1 AVALIAÇÃO DA DURABILIDADE DE CERÂMICOS ADITIVADOS COM RESIDUO DE GRANITO ATRAVÉS DE ENSAIO DE DESGASTE Gustavo de Castro Xavier, Fernando Saboya Albuquerque Júnior, Paulo César de Almeida Maia, Jonas Alexandre. Laboratório de Engenharia Civil LECIV Universidade Estadual do Norte Fluminense Av. Alberto Lamego, 2, Horto, Campos dos Goytacazes RJ Brasil, CEP: 2813-6, Fone: (xx22) 2726-1517 gcxavier@uenf.br; saboya@uenf.br; RESUMO Este trabalho busca a caracterização da massa argilosa de Campos dos Goytacazes-RJ e do resíduo proveniente das indústrias de desdobramento de blocos de granito de Cachoeiro de Itapemirim-ES. São estudadas misturas do resíduo com a massa argilosa, obtendo matéria-prima para produção de cerâmicos utilizados na construção civil. Além da massa argilosa não incorporada com resíduo, consideram-se misturas de 5% e % na confecção de corpos de prova prismáticos. Após secagem em estufa a 1ºC e queima em forno mufla eletrônico nas temperaturas de 5ºC, 7ºC e 9ºC, obtêm-se as propriedades físico-mecânicas dos corpos de prova. São apresentados os resultados dos ensaios de desgaste no equipamento Slake Durability. Neste ensaio, os corpos de prova são submetidos à baixa energia de desgaste, permitindo avaliar a durabilidade em função da perda de massa observada. Os resultados indicam que a adição de resíduo influencia no desgaste do material e conseqüentemente, na sua durabilidade. Palavras-chave: Desgaste, resíduo de granito, Durabilidade, Cerâmica Vermelha.
2 INTRODUÇÃO O processo industrial de rochas ornamentais do Estado do Espírito Santo vem crescendo a cada ano, sendo um dos setores de maior representatividade econömica deste Estado, nos setores produtivos e de exportação. O Estado do Espírito Santo abriga todas as atividades da cadeia de produção do setor, além da maioria das atividades de apoio, como fabricantes e fornecedores de máquinas, equipamentos e outros insumos industriais, além de prestadores de serviços (1). Essas atividades centralizam-se principamente no município de Cachoeiro do Itapemirim-ES. Entretanto, alguns municípios como Castelo, Barra de São Francisco e Nova Venécia possuem atividades no setor de rochas ornamentais com grandes potencialidades. Estima-se que tais atividades produzem cerca de 15. toneladas de resíduo de granito/mês (2) somente no Município de Cachoeiro do Itapemirim-ES. Isto de justifica pela presença de mais de 35 indústrias de extração, desdobramento e beneficiamento de rochas ornamentais, contando com mais de 9 teares com trabalhos quase ininterruptos, de onde surgem os resíduos. Segundo Xavier (3), Neves (4) e Mothé (5), existe grande potencial de utilização do chamado resíduo de granito comercialmente aditivados na massa cerâmica para fabricação de tijolos, blocos cerâmicos estruturais, revestimentos e outros produtos cerâmicos. Assim sendo, utilizou-se uma massa argilosa do município de Campos dos Goytacazes-RJ para realização deste estudo. Este município representa cerca de 35% da produção de peças de cerâmica vermelha do Estado do Rio de Janeiro-RJ, contando com aproximadamente indústrias cerâmicas, produzindo mais de milhões de peças/mês. Deve-se ressaltar que existe no mercado, uma tendência de aumento na demanda dos blocos estruturais confeccionados em cerâmica vermelha, principalmente para atender os programas governamentais de habitação em casos emergenciais (casos de enchentes, desmoronamentos etc.) a custo reduzido. A alvenaria dessas casas, chamadas populares, não possuem proteção mecânica (chapisco e/ou emboço), ficando expostas às condições climáticas
