A utilização de cimento de fosfato de magnésio (CFM) como ligante para moldes de areia de fundição mostrou-se uma alternativa viável aos problemas ambientais provocados pelo uso de ligantes como resinas fenólicas (emissões gasosas típicas dos ligantes orgânicos e grande volume de areias rejeitadas).
O estudo de várias proporções molares de MgO/NH4H2PO4 com diferentes teores
de água adicionada permitiu verificar que as amostras com menos de 25% de água são de difícil manuseamento (presa muito rápida) independentemente da proporção molar utilizada. Para quantidades de água superiores a 40% as amostras permanecem húmidas por tempo excessivo com uma diminuição substancial da resistência mecânica final. No caso da composição 1:1, as amostras permanecem húmidas para quantidades de água acima de 30%.
A violência da reacção de formação de presa do CFM e consequente libertação de gases aumenta com a quantidade de MgO adicionada provocando uma maior percentagem de perda de peso. No caso da composição 1:1 a amónia não é libertada em grandes quantidades sendo incorporada na estrutura do CFM e dando origem a diferentes fases cristalinas (esquertelite e neuberite) que não se observam nas restantes composições. A grande diferença de perda de peso observada para diferentes proporções molares de
MgO/NH4H2PO4 pressupõe diferentes mecanismos de formação do CFM. A principal fase
cristalina do CFM (estruvite) é observada em maiores quantidades quando a reacção ocorre de forma lenta (proporções de MgO/NH4H2PO4 menores).
Para amostras preparadas com menores quantidades de água e/ou MgO, observa-se a presença de bifosamite (NH4H2PO4) na estrutura cristalina do CFM, que deixa de existir
quando se utiliza monofosfato de amónio moído em solução (MFAS). Este facto dever-se- á à granulometria grosseira do fosfato de amónio tal como fornecido (MFAN) e sua consequente maior dificuldade de dissolução. Com MFAS, constatou-se que o tempo de formação de presa é inferior ao observado no caso do uso de MFAN.
A densidade aparente (DA), a absorção de água (AA) e a porosidade aparente (PA)
das amostras aumentam com o aumento da proporção molar de MgO/NH4H2PO4, estando
Estas diferenças são observadas sobretudo quando se compara a composição 1:1 com as restantes composições.
O estudo da degradação térmica do CFM permitiu constatar a formação de diferentes fases dependendo da proporção molar de MgO/NH4H2PO4. Os produtos de
reacção após a decomposição do CFM (950ºC) para a composição 1:1 e uma percentagem de água de 37% são a periclase (MgO) e os fosfatos Mg2P4O12 e Mg2P2O7, enquanto na
composição 4:1 se observa a formação de um novo fosfato (Mg3(PO4)2) em substituição do
Mg2P4O12.
Atendendo aos resultados obtidos para o tempo de presa (trabalhabilidade), resistência mecânica após a formação de presa e ao aspecto das amostras, optou-se pela proporção 4:1 e uma percentagem de água de 37%, a usar nos estudos subsequentes de consolidação de areia.
Utilizaram-se teores de adição de CFM à areia entre 10 e 30%, e duas pressões de compactação diferentes (3 e 5 pancadas). Com o teor maior de cimento obtiveram-se valores de permeabilidade muito semelhantes aos obtidos com moldes de resina fenólica de produção industrial (entre 100 e 120). Para quantidades maiores de areia (85 e 90%), a permeabilidade eleva-se praticamente para o dobro, mais próxima da observada em compactados de areia verde. A resistência mecânica à compressão diminui com o aumento da quantidade de areia, sendo maior para graus de compactação superiores. Os valores obtidos variam entre 2MPa para percentagens de areia de 90% e 10 MPa para percentagens de areia de 70%.
Verificou-se que os valores de RMC das amostras de areia+CFM são aceitáveis (6,42 MPa), quando comparados com os compactados de resina fenólica (8,61 MPa), tendo em conta o modo como os compactados de resina fenólica foram preparados (processo de
caixa fria Ashland). Para a composição em estudo (4:1 com 37% de H2O), o valor de RMC
do CFM sem adição de areia foi 14,35MPa.
Quando se mantêm constantes as quantidades de areia e água e o grau de compactação das amostras, e se altera a razão MgO:NH4H2PO4, (4:1 para 1:1), observa-se
uma diminuição nos valores de permeabilidade (173 para 156) e RMC das amostras (6,42 para 4,85).
