Incorporação de gesso alfa, oriundo de resíduos da indústria salineira, e de gesso beta reciclado em pastas para revestimento de construção civil

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E DA TERRA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E

ENGENHARIA DE MATERIAIS

TESE DE DOUTORADO

INCORPORAÇÃO DE GESSO ALFA, ORIUNDO DE RESÍDUOS DA INDÚSTRIA SALINEIRA, E DE GESSO BETA RECICLADO EM PASTAS PARA

REVESTIMENTO DE CONSTRUÇÃO CIVIL

TARCÍSIO SANTIAGO GOMES FILHO

Orientador: Prof. Dr. Marcus Antônio de Freitas Melo

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Tese apresentada ao curso de Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais, da Universidade Federal do Rio Grande do Norte, como requisito parcial à obtenção do título de Doutor em Ciência e Engenharia de Materiais.

Orientador: Prof. Dr. Marcus Antônio de Freitas Melo

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Tese apresentada ao curso de Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais, da Universidade Federal do Rio Grande do Norte, como requisito parcial à obtenção do título de Doutor em Ciência e Engenharia de Materiais.

Aprovada em: 29/11/2019

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Dedico este trabalho à Deus, meu Senhor e Salvador, aos meus pais, irmãs e amigos pelo amparo em todos os momentos e pelos braços que me suportam.

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AGRADECIMENTOS

À Deus por sempre estar ao meu lado e me guiar sempre que preciso, me trazendo paz e perseverança para seguir sempre em frente.

Ao Prof. Dsc. Marcus Antônio de Freitas Melo, pela orientação e auxílio prestado ao longo da realização deste trabalho.

O presente trabalho foi realizado com apoio da Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - Brasil (CAPES) - Código de Financiamento 001.

À UFRN, pela oportunidade de crescimento pessoal e acadêmico..

Ao Programa de Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais, considerado como de excelência e um dos melhores do país, pelo conhecimento repassado pelos mestres e pela oportunidade para obtenção do título de doutor em ciência e engenharia de materiais.

À Profª Dsc. Dulce Maria de Araújo Melo, pelo apoio prestado e pela receptividade na utilização das instalações do LabTAM/UFRN.

À doutoranda em Ciência e Engenharia do Petróleo e secretária do LabTAM/UFRN, Lídia Souza pela receptividade e ajuda durante todas as fases de evolução do doutorado.

Ao laboratório de materiais de construção da UFRN, em especial ao técnico do laboratório, Sandro Andrade, pela ajuda na etapa de moagem dos insumos, pré-calcinação.

Ao doutorando e colega de turma no PPgCEM/UFRN, Francisco Marcelo da Silva pelo compartilhamento de conhecimento e auxílio na produção do salgesso α.

Aos técnicos de laboratório da diretoria acadêmica de Construção Civil (Colabcon) do IFRN-Campus Central Natal, Gian Souza, Nathana Lima e Ricardo Silva, pela valiosa ajuda no processo de calcinação da gipsita e do carago.

Ao técnico de laboratório da Diretoria Acadêmica de Recursos Naturais do (Diaren) do IFRN- Campus Natal Central, Douglisnilson Ferreira, pela disponibilização do laboratório para calcinação do resíduo.

Ao amigo de longa data, Filipe Costa, pela ajuda no uso da prensa mecânica e pelo constante apoio acadêmico durante o processo.

Aos técnicos do DEMat-UFRN, Carla Laize e Igor Damasceno, pelo auxílio no processo de metalização e obtenção de micrografias das amostras.

Ao químico do petróleo e mestrando em química (UFRN), Willame Batista, pela realização das análises de DRX, TG/DTG e densidade.

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À LH-Gesso, na pessoa do amigo e ex aluno Rômulo Matheus, pelo fornecimento de resíduo de gesso di-hidratado.

À técnica do LAPET/UFRN Stéphanie Morais pelo auxílio na realização das análises de granulometria a laser.

Aos meus familiares e, em especial, aos meus pais Tarcísio Santiago Gomes e Antonia Vanilda de Figueiredo Gomes, pelo apoio durante toda a jornada até aqui e daqui em diante.

