28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 1 CARACTERIZAÇÃO DE ARGILAS E DE PRODUTOS DE CERÂMICA VERMELHA ORIUNDOS DO MUNICÍPIO DE SÃO GONÇALO DO AMARANTE- RN. W. B. N. Sousa 1, E. C. Silva 2, U. U. Gomes 3 Campus Universitário, s/n, Lagoa Nova, 59.072-970 Natal RN Tel: (84) 215-3800 R 228, E-mail: wskleynobrega@yahoo.com.br Laboratório de Materiais Cerâmicos e Metais Especiais 1 UFRN/CT/DEM, 2 UFRN/CT/DEE, 3 UFRN/CCET/DFTE RESUMO O município de São Gonçalo do Amarante-RN possui um forte setor de cerâmica vermelha estrutural e dispõe de grandes reservas de argilas. Neste trabalho, realizou-se a caracterização tanto das matérias primas (argilas gorda e magra) como também de produtos de cerâmica vermelha sinterizados nas temperaturas de 800ºC, 900ºC e 1000ºC em um patamar de duas horas. Os resultados são apresentados através das medidas de limites de plasticidade e liquidez, índice de plasticidade, difração de raios-x, microscopia eletrônica de varredura, distribuição de tamanhos de partículas, análise térmica, cor de queima e propriedades físico-mecânicas. Palavras-chave: Caracterização, argilas, cerâmica vermelha e sinterização. INTRODUÇÃO A cerâmica vermelha (estrutural) é assim chamada porque possui coloração avermelhada quando queimada, devido a presença de compostos ferrosos; sendo empregada na construção civil (tijolos, telhas, lajes, ladrilhos, tubos cerâmicos, etc.) (1). O termo Argila refere-se aos componentes do solo com dimensões inferior a dois micra, com predominância dos silicatos hidratados de alumínio, ferro e outros metais. Esta no estado bruto contém quase sempre impurezas de grãos de quartzo, feldspato, mica e outros minerais, além de matéria orgânica e sais solúveis, possuindo água de constituição, a qual é perdida quando a argila é aquecida acima de determinadas temperaturas, tornando-se, então, coesas (2).
28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 2 Atualmente, consideram-se as argilas como compostas essencialmente de partículas muito pequenas de um ou mais membros de grupos de argilominerais. Essa moderna classificação, só tem sido possível por meio de difratometria de raios- X, análise térmica diferencial, determinação e observação de tamanho de partículas e determinação dos constituintes químicos através de espectroscopia de fluorescência de raios-x (3). Quimicamente os argilominerais são os principais constituintes das argilas, que são basicamente silicatos hidratados de alumínio, ferro e magnésio, com certo teor de elementos alcalino e alcalino-terroso. Esses argilominerais quando em presença de água, desenvolvem uma série de propriedades, quais sejam: plasticidade, mistura mecânica a úmida, tixotropia e viscosidade de suspensões aquosas que lhe conferem uma gama de variedades de aplicações tecnológicas. Os principais grupos de argilominerais são: caulinita, ilita e montmorilonita (esmectita) os quais se distingue basicamente pelo tipo de estrutura e as substituições que podem ocorrer dentro da estrutura (silício por alumínio ou ferro e alumínio por magnésio ou ferro). A presença de matéria orgânica e de impurezas como certos minerais pode afetar substancialmente as características de uma argila para uma dada aplicação. Logo, haverá necessidade de se eliminar essas impurezas através de um beneficiamento (processos físicos). Os processos de confecção de produto cerâmicos podem diferir conforme o tipo de material e peça desejada. Geralmente, eles compreendem as etapas de preparação da matéria prima e da massa, da conformação (extrusão, prensagem ou compactação), do tratamento térmico (secagem e queima) e acabamento final dependendo do tipo de produto. Na indústria de cerâmica vermelha, as matérias primas são encontradas na crosta terrestre. A preparação da massa envolve vários estágios, tais como: desagregação, moagem, umidificação, conforme o tipo e a granulometria desejada, e as vezes há a necessidade de se realizar um beneficiamento nas matérias primas para que se chegue a uma formulação desejada. Normalmente, se misturam duas ou mais tipos de matérias primas para se obter uma boa composição para a fabricação dos produtos cerâmicos (4). Este trabalho apresenta os resultados de um estudo tanto das matérias primas utilizadas quanto do produto final de cerâmica vermelha (estrutural); através de
