UTILIZAÇÃO DE SOLO RESIDUAL DE GNAISSE EM CERÂMICA VERMELHA.
F.T.G.Batista1, M.G.Alves2, J.Alexandre2, S.N Monteiro1, C.M.F.Vieira1,*
Av. Alberto Lamego, 2000, Campos dos Goytacazes, RJ, 28013-602, Brasil *[email protected]
Universidade Estadual do Norte Fluminense Darcy Ribeiro - UENF 1Laboratório de Materiais Avançados - LAMAV
2Laboratório de Engenharia Civil - LECIV
Av. Alberto Lamego, 2000, Campos dos Goytacazes, RJ, 28013-602, Brasil *[email protected]
RESUMO
Este trabalho tem por objetivo avaliar a incorporação de até 40% em peso de
um solo residual a uma argila visando à fabricação de cerâmica vermelha.
Inicialmente o solo residual foi submetido a ensaios de caracterização mineralógica,
química e física. Em seguida foram preparados corpos de prova por prensagem
uniaxial a 20 MPa para queima em forno de laboratório a 900oC. As propriedades
tecnológicas avaliadas foram: plasticidade, densidade aparente, retração linear,
absorção de água e tensão de ruptura à flexão. Os resultados indicaram que a
incorporação de solo residual melhorou a trabalhabilidade da argila. Nas
propriedades de queima, o solo residual atuou como um material inerte, reduzindo a
retração linear e praticamente não alterando a absorção de água. Devido à presença
de partículas de quartzo de granulometria grosseira no solo residual, a resistência de
queima da argila foi reduzida drasticamente com o incremento de solo residual
incorporado.
Palavras-chaves: argila, cerâmica vermelha, incorporação, solo residual
1
INTRODUÇÃO
O processamento de cerâmica vermelha envolve geralmente a utilização de
uma ou mais argilas como componente de massa cerâmica. Outros tipos de
materiais, tais como areia e rochas na forma de pó, argilito e filito, são
eventualmente empregados em algumas regiões do Brasil. No município de Campos
dos Goytacazes há uma elevada produção de cerâmica vermelha que utiliza
predominantemente argilas cauliníticas locais. A utilização de outros tipos de
materiais (1-3) na composição da massa cerâmica vem sendo investigada no sentido
de melhorar a qualidade da cerâmica local.
Neste trabalho estuda-se a incorporação de um solo residual proveniente do
processo de alteração dos gnaisses com domínios migmáticos da Unidade São
Fidélis. Esses gnaisses apresentam uma foliação marcante,
granulometria de media a grosseira e são constituídos predominantemente de K-
feldspato, plagioclásio-andesina, biotita, muscovita e quartzo(4).
O objetivo do atual trabalho foi o de avaliar a influência da incorporação de
até 40% em peso de solo residual nas propriedades tecnológicas de queima de uma
argila. Com esta incorporação buscou-se uma possível matéria prima alternativa
para a fabricação de cerâmica vermelha.
MATERIAIS E MÉTODOS
Para realização deste trabalho foram utilizados os seguintes materiais: solo
residual de gnaisse da Unidade São Fidélis (faixa quartzo-feldspática) e argila
provenientes do município de Campos dos Goytacazes, Estado do Rio de Janeiro. A
argila já foi caracterizada em trabalho anterior (5), sendo constituída de caulinita,
quartzo, mica muscovita e gibsita. O solo residual foi coletado na localidade
denominada de Lagoa de Cima, Figura 1.
2
Figura 1. Solo residual.
Após coleta nas jazidas, as matérias-primas foram secas a estufa a 110°C,
destorroadas em almofariz de porcelana e peneirada em malha 20 mesh (abertura
840µm).
O solo residual foi submetido a ensaios de difração de raios-X (DRX),
composição química, distribuição de tamanho de partículas e plasticidade. Os
ensaios de DRX foram realizados em amostras na forma de pó num difratômetro
Seifert modelo URD 65, operando com radiação Cu-Kα e 2θ variando de 3° a 80°. A
composição química das matérias-primas foi obtida por spectrometria por energia
dispersiva de raios-X utilizando um espectrômetro Shimadzu, modelo DX-700. A
distribuição de tamanho de partícula foi determinada por peneiramento e
sedimentação de acordo com norma técnica da ABNT (6). A plasticidade foi obtida
através da determinação dos limites de Atterberg, de acordo com as normas NBR
7180-84 e NBR 6459-84 (7,8).
Foram preparadas 3 composições com os seguintes percentuais de solo
residual incorporado na argila: 0, 20, 40% em peso, conforme mostra a Tabela I.
Nesta tabela, A significa argila e SR, solo residual.