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“Todas as vitórias ocultam uma abdicação” Simone de Beauvoir

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RESUMO

O gesso é um material largamente utilizado por diversas indústrias, que vão desde a cimenteira até a odontológica, tendo a construção civil como seu maior consumidor. A busca pela viabilidade técnica e econômica da reciclagem de seus resíduos, bem como, por novas fontes minerais que sejam capazes de aliviar a intensa exploração do solo decorrente desta atividade, tem se tornado cada vez mais importantes. Neste contexto, tem se estudado nos últimos anos a possibilidade da reciclagem dos seus resíduos bem como a viabilização de novas fontes de gipsita, dentre as quais está a indústria salineira, ao descartar resíduos conhecidos como “carago crú” ou “malacacheta”. Diante disto, este trabalho tem como objetivo avaliar a influencia do gesso reciclado e do gesso alfa produzido a partir da calcinação do “carago”. Os experimentos envolveram caracterização química e mineralógica, através das seguintes técnicas: difração de raios-X (DRX), fluorescencia de raios-X (FRX), análise termogravimátrica (TG/DTG) e microscópica de varredura (MEV). As propriedades mecânicas e de trabalhabilidade do gesso foram avaliadas a partir da análise dos tempo de início e fim de pega, miniabatimento, resistencia à compressão axial, resistencia ao arrancamento por tração e constancia de massa. No planejamento experimental, utilizou-se o modelo symplex lattice e para a obtenção das superfcícies de resposta, o modelo cúbico completo. O gesso reciclado foi obtido por calcinação sob pressão atmosférica, temperatura de 150 °C e tempo de ciclo de 1,5 horas. Já o “carago crú” foi processado em autoclave, sob pressão de 1,8 Bar, em temperatura de 129 °C e tempo de ciclo de 2 horas. Utilizou-se uma matriz de planejamento symplex lattice e posteriormente com o uso do modelo matemático cúbico completo. As análises permitiram observar que as pastas formuladas com 25% de salgesso alfa e 75 % de gesso reciclado apresentaram resultados de resistencia mecânica satisfatórios além de apresentar o maior tempo em aberto da pasta.

Palavras-chave: Gesso; reciclagem; propriedades mecânicas, trabalhabilidade, revestimento de construção civil.

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ABSTRACT

Plaster is a material widely used by several industries, ranging from cement to dental, with civil construction as its biggest consumer. The search for the technical and economic feasibility of recycling waste, as well as for new mineral sources that are capable of alleviating the intense soil exploitation resulting from this activity, has become increasingly important. In this context, the possibility of recycling its waste has been studied in recent years as well as the possibility of new sources of gypsum, among which is the salt industry, by discarding waste known as “raw carago” or “malacacheta”. In view of this, this work aims to evaluate the influence of recycled plaster and alpha plaster produced from the calcination of the “carago”. The experiments involved chemical and mineralogical characterization, through the following techniques: X-ray diffraction (XRD), X-ray fluorescence (FRX), thermogravimetric analysis (TG / DTG) and scanning microscopy (SEM). The mechanical and workability properties of the plaster were evaluated from the analysis of the start and end time of setting, mini-slap, resistance to axial compression, resistance to pullout by traction and mass constancy. In the experimental planning, the symplex lattice model was used and for obtaining the response surfaces, the complete cubic model. The recycled plaster was obtained by calcination under atmospheric pressure, temperature of 150 ° C and cycle time of 1.5 hours. The “raw carago” was processed in an autoclave, under a pressure of 1.8 Bar, at a temperature of 129 ° C and a cycle time of 2 hours. A lattice symplex planning matrix was used and later with the use of the complete cubic mathematical model. The analyzes allowed to observe that the pastes formulated with 25% of alpha salgesso and 75% of recycled plaster showed satisfactory results of mechanical resistance besides presenting the longest open time of the paste.