3 (variação de temperatura, umidade, chuvas fortes, respingos dentre outras), podendo se degradar por completo em poucos anos. Com a intenção de se iniciar os estudos de avaliação da degradação do material cerâmico em laboratório, este trabalho caracteriza a massa argilosa e o resíduo de granito, apresenta as propriedades tecnológicas e indica, após os ensaios do Slake Durability, a influência da durabilidade do resíduo de granito aditivado na massa argilosa. MATERIAIS E MÉTODOS A massa argilosa utilizada na pesquisa é proveniente da empresa A.C.Cerâmica Indústria e Comércio Ltda., localizada no Km 15 da Rodovia Campos Farol de São Tomé, Município de Campos dos Goytacazes/RJ. Este material é utilizado na confecção de cerâmicas vermelhas na região. O Resíduo utilizado foi proveniente do corte do granito da MARCEL Mármore Comércio e Exportação Ltda, localizada na Rua Ângelo Silvério, s/n, Bairro Aeroporto, Cachoeiro do Itapemirim- ES. O programa experimental foi desenvolvido no Laboratório de Mecânica dos Solos do LECIV/CCT/UENF e buscou a determinação das características físicas e químicas da massa argilosa e do resíduo e das características de durabilidade do produto cerâmico utilizando-se misturas da massa argilosa e do resíduo como matéria prima. Na caracterização física foi feita a determinação da distribuição granulométrica dos materiais, via úmido por peneiramento e sedimentação, segundo a NBR 7181 (6) (1984), e a determinação dos limites de plasticidade e liquidez segundo as normas ABNT, NBR-718 (7) (1984) e NBR-6459 (8) (1984), para obtenção da umidade de extrusão. A análise química quantitativa dos materiais foi realizada segundo metodologia estabelecida nos procedimentos do IGEO/CCMN/UFRJ (Instituto de Geociências/Centro de Ciências Matemáticas e Naturais da Universidade Federal do Rio de Janeiro/RJ). As amostras foram preparadas com misturas de massa argilosa e diferentes frações de resíduo correspondentes a %, 5%, e % da massa da amostra. O
4 resíduo utilizado foi passado na peneira nº 2 (,85mm). As misturas foram feitas com os materiais inicialmente secos em estufa a 1ºC por 24h. Posteriormente pela LL equação Wext. = % 2 + 2 (9). Após isso, as amostras foram levadas ao laminador (Verdés modelo 8) e em seguida a extrusora (Verdés modelo 51). Os corpos de prova foram moldados na forma de prismas com dimensões de 11,x2,7x1,7cm. Os processos de secagem e queima dos corpos de prova foram realizados nas temperaturas de 1ºC (estufa), 5ºC, 7ºC e 9ºC, em forno mufla eletrônico, com velocidade constante de elevação de temperatura de 5ºC/min., com patamar de queima de 3 horas. O resfriamento ocorreu naturalmente durante a noite até temperatura ambiente. Após calcinação nas temperaturas mencionadas anteriormente, os corpos de prova foram submetidos aos ensaios de: absorção de água, massa específica aparente, porosidade aparente; variação linear e tensão de ruptura à flexão. Os resultados obtidos representam a média de cinco determinações. Para a avaliação da durabilidade utilizou-se e ensaios slake durability. Este ensaio aplica baixa energia de desgaste aos corpos de prova, correspondente a 2 revoluções durante minutos, perfazendo 1º ciclo de ensaio. Neste trabalho, adotou-se um total de 5 ciclos para um mesmo conjunto de amostras. O procedimento seguiu a metodologia descrita pela ISRM (1981) (). Utilizou-se amostras cúbicas com 3 repetições para cada temperatura e porcentagem de mistura de resíduo de granito. Utilizou-se a tabela proposta por Gamble (12) para a classificação do material, considerando-se a porcentagem retida do material seco no 1º e 2º ciclos. O ensaio do slake durability é fundamentalmente utilizado para se detectar a desintegração parcial ou total de rochas brandas, em especial as rochas sedimentares, e algumas vezes, rochas duras, como o basalto e o granito. A equação utilizada para expressar o índice de desgaste (Id%) é definida pela equação () : Id = Minicial Mciclo (%) Minicial (A) onde, Id é o índice de desgaste, Minicial é a massa seca intacta e Mciclo é a massa do ciclo considerado.
