COMPORTAMENTO MECÂNICO DE AMOSTRAS DE GRÊS PORCELANATO CONTENDO RESÍDUO DE VIDRO COMO FUNDENTE

1 COMPORTAMENTO MECÂNICO DE AMOSTRAS DE GRÊS PORCELANATO CONTENDO RESÍDUO DE VIDRO COMO FUNDENTE A. P. Luz; S. Ribeiro Polo Urbo Industrial Gleba AI-6, s/n, Bairro Mondesir, Lorena- SP, CP 116, CEP: 12600-000, E-mail: ana@ppgem.faenquil.br Faculdade de Engenharia Química de Lorena (FAENQUIL) Departamento de Engenharia de Materiais (DEMAR) RESUMO O grês porcelanato vem se destacando nos últimos anos por apresentar propriedades como: resistência mecânica, elevada dureza, etc. Vários estudos estão sendo realizados com a incorporação de resíduos industriais como aditivos em revestimentos cerâmicos. O objetivo do trabalho é estudar o comportamento mecânico de misturas contendo resíduo de vidro e feldspato como fundentes, visando a obtenção de grês porcelanato. Foram preparadas cinco misturas contendo diferentes teores de argila, feldspato, vidro e quartzo; compactaram-se os pós sob a forma de barras, com pressão de 50 MPa. As amostras foram queimadas ao ar por 30 minutos em temperaturas de 00 a 1250 C, com intervalos de 50 C. Foram realizados testes de resistência à flexão e determinou-se as propriedades mecânicas e módulo de Weibull. As amostras apresentaram módulo de ruptura de até 53,1 MPa. Conclui-se que as amostras obtidas atendem as normas de grês porcelanato e a granulometria tem influência direta na resistência mecânica. Palavras-chave: grês porcelanato; resíduos de vidro; resistência mecânica; módulo de Weibull.

2 INTRODUÇÃO Um dos produtos cerâmicos de grande destaque nas últimas décadas é o grês porcelanato. O porcelanato é um revestimento cerâmico diferenciado das cerâmicas tradicionais devido suas características técnicas mais elevadas, o que garante a possibilidade de aplicação nos mais variados ambientes, desde alto tráfego, onde demandam altíssimas resistências mecânicas e a abrasão, como nas fachadas onde o quesito impermeabilidade é fundamental (1). Pode-se definir revestimento porcelânico como sendo um revestimento cerâmico impermeável, totalmente vitrificado, esmaltado ou não, cuja peça queimada é branca ou colorida por meio de adição de pigmentos na composição inicial, e feita a partir de uma mistura de caulim (ou argilas cauliníticas), quartzo e feldspato (2). Grandes esforços em pesquisa estão sendo feitos para o estudo de novas matérias-primas e o aprimoramento do processamento deste material. Atualmente é cada vez maior a necessidade de destinar de forma consciente os resíduos que são produzidos em nossa sociedade. Uma saída mais interessante ainda do que simplesmente achar uma rota para a eliminação de um resíduo é encontrar uma maneira de reaproveitá-lo, seja reciclando ou incorporando a um outro produto de modo a economizar em matéria-prima ou até mesmo agregar valor a este produto final (1, 3). O vidro é um rejeito industrial que não pode ser reaproveitado no próprio processo por vários motivos. O pó de vidro, se misturado às matérias-primas para a produção de vidro, é suspenso ao ar devido à ação dos queimadores, que sopram sobre os constituintes da mistura para que ocorra a fusão dos mesmos. Além disso, o pó de vidro adicionado gera bolha no material, pois possui um volume muito grande de ar adsorvido na superfície das partículas (4). Na avaliação de materiais cerâmicos utiliza-se comumente o conceito de módulo de resistência a flexão como um parâmetro de processo e qualidade nas etapas de fabricação de um determinado corpo cerâmico (5, 6). Em um corpo cerâmico antes da queima somente as partículas de argila encontram-se em contato, sendo assim, a resistência do corpo a verde se dá em função das forças de ligação entre as partículas de argila. A resistência mecânica

