CERÂMICAS

As Cerâmicas podem ser classificadas em duas grandes famílias:(1) Cerâmicas tradicionais: são os produtos das indústrias dos silicatos; podem ser

- porosas: produtos das argilas, cimento Portland- impermeáveis: vidros de silicatos, grès porcelanato

(2) Cerâmicas avançadas, finas, novas como por exemplo:- óxidos cerâmicos puros, refractários alto desempenho- cerâmicas magnéticas, condutoras, semi-condutoras, supra-condutoras- carbetos, boretos- vidros especiais, vidro-cerâmicas, sol-gel- peneiras moleculares- cermetos, cermpolímeros, biocerâmicas

MATERIAIS CERÂMICOS PARA A CONSTRUÇÃO CIVIL

I. Definições

I-1. Pedras artificiaisSão materiais que substituem as pedras em suas aplicações ou têm aparência geral semelhante. São (1) os materiais de cerâmicas e (2) os materiais de cimento.

I-2. CerâmicasSão pedras artificiais obtidas pela moldagem, secagem, e cozedura das argilas ou de mistura contendo argilas.Principais características: grande durabilidade (alta temperatura de fusão); isolantes elétricos e térmicos; duros, mas frágeis.

II. As argilas

II-1. DefiniçãoSão materiais terrosos que, quando misturados com a água, apresentam alta plasticidadeDefinição da ABNT: "As argilas são compostas por partículas coloidais de diâmetro inferior a 0,005 mm, com alta plasticidade quando úmidas e que, quando secas, formam torrões dificilmente desagregáveis pela pressão dos dedos"

II-2. Constituição e componentes As argilas são compostas por:

1. Argilo-minerais: são partículas extremamente pequenas (1-10 µm) em forma de folhas carregadas eletricamente. As cargas atraem as moléculas de água que provoca uma boa lubrificação

Para um teor de água apropriado, as argilas se tornam plásticas

Os argilo-minerais são compostos basicamente por: silicatos hidratados de alumínio, ferro e magnésio + elementos alcalinos e alcalino-terrosos, sílica, alumina, mica, óxido de ferro, magnésio, etc. (resultante da degradação das rochas sob a ação da água e gás carbónico)Exemplo: Caulim: caulinita (pó branco) misturada com outros elementos:

- É o argilo-mineral mais simples- Apresenta uma estrutura lamelar composta por uma camada mista de silicato e

hidróxido de alumínio- Quando úmida, se torna muito plástica; quando seca, provoca uma alta retração

2. Componentes acessórios→ Feldspatos (fundentes): diminuem a plasticidade e o ponto de fusão e aumentam a massa específica, resistência e impermeabilidade.→ Sílica livre (areia): reduz a plasticidade e retração (é uma carga), aumenta a brancura e diminui a resistência mecânica (em excesso, pode provocar fissuras na queima)→ Óxido de ferro: dá a cor avermelhada (4-8% para as cerâmicas vermelhas; < 2% para as cerâmicas brancas), diminui a plasticidade e refratariedade.→ Alumina livre (óxido de alumínio): aumenta a refratariedade e reduz a plasticidade e a resistência mecânica.→ Compostos cálcicos (sais de sulfatos e carbonatos): reduzem refratariedade e plasticidade e dão as eflorescências.→ Matéria orgânica: aumenta a plasticidade, porosidade e retração; dá a cor escura das argilas antes do cozimento.

3. Água Nas pastas de argilas, a água existe sob três formas:

- Água de constituição que pertence a rede cristalina- Água de plasticidade ou adsorvida que adere à superfície das partículas coloidais- Água de capilaridade, livre ou de poros que preenche os poros e vazios

II-2. Tipos de depósitos de argilaAs argilas podem ser encontradas: na superfície das rochas, como resultado da decomposição superficial das mesmas; nos veios e trincas das rochas ou nas camadas sedimentares, onde foram depositadas por ventos e chuvas. Então, temos:(1) As argilas residuais: encontradas no local onde se originou; são os caulins (primários) ricos em quartzo, mica e feldspato que serão usadas para a fabricação da cerâmica branca(2) As argilas sedimentares: o depósito fica longe da rocha de origem, elas foram transportadas: pela água ou pelo vento; são mais ricas em argilo-minerais e menos ricas em quartzo e restos da rocha de origem: são chamadas caulins secundários e serão usada na fabricação da cerâmica vermelha.