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LISTA DE FIGURAS

Figura 2.1 - Morfologia característica do sulfato de cálcio di-hidratado, proveniente da

hidratação do sulfato de cálcio hemi-hidratado. ... 32

Figura 2.2 - Morfologia característica do sulfato de cálcio hemi-hidratado do tipo α ... 33

Figura 2.3 - Morfologia característica do sulfato de cálcio hemi-hidratado do tipo β. ... 33

Figura 2.4 - Coordenadas triangulares de um simplex-lattice {3,3} para os componentes X1, X2 e X3. ... 47

Figura 4.1 - Resumo do planejamento ... 54

Figura 2.4 – Modelo experimental utilizado na obtenção da matriz de planejamento. ... 55

Figura 4.2 - Aparelho para determinação da massa unitária ... 60

Figura 4.3 - Aparelho de Vicat modificado ... 62

Figura 4.4 - Aparelho de Vicat. ... 62

Figura 4.5 - Molde utilizado no ensaio de miniabatimento para medir o espalhamento das pastas de gesso. ... 64

Figura 4.6 - Molde e placa de vidro, utilizados, posicionados sobre uma folha de papel milimetrado no formato A3, prontos para o início do ensaio. ... 64

Figura 4.7 - Ensaio do miniabatimento: (a) posicionamento do molde troncocônico e (b) espalhamento da pasta sobre a placa de vidro. ... 65

Figura 4.8 - Formas utilizadas para a moldagem dos corpos de prova para o ensaio de estabilidade de peso. ... 66

Figura 4.9 - Representação esquemática de um dos blocos utilizados na análise de resistência ao arrancamento por tração... 68

Figura 4.10 – Esquema do ensaio de determinação da resistência de aderência à tração. ... 68

Figura 4.11 - Aderímetro utilizado nos ensaios de resistência ao arrancamento por tração. ... 69

Figura 5.1 - Curvas granulométricas dos materiais de partida. ... 72

Figura 5.2 - Difratograma do salgesso Alfa ... 74

Figura 5.3 - Difratograma do gesso reciclado ... 74

Figura 5.4 - Difratograma do gesso comercial ... 75

Figura 5.5 – Curvas das análises TGA/DTA do Salgesso Alfa. ... 77

Figura 5.6 - Curvas das análises TGA/DTA do Gesso Reciclado. ... 77

Figura 5.7 - Curvas das análises TGA/DTA do Gesso Comercial. ... 77

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Figura 5.9 - Tempos de fim de pega. ... 79

Figura 5.10 - Resultados obtidos de consistência através de miniabatimento... 81

Figura 5.11 - Espalhamento médio das pastas: A) 33A33B33C e B) 33B67C. ... 82

Figura 5.12 - Espalhamento médio das pastas: A) 67B33C e B) 100B. ... 83

Figura 5.13 - Resultados das análises de compressão axial ... 84

Figura 5.14 - Fotomicrografias de amostras hidratadas de da formulação 100A, com aumento de. a) 5.000 vezes e b) 10.000 vezes. ... 85

Figura 5.15 - Fotomicrografias de amostras hidratadas de da formulação 100B, com aumento de. a) 5.000 vezes e b) 10.000 vezes. ... 85

Figura 5.16 - Fotomicrografias de amostras hidratadas de da formulação 100C, com aumento de. a) 5.000 vezes e b) 10.000 vezes. ... 86

Figura 5.17 – Estabilidade de massa das pastas analisadas. ... 87

Figura 5.18 - Resultados das análises de resistência ao arrancamento por tração... 89

Figura 5.19 – Superfície de resposta com os tempos de início de pega. A esquerda uma visão tridimensional e a direita a imagem no plano. ... 90

Figura 5.20 – Superfície de resposta com os tempos de fim de pega A esquerda uma visão tridimensional e a direita a imagem no plano. ... 91

Figura 5.21 - Superfície de resposta do ensaio de resistência à compressão axial. A esquerda uma visão tridimensional e a direita a imagem no plano. ... 92

Figura 5.22 - Superfície de resposta do ensaio de resistência ao arrancamento por tração. A esquerda uma visão tridimensional e a direita a imagem no plano. ... 92

Figura 5.23 – Quadro resumo das superfícies de resposta obtidas. ... 93

Figura A.1 - Fotomicrografias de amostras hidratadas de da formulação 33A33B33C, com aumento de. a) 5.000 vezes e b) 10.000 vezes. ... 103