5 argilosa. RESULTADOS E DISCUSSÃO A Figura 1 apresenta as curvas granulométricas do resíduo e da massa Peneira N o (USCS) 9 Porcentagem que passa (%) 8 7 6 5 4 3 2 Massa Argilosa Resíduo de Granito 2 3 4 5 6 7 8 Porcentagem retida (%) 9,1,1,1,1 1 Diâmetro dos Grãos (mm) ABNT USCS MIT Argila Argila Argila Silte Silte Silte Areia P edregulho Pedra fina média grossa fino médio grosso Areia P edregulho f ina média grossa 1 2 3 4 Areia Pedregulho fina média grossa Figura 1 Distribuição granulométrica do resíduo e da massa argilosa. Matacão Verifica-se que a composição granulométrica do resíduo de granito é constituída de 14% de fração argila, 67% de fração silte, 17% de fração areia fina e 2% de fração areia grossa (Figura 1). Para a massa argilosa, observa-se 53% de fração argila, 31% de fração silte, 8% de fração areia fina, 5% de fração areia média, e 3% de fração areia grossa (Figura 1). Avaliando a distribuição granulométrica do resíduo de granito e comparando com os resultados obtidos por Xavier (3) no estudo de resíduos em massas cerâmicas, nota-se que a fração silte é predominante, caracterizando o resíduo com forma de pó uniforme. Isto indica o uso deste resíduo de granito como aditivo para cerâmica vermelha. Observando a distribuição granulométrica da massa argilosa e considerandos os resultados de Souza Santos (11) e Alexandre (9) no estudo de argilas para aplicação em cerâmica vermelha, conclui-se que a massa argilosa possui faixa granulométrica recomendada para uso em cerâmica vermelha.
6 O Quadro I apresenta as composições químicas da massa argilosa e do resíduo de granito. Estes ensaios foram realizados, segundo metodologia estabelecida nos procedimentos do IGEO/CCMN/UFRJ (Instituto de Geociências/Centro de Ciências Matemáticas e Naturais da Universidade Federal do Rio de Janeiro/RJ). Matérias P.F. SiO 2 Al 2 O 3 Fe 2 O 3 CaO CaO MgO Na 2 O K 2 O TiO 2 Primas (%) (%) (%) (%) (%) Livre (%) (%) (%) Argila 15,4 42,31 32,2 6,87,2 -,7,4,94 1,24 R.Granito 1,55 69,16 14,58 3,49 3,21 -,32 3,13 4,49,16 Quadro I Componentes químicos da massa argilosa e do resíduo de granito. Quando comparados os resultados da análise química (Quadro I) da massa argilosa com as análises químicas de argilas para cerâmica vermelha estudadas por Souza Santos (11), Neves et al (4), observa-se que as composições químicas são similares, onde o teor de SiO 2 próximo a 5%, teor de Al 2 O 3 de 32,2% e o teor de Fe 2 O 3 acima de 6%. Isto indica a compatibilidade da massa argilosa estudada para uso em cerâmica vermelha. Os óxidos de sódio e potássio presentes são agentes fundentes, podendo formar eutéticos, preenchendo os vazios do cerâmico. Nota-se na análise química realizada para o resíduo de granito, que o teor de sílica é superior a 6% e de Al 2 O 3 é superior a 14%, indicando se tratar de composições químicas de minerais primários (quartzo, feldspato e minerais do grupo da mica). Os teores de CaO e Fe 2 O 3 são provenientes, principalmente da cal e da granalha utilizadas como lubrificante e abrasivo, respectivamente. Os óxidos de sódio e de potássio presentes no resíduo são quase totalmente oriundos do feldspato e da mica e são agentes fundentes, podendo preencher os vazios do cerâmico. A perda ao fogo (P.F.) do resíduo de granito apresentou pequena perda de massa devido à estabilidade estrutural do resíduo, no entanto, esta perda pode ter sido devido à degradação da mica. A Figura 2 apresenta a variação dos limites de consistência e da umidade de extrusão com a porcentagem de granito na mistura, respectivamente.