28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 3 análise de difração de raios-x, microscopia eletrônica de varredura e análises térmicas gravimétrica e diferencial. As peças estruturais foram produzidas por processo de extrusão e foram realizados estudos de queima. MATERIAIS E MÉTODOS Foram utilizadas duas argilas oriundas do município de São Gonçalo do Amarante-RN, para fazer a composição 2:1 de argila gorda para argila magra. As amostras brutas foram secadas ao ar livre e em seguida foram colocadas em uma estufa da marca FANEN a uma temperatura de 110ºC durante 24 horas. Posteriormente, foram moídas em um moinho de bolas por quatro horas, onde, tanto seu revestimento interno quanto as bolas utilizadas para a realização da cominuição das partículas eram de alumina. Por fim, foram armazenadas em sacos plásticos, evitando contaminação. Em seguida, foi feito um beneficiamento nas amostras através de um peneiramento, para se retirar os pedregulhos. Na seqüência, retirou-se uma certa quantidade das amostras para se realizar a caracterização e outra para produzir os tijolinhos de seis furos, como produto final a ser analisado. A caracterização das matérias primas foi feita através de difração de raios-x que foi realizada em um difratômetro da marca LAB X da SHIMADZU, modelo XRD 600, utilizando radiação Cu-K α ; análise térmica (TGA e DTA) que foi realizada em um aparelho da marca NIGARU, em atmosfera oxidante com velocidade de aquecimento de 10ºC/min; limites de plasticidade e liquidez, índice de plasticidade, granulometria à laser que foi feita em um granulômetro à laser da marca CILAS 920L e microscopia eletrônica de varredura (MEV) que foi realizada em um aparelho da marca PHILIPS, modelo XL30, utilizando voltagem de aceleração de elétrons de 20 kv. E a caracterização do produto final foi feita através das medidas de absorção de água, retração linear, resistência à compressão, porosidade aparente e cor de queima. RESULTADOS E DISCUSSÃO Nas Figuras 1 e 2 são mostradas as distribuições de tamanho de partículas das argilas gorda e magra analisadas. Os resultados mostram: (a) a argila gorda (Figura 1) apresenta tamanho médio de partícula 4,2µm; (b) a argila magra (Figura 2)
28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 4 apresenta tamanho médio de partícula 49,8 µm. Esses resultados demonstram a grande diferença na distribuição granulométrica dos dois tipos de argilas. O resultado denota a diferença de constituição dessas argilas. Figura 1 - Granulometria da argila gorda. Figura 2 - Granulometria da argila magra. Na Figura 3 está mostrada a zona na qual a argila gorda se encontra no diagrama de Casagrande, que a caracteriza como uma argila que é utilizada normalmente pela indústria cerâmica, apresentando um índice de plasticidade de 10,14.
28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 5 Diagrama de Casagrande I.P 60 50 40 30 20 10 0 (7)* (5)* (3)* (6)* (4)* 10,14 (1)* (2)* 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 L.L Figura 3 - Gráfico índice de plasticidade versus limite de liquidez. (1) Argila Não Utilizável (2) Argila Demasiadamente Não Plástica (3) Argila Usada Normalmente (4) Argila Tipo Caulim (5) Zona de máxima trabalhabilidade (6) Zona de Argilas demasiadamente Não Plásticas (7)Zona de Argilas demasiadamente Plásticas Nas Figuras 4 e 5 estão mostradas a morfologia (MEV) e a espectroscopia de energia dispersiva (EDS) das argilas. É fácil observar na Figura 4, que a argila gorda tem uma tendência a forma esférica devido a sua plasticidade e ao processo de cominuição (moinho de bolas) e que o seu espectro EDS apresenta os principais elementos dos argilominerais que a constitui, enquanto que a argila magra na Figura 5 apresenta uma morfologia mais facetada devido a maior presença de sílica como visto no espectro EDS da mesma.
28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 6 Figura 4 - MEV e EDS da argila gorda. EDS Figura 5 - MEV e EDS da argila magra. Nas Figuras 6 e 7 estão evidenciados nos difratogramas de raios-x das argilas gorda e magra, respectivamente. Na Figura 6 pode-se observar que a argila gorda é do tipo ilita/montmorilonita e que na Figura 7 a argila magra possui um pico de maior intensidade de quartzo. Esses resultados vem a comprovar a afirmação da diferença da distribuição de tamanho de partículas mostrada no ensaio de granulometria.
28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 7 Figura 6 - Difratograma da argila gorda. I - ilita M - Montmorilonita C - Caulinita Q - Quartzo Figura 7 - Difratograma da argila magra. Nas Figuras 8 e 9 estão apresentadas as curvas de variação de massa em relação a temperatura para as duas argilas. Na Figura 8 tem-se a TGA e DTA da argila gorda que revela a perda de massa e as possíveis transformações com respeito ao efeito da temperatura; ocorre uma pequena perda de água adsorvida como também da água estrutural a medida que a temperatura vai aumentando. E na Figura 9 observa-se uma menor perda de água quando comparada com a primeira por ser constituída principalmente por quarzto.
28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 8 Figura 8 - TGA e DTA da argila gorda. Figura 9 - TGA da argila magra. Na Figura 10 está evidenciada a variação da cor durante a queima com relação ao aumento da temperatura devido a presença de óxidos de ferro e do ferro.