II-3. Tipos de argila→ Argilas de cor de cozimento branca: caulins e argilas plásticas→ Argilas refratárias: caulins, argilas aglomerantes aluminosas→ Argilas para a produção de grés→ Argilas para materiais cerâmicos estruturais, amarelas ou vermelhasII-4. Propriedades das argilas

II-4-1. PlasticidadeÉ a propriedade que um sistema possui de se deformar pela aplicação de uma força e de manter essa deformação quando a força é retirada.Ela resulta das forças de atração entre partículas de argilo-minerais e da ação lubrificante da água entre as partículas lamelares; as forças de atração podem ser anuladas se a película de água entre as lamelas é excessiva provocando uma perda da plasticidade.A plasticidade depende de:

- Tipo e percentagem dos argilo-minerais- Tamanho e forma das partículas- Capacidade de troca de íons- Presença de outras substâncias

II-4-2. Retração

Durante a secagem das argilas, ocorre a evaporação da água: a distância entre as partículas diminui, provocando uma retração.Esta retração é proporcional ao grau de umidade e à composição da argila e tamanho das partículas.Se retração não é uniforme, a peça pode se deformarObservação: fatores que aumentam a plasticidade, também aumentam a retração

II-4-3. Secagem e queima

(1) Secagem (evaporação da água gerando retração)A secagem do interior da peça (coração) ocorre pela difusão da água até a superfície onde acontece a evaporação; se a velocidade de evaporação é maior do que a velocidade de difusão da água do interior da peça até a superfície.Então, a superfície seca antes do interior e se retrai, enquanto o coração ainda úmido não contrai; este fenómeno pode criar tensões diferenciais, provocando o aparecimento de fissuras e uma deformação da peça.Então, torna-se necessário controlar a velocidade de evaporação a fim de que ela seja no mínimo da ordem de grandeza da velocidade de difusão da água do coração da peça até a superfície. Para isto, deve ser controlado a temperatura, a umidade e o fluxo de ar do ambiente

Observação: maior será a espessura da peça, maior deverá ser o tempo de secagem (e maior será o risco de fissuração)

2) Queima (sinterização) Durante a queima dos materiais cerâmicos, ocorrem transformações físicas, alotrópicas, reações no estado sólido e recristalizações em diversos intervalos de temperatura.Os processos de queima são caracterizados pela temperatura de queima mas também pelo tempo de permanência numa temperatura dada.→ Até 110 ºC: ocorre a evaporação da água de capilaridade e amassamento (se não for totalmente evaporada durante a secagem)→ Em volta de 200-300 ºC: ocorre a perda da água adsorvida: a argila se enrijece→ Entre 400 e 800 ºC, ocorrem: perda da água de constituição; combustão da matéria orgânica; decomposição da pirita FeS2 em óxido de ferro Fe2O3 (dá a cor avermelhada); decomposição dos hidróxidos; transformação alotrópica do quartzo α em quartzo β (573°C)

→ Entre 800 e 950 ºC, ocorrem: calcinação dos carbonetos que se transformam em óxidos; decomposição dos sulfetos→ A partir de 950 ºC: ocorre o início da vitrificação (ou sinterização): por reação em alta temperatura entre alguns dos constituintes das argilas, forma-se um “vidro” líquido a base de sílica que aglomera as partículas menos fusíveis dando após o resfriamento dureza, resistência e compactação ao conjunto. As propriedades de um artigo cerâmico depende da quantidade de vidro formado, que será ínfima nos tijolos comuns e grande nas porcelanas.

III. Propriedades das cerâmicas

Elas dependem da constituição, cozimento, processo da moldagem, etc.

III-1. Propriedades MecânicasEm termos mecânicos, os materiais cerâmicos se caracterizam por:(1) Uma alta resistência à compressão (1-30 MPa)

- Ela é relacionada com as forças interatômicas e a quantidade de vidro formada- Ela aumenta com uma granulometria mais homogénea e fina- Ela diminui com o aumento da porosidade Exemplo: 10% de porosidade pode diminuir em 50 % a resistência do mesmo material sem poros, segundo: σr = σ0e-np (σr é a resistência, σ0 é a resistência com porosidade nula, p é a porosidade, n é uma constante)

(2) Uma baixa resistência à tração na flexão: rompem pelo processo da fratura frágil devido à formação e propagação das fissuras através da seção transversal do material numa direção perpendicular à carga aplicada.Microfissuras na superfície e na massa, poros internos, contornos de grãos amplificam a intensidade das cargas aplicadas e facilitam a propagação das tensões (e das fissuras) nas peças.(3) Um alta dureza e resistência ao desgaste (depende da quantidade de vidro formado)

Observação: a resistência mecânica é um índice de qualidade do material

III-2. Absorção ou porosidade aparenteÉ a percentagem de aumento de peso que a peça apresenta após 24 horas de imersão de água. A absorção de água depende da compactação, dos constituintes, da queima, etc.