Figura A.2 - Fotomicrografias de amostras hidratadas de da formulação 33A67B, com aumento de. a) 5.000 vezes e b) 10.000 vezes. ... 103

Figura A.3 - Fotomicrografias de amostras hidratadas de da formulação 33A67C, com aumento de. a) 5.000 vezes e b) 10.000 vezes. ... 103

Figura A.4 - Fotomicrografias de amostras hidratadas de da formulação 33B67C, com aumento de. a) 5.000 vezes e b) 10.000 vezes. ... 104

Figura A.5 - Fotomicrografias de amostras hidratadas de da formulação 67A33B, com aumento de. a) 5.000 vezes e b) 10.000 vezes. ... 104

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Figura A.6 - Fotomicrografias de amostras hidratadas de da formulação 67A33C, com aumento

de. a) 5.000 vezes e b) 10.000 vezes. ... 105

Figura A.7 - Fotomicrografias de amostras hidratadas de da formulação 67B33C, com aumento de. a) 5.000 vezes e b) 10.000 vezes. ... 105

Figura A.8 - Fotomicrografias de amostras hidratadas de da formulação 100A, com aumento de. a) 5.000 vezes e b) 10.000 vezes. ... 105

Figura A.9 - Fotomicrografias de amostras hidratadas de da formulação 100B, com aumento de. a) 5.000 vezes e b) 10.000 vezes. ... 106

Figura A.10 - Fotomicrografias de amostras hidratadas de da formulação 100C, com aumento de. a) 5.000 vezes e b) 10.000 vezes. ... 106

Figura B.1 - Difratograma da pasta 100A ... 107

Figura B.2 - Difratograma da pasta 100B... 107

Figura B.3 - Difratograma da pasta 100C... 107

Figura B.4 - Difratograma da pasta 33A67B ... 107

Figura B.5 - Difratograma da pasta 33A67C ... 108

Figura B.6 - Difratograma da pasta 33B67C ... 108

Figura B.7 - Difratograma da pasta 67A33C ... 108

Figura B.8 - Difratograma da pasta 67A33B ... 108

Figura B.9 - Difratograma da pasta 67B33C ... 109

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LISTA DE TABELAS

Tabela 2.1 - Principais países produtores de gipsita ... 23

Tabela 2.2 - Composição química do gesso convencional ... 26

Tabela 2.3 - Exigências físicas do gesso para a construção civil ... 35

Tabela 2.4 - Exigências físicas e mecânicas do gesso para construção civil. ... 36

Tabela 2.5 - Exigências químicas do gesso para construção civil ... 36

Tabela 2.6 - Composições teórica dos sulfatos... 37

Tabela 2.7 - Principais usos comerciais do gesso no Brasil ... 42

Tabela 2.8 - Classificação dos resíduos sólidos e destinações respectivas. ... 45

Tabela 4.1 – Matriz de planejamento ... 55

Tabela 5.1 - Dados da análise granulométrica ... 71

Tabela 5.2 – Resultados complementares da análise granulométrica ... 72

Tabela 5.3 – Densidade aparente das partículas ... 73

Tabela 5.4 – Massa unitária das amostras ... 73

Tabela 5.5 - Composição química dos materiais de partida. ... 75

Tabela 5.6 - Perda de massa durante a análise térmica das três amostras ... 78

Tabela 5.7 - Tempos de início e fim de pega... 80

Tabela 5.8 - Tempos de início e fim de pega das formulações. ... 80

Tabela 5.9 – Médias e desvios padrões dos espalhamentos por miniabatimento ... 81

Tabela 5.10 – Médias e desvios padrões das análises de resistência a compressão axial ... 84

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LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS

100A – Formulação composta por 100% de Salgesso

100B – Formulação composta por 100% de Gesso Reciclado 100C – Formulação composta por 100% de Gesso Comercial

33A33B33C – Formulação composta por 33% de Salgesso, 33% de Gesso Reciclado e 33% de Gesso Comercial