3 será função do número de ligações existentes ao longo da superfície de fratura e da energia de uma ligação simples entre as partículas (6). Alguns fatores que influenciam a resistência à flexão de peças cerâmicas (6) : Variação na conformação: a pressão e a umidade de prensagem influem de forma considerável sobre a porosidade da peça exercendo uma influência marcante sobre a resistência da peça final. Dimensões da peça: a resistência de materiais frágeis depende da geometria da peça e do sistema de aplicação da carga. Distribuição granulometria: partículas grandes podem gerar defeitos diminuindo a resistência da peça. Temperatura: ao aumentar a temperatura de sinterização, aumenta-se também a resistência à flexão, devido a uma menor porosidade. Porém, isso não acontece de uma forma linear, pois em temperaturas muito elevadas pode ocorrer a degradação dessa propriedade mecânica. As cerâmicas são frágeis apresentando uma grande dispersão dos valores da resistência mecânica quando comparados com os materiais dúcteis. A previsão de fratura de materiais cerâmicos deve ser baseada numa abordagem de probabilidades, ou seja, o ensaio mecânico utilizado deve fornecer informações sobre a distribuição da carga de ruptura tanto quanto sobre a média dos valores (4). Para uma análise de propriedades em um material através de ensaios mecânicos, deve ser considerado além dos fatores geométricos que influenciam de maneira direta na distribuição de tensões, a análise estatística e metrológica. Um ponto importante na estatística é a determinação de um lote mínimo significativo evitando gastos com grandes lotes e a não representatividade com lotes pequenos (4, 7). Devido às grandes variações da resistência mecânica encontrada num mesmo lote de materiais cerâmicos, tratamentos estatísticos foram explorados como auxílio para se garantir uma certa confiabilidade. O que determina a resistência mecânica de um material é a existência de falhas críticas na região de máxima solicitação mecânica. O modelo estatístico que tem sido mais utilizado é o da distribuição de Weibull, que faz analogia entre um material frágil submetido a tensões trativas e uma corrente que se rompe quando a resistência de seu elo mais fraco é superada (8 ).

4 O objetivo deste trabalho é analisar o comportamento mecânico de peças de grês porcelanato contendo em sua composição um resíduo de vidro. MATERIAIS E MÉTODOS DE ANÁLISE Materiais 1- Argila fornecida pela cerâmica Nova Canas Sociedade Agro-industrial Ltda. 2- Feldspato Sódico, fornecido pela Prominex Mineração Ltda. 3- Pó de vidro é um resíduo gerado devido à lapidação de peças de vidro e respectiva lavagem, doado pela Pilkington Brasil Ltda. 4- Pó de quartzo composto por óxido de silício (SiO 2 ) com pureza de aproximadamente 99,95%. A composição química das matérias primas é apresentada na Tabela I. Tabela I Composição química dos materiais (% em massa). Composição Argila Feldspato Pó de vidro SiO 2 50,94 69,0-72,0 72,4 Al 2 O 3 28,2 16,5-19,5 0,7 Fe 2 O 3 3,41 0,05-0,25 0,11 CaO 0,17 <0,42 8,6 MgO 0,84 <0,01 4,0 Na 2 O 0,19 7,6-8,5 13,6 K 2 O 2,02 1,0-2,0 0,3 TiO 2 0,93-0,02 Perda ao fogo 12,8 0,40-0,55 - SO 2 - - 0,2 Métodos Foram preparadas cinco misturas (20V, 15V, 15FV, 25FV e F20FV) cujas composições encontram-se na Tabela II. A quantidade de pó de vidro adicionado teve como base de cálculo os teores de Na 2 O e K 2 O contidos neste e correlacionados com as quantidades de K 2 O e Na 2 O contidos no trabalho apresentado por Mateucci et al. (2). Foi escolhido este artigo dentre outros, devido a semelhança entre as composições das matérias-primas deste com as que serão utilizadas neste trabalho.