3
Tabela I. Composições estudadas (% em peso)
Composições Matérias-primas A0SR A20SR A40SR
Argila 100 80 60
Solo Residual - 20 40
Corpos-de-prova retangulares (11,45 x 2,54 x 1,0 cm) foram preparados por
prensagem uniaxial em matriz de aço a 20MPa com umidade de 8%. Em seguida,
foram secos em uma estufa a 110°C por 24 horas. A queima foi feita em forno de
laboratório na temperatura de 900°C. A taxa de aquecimento utilizada foi de 3oC/min
com 60 min de patamar. O resfriamento foi realizado por convecção natural,
desligando-se o forno. As propriedades tecnológicas determinadas foram: densidade
aparente, retração linear, absorção de água e tensão de ruptura à flexão (3 pontos).
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Características do Solo Residual
A Figura 2 apresenta o difratograma de raios-X do solo residual com detalhes
(quadro pontilhado) com 2θ variando de 30° a 44°. A composição mineralógica do
solo residual é bem similar às argilas de Campos dos Goytacazes (5, 9). Observa-se
que foram identificados picos de difração associados à caulinita (Al2Si2O5(OH)4),
quartzo (SiO2), goetita (FeO(OH)), gibsita (Al(OH)3) e mica muscovita
(KAl2Si3AlO10(OH)2). A presença de caulinita confere plasticidade ao solo residual.
Durante a queima, a caulinita sofre uma série de transformações (10) contribuindo
para a consolidação microestrutural da cerâmica devido ao seu pequeno tamanho
de partículas de formato lamelar (11). A presença de hidróxidos de ferro e alumínio,
goetita e gibsita, contribuem para a perda de massa do solo residual durante a
queima e também para um comportamento refratário. O quartzo é uma material
desplastificante e na queima geralmente atua como inerte, não reagindo com os
demais constituintes. O inconveniente do quartzo no processamento cerâmico é sua
transformação alotrópica reversível em temperaturas na ordem de 573oC, o que
acarreta variação de volume e conseqüentemente trincas. As partículas
extremamente pequenas de quartzo podem reagir com outros constituintes e até
4
mesmo contribuir para o incremento da resistência mecânica (12). A mica muscovita
está presente em pequenas quantidades, conforme intensidade dos seus picos de
difração, não devendo acarretar modificações significativas na microestrutura de
queima do solo residual.
10 20 30 40 50 60 70 80
QCC
Go
QQ Q QQ
Q
Q
Q
Q
C
C
C
M
Inte
nsid
ade
(u.a
.)
2θ30 32 34 36 38 40 42 44
Q
Q
C
Go
Go
Go
Go
Go
Go
GiC C
2θ
Figura 2. DRX do solo residual.
A Tabela I apresenta a composição química do solo residual. Nesta tabela são
observados elevados percentuais de óxidos de Si, Al e Fe. De acordo com a
composição mineralógica apresentada anteriormente, a SiO2 está associada à
caulinita e ao quartzo. Já a Al2O3 está presente tanto na caulinita quanto na gibsita,
enquanto que o Fe2O3 é devido, sobretudo, à presença de goetita. A perda ao fogo
de 9,34% do solo residual está associada à perda de água de constituição da
caulinita e à desidratação dos hidróxidos de Fe e Al. A presença de SO3 precisa ser
melhor avaliada mas pode estar associada à presença de sulfeto de ferro ou a
algum sulfato.
Tabela I. Composição química do solo residual (% em peso).
SiO2
37,62
Al2O3
37,58
Fe2O3
11,75
TiO2
1,52
SO3
1,48
K2O 0,31
V2O5
0,04
ZrO2
0,04
PF 9,34
5
A Figura 3 apresenta a curva de distribuição de tamanho de partícula do solo
residuala. A densidade real, obtida por picnometria foi de 2,73 g/cm3 e tamanho
médio das partículas de 67,1 µm. Frações granulométricas abaixo de 2 µm estão
associadas à argila. Tamanho de partícula compreendido entre 2 e 20 µm denomina-
se silte e partículas com tamanho superior à 20 µm até 2000 µm correspondem à
areia. Esta por sua vez se divide em areia fina, 20 a 200 µm, e areia grossa, 200 a
2000 µm, de acordo com a classificação de tamanho de partículas da International
Society of Soil Science (13). As frações granulométricas obtidas para o solo residual
foram de: argila = 22,5%; silte = 16,1%; areia fina = 21,8% e areia grossa = 39,6%.
Pelos valores destas frações constata-se que o solo residual investigadao possui
uma razoável quantidade de argila, o que é responsável pela plasticidade do
material.
1 10 100 100010
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Mas
sa p
assa
nte
(%)
Diâmetro esférico equivalente (µm)
Figura 3. Distribuição do tamanho de partículas do solo residual.