33A67B – Formulação composta por 33% de Salgesso e 67% de Gesso Reciclado 33A67C – Formulação composta por 33% de Salgesso e 67% de Gesso Comercial

33B67C – Formulação composta por 33% de Gesso Reciclado e 67% de Gesso Comercial 67A33B – Formulação composta por 67% de Salgesso e 33% de Gesso Reciclado

67A33C – Formulação composta por 67% de Salgesso e 33% de Gesso Comercial

67B33C – Formulação composta por 67% de Gesso Reciclado e 33% de Gesso Comercial ABCP – Associação Brasileira de Cimento Portland

ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas

CAPES – Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior CC – Coeficiente de Curvatura

Colabcon – Coordenação dos Laboratórios de Construção Civil (IFRN/CNAT) CONAMA – Conselho Nacional do Meio Ambiente

CU – Coeficiente de Uniformidade

DeMAT – Departamento de Engenharia de Materiais (UFRN) Diaren – Diretoria Acadêmica de Recursos Naturais

DRX – Difração de Raios-X DTG – Termogravimetria derivada FAG – Fator Água/Gesso

FRX – Fluorescencia de Raios-X

IFRN – Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Estado do Rio Grande do Norte IPEA – Instituto de Pesquisa Economica Aplicada

LabTAM – Laboratório de Tecnologia Ambiental LAPET – Laboratório de Pesquisa em Petróleo (UFRN) MB – Método Brasileiro de Ensaio

MEV – Microscopia Eletrônica de Varredura MF – Módulo de Finura

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NBR – Norma Brasileira

NUPPRAR – Núcleo de Processamento Primário e Reuso de Água Produzida e Resíduos (UFRN)

PNRS – Política Nacional de Resíduos Sólidos

PPgCEM – Programa de Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais RCC – Resíduo de Construção Civil

SECTMA – Secretaria Municipal de Ciência, Tecnologia e Meio Ambiente (Tailândia/Pará) SEDEC – Secretaria de Desenvolvimento Econônimo (Estado do Rio Grande do Norte) TG – Termogravimetria

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LISTA ELEMENTOS E COMPOSTOS QUÍMICOS

Al2O3 – Óxido de aluminio

CaCO3 – Carbonato de cálcio

CaO – òxido de cálcio (também chamada de Cal virgem) CaSO4.0,5H2O – Sulfato de cálcio hemi-hidratado

CaSO4.2H2O – Sulfato de cálcio di-hidratado

CaSO4.εH2O – Anidrita III

CaSO4 - Sulfato de cálcio anidro

Fe2O3 – Óxido de ferro (III)

FeO – Óxido de ferro (II) H2O – Água em estado líquido

H2Ovapor – Água em estado de vapor

K2O – Óxido de potássio

MgO – òxido de magnésio P2O5 – Ácido forsfórico

SiO2 – Óxido de silício

SO2 – Dióxido de enxofre

SO3 – Óxido sulfúrico

SrO – Óxido d estrôncio ZrO2 – Óxido de zircônio

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SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO ... 19 1.1. OBJETIVOS DA PESQUISA ... 21 1.1.1.Objetivo geral ... 21 1.1.2.Objetivos específicos ... 21 2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ... 22