5 Tabela II Composição das misturas usadas (% em massa seca). Matérias-primas (% em massa seca) Mistura Argila Feldspato Pó de Vidro Quartzo 20V 80-20 - 15V 73-15 12 15FV 75 15-25FV 65 25 5 F20FV 65 20 5 Para a mistura F20FV a argila de várzea foi beneficiada para se preparar uma mistura contendo a fração fina de argila (fração passante em peneira de 325 mesh abertura de 44µm). Foi realizado o peneiramento a úmido da argila de várzea em peneira de 325 mesh e a fração passante foi recolhida e deixada em repouso durante uma semana, para que as partículas suspensas no líquido se sedimentassem no fundo do recipiente. Após este período, a água excedente foi removida e o material recolhido foi seco em estufa, na temperatura de 1ºC. Este material se apresentava na forma de aglomerados que foram desfeitos manualmente com o uso de um almofariz. Posteriormente, realizou-se o peneiramento desta argila em peneira de 170 mesh (abertura de 90 µm). As matérias-primas foram pesadas em balanças com capacidade de 2,5 kg, com precisão de 0,01. Após pesagem nas quantidades pré estabelecidas, os materiais foram colocados em um moinho de aço revestido de alumina, com bolas de alumina para auxiliar a mistura. Esta mistura foi realizada em meio aquoso, durante 60 minutos. A suspensão foi separada das bolas de alumina por meio de uma peneira 40 mesh (0,425 mm). A suspensão obtida foi levada a um evaporador rotativo, a 0 o C, até secar, formando aglomerados com umidade residual variável. O material obtido apresentou-se sob a forma de grandes aglomerados que foram quebrados utilizando-se um pilão, e os aglomerados menores obtidos eram totalmente passantes em peneira de 40 mesh. Foi determinada a umidade dos pós das misturas (NBR 6457), e corrigida para teores que variaram entre 8 a %. Realizou-se prensagem uniaxial em matriz de aço, com pressão de 50 MPa. O pó foi compactado na forma de barras de massa em torno de 40 g, dimensões de

6 114x25 mm 2 e após compactação as peças apresentaram espessura em torno de 7mm. As amostras foram queimadas em um forno elétrico de laboratório, nas temperaturas de 00 a 1250ºC, com intervalos de 50ºC e isoterma de 30 minutos. As taxas de aquecimento usadas foram 5, 7 e ºC/min. Determinou-se a massa específica das amostras queimadas pelo método geométrico, usando um paquímetro com precisão de 0,01mm e balança analítica com precisão de -5 g. A retração linear das amostras foi calculada a partir da Equação (A) (8) : onde: L v = comprimento da amostra a verde (mm); L s = comprimento da amostra sinterizada (mm); %RL = percentagem de retração linear. Lv Ls % RL = 0 (A) L v O ensaio de absorção de água foi realizado com as amostras secas em estufas até massa constante, mergulhadas em água a 0 C por 2 horas. Determinou-se a massa úmida, e então a absorção de água, segundo a Equação (B) (8). mu ms % AA = 0 (B) m s onde : m u = massa úmida (g); m s = massa seca (g); %AA = percentagem de absorção de água. A partir dos valores de retração linear e absorção de água foram construídos gráficos para as amostras nas várias condições de queima e determinada a melhor condição para casa mistura. A resistência à flexão em 3 pontos foi determinada para as amostras em sua temperatura de queima ótima, em testes realizados numa máquina universal de

7 ensaios mecânicos MTS, modelo 8.23M, usando carga máxima de 500 N, com velocidade de carregamento de 0,5 mm/min. Determinou-se o módulo de ruptura através da Equação C (8). 3PL 2bh 3 σ P = 2 (C) onde : σ 3P = módulo de ruptura em 3 pontos [MPa]; P= carga aplicada [N]; L= distância entre os cutelos [m]; b= largura do corpo de prova [m] h= altura do corpo de prova [m]. A partir dos resultados obtidos neste ensaio foram plotados gráficos de tensão de ruptura versus deslocamento e calculou-se o módulo de Young para as amostras das duas misturas. Além disso, foi calculado também o módulo de Weibull para um total de 30 amostras de cada mistura, segundo a Equação D (6). F = 1 exp V V 0 σ F σ 0 m (D) onde: V = volume do corpo de prova; V 0 = volume de valor unitário; σ 0 = fator de escala; m = módulo de Weibull RESULTADOS E DISCUSSÃO A Figuras 1 apresenta os resultados de retração linear e absorção de água das amostras queimadas nas várias temperaturas em estudo. Analisando o gráfico da Figura 1a observa-se que, as amostras 20V apresentaram os maiores valores de retração linear, chegando ao valor de 12,12% na temperatura de 1150 C. Estas amostras contêm elevadas quantidades de vidro