A Tabela II apresenta a plasticidade do solo residual obtida pelos limites de
Atterberg (14). O limite de plasticidade LP indica a quantidade de água mínima
necessária para que o estado de consistência plástico seja alcançado. O limite de
liquidez LL está associado à quantidade de água em que o material apresenta uma
consistência de lama, ultrapassando, portanto, a faixa de consistência plástica. Já o
índice de plasticidade IP é a diferença entre LL e LP, indicando a faixa de
consistência plástica. Os resultados apresentados indicam que o solo residual
6
apresenta elevada plasticidade que está associada à presença da caulinita em sua
constituição mineralógica bem como a quantidade razoável de fração argila, Fig. 3.
Tabela II. Limites de Atterberg do solo residual (% em peso).
LP LL IP
31,6 58,4 26,8
Propriedades Tecnológicas das Composições
As composições foram submetidas a ensaios tecnológicos para verificar o efeito
da incorporação do solo residual investigado na trabalhabilidade e propriedades da
argila. Desta forma, pode-se aferir a conveniência da utilização deste solo residual,
que é relativamente abundante no município de Campos dos Goytacazes, em
cerâmica vermelha. Estes resultados são apresentados a seguir.
A Figura 4 apresenta a localização das composições estudadas num gráfico
elaborado a partir dos limites de plasticidade de Atterberg que indica regiões de
extrusão ótima e aceitável (15). É possível observar que a argila pura localiza-se fora
da região aceitável, apresentando um índice de plasticidade excessivo. A
incorporação de solo residual reduziu o índice de plasticidade da argila, de tal forma
que as misturas argila/solo residual localizam-se em região de extrusão aceitável.
Desta forma, a incorporação de solo residual foi benéfica para a trabalhabilidade da
argila estudada.
Figura 4. Prognóstico de extrusão através dos limites de Atterberg das
composições estudadas.
7
A Figura 5 apresenta, conjuntamente, as densidades aparentes tanto a seco
quanto de queima das composições investigadas. Observa-se que ocorreu um
pequeno incremento da densidade aparente a seco da argila com a incorporação de
solo residual. Isto está possivelmente associado à granulometria mais grosseira da
do solo residual, Fig. 3, em comparação com a argila, o que contribuiu para melhorar
o empacotamento das partículas. Já a densidade aparente de queima da argila não
sofreu alteração com a incorporação de solo residual. A densidade aparente de
queima de todas as composições investigadas é menor que a correspondente a
seco. Isto pode ser atribuído à perda de massa durante a queima que contribui para
gerar porosidade e à atuação discreta dos mecanismos de sinterização, tanto por
difusão sólida quanto por fase líquida, na temperatura de 850oC.
1,60
1,65
1,70
1,75
1,80
1,85
1,90
A40SRA20SRA0SR
Densidade aparente de queima Densidade aparente a seco
Den
sida
de a
pare
nte
(g/c
m3 )
Composições
Figura 5. Densidades aparentes a seco e de queima das composições.
A Figura 6 apresenta a absorção de água das composições investigadas.
Observa-se que, dentro do erro estatístico, a incorporação de solo residual até 40%
não alterou este parâmetro. Os valores das composições nas faixas de 21 a 22% de
absorção de água estão de acordo com as telhas das indústrias de Campos dos
Goytacazes, mas acima do valor máximo de 18% estipulado por norma técnica
atualmente em vigor para telhas do tipo romana (16). Deve ser observado, no entanto,
que a própria argila pura (A0L) não atende à norma. Como a absorção de água está
relacionada com a porosidade aberta do material, o resultado obtido está coerente
8
com a densidade de queima apresentada na Fig. 5, e comprova que o solo residual
atua como um material inerte durante a queima.
20,5
21,0
21,5
22,0
A40SRA20SRA0SR
Ab
sorç
ão d
e ág
ua (%
)
Composições
Figura 6. Absorção de água das composições.
. A Figura 7 apresenta a retração linear das composições estudadas. Observa-se
que ocorre uma brusca redução deste parâmetro com a incorporação de solo
residual. Isto é certamente devido ao comportamento inerte e refratário do solo
residual que dificulta o desenvolvimento das reações de sinterização.
1,05
1,20
1,35
1,50
1,65
A40SRA20SRA0SR
Ret
raçã
o Li
near
de
quei
ma
(%)
Composições
Figura 7. Retração linear das composições.
9
A Figura 8 apresenta a tensão de ruptura à flexão das composições estudadas.
Observa-se que esta propriedade também apresentou uma brusca redução com a
incorporação de solo residual. Além do caráter inerte do solo residual, a presença
significativa de partículas de quartzo de granulometria grosseira, Fig. 3, deve ter
ocasionado o aparecimento de trincas que acarretaram a redução da resistência
mecânica apresentada na Fig. 8.