2.1. GESSO, DEFINIÇÃO E CONTEXTUALIZAÇÃO ... 22

2.1.1.Gipsita natural ... 22

2.1.2.Gipsita para a Produção do Gesso ... 25

2.1.3.Processo de calcinação e desidratação da gipsita ... 26

2.1.4.As reações de transformação ... 28

2.2. CLASSIFICAÇÃO E MICROESTRUTURA DO SISTEMA CASO4.H2O ... 31

2.3. PROPRIEDADES CARACTERÍSTICAS DO GESSO EM PÓ ... 34

2.4. PROPRIEDADES DOS PRODUTOS DE HIDRATAÇÃO ... 36

2.4.1.Fator Água/Gesso (FAG) ... 37

2.5. PROPRIEDADES DO GESSO NO ESTADO FRESCO ... 38

2.6. PROPRIEDADES NO ESTADO ENDURECIDO ... 39

2.6.1.Resistência mecânica das pastas ... 40

2.7. APLICAÇÕES TÍPICAS DOS PRODUTOS DE GESSO ... 40

2.7.1.Agricultura ... 40

2.7.2.Indústria odontológica ... 41

2.7.3.Construção civil ... 42

2.8. RESÍDUO DE CONSTRUÇÃO CIVIL (RCC) ... 43

2.8.1.Reciclabilidade dos resíduos ... 43

2.9. POLÍTICA NACIONAL DE RESÍDUOS SÓLIDOS (PNRS) ... 44

2.10. METODOLOGIA EXPERIMENTAL... 46

3. ESTADO DA ARTE ... 49

4. METODOLOGIA EXPERIMENTAL ... 53

4.1. PLANEJAMENTO DOS EXPERIMENTOS ... 54

4.2. MATERIAIS UTILIZADOS ... 56

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4.2.3.Gesso comercial (C)... 56

4.2.4.Água destilada ... 57

4.3. PREPARAÇÃO DAS AMOSTRAS ... 57

4.4. CARACTERIZAÇÃO DOS MATERIAIS DE PARTIDA ... 58

4.4.1.Distribuição granulométrica e módulo de finura ... 58

4.4.2.Densidade e Massa Unitária ... 59

4.4.3.Fluorescência de Raios X (FRX) ... 60

4.4.4.Difração de raios-X (DRX) ... 61

4.4.5.Termogravimetria (TG/DTG) ... 61

4.5. PROPRIEDADES DAS AMOSTRAS NO ESTADO FRESCO ... 61

4.5.1.Teste de consistência normal ... 61

4.5.2.Tempo de pega ... 62

4.5.3.Consistência através de Miniabatimento ... 63

4.6. PROPRIEDADES DAS AMOSTRAS NO ESTADO ENDURECIDO ... 65

4.6.1.Resistência a compressão axial ... 65

4.6.2.Microscopia Eletrônica de Varredura ... 66

4.6.3.Perda de água e estabilidade de massa ... 66

4.6.4.Resistencia ao arrancamento por tração ... 67

5. RESULTADOS E DISCUSSÕES ... 71

5.1. CARACTERIZAÇÃO DOS PÓS ... 71

5.1.1.Distribuição granulométrica ... 71

5.1.2.Densidade e Massa Unitária ... 73

5.1.3.Difração de Raios-x ... 74

5.1.4.Fluorescência de Raios-x ... 75

5.1.5.Análise Termogravimétrica ... 76

5.2. PROPRIEDADES DAS PASTAS NO ESTADO FRESCO ... 78

5.2.1.Tempo de início e fim de pega ... 78

5.2.2.Miniabatimento ... 80

5.3. PROPRIEDADES NO ESTADO ENDURECIDO ... 83

5.3.1.Resistencia a compressão axial ... 83

5.3.2.MEV-FEG ... 85

5.3.3.Perda de água e estabilidade de massa ... 87

(20)

5.3.5.Análise estatística dos resultados ... 90

6. CONCLUSÕES ... 95

6.1. SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ... 96

REFERENCIAS ... 97

APENDICE A. MICROGRAFIAS DAS PASTAS NO ESTADO HIDRATADO...103

APENDICE B. DIFRATOGRAMAS DAS PASTAS...107

APENDICE C. VALORES DAS RESISTENCIAS A COMPRESSÃO AXIAL, RESISTENCIA AO ARRANCAMENTO E TEMPOS DE INÍCIO E FIM DE PEGA PARA AS COMPOSIÇÕES POSSÍVEIS ... 110

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CAPÍTULO PRIMEIRO - INTRODUÇÃO 1. INTRODUÇÃO

Na cadeia produtiva da construção civil, os danos ambientais estão presentes em praticamente todas as etapas e se iniciam na mineração dos insumos que abastecem as indústrias dos mais diversos materiais que a atendem. Os danos ambientais causados pela exploração de jazidas minerais são, muitas vezes, compensados de acordo com especificidades constantes na sua respectiva licença de operação emitida pelo órgão ambiental competente. Mesmo havendo a compensação ambiental, não é razoável desprezar o dano permanente na área explorada e com isso a mudança de todo um ecossistema presente ali (CAVALCANTI, 2006).