28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 9 Cru 800ºC 900ºC 1000ºC Figura 10 - Variação de cor queima. Nas Figuras 11, 12 e 13, são mostrados os resultados das propriedades físicomecânicas do produto final obtido. Na Figura 11, absorção de água e porosidade aparente em função da temperatura de queima, é mostrada a diminuição tanto da absorção de água como da porosidade com o aumento da temperatura de queima. Na Figura 12, retração linear em função da temperatura de queima, é mostrada a pequena retração linear para as temperaturas de 800 e 900ºC, ocorrendo uma maior a 1000ºC. Na Figura 13, resistência à compressão em função da temperatura de queima, pode-se observar que o melhor resultado das propriedades mecânicas foi na temperatura de 900ºC e que a diminuição desta na temperatura de 1000ºC se deveu ao empenamento de alguns corpos de prova ensaiados. Isto significa que a temperatura ideal de queima é aquela em torno de 900ºC, uma vez que a temperatura de 1000ºC provoca formação de fase líquida e conseqüente empenamento das peças.
28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 10 AA, PA (%) 25 20 15 10 5 21,8 20,9 13,3 12,6 18,3 10,8 PA AA 0 800 900 1000 Temperatura (ºC) Figura 11 - Gráfico da absorção de água (AA) e porosidade aparente (PA.) Retração Linear (%) 2 1,5 1 0,5 0 1,6 0,2 0,3 800 900 1000 Temperatura (ºC) Figura 12 - Gráfico da retração linear. Re s. à Com pre ssã o (M Pa ) 3 2,8 2,6 2,4 2,2 2 2,87 2,68 2,42 800 900 1000 Te mpe ratura (ºC) Figura 13 - gráfico da resistência à compressão.
28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 11 CONCLUSÕES Os resultados apresentados demonstram que as propriedades físicomecânicas do produto final obtido dão melhor resultado na temperatura de queima de 900ºC, apresentando baixa retração linear e alta resistência compressão. Outro ponto importante, é que a mistura 2:1 de argila gorda para magra resulta numa composição adequada para produção de tijolos e possivelmente outros produtos de cerâmica vermelha, resultando em excelente acabamento superficial e coloração homogênea na queima de 900ºC. AGRADECIMENTOS Agradecer ao CNPq por todo apoio financeiro para o desenvolvimento desse trabalho, ao meu orientador e co-orientadores, aos técnicos dos laboratórios, aos colegas de trabalho e a UFRN pelo espaço físico. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. ANUÁRIO BRASILEIRO DE CERÂMICA, Revista, Cerâmica Vermelha pag. 42-45, 2001. 2. ABREU, S.F. Recursos Minerais do Brasil. Edgard Blücher Ltda, vol.i,1973. 3. SANTOS, P.S. Ciência e Tecnologia de Argilas, Vol. I, Edgard Blücher, 1989. 4. MELO, M. A. F., Caracterização de algumas Matérias Primas cerâmicas do RN, para uso em Cerâmica Branca, FIERN/SENAI/UFRN/FUNPEC, Natal, 1998. 5. CALLISTER, W. D. Jr. Materials science and engineering: in introduction, 5 rd ed. 6. CAPUTO, H. P. Mecânica dos solos e suas aplicações, Vol. I, Livros Técnicos e Científicos Editora S. A., Rio de Janeiro, 1974. 7. GOMES, C. F. Argilas O que são e para que servem, Fundação Caloste Gulbenkian, dezembro de 1988. 8. GOMES, U., U., Tecnologia dos Pós, Fundamentos e Aplicações, p.160, Editora Universitária Natal/RN, p.160,.1993.
28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 12 9. GRIM, R. E. Clay Mineralugy, 1 a Ed., McGraw-Hill Book Co., New York, 1953, 2 a Ed. 1968. 10. GRIM, R. E. Propriedades de Argilas, Cerâmica 9 (35), 18 (1963). 11. KINGERY, W. D. Introduction to Ceramics, John Willey & Sons, New York, 1960. CHARACTERIZATION OF CLAYS AND PRODUCTS RED CERAMICS DERIVING OF CITY SÃO GONÇALO DO AMARANTE-RN ABSTRACT The city of São Gonçalo do Amarante, located in the state of Rio Grande Norte, is characterized by the presence of vast clay sources used by local structural ceramic plants. However, little work has been carried out on the characterization of such raw materials. This work focused on the characterization of clayed raw materials depicting both low and high plasticity, used in the manufacture of structural red ceramics. The properties of typical local products sintered at temperatures ranging from 800ºC to 1000ºC were also evaluated. Techniques including X ray diffraction, scannig eletronic microscopy, particle size distribution, thermal and colorimetric analyses were used. In addition mechanical and plastic evaluations of sintered products and clays, respectively, were also carried out. Key-words: Characterization, clays, red ceramics and sintering.