7 % 7 6 5 4 3 2 LL (%) LP (%) IP (%) (LL/2)+2% 28 2 4 6 8 2 4 6 8 % de Resíduo de Granito % de Resíduo de Granito (a) limites de consistência (b) umidade de extrusão Figura 2 - Curvas dos limites de consistência (a) e umidade de extrusão (b). 32 31 3 29 Nota-se que os limites de liquidez e plasticidade decrescem com o aumento da porcentagem de resíduo de granito (Figura 2a). Verifica-se, também, que o índice de plasticidade permanece aproximadamente constante com a variação da porcentagem de resíduo. Nota-se na Figura 2b que ocorre um acentuado decréscimo na umidade de extrusão com o aumento da porcentagem de resíduo. Isso indica um imbricamento entre os grãos com menor umidade em comparação com a massa argilosa sem aditivo. Essas curvas indicam menor retração na secagem a verde e na queima, maior será sua estabilidade nas dimensões da peça cerâmica. A Figura 3 mostra os resultados dos ensaios físico-mecânicos das peças cerâmicas com adição de resíduo de granito. 24 42 Abs. de Água (% ) 23 22 21 2 5 % de Resíduo de Granito(%) 5º C 7º C 9º C P. Aparente (%) 4 38 36 34 32 5 % de Resíduo de Granito(%) 5ºC 7ºC 9ºC (a) Absorção de Água (%). (b) Porosidade Aparente (%).
8 7 1,8 V. Linear (%) 6 5 4 3 2 1ºC 5ºC 7ºC 9ºC 5 % de Resíduo de Granito(%) M.E.A. (g/cm³) 1,6 1,4 5 % de Resíduo de Granito(%) 1ºC 5ºC 7ºC 9ºC (c) Variação Linear (%). 12 T.R.F. (MPa) 8 6 4 (d) Massa Específica Aparente (g/cm 3 ). 1ºC 5ºC 7ºC 9ºC 2 5 % de Resíduo de Granito(%) (e) Tensão de Ruptura à Flexão (MPa). Figura 3 Resultados dos ensaios físico-mecânicos das peças cerâmicas com adição de resíduo de granito. Analisando os resultados das figuras 5(a) e 5(b), verifica-se que os menores valores (21,12% e 33,29%) de absorção de água e porosidade aparente foram para a composição de argila com 5% de resíduo de granito a 9ºC. Isto sugere que ocorreu a formação de fase líquida nesta temperatura. Observa-se na Figura 5(c), que a variação das dimensões lineares da composição de massa cerâmica com 5% de resíduo de granito, apresentam tendência de estabilização do cerâmico em todas as temperaturas. A Figura 5(d), indica uma tendência de aumento da massa específica aparente com o aumento da porcentagem de resíduo, independentemente da temperatura de calcinação. Essa tendência de aumento pode se justificar pela a presença de granalha no resíduo.
9 Nota-se que o maior valor da tensão de ruptura à flexão foi igual a,29 MPa para os corpos de prova moldados com 5% de resíduo de granito e calcinados a 9ºC (Figura 5(e)). A seguir, mostra-se na Figura 6 (a, b e c), os resultados deste ensaio: Índice de Desgaste (%) 6 5 4 3 2 1 1,28 1,19 1,23 %R 5%R %R 2,1 1,79 2,24 5ºC 2,48 2,36 3,3 3,2 3,4 3,95 3,78 3,69 1 2 3 4 5 Nº de Ciclos (a) Índice de Desgaste (%) 6 5 4 3 2 1,21,48,43 %R 5%R %R 4,94,64,69,71 Índice de Desgaste (%) 9ºC 6 5 4 3 2 1,77,78,88,82 %R 5%R %R,23,68 1,3,48,98 7ºC 1,57,98 1,48 1,85 1,36 1,91 2,59 2,18 2,7 1 2 3 4 5 Nº de Ciclos 1,18 1,2 1,25 1,55 1,58 1 2 3 4 5 Nº de Ciclos 1,63 (b) (c) Figura 6 - Curvas de perda de massa dos cubos cerâmicos sem resíduo (a), com 5% de resíduo (b) e com % de resíduo de granito. Na Figura 6, nota-se que nas temperaturas de 5ºC (a) e 7ºC (b), a massa argilosa com 5% de resíduo apresentou menor tendência de perda de massa. Isso se deve ao fato do melhor entrosamento entre os grãos na homogeneização do material e na conformação a verde, o que conferiu maior resistência por atrito entre as amostras ensaiadas. Nota-se que na temperatura de 9ºC, a massa argilosa obteve sensivelmente maior resistência ao desgaste em relação às adições de resíduo (5 e %). Entretanto, os resultados com a adição de 5% de resíduo de
