura a flexão são ajustados de acordo com a distribuição de Weibull, cujo módulo de Weibull está na faixa de 6,3 7,7 para as dadas condições de testes. Palavras-chave: cerâmica vermelha, estatística de Weibull, resíduo municipal INTRODUÇÃO A resistência mecânica é uma propriedade de alto interesse prático no setor de cerâmica vermelha, no qual são fabricados produtos tais como tijolos, blocos e telhas de largo emprego na construção civil. Isto está relacionado ao fato de que a resistência mecânica é utilizada nas normas técnicas como um parâmetro de qualidade e classificação de produtos de cerâmica vermelha (). De acordo com a literatura () os materiais cerâmicos apresentam grandes variações de resistência mecânica. Pode ocorrer, por exemplo, que peças de um mesmo lote apresente um valor para resistência mecânica máxima com o dobro da mínima. Estas variações estão relacionadas com o fato dos materiais cerâmicos apresentarem fratura frágil. Um modelo estatístico que vem sendo usado para acompanhar a resistência mecânica de materiais cerâmicos é a Estatística de Weibull. O presente trabalho tem por objetivo principal estudar a tensão de ruptura a flexão (carregamento de três pontos) de corpos cerâmicos queimados contendo até

2 5 % em peso de resíduo municipal proveniente da região de Campos dos Goytacazes-RJ. Os dados obtidos foram tratados estatisticamente, por meio da Estatística de Weibull, no sentido de correlacionar a probabilidade acumulada de fratura e a resistência mecânica. MATERIAIS E MÉTODOS Neste trabalho um resíduo de estação de tratamento de água municipal foi adicionado até 5 % em peso a uma argila caulinítica de queima vermelha (Tabela I). As características físico-química e mineralógicas das matérias-primas são dadas na referência (3). Tabela I Composição das massas cerâmicas (% em peso) Amostras Matérias-primas AM-R AM-R5 AM-R AM-R5 Argila Resíduo 5 5 A elaboração dos corpos cerâmicos foi feita por prensagem uniaxial numa prensa hidráulica, marca Schwing Siwa, modelo PHMA, capacidade de 3 toneladas. Foi usada uma matriz de aço com cavidade retangular (,5 x,54 cm ). A pressão de compactação empregada foi de aproximadamente 4 MPa. Após compactação, os corpos cerâmicos foram secados a ºC até peso constante. A queima dos corpos cerâmicos foi feita num forno tipo mufla para temperatura final de queima de 95 ºC. As taxas de aquecimento e resfriamento foram controladas. As dimensões dos corpos cerâmicos queimados foram obtidas com o auxílio de um micrômetro (±,). Os corpos cerâmicos foram submetidos à ensaios de flexão (carregamento de três pontos), utilizando-se uma máquina de ensaios universal, marca Instron, modelo 5, capacidade de kn. A velocidade de aplicação da carga foi da ordem de,5 mm/min. A tensão de ruptura a flexão (σ) foi então determinada de acordo com a expressão:

3 3 σ = 3PL / bd (A) onde P é a carga de ruptura (N), L é a distância entre os cutelos (mm), b é a largura (mm) e d é a espessura do corpo cerâmico. Os dados de tensão de ruptura a flexão obtidos foram tratados estatisticamente por meio da Estatística de Weibull (4,5), que é fundamentada no modelo do elo mais fraco. O tamanho de amostra usado foi de N = 3. A probabilidade de fratura (F) foi determinada de acordo com o método de distribuição acumulada de amostras simétricas, usando um estimador de probabilidade F = (i,5)/n. RESULTADOS E DISCUSSÃO As Figuras mostram os diagramas de Weibull, lnln[/( F)] versus ln σ, para os corpos cerâmicos contendo até 5 % em peso de resíduo municipal e queimados em 95 ºC. A partir dos diagramas de Weibull foram determinados dois importantes parâmetros: o módulo de Weibull (m) e a tensão característica ( ). De acordo com a literatura (5), o módulo de Weibull constitui-se num critério importante para a determinação da qualidade dos materiais cerâmicos. É desejável que o valor de m seja o maior possível. Nos diagramas também são apresentados os valores máximos de tensão de ruptura a flexão (σ máx ) para cada formulação.