8 em sua composição, desta forma, o vidro proporcionou a formação de uma fase vítrea de baixa viscosidade durante o processo de queima acarretando num aumento considerável da retração das peças. Para corrigir este problema, deve ser adicionado a esta mistura um material não plástico, como quartzo, que irá causar a diminuição dos valores de retração como foi observado nos resultados da mistura 15V. Outra solução é usar pó de vidro em adição com feldspato como fundentes, como nas misturas 15FV, 25FV e F20FV, o que proporcionou um aumento na viscosidade da fase líquida formada ocasionando maior estabilidade dimensional as peças. A mistura F20FV apresentou os melhores valores de retração chegando a 8,15% a 1200 C. Retração Linear (%) 12 8 6 4 2 0 20V 15V 15FV 25FV F20FV 00 50 10 1150 1200 1250 Temperatura ( C) (a) Absorção de Água (%) 16 14 12 8 6 4 2 0 20V 15V 15FV 25FV F20FV 00 50 10 1150 1200 1250 Temperatura ( C) (b) queima. Figura 1: (a) Retração linear e (b) absorção de água das amostras após a Os resultados de absorção de água (Figura 1b) mostram que apenas as amostras 20V atingiram um valor de 0,1% a 1150 C, as demais amostras apresentaram valores próximos de 0% a 1200 C. Através das análises de resistência à flexão foi determinado o módulo de ruptura, módulo de Young e módulo de Weibull para as amostras em sua condição ótima de queima, conforme é apresentado na Tabela III. A amostra 20V possui uma menor quantidade de alumina contida na sua fase líquida contribuindo para a obtenção de valores menores do módulo de ruptura. Apesar destes valores serem menores do que os encontrados para as outras amostras, todos eles atendem as normas para o revestimento grês porcelanato que exige um valor maior ou igual a 35 MPa para o módulo de ruptura.

9 Tabela III: Resistência mecânica das amostras. Resultados 20V (1150 C) 15V (1200 C) 15FV (1200 C) 25FV (1200 C) F20FV (1200 C) Módulo de ruptura (MPa) 39,0 44,1 53,1 40,0 46,0 Módulo de Young (GPa) 66,5 65,3 72,1 66,6 66,8 Módulo de Weibull (m) 3,4 7,9,1,6 7,8 As amostras 25FV apresentaram módulo de ruptura de 40,0 MPa e este resultado ocorreu devido a presença da grande quantidade de quartzo em sua composição. O tamanho das partículas de quartzo era maior do que as partículas de argila e vidro, o que gerou a presença de defeitos proporcionando o rompimento das peças, demonstrando que a granulometria interfere diretamente nos resultados de resistência mecânica. As peças da mistura 15FV apresentaram o melhor resultado do módulo de ruptura confirmando que o uso do feldspato juntamente com o pó de vidro, parece ser a alternativa mais viável para a obtenção de um produto final que possa garantir que todos os requisitos técnicos do produto grês porcelanato sejam atingidos. De acordo com os dados da literatura ( 12) em testes com diversos produtos comerciais do tipo grês porcelanato foram obtidos valores para o módulo de Young variando de 66 a 74 GPa. Os resultados encontrados neste trabalho estão dentro desta faixa de valores. De acordo com estes autores, a resistência mecânica do grês porcelanato depende primeiramente do quão denso esteja o material, ou seja, quanto maior a densidade final maiores serão os valores de resistência à flexão e módulo de elasticidade. Entretanto, uma melhora na resistência mecânica também pode ser obtida devido a presença de quantidades de alumina e mulita na composição do material. O módulo de Weibull demonstra que a as amostras 15FV e 25FV apresentaram uma melhora significativa no aumento de sua resistência mecânica com a adição de feldspato em sua composição (Figura 2), obtendo-se um aumento de quase 3 vezes em relação a 20V.

Probabilidade de Fratura (%) 0 90 (a) 80 70 60 50 40 30 20 0 20 30 40 50 60 70 80 90 0 Módulo de ruptura (MPa) Probabilidade de Fratura (%) 0 90 80 70 60 50 40 30 20 (b) 0 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 Módulo de Ruptura (MPa) Probabilidade de Fratura (%) 0 90 80 70 60 50 40 30 20 (c) Probabilidade de Fratura (%) 0 90 80 70 60 50 40 30 20 0 20 30 40 50 60 70 80 90 0 Módulo de ruptura (MPa) 0 90 Probabilidade de Fratura (%) 80 70 60 50 40 30 20 0 20 30 40 50 60 70 80 90 0 Módulo de ruptura (MPa) (e) 0 20 30 40 50 60 70 80 90 0 Módulo de ruptura (MPa) Figura 2: Gráficos da Estatística de Weibull (a) 20V, (b) 15V, (c) 15FV, (d) 25FV e (e) F20FV. O módulo de Weibull (m) fornece um indicativo da reprodutibilidade da resistência mecânica do produto. Quanto maior é o módulo de Weibull, menor é a dispersão dos valores de resistência mecânica e maior é a confiabilidade das peças. CONCLUSÕES Conclui-se que todas as amostras apresentaram valores de absorção de água e módulo de ruptura que atendem às normas para a produção de grês porcelanato.