granito na massa cerâmica, podem ser utilizados, pois se apresentam próximos à massa argilosa sem adição de resíduo. Devem-se fazer novas investigações com temperaturas mais elevadas para maiores inferências. Comparando-se com a classificação de Gamble (12) para as rochas brandas (sedimentares), em todos os casos, o material se enquadra no grupo de muito alta durabilidade (> 99% no 1º ciclo e > 98% no 2º ciclo). CONCLUSÕES A massa cerâmica e o resíduo de granito apresentam fina granulometria, uniforme, adequada ao uso de massas cerâmicas. Segundo a análise química quantitativa, o resíduo tem composição mineralógica típica de minerais primários (quartzo, feldspato e mica) e que possuem compostos químicos (alcalinos e alcalinos terrosos) que melhoram a qualidade do cerâmico. As peças cerâmicas aditivadas com resíduo de granito na massa cerâmica na proporção de 5% calcinadas a 9ºC apresentaram melhores resultados quanto às propriedades físico-mecânicas. A utilização de 5% de resíduo de granito no cerâmico confere uma boa resistência superficial à desagregação do material segundo o ensaio de slake durability; REFERÊNCIAS (1) Abreu, A., Carvalho, D. A força das Pedras. O mármore e o granito no Espírito Santo. 1ª Edição. Vitória: Tecmaram. 89 p.1994. (2) Machado, M. A. O Setor de Rochas Ornamentais. Rejeitos. Palestra apresentada no CREA/ES sobre rejeitos da Indústria de Rochas Ornamentais. Cachoeiro de Itapemirim-ES. 22. (3) Xavier, G.C., Utilização de Resíduos da Serragem do Mármore e Granito na Confecção de Peças Cerâmicas Vermelhas. Dissertação de Mestrado em Geotecnia, Universidade Estadual do Norte Fluminense, Campos dos Goytacazes, RJ, 21. (4) Neves, G.A.; Ferreira, H.C.; Silva, M.C., Potencial de Utilização de Resíduo da Serragem de Granito na Fabricação de Revestimentos Cerâmicos - Parte 1. Anais do 44º Congresso Brasileiro de Cerâmica, Florianópolis-SC, 2.
11 (5) Mothé Filho, H. F.; Polivanov, H.; Mothé, C.G. Reciclagem: O caso do resíduo sólido das Rochas Ornamentais. Anais do 1º Congresso Internacional de Rochas Ornamentais. Cachoeiro do Itapemirim-ES. 7 p., 25. (6) ABNT, Associação Brasileira de Normas Técnicas, Determinação da Análise Granulométrica dos Solos, NBR 7181, 1984. (7) ABNT, Associação Brasileira de Normas Técnicas, Determinação do Limite de Plasticidade dos Solos, NBR 718, 1984. (8) ABNT, Associação Brasileira de Normas Técnicas, Determinação do Limite de Liquidez dos Solos, NBR 6459, 1984. (9) Alexandre, J. Caracterização das Argilas do Município de Campos dos Goytacazes para Utilização em Cerâmica Vermelha. Dissertação de Mestrtado em Geotecnia. Universidade Estadual do Norte Fluminense, Campos dos Goytacazes/RJ (1997). () ISRM. International Society for Rock Mechanics. Rock Characterization Test and Monitoring. ISRM Suggested Methods, Ed. E.T. Brow, Pergamon Press, Oxford, p. 54-6. 1981. (11) Souza Santos, P. Ciência e Tecnologia das Argilas. 2ª Edição. São Paulo-SP. Ed. Edgard Blucher Ltda. Vol.1, 499p. 1989. (12) Gamble, J. C. Durability-plasticity classification of shales and other argillaceous rocks. Ph.D. Thesis. University of Illinois. 1971. ABSTRACT This work presents the characterization of the clay soils of Campos dos Goytacazes-RJ. The waste by product of the sawing process of the blocks of granite, in the Municipal district of Cachoeiro de Itapemirim-ES, is also examined. Different by-product contents in the ceramic raw material, is investigated in order to determine some engineering properties of the ceramic brick, mainly the degree of alterability determined by the Slake Durability test. The results indicate that the by-product addition in the raw material has great influence in the alteration of the material and consequently, in its durability. Key-Words: Alterability, waste of the granite, durability, red ceramics.