III-3. Sucção É a velocidade de absorção da água que é função da porosidade e da capilaridade.

III-4. Outras propriedadesMateriais cerâmicos são: - péssimos condutores elétricos e térmicos

- bom isolante acústico, mas péssimo absorvente acústico

III-5. Desagregação das cerâmicasDentre dos materiais de construção, de uma maneira geral, os materiais cerâmicos são os mais duráveis, no entanto, eles podem sofrer algumas degradações por:(1) Agentes físicos: umidade e vegetaçãoApresentam uma boa resistência ao fogo (a resistência à compressão diminui quando a temperatura aumenta por causa das tensões diferenciais criadas pela dilatação desuniforme dos componentes)(2) Agentes químicos: sais internos (sulfatos, cabonatos)são dissolvidos pela umidade e podem recristalizar na superfície, dando as eflorescências (provocando má aparência, deslocamento e queda de revestimento)(3) “Agentes mecânicos”: materiais cerâmicos têm baixa resistência à flexão, então devem ser usados em "compressão"; eles devem também apresentar uma certa resistência aos choques (para aguentar o transporte).

IV. Classificação dos materiais cerâmicos usados na construção1) Materiais cerâmicos secos ao ar2) Materiais cerâmicos de baixa vitrificação3) Materiais cerâmicos de alta vitrificação - Materiais de louça

- Materiais de grés cerâmico4) Refratários

Classificação dos materiais cerâmicos segundo a norma ISO 10545:

Classificação ISO 10545 Absorção de Água Equivalente em PortuguêsIa < 0,5 % porcelanaIb 0,5-3,0 % grésIIa 3,0-6,0 % semi-grésIIb 6,0-10,0 % semi-porosoIII 10,0-20,0 % poroso

V. Fabricação da CerâmicaSegue os seguintes passos: (1) Exploração da jazida (extração do barro) (2) Preparação da matéria-prima (3) Moldagem (4) Cozimento (5) Vitrificação especial e esmaltação (às vezes)

ê

V-1. Exploração da jazidaFatores que devem ser considerados para a exploração da jazida:- Localização (em relação à indústria e centro consumidor)- Topografia do local (facilidade de acesso)- Características geológicas, profundidade máxima da barreira (equipamentos adequados)- Características do barro relacionadas com a aplicação (teor de argila, granulometria, umidade, etc.)- Remoção da camada superficial (que geralmente apresenta uma grande percentagem de matéria orgânica). Exemplo: a matéria orgânica aumenta a porosidade; a presença de carbonato de cálcio e (ou) compostos sulfurosos em grandes quantidades aumentam o risco de aparecimento de fendas.

V-2. Preparação da matéria-prima e da massa(1) O sazonamento (ou apodrecimento da argila) consiste em uma exposição mais ou menos prolongada às intempéries. Neste tempo (que pode levar anos para certos tipos de porcelana), ocorrem: uma fermentação da matéria orgânica, lavagem de sais solúveis, desagregação dos torrões e oxidação de piritas (sulfeto de ferro).(2) Eliminação das impurezas grosseiras por sedimentação, centrifugação, etc.(3) A maceração consiste na desintegração, trituração, peneiramento: para a obtenção de partículas menores(4) O loteamento do barro consiste numa correção da argila para dar à mistura a composição desejada relacionada à aplicação.

(5) O amassamento e mistura consistem na adição de água ou não para proporcionar a homogeneidade e preparar a pasta para a moldagem

V-3. MoldagemÉ a operação que vai dar a forma desejada à pasta cerâmicaAcrescentando-se mais água: aumenta-se a facilidade de moldagem e diminui-se o consumo de energia (BOM !) mas em contrapartida aumenta-se a contração na secagem e a deformação assim como aumenta-se o tempo de secagem (RUIM !).Em função da quantidade de água adicionada, existe vários tipos de moldagem:

V-3-1. Moldagem com pasta fluídaAdição de 30-50 % de água. É o processo chamado “barbotina” que consiste nos passos seguintes: (1) a solução é colocada em moldes porosos de gesso; (2) a água é absorvida e a argila adere às paredes; (3) quando seca, a peça se retrai e se descola.

Este processo é usado para a fabricação de porcelanas, louças sanitárias, peças para instalação elétrica e de formato complexo.