Quando sujeita a vários ciclos de aglomeração/calcinação/desaglomeração a areia aglomerada com cimento de fosfato de magnésio tem tendência a passar de uma
distribuição granulométrica unimodal para bimodal, com acumulação de finos. Os compactos com 70% de areia apresentaram fraca colapsibilidade e os de 85% de areia apresentaram excelente colapsibilidade. Em termos de valores de permeabilidade e resistência mecânica das amostras não se verificam grandes diferenças comparativamente aos resultados obtidos antes do 1º ciclo de calcinação.
Estes resultados permitem concluir que a aglomeração de areia com CFM pode ser uma alternativa às resinas fenólicas, o que torna este material promissor para uma futura aplicação à escala industrial, dado não ser tóxico, facilitar a regeneração das areias e permitir a sua reciclagem sem variações significativas de permeabilidade e resistência mecânica.
Como sugestões de continuidade em futuros trabalhos sugere-se:
O estudo da minimização do custo do cimento de fosfato de magnésio como ligante para moldes de areia para fundição, através da utilização de reagentes alternativos, nomeadamente o pó de magnesite recuperado, em grande quantidade, nos filtros mangas das unidades de “queima à morte” da magnesite mineral, até à data considerado como resíduo industrial;
A realização de ensaios a nível industrial envolvendo as formulações mais promissoras (4:1 com 37% de água e percentagens de areia entre 80 e 90%) para aferir a potencialidade real deste ligante como substituinte das resinas fenólicas;
O estudo de um dispositivo que permitisse adicionar a água à mistura de areia e CFM sob a forma de vapor, numa simulação do gaseamento de machos do processo Ashland;
O estudo da condutividade térmica de moldações de areia ligadas com cimento de fosfato de magnésio;
A avaliação de possíveis métodos para reciclagem e reaproveitamento dos resíduos de fundição produzidos a partir de moldes de areia confeccionados com cimento de fosfato de magnésio;
O estudo da influência do cimento de fosfato de magnésio na microestrutura final das peças metálicas produzidas.
[1] J. M. G. C. Ferreira, “Tecnologia da fundição”. Fundação Calouste Gulbenkian, Lisboa (1999).
[2] P. L. Jain, “Principles of foundry technology”. 2nd edition, Tata McGraw-Hill, New Delhi, p.46-58 (1992).
[3] “Valorização dos Resíduos Industriais do Sector de fundição”, Associação Portuguesa de Fundição, Direcção-Geral da Indústria, Ministério da Economia (1999).
[4] J. C. Costa, A. M. Dias, A. R. Peixoto, M. B. Chaves, C. S. Ribeiro, L. F. Malheiros, H. M. Costa, “Exposição Profissional a Agentes Químicos na Indústria da Fundição Portuguesa”. Instituto para Segurança Higiene e Saúde no Trabalho (ISHST), Lisboa (2005).
[5] A. H. Cottrell, “Introdução à metalurgia”. Fundação Calouste Gulbenkian, Lisboa (1993).
[6] A. M. Segadães, Apontamentos das aulas teóricas da disciplina de Tratamentos Térmicos. Departamento de Engenharia Cerâmica e do Vidro, Universidade de Aveiro (2006).
[7] R. P. A. Lopes, Apontamentos das aulas teóricas da disciplina de Tecnologia Metalúrgica. Departamento de Engenharia Cerâmica e do Vidro, Universidade de Aveiro (2007).
[8] G. L. Morelli, M. R. Morelli, A. M. Segadães, “Cimento de fosfato de magnésio como ligante para moldes de areia para a fundição”. Actas do XVI CBECIMAT—Congresso brasileiro de engenharia e ciência de materiais, Porto Alegre, p. 22-36 (2004).
[9] R. Scheunemann, “Regeneração de areia de fundição através de tratamento químico via processo Fenton”. Tese de mestrado em engenharia química, Universidade federal de Santa Catarina, Florianópolis, Brasil (2005).
[10] F. R. Pereira, “Valorização de resíduos industriais como fonte alternativa mineral: composições cerâmicas e cimentíceas”. Tese de Doutoramento, Universidade de Aveiro, p.27-32 (2006).
[11] J. R. Okida, “Estudo para a minimização e reaproveitamento de resíduos sólidos de fundição”. Dissertação de mestrado em Engenharia de Produção, Universidade Tecnológica federal do Paraná – Campus de Ponta Grossa, Brasil (2006).
