8º CONGRESSO IBEROAMERICANO DE ENGENHARIA MECANICA Cusco, 23 a 25 de Outubro de 2007 USO DO RESÍDUO DE GRANITO PARA MELHORIA DAS PROPRIEDADES DE PRODUTOS ARGILOSOS W. Acchar 1,2 and A.P.A. Dantas 2 1 Departamento de Física, Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN), 59072-970 Natal-RN, Brasil (e-mail: acchar@dfte.ufrn.br) 2 Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio grande do Norte, Natal-RN, Brasil RESUMO O uso de resíduos industriais na fabricação de produtos cerâmicos vem crescendo significativamente nos últimos anos. O despejo de lama de granito nos rios e lagoas tem se tornado um sério problema ambiental para as indústrias cerâmicas no estado do Rio Grande do Norte, Brasil. Este trabalho estuda a possibilidade do uso do rejeito de granito resultante do processo de corte de rochas ornamentais em produtos de cerâmicas vermelhas, tendo como objetivo a diminuição do impacto ambiental. Corpos de prova de argila contendo concentrações de até 40 % em peso de rejeito foram misturadas, prensadas uniaxialmente sob uma carga de 20 MPa e sinterizadas em atmosfera normal em um forno elétrico de laboratório. As amostras foram caracterizadas através de ensaios de difração de raios X, densidade aparente, porosidade e resistência mecânica em flexão. Os resultados mostraram que o rejeito de granito pode ser incorporado em produtos argilosos, sem prejudicar suas propriedades. Código 1653
INTRODUÇÃO As atividades industriais são atualmente as responsáveis pela geração e uma grande quantidade de resíduos sólidos [1-6]. A indústria de cerâmica vermelha mostrou ter a capacidade de incorporar diferentes tipos de rejeitos industriais em massas argilosas, sem prejudicar significativamente a qualidades dos produtos cerâmicos [7-12]. Os resultados mostram que a heterogeneidade na composição química presente nas argilas permite a incorporação de uma quantidade e diversidade destes rejeitos sem prejuízo das propriedades dos produtos finais, diminuindo o problema ambiental relativo ao descarte dos rejeitos. Cabe-se destacar que a grande quantidade de produtos argilosos produzidos nas indústrias pode permitir um significativo alívio e redução dos rejeitos. O estado do Rio Grande do Norte-Brasil é um grande exportador de rochas ornamentais e a indústria de beneficiamento de mármore e granito vem despertando cada vez mais o interesse dos ambientalistas, devido a grande quantidade produzida de rejeitos. As perdas nas diversas etapas de produção, tais como extração, corte, serragem e polimento dos blocos de pedra podem alcançar valores da ordem de 30 a 40%. Atualmente, e em grande parte dos casos, não existe nenhuma preocupação com o meio ambiente, sendo o rejeito jogado diretamente em lagoas e rios, sem nenhum tratamento prévio, o que constitui um sério problema ambiental. O uso do rejeito de granito pode significar não só uma diminuição do grave problema ambiental como também significar uma fonte alternativa de matéria prima para o setor cerâmico. O granito é uma rocha ígnea, constituída principalmente por feldspato, quartzo e mica. Em geral, resíduos de granito apresentam um comportamento não plástico e, tal como a grande maioria dos materiais cerâmicos tradicionais, seus constituintes químicos majoritários, expressos na forma de óxidos, são a silica (SiO 2 ), seguida pela alumina e a cal (Al 2 O 3, CaO), óxidos de ferro, e finalmente os óxidos alcalinos (Na 2 O, K 2 O). Portanto, este tipo de rejeito industrial apresenta um bom potencial para ser incorporado em massas argilosas. O objetivo deste trabalho é estudar o efeito da incorporação do rejeito de granito em massas argilosas, o que contribuiria para o desenvolvimento sustentável do setor. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL Neste trabalho, coletou-se uma argila típica utilizada normalmente na indústria de cerâmica vermelha. O rejeito utilizado foi também coletado diretamente da indústria de beneficiamento de granito e obtido sob a forma de lama. Misturas contendo argila e rejeito de mármore e granito em concentrações variando entre 10 e 50% em peso, foram homogeneizadas em moinho de bolas e compactadas uniaxialmente em matriz metálica com uma pressão de compactação de 20 MPa, sob a forma de corpos de prova prismáticos de 100 x 10 x 10 mm 3. Os corpos de prova foram sinterizados ao ar em forno resistivo a temperaturas entre 950 e 1150 ºC durante 1 hora, com taxa de aquecimento de 5 ºC/min. A composição química das matérias-primas foi determinada por fluorescência de raios-x (Shimadzu, EDX-700) e a análise granulométrica foi realizada em um