2
4
6
8
10
12
14
16
A40SRA20SRA0SR
Tens
ão d
e ru
ptur
a à
flexã
o (M
Pa)
Composições
Figura 8. Tensão de ruptura à flexão das composições.
Finalmente, é importante mencionar que a incorporação deste solo residual a
uma argila típica de Campos dos Goytacazes trouxe os benefícios de melhorar sua
trabalhabilidade e reduzir a retração linear de queima. Por outro lado, a sensível
queda acarretada na resistência mecânica limita o uso da cerâmica vermelha
incorporada com este solo residual à fabricação de tijolos para vedação.
CONCLUSÕES
Neste trabalho de caracterização de solo residual e avaliação de seu uso para
a fabricação de cerâmica vermelha através da incorporação em até 40% em peso
numa argila, foi possível concluir que:
10
• O solo residual apresenta composição mineralógica similar às argilas de Campos
dos Goytacazes. A presença de caulinita é responsável pela elevada plasticidade
obtida.
• A incorporação de solo residual na argila melhorou sua trabalhabilidade e o grau
de empacotamento a seco. Devido à presença significativa de hidróxidos e de
quartzo, o solo residual atua como inerte durante a queima. O inconveniente do uso
deste solo residual para a cerâmica vermelha foi a redução da resistência mecânica,
atribuída às partículas grosseiras de quartzo. Isto, em principio, limita o uso de
cerâmica vermelha incorporada com este solo residual à fabricação de blocos de
vedação.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem o apoio financeiro e as bolsas concedidas pelo CNPq,
UENF, CAPES, FAPERJ e FENORTE/TECNORTE.
REFERÊNCIAS
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2. C. M. F. Vieira, H. F. Sales, S. N. Monteiro, Cerâmica 50, 315 (2004) 239.
3. C. M. F. Vieira, H. F. Sales, S. N. Monteiro, Anais do XV Congresso Brasileiro
de Engenharia e Ciência dos Materiais, Natal, RN, novembro de 2002, p.
4. Departamento de Recursos Minerais, Projeto Carta Geológica do Estado do Rio
de Janeiro – Bloco Campos – Relatório Final – Texto, v. 1, Niterói, 1981.
5. S. N. Monteiro, C. M. F. Vieira, Tile & Brick Int. 18, 3 (2002) 152.
6. ABNT - Associação Brasileira de Normas Técnicas. Determinação da Análise
Granulométrica de Solos. NBR - 7181, Rio de Janeiro, 1984.
7. ABNT - Associação Brasileira de Normas Técnicas, Determinação do Limite de
Plasticidade, NBR-7180, Rio de Janeiro, 1984.
8. ABNT - Associação Brasileira de Normas Técnicas, Determinação do Limite de
Liquidez, NBR-6459, Rio de Janeiro, 1984.
9. J. Alexandre, (2000) Análise de Matérias-primas e Composições de Massa
Utilizada em Cerâmicas Vermelhas. Tese (Doutorado em Ciência de Engenharia,
UENF, Campos dos Goytacazes-RJ.
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10. W. D. Johns, Ceramic Bulletin 44, 9 (1965) 682.
11. S. N. Monteiro, C. M. F. Vieira, Ceramics International 30, (2004) 381.
12. Y. Kobayashi, O. Ohira, Y. Ohashi, E. Kato, J. Am. Ceram. Soc. 75, (1992)
1801.
13. P. S. Santos, Ciência e Tecnologia das argilas, Editora Edgard Blucher, São
Paulo, Brasil, 1989, pp. 4.
14. R. M. Schmitz, C. Schroeder, R. Charlier, Applied Clay Science 26, 1-4 (2004)
351.
15. M. Marsigli, M. Dondi, L’Industria dei Laterizi 46, (1997) 214.
16. ABNT - Associação Brasileira de Normas Técnicas, Telha Cerâmica Tipo
Romana: Especificação. NBR 13.582, Rio de Janeiro, 1996.
Use of Residual Soil of Gneisse into Red Ceramic
ABSTRACT
This work has for objective to evaluate the incorporation of residual soil from
laterization process in amounts up to 40 wt. % into clay bodies to obtain red ceramic.
Initially, the residual soil was submitted to mineralogical, chemical and physical
characterization tests. Specimens were then prepared by uniaxial pressing at 20
MPa before firing at 900oC in a laboratory furnace. The technological properties
evaluates were: plasticity, bulk density, linear shrinkage, water absorption and
flexural strength. The results showed that the use of residual soil improved the
workability of the clay body. As far as the firing properties are concerned, the residual
soil acted as an inert material, decreasing the linear shrinkage but, practically, did not
change the water absorption. Due to the presence of coarse quartz particles, the
mechanical strength of the red ceramic was reduced with the increment of
incorporated residual soil.
Keywords: Clay, red ceramic, incorporation, residual soil.
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