4 4 AM-R - 95 ºC Ln[ln(/( - F))] m = 7,7 = 6,86 MPa = 9,5 MPa R =,9569-5,5,6,7,8,9,,,,3 Figura - Diagrama de Weibull para a formulação AM-R. AM-R5-95 ºC Ln[Ln(/( - F))] m = 6,3 = 9,9 MPa =,49 MPa R =, ,7,8,9,,,,3,4,5,6 Figura - Diagrama de Weibull para a formulação AM-R5.

5 5 AM-R - 95 ºC Ln[Ln(/( - F))] m = 6,5 = 8,3 MPa =,6 MPa R =,98,6,8,,,4,6 Figura 3 Diagrama de Weibull para a formulação AM-R. AM-R5-95 ºC Ln[Ln(/( - F))] m = 7, = 6,9 MPa = 9,74 MPa R =,9933-5,5,6,7,8,9,,,,3 Figura 4 Diagrama de Weibull para a formulação AM-R5.

6 6 Os diagramas de Weibull mostram que os corpos cerâmicos contendo resíduo municipal queimado em 95 ºC tendem a apresentar um comportamento unimodal para os dados de tensão de ruptura a flexão. Isto indica que todos os corpos cerâmicos, independentemente do conteúdo de resíduo municipal adicionado, apresentam a mesma classe de defeitos. Os resultados mostraram que os valores de módulo de Weibull dos corpos cerâmicos queimados estão compreendidos na faixa de 6,3 7,7. Estes valores estão dentro da faixa de módulo de Weibull para materiais cerâmicos, que está entre 3 < m < 5 (6). Verifica-se também que não é possível afirmar que a incorporação de resíduo municipal influencia o módulo de Weibull. Verifica-se que a tensão característica obtida para os corpos cerâmicos queimados estão compreendidos na faixa de 6,86 9,9 MPa. A variação observada é relativamente pequena e normalmente encontrada em peças de cerâmica vermelha. De forma que, também, não é possível afirmar que o resíduo municipal quando adicionado até 5 % em peso influencia de maneira significativa a tensão característica dos corpos cerâmicos queimados. Os resultados também mostram claramente que os coeficientes de correlação, para todas as formulações, apresentaram valores de R. Isto indica que os dados experimentais de tensão de ruptura a flexão dos corpos cerâmicos são ajustados conforme a teoria de Weibull, e podem ser representados por uma expressão de º grau (Y = AX + B). CONCLUSÕES Os dados experimentais de tensão de ruptura a flexão para os corpos cerâmicos contendo até 5 % em peso de resíduo municipal sinterizados em 95 ºC se ajustam a teoria de Weibull, onde foi obtido um coeficiente de correlação R. Foi observado um comportamento unimodal para os dados de tensão de ruptura. Os corpos cerâmicos apresentaram valores de módulo de Weibull na faixa de 6,3 7,7, que está dentro da faixa normalmente encontrada na literatura para materiais cerâmicos. AGRADECIMENTOS

7 7 Os autores deste trabalho agradecem ao CNPq pelo apoio financeiro, e a Águas dos Paraíba pelo fornecimento do resíduo municipal. REFERÊNCIAS. G.D. Quinn, Engineered Materials Handbook: Ceramics and Glass Strength and proof testing, ASM International, New York, USA (99) p E.M.S. Oliveira, Tese de Doutorado, UENF-PPGECM, Campos dos Goytacazes-RJ, (4). 3. Y. Matsuo, S. Kimura, Techno Japan, 3 (988) E.T.V. Duarte, Dissertação de Mestrado, UENF-PPGECM, Campos dos Goytacazes-RJ, (). 5. E. D. Zanotto, A. R. Migliore Jr., Cerâmica 37, 47 (99). STATISTICAL EVALUATION OF THE MECHANICAL STRENGTH OF MUNICIPAL WASTE CONTAINING CERAMIC BODIES ABSTRACT This work presents the results of a study on the evaluation of the mechanical strength of municipal waste bearing ceramic bodies through Weibull Statistical. The municipal waste can cause significant environmental impacts. This municipal waste has potential to be employed as raw material in ceramic industry. Ceramic bodies containing up to 5 wt.% waste were prepared by pressing at 4 MPa, and sintered at 95 ºC. The flexural strength of the ceramic bodies fired was determined. The Flexural strength test data resulted in Weibull distributions. The Weibull moduli are in the range of for the given testing conditions. Key-words: Red ceramic, Weibull statistical, municipal waste