granulômetro a laser (Micromerits, Silas 930L). A análise das fases cristalinas presentes nos materiais foi determinada por difração de raios-x (Shimadzu, XRD-600). As análises térmicas (Shimadzu, Diferential Thermal Analyser DTA-50 e Thermogravimetric Analyser TGA-51) foram realizadas com velocidade de aquecimento de 10 ºC/min, sob o fluxo constante de 50ml/min de ar sintético. Os ensaios de dilatometria foram realizados também com velocidade de aquecimento de 10 ºC/min (BP Engenharia, dilatômetro RB-3000). Valores de densidade e absorção de água foram realizados através do método de Arquimedes, utilizando água como meio líquido. A resistência mecânica das amostras sinterizadas forma determinadas sob flexão em três pontos em uma máquina universal de ensaios mecânicos (Zwick 2.5 kn), com velocidade de ensaio de 0.5 mm/min. RESULTADOS E DISCUSSÃO A Tabela 1 apresenta a composição química, expressa em óxidos, das matérias primas utilizadas. Como pode ser observada, a argila tem uma composição típica deste tipo de materiais, ou seja, é rica em sílica e alumina (apresentando teores muito inferiores de óxidos de Ca, Mg, K e Mn) a presença de óxido de ferro em quantidades típicas de um material argiloso. O rejeito de granito é constituído predominantemente também por sílica e alumina, mas destaca-se por conter teores elevados de óxidos fundentes de CaO, K 2 O e MgO (19,37 %). Estes óxidos irão ter influência marcante durante a queima, promovendo a formação de fase líquida e favorecendo a sinterização e a densificação. A presença marcante do óxido de ferro (14,42 %) pode estar relacionada com a granalha normalmente utilizada no corte/polimento de pedras ornamentais.
Tabela : Composição química da argila e do rejeito de granito, obtidos por fluorescência de raios X. Al 2 O 3 SiO 2 K 2 O CaO MgO ZrO 2 SO 3 P 2 O 5 MnO Fe 2 O 3 Argila 49,23 46,61 1,22 0,36 0,28 0,22 0,07 0,05 0,04 5,07 Rejeito de Granito 15,08 42,81 7,55 8.80 3,02 0,27 0,37 ----- 0,21 14,42 A Fig. 1 mostra o difratograma de raios-x do rejeito. Verifica-se que o rejeito é constituído por quartzo, anortita, muscovita e anfibólio, o que é coerente com a composição química apresentada na tabela 1. A Fig. 2 compara a variação dimensional da argila pura e com rejeito de granito. A argila apresenta um comportamento típico da fase caulinita tendo o início de retração a partir de temperaturas em torno de 1050 C. A incorporação do rejeito de granito mostra uma mudança no comportamento dimensional, apresentando o material uma retração a partir da temperatura de aproximadamente 960 C. Essa mudança de comportamento pode ser atribuída à formação de uma fase líquida devido à presença dos óxidos de metais alcalinos (Tab. 1). Fig.1: Difração de raios X o rejeito de granito. 6,00 5,00 Argila Argila + 30 % Granito Dilatação 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00 0,0 200,0 400,0 600,0 800,0 1000,0 1200,0 Temperaturas (ºC) Figura 2: Comportamento dilatométrico da argila pura e com 30 % em peso de rejeito de granito.
POROSIDADE [%] 20 16 12 8 4 1100 C 1150 C 1200 C 0 0 10 20 30 40 50 Concentração de rejeito de granito [%] Fig. 3: Valores de porosidade das amostras sinterizadas. 0,1 Absorção de água 0,09 0,08 0,07 0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 1100 C 1150 C 1200 C 0,01 0 0 10 20 30 40 50 Concentração de rejeito de granito [%] Fig. 4: Valores de absorção de água para as amostras sinterizadas. As Figs. 3 e 4 apresentam, respectivamente, a variação da porosidade e da absorção de água dos corpos de prova sinterizados, em função do teor de rejeito adicionado e da temperatura de sinterização. Pode-se notar que os valores de porosidade diminuem com o aumento tanto da temperatura como da concentração de rejeito. Esse comportamento pode ser atribuído a dois fatores: o primeiro diz respeito a melhor sinterização e densificação do material, causada pelo aumento da temperatura de sinterização e o outro efeito é causado pela adição do rejeito de granito. O aumento da concentração do rejeito de granito na massa de argila aumenta o teor de metais alcalinos e conseqüentemente a fração de fase líquida formada em altas temperaturas. Este comportamento está coerente com os resultados obtidos na análise dilatométrica (Fig. 2). Durante a queima, as mudanças serão devidas principalmente a alterações da temperatura de formação de fase líquida e da quantidade de fase líquida formada. Cabe salientar que os materiais investigados apresentaram, para todas as temperaturas investigadas, valores coerentes com os descritos nas normas brasileiras para produtos argilosos [9,12].