[12] F. A. D’Elboux, “Minimização do descarte de areias de fundição”. Dissertação de mestrado em Engenharia de Produção, Universidade Metodista de Piracicaba, Piracicaba, Brasil (2000).
[13] J. L. Nogueira, Apontamentos das aulas teóricas da disciplina de Corrosão de Materiais. Departamento de Engenharia Cerâmica e do Vidro, Universidade de Aveiro (2005).
[14] C. A. Harper, “Handbook of plastics and Elastomers”. McGraw-Hill, Nw York, p.450 (1975).
[15] A. Tiago, “Valorização de resíduos da indústria de fundição como matérias-primas de aplicabilidade cerâmica”. Kéramica n.º257 (2003).
[16] Diário da Republica Nº53 série I-B, editado a 3 de Março de 2004, p.1187-1206.
[17] Relatório Síntese – INPRI, “Estudo de inventariação de resíduos”. Instituto dos resíduos. CAE 27 – Classificação Portuguesa das Actividades Económicas, Indústrias Metalúrgicas de Base (2003).
[18] L. F. Vilas-Boas, C. S. Ribeiro, B. Chaves, “Relatório do Projecto Estratégia de Desenvolvimento do Sector de Fundição”. Associação Portuguesa de Fundição, Porto (2006).
[19] D. M. Couto, A. Ringuedé, R. F. Silva, J. A. Labrincha, C. M. S. Rodrigues, “Metallurgical Sludge in Clay-Based Fired Materials”. American Ceramic Bull., 82 (12), p.9101-9103 (2003).
[20] Decreto-Lei n.º152/2002 de 23 de Maio, Diário da Republica Nº119 série I-A, p.4680- 4699.
[21] W. E. Lee, A. R. Boccaccini, J. A. Labrincha, C. Leonelli, C. H. Drummond III, C.R. Cheeseman, “Green Engineering - Ceramic Technology and Sustainable Development”. American Ceramic Society Bulletin, v.86 (2), p.18-25 (2007).
[22] A. M. Segadães, “Use of phase diagrams to guide ceramic production from wastes” Advances in Applied Ceramics, v.105 (1), p.46-54 (2006).
[23] L. C. Armange, L. F. Neppel, E. Gemelli, N. H. A. Camargo, “Utilização de Areia de Fundição Residual para uso em Argamassa”. Revista Matéria, v.10 (1), p.51-62 (2005).
[24] J. A. Perez, R. Terradas, M. R. Manent, M. Seijas, S. Martinez, “Inertization of industrial waste in ceramic materials”. Industrial Ceramics, v.16 (1), p.7-10 (1996).
[25] A. K. Sarkar, “Phosphate Cement-Based Fast-Setting Binders”. Ceramic Articles Science, v.69, p. 234-237 (1990).
[26] M. D. Roy, “New Strong Cement Materials: Chemically Bonded Ceramics”. Articles Science, v. 235, p. 651-658 (1987).
[27] A. M. Segadães, G. Morelli, M.A. Carvalho, M.R. Morelli, “Formulação e Design de Microestruturas de Cerâmicos Muito Porosos à Base de Cimentos de Fosfato de Magnésio”. Anais do CLME’2005 – IV Congresso Luso-Moçambicano de Engenharia, Maputo, Art. 5-19, p.883-884 (2005).
[28] E. Soudée & J. Péra, “Mechanism of Setting Reaction in Magnesia-Phosphate Cements”, Cement and Concrete Res., v.30, p.315-321 (2000).
[29] A. S. Wagh, S. Y. Jeong “Chemically Bonded Phosphate Ceramics: A dissolution model of formation”. Journal of the American Ceramic Society, v.86, p.1838-1844 (2003).
[30] D. V. Ribeiro, M. R. Morelli, “Análise de Desempenho de Argamassas de Cimento de Fosfato de Magnésio contendo pó de Retífica”. 51º Congresso Brasileiro de Cerâmica, Salvador da Baía, Brasil (2007).
[31] D. V. Ribeiro, A. L. R. Tachard, M.R. Morelli, “Influência da Adição do pó de Retífica em uma matriz de cimento de fosfato de magnésio”. 17º Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais, Foz do Iguaçu, Brasil (2006).
[32] A. K. Sarkar, “Hydration/dehydration characteristics of struvite and dittmarite pertaining to magnesium ammonium phosphate cement systems”. Journal of Materials Science, v.26, p. 2514-2518 (1991).