V-3-2. Moldagem com pasta plástica mole (branda)Adição de 25-40 % de água. É o processo mais tradicional que consiste na colocação em forma das peças cerâmicas em moldes de madeira ou com o torno de oleiro (manual ou automático).Este processo é usado para a fabricação de vasos, pratos, xícaras, tijolos brutos.

V-3-3. Moldagem com pasta plástica consistente (dura)Adição de 15-25 % de água. É o “processo de extrusão” que consiste em forçar a massa a passar sob pressão, através de um bocal apropriado, formando uma fita uniforme e contínua; depois a coluna é cortada no comprimento desejado.

Este processo, que é o mais comum em olarias de porte médio, é usado para a fabricação de tijolos, tijoletas, tubos cerâmicos, telhas, refratários. No caso das telhas: após a extrusão, é feita a moldagem com prensas especiais:

V-3-4. Moldagem a seco ou semi-seco

Adição de 5-10 % de água. A pasta é compactada com prensas com uma pressão variando entre 5 e 700 MPa.→ Vantagens: simplicidade das operações e produção em massa, tempo de secagem

reduzido e as peças obtidas são de muito boa qualidade (não tem bolhas)→ Desvantagens: investimento elevado e limitação dos formatosEste processo é usado para a fabricação ladrilhos, azulejos, pisos, refratários, isoladores elétricos, tijolos e telhas de qualidade superior.

V-4. SecagemObjetivo: evaporar a maior quantidade possível de água antes da queima tornar a peça suficientemente resistente para poder ser manuseada.Mas é necessário controlar a velocidade de secagem para evitar a formação de fissuras e deformação das peças.Para isto, existe vários processos:a) Secagem naturalÉ o processo mais comum nas olarias de pequeno e médio porte. Ele é feito em telheiros extensos ao abrigo do sol e com ventilação mais ou menos controlada. Em depósitos colocados em torno e acima do forno. Mas é demorado (Exemplo: 3 a 6 semanas para argilas moles, 1 semana para argilas rijas) e exige grandes superfícies.

b) Secagem por ar quente-úmidoO material é posto nos secadores onde recebe ar quente com alto teor de umidade: então ocorre a evaporação da água livre (poros). Depois recebe só ar quente permitindo a perda da água adsorvida ou da plasticidade.

c) Secadores de túnelAs peças são colocadas em vagonetes que percorrem lentamente um túnel no sentido da menor para a maior temperatura (aproveitamento do calor residual dos fornos 40-150°C).

d) Secagem por radiações infra-vermelhasÉ um método ainda pouco usado, devido ao seu alto custo de investimento e o uso restrito às peças delgadas. Mas o rendimento é alto ocorre pouca deformação. Usado para a fabricação de peças cerâmicas de precisão.

V-5. Cozimento (queima)

A queima em alta temperatura vai provocar o fenómeno de vitrificação que dará coesão e resistência para as peças cerâmicas.As peças (Exemplo: tijolos) são empilhadas em cutelo sob forma de uma pirámida truncada com altura de 5-6 metros e lado de 8-10 metros.O tipo de forno deve ser escolhido de maneira a proporcionar uma uniformidade das temperaturas no seu interior e um rendimento máximo, diminuindo as perdas por irradiação.

(1) Os fornos intermitentes permitem o cozimento de um lote de cada vezIsto leva a um elevado consumo de combustível e de mão-de-obra e provoca um desgaste rápido da estrutura devido aos ciclos de queima - resfriamento.Em contrapartida, o custo de instalação é baixo e a execução é fácil.

Forno intermitente comum Forno intermitente de chama invertida

Forno de mufla Forno semi-contínuo (2) Os fornos contínuos permitem uma queima em continuo:Exemplos:- No forno de Hoffmann, é “o fogo que anda”

- Nos fornos de Túnel, as peças são colocadas em vagonetes:

V-6. EsmaltaçãoUm esmalte é um vidrado cerâmico que se aplica em peças na forma de uma camada homogénea; é feito à base de fritas (vidro moído), corante, aditivos.Pode ser aplicado:- depois da queima da peça cerâmica (biscoito); então será necessária uma outra queima, é o processo de biqueima - antes da queima do biscoito, é o processo de monoqueima

Os objetivos na aplicação do esmalte são de: impermeabilizar, embelezar, aumentar a resistência mecânica, aumentar a resistência ao desgaste, melhorar a higienização (facilidade de limpeza) e a resistência química.

Ele pode ser transparente, opaco, brilhante, fosco ou colorido.

O vidrado deve ser homogêneo (espessura, cor) ao longo da peça e deve apresentar alta resistência às variações de temperatura e umidade, sem gretar