A mineração de compostos não metálicos1 é, de forma predominante, realizada por empresas de pequeno e médio porte, apresentando uma cadeia produtiva bastante diversificada. Dentre os minerais não metálicos que possuem larga utilização industrial está a gipsita, que representa a matéria prima de diversas indústrias, dentre as quais estão a indústria cimentícia e a de produção de gesso. Na indústria cimentícia, o gesso representa cerca de 2 a 5 % do produto final, sendo adicionado já no final do processo de produção do cimento e utilizado como retardador de pega2 daquele aglomerante (RODRIGUES, 2017) (ABCP, 2002) NBR 12127 (MB 3468) (ABNT, 2019).

O gesso possui largo emprego na construção civil, sendo utilizado na produção de elementos pré-moldados para paredes, divisórias ou mesmo na execução de revestimentos de tetos ou vedações verticais. Dentre as aplicações mais usuais do gesso na construção civil, lista-se a crescente demanda deste material como acabamento fino de paredes, por lista-ser muito mais barato e com qualidade superior que outros tipos de acabamentos (BERNHOEFT et al., 2011). Para a produção de gesso, basta que a gipsita passe por um processo de desidratação parcial conhecido como calcinação, onde o sulfato de cálcio di-hidratado (CaSO4.2H2O) é

convertido à sulfato de cálcio hemi-hidratado (CaSO4.0,5H2O) sob condições controladas de

temperatura e tempo de processo (PINHEIRO, 2011) (OLIVEIRA, 2014) (SANTANA, 2019).

1_{São aqueles que não contém em sua composição propriedades de metal;}

2_{Agente físico ou químico que, ao ser adicionado à composição, tem o papel de retardar}

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CAPÍTULO PRIMEIRO - INTRODUÇÃO

Os impactos ambientais causados pela atividade industrial de produção do gesso em larga escala trazem um cenário negativo de degradação ambiental, além de, diversos problemas para a saúde da população (NOVAES JR, 2012).

Dentre os principais problemas ambientais causados pela produção de gesso, destacam-se a devastação de matas nativas para a retirada de lenha, a poluição do ar e a geração de resíduos sólidos que, quando em contato com o solo, podem acarretar sua sulfurização e contaminar os lençóis freáticos (NOVAES JR, 2012).

Diante disto, nota-se a necessidade de adequação da indústria gesseira a um modelo de desenvolvimento econômico que seja sustentável, exigindo uma análise mais criteriosa de toda a cadeia produtiva, formada por diversos segmentos distintos (PINHEIRO, 2011). O desenvolvimento sustentável de toda a cadeia produtiva, depende da sustentabilidade de cada segmento que a compõe, tendo como principais elementos para que se alcance esta sustentabilidade: (i) redução do uso de recursos naturais; (ii) redução de consumo energético no processamento; (iii) redução no volume de resíduos gerados; (iv) reutilização (v) reciclagem e (v) obtenção de novas fontes de gipsita que causem menos danos ambientais, dentre outros (PINHEIRO, 2011).

Para que haja uma efetiva modernização e a sustentabilidade do setor, é necessário que sejam feitas pesquisas no sentido de sanar ou, ao menos, reduzir o dano ambiental causado pela operação destas indústrias. Dentre as alternativas encontradas e mais empregadas até o momento, está a busca por novas fontes do mineral gipsita ou mesmo a reciclagem de produtos descartados pelas indústrias que utilizam o gesso como insumo.

Dentre as fontes conhecidas, porém ainda pouco exploradas, de gipsita está a cadeia produtiva do sal marinho, cuja produção gera elevado volume de resíduos. No processo de produção do sal marinho, a gipsita surge como resíduo gerado logo no início da sequência de etapas de evaporação e densificação pelas quais a água marinha passa até a formação apenas do sal marinho. Este sulfato, apresenta a mesma composição química da gipsita obtida pela mineração convencional, podendo ser submetida ao processo de calcinação para obtenção do gesso, neste caso denominado de Salgesso.