[33] G. de With & H. Verweij, “Properties and shaping of lightweight ceramics based on phosphate-bonded hollow silica microspheres”. Journal de physique, p. C1-359 (1986).
[34] D. A. Hall, R. Stevens, “Effect of Water Content on the Structure and Mechanical Properties of Magnesia-Phosphate Cement Mortar”. Journal of the American Ceramic Society, v.81, p.1550-1556 (1998).
[35] B. E. I. Abdelrazig, J. H. Sharp, B. El-Jazairi, “Chemical Reactions in Magnesia- Phosphate Cement”. Br. Ceram. Proc., v.35, p.141-154 (1984).
[36] B. E. I. Abdelrazig, J. H. Sharp, B. El-Jazairi, “The chemical Composition of Mortars made from Magnesia-Phosphate Cement”. Cement and Concrete Research, v.18, n.3, p.415-425 (1988).
[37] B. E. I. Abdelrazig, J. H. Sharp, B. El-Jazairi, “The microstructure and mechanical properties of mortars made from magnésia-phosphate cement”. Cement and Concrete Research, v.19, n.2, p.247-258 (1989).
[38] K. Kato, M. Nakamura, T. Ariyoshi, “Study on Phosphate Bonded Investment. On Setting Mechanism, Composition and Particle Size of Raw Material and Physical Properties”. Rep. Inst. Med. Dent. Eng., v.10, p.45-61 (1976).
[39] A. W. Frazier, J. R. Lehr, J. P. Smith, “The Magnesium Phosphates Hannayite, Schertelite and Bobierrite”. Am. Mineral., v.48, p.635-641 (1963).
[40] S. Popovics, N. Rajendran, M. Penko, “Rapid Hardening Cements for Repair of Concrete”. ACI Mater. J., v.84, p.64-73 (1987).
[41] A. K. Sarkar, “Investigation of reaction/bonding mechanisms in regular and retarded magnesium-amonium phosphate cement systems”. Ceramic Transactions, Cement Technology, v.40, p.281-288 (1994).
[42] http://www.mindat.org/min-3811.html, 16 de Outubro de 2008.
[43] V. Babic-Ivancic, J. Kontrec, L. Brecevic, “Formation and transformation of struvite and newberyite in aqueous solutions under conditions similar to physiological”. Urol. Research, v.32, p.350-356 (2004).
[44] E. Soudée & J. Péra, “Influence of magnesia surface on the setting time of magnesia- phosphate cement”. Cement and Concrete Res., v.32, p.153-157 (2002).
[45] B. E. I. Abdelrazig, J. H. Sharp, “Phase Changes on heating ammonium magnesium phosphate hydrates”. Thermochimica Acta, v.129, p. 197-215 (1988).
[46] Q. Yang & X. Wu, “Factors influencing properties of phosphate cement-based binder for rapid repair of concrete”. Cement and Concrete Research, v.29, p.389-396 (1999).
[47] M. A. Carvalho, A. M. Segadães, “The Hydration of Magnesium Phosphate Cements: Effect of Powder Characteristics on the Reaction Kinetics”. Proceedings of PTECH’2007 – Sixth Latin-American Conference on Powder Technology, Búzios-RJ, Brasil, CD-ROM, 22-24 (2007).
[48] J. Péra, J. Ambroise, “Fiber-reinforced Magnesia-phosphate Cement Composites for Rapid Repair”. Cement and Concrete Composites, v.20 n.1, p.31-39 (1998).
[49] Y. Xu, D. D. L. Chung, “Effect of sand addition on the specific heat and thermal conductivity of cement”. Cement and Concrete Research, v.30, p.59-61 (2000).
[50] V. Gomes, “Desenvolvimento e caracterização de pigmentos cerâmicos baseados em alumina e mulita obtidos a partir de lama de anodização de alumínio”, tese de doutoramento, Universidade Federal de Santa Catarina (2005).
[51] A. M. P. Silva, “ Modelação estatística da composição granulométrica de um betão refractário de alumina auto-escoante sem cimento”, tese de doutoramento, Universidade da Beira Interior (2005).
[52] D. Swift, “Coulter LS 230 Operating Summary”, Version 1.0 (2000). Software Version 3.01, 15 November (1999).
[53] A. M. Segadães, “Refractários”. Universidade de Aveiro, p. 53-77 (1997).
[54] http://home.utad.pt/~ume/Fundamentos%20Te%F3ricos.pdf, 22 de Agosto de 2008.