11 As amostras que continham elevados teores de vidro (20V) apresentaram elevados valores de retração linear e menores valores de módulo de ruptura, devido à formação de uma fase líquida pouco viscosa e com menor quantidade de alumina. Já as amostras que continham vidro e feldspato como fundentes apresentaram melhor resistência mecânica e maior módulo de Weibull indicando que o uso destes fundentes proporciona a obtenção de peças que possa garantir que todos os requisitos técnicos do produto grês porcelanato sejam atingidos. A granulometria das matérias primas demonstrou ser um fator que influencia diretamente a resistência mecânica das peças, proporcionando o aparecimento de defeitos que irão agir negativamente nos resultados do módulo de ruptura das amostras. AGRADECIMENTOS Agradecemos à FAPESP (Fundação de Apoio à Pesquisa do Estado de São Paulo), processo n 02/13491-8 e a Pilkington do Brasil Ltda, pelo apoio e incentivo ao desenvolvimento desse trabalho. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. F. J. S. Arantes, D. F. Galesi, E. Quinteiro, F. G. Melchiades, A. O. Boschi, Anais do 45 o Congresso Brasileiro de Cerâmica, Florianópolis, S.C., maio/junho de 2001, (CD-ROM) p.0501601-11. 2. F. Mateucci, M. Dondi, G. Guarini, Ceramics International 28 (2002) 873-880. 3. L. I. PEREIRA FILHO, S. M. TOFFOLI, Anais do 47 Congresso Brasileiro de Cerâmica, João Pessoa, PB, junho de 2003, (CD-ROM), p. 1187-1196. 4. L. E. G. SILVA, S. RIBEIRO, M. M. S. M. PEREIRA, Anais do 45 Congresso Brasileiro de Cerâmica, Florianópolis, SC, maio/junho de 2001, (CD-ROM), p. 0207001-13. 5. G. B. Remmey Jr., Firing Ceramics, World Scientific Publishing, London, (1996), p.5. 6. C. M. F. VIEIRA, S. N. MONTEIRO, D. G. PINATTI, Anais do 43 Congresso Brasileiro de Cerâmica, Florianópolis, SC, junho de 1999, (CD-ROM), p. 46201-.

12 7. H. A. OLIVEIRA, E. C. RABELO Jr., J. C. BRESSIANI, Anais do 44º CBC, CD- Rom, p.40501-. 8. C. M. F. Vieira, J. N. F. Holanda, D. G. Pinatti, Dissertação de Mestrado em Engenharia e Ciência dos Materiais - CCT/UENF, Campos dos Goytacazes, R.J., julho de 1997. 9. P. Appendino, M. Ferraris, I. Matekovits, M. Salvo, J. Eur. Ceram. Soc. 24 (2004) 803-8.. A. Tucci, L. Esposito, E. Rastelli, C. Palmonari, E. Rambaldi, J. European Ceram. Soc. 24 (2004) 83-92. 11. M. DONDI, G. ERCOLANI, C. MELANDRI, C. MINGAZZINI, M. MARSIGLI, Interceram, 28, n. 2 (1999), 75-82. 12. P. S. Santos, Ciência e Tecnologia de Argilas, 2 a Edição, Edgard Blücher, São Paulo, Brasil (1989), vol. 1, p. 408. MECHANICAL BEHAVIOUR OF PORCELAIN STONEWARE S SAMPLES CONTAINING SCRAP GLASS AS FLUXING AGENT ABSTRACT Porcelain stoneware has been pointed out in the last years due to present good properties as: mechanical resistance, hardness surface, etc. Many studies have been realized with the incorporation of industrial wastes as additive in ceramic tiles. The aim of this work is to study the mechanical behaviour of mixtures containing scrap glass and feldspar, in order to obtain porcelain stoneware. They were prepared five mixtures containing different grades of clay, feldspar, glass and quartz; and pressed into bar shape, with pressure of 50 MPa. They were fired in air, for 30 minutes at the range of 00-1250 C, with regular temperature intervals of 50 C. They were made tests of flexural strength to determine the mechanical properties and Weibull s modulus of until 53,1 MPa. It was concluded that the samples obtained attempt the standards of porcelain stoneware and granulometry has direct influence on mechanical resistance. Key-words: porcelain stoneware, scrap glass; mechanical resistance; Weibull s modulus.