Tensão de Ruptura [MPa] 30,00 0% 10% 20% 30% 40% 20,00 10,00 0,00 1080 1120 1160 1200 1240 Temperatura [ºC] Fig.5: Valores de Resistência mecânica das amostras sinterizadas. A Figura 5 mostra a variação da tensão de ruptura à flexão dos corpos de prova em função da temperatura de sinterização e da concentração do rejeito de granito. Pode observar-se que a tensão de ruptura apresenta uma correlação inversa com a porosidade, ou seja, tende a aumentar com o acréscimo do rejeito de granito e da temperatura de sinterização, o que coerente com os resultados obtidos de porosidade. Este comportamento ratifica o efeito benéfico observado pela adição do rejeito de granito a argila e pode ser correlacionada com uma maior quantidade de fase líquida, formada devido a presença de metais alcalinos no granito (tab. 1). a ) b) c) d)
Fig. 6: Superfícies de fratura das amostras de argila com 20 % em peso de granito e sinterizadas em: a) 1100 C b) 1150 C c) e d) 1200 C A Fig. 6 mostra as superfícies de fratura obtidas para os materiais sinterizados nas diversas temperaturas. Pode-se observar claramente que os materiais apresentam uma estrutura densa, homogênea e com a presença de alguns poros. As analises de fratura evidenciam também a presença de fase líquida no material a partir de 1150 C, apresentando os materiais um molhamento da estrutura, que é característico da presença de fase líquida. Pode-se notar nas análises de fratura que o material sinterizado na temperatura de 1200 C apresenta alguns poros redondos, que pode ser atribuído a perda de material volátil, que ocorre em altas temperaturas. CONCLUSÕES Os resultados apresentados neste trabalho demonstram que é possível adicionar concentrações elevadas de rejeito de granito a massas argilosas, sem prejudicar a qualidade e propriedades do produto final. Os corpos sinterizados apresentaram, em todas as temperaturas investigadas, propriedades melhores do que as especificadas pelas normas para a cerâmica vermelha, mostrando ser possível a incorporação de rejeito de mármore e granito na fabricação de materiais daquele tipo. Pode-se concluir que a melhoria causada pela adição de rejeito de granito está ligada a formação de fase líquida causada pela presença de metais alcalinos na composição quíica do granito. REFERÊNCIAS 1. E. J.A. Perez, R. Terradas, M.R. Manent, M. Seijas, S. Martinez, Inertization of industrial wastes in ceramic materials, Indus. Ceram. Int, 16 [1], pp. 7-10, 1986. 2. E.F.C. Silva, M.V.A. Fonseca, R.L.M Pereira, Estudo da sinterabilidade do rejeito da indústria de beneficiamento de granito, Anais do 12º Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais, A. de Lindóia-SP, pp. 468-471, 1996. 3. M. Dondi, M. Marsigli, B. Fabbri, Recycling of industrial and urban wastes in brick production a review, Tile & Brick Int, 13 [3], pp. 218-225, 1997. 4. M.S.H. Crespo, J.M. Rincón, New porcelainized stoneware materials obtained by recycling of MSW incinerator fly ashes and granite sawing residues, Ceram. Int, 27, pp. 713-720, 2001. 5. R.R. Menezes, G.A. Neves, H.C. Ferreira, O estado da arte sobre o uso de resíduos como matérias-primas cerâmicas alternativas, Rev. Bras. Eng. Agr. e Ambien., 6, [2], pp. 303-313, 2002. 6. P. Pisciella, S. Crisucci, A. Karamanov, M. Pelino, Chemical durability of glasses obtained by vitrification of industrial wastes, Waste Management, 21, pp. 1-9, 2001.. 7. E. Monfort, J.E. Enrique, Economia energética e vantagens meio ambientais da reutilização de resíduos, Ceram. Industrial, 1 [4-5], pp. 14-20, 1996. 8. H. Thomas and G. Peer, Mineral raw materials in the brick and tile industry-important parametres in the daily practice of the geoscientist, part 2, J. ZI, 12, pp. 20-26, 2001. 9. Associação Brasileira de Normas Técnicas ABNT. NBR 6480-85, Determinação da massa específica e da absorção de água. Rio de Janeiro-RJ, 1985.
10. P. S. Santos. Ciência e Tecnologia de Argilas, Vol.1, 3ª edição. Editora Edgard Blücler Ltda, S. Paulo, 1997. 11. G.A. Neves, Reciclagem de resíduos da serragem de granito para uso como matéria-prima cerâmica, Ph.D thesis, Campina Grande-Brazil, 2002. 12. Associação Brasileira de Normas Técnicas ABNT. NBR 7170-96, Tijolo maciço cerâmico para alvenaria, especificações. Rio de Janeiro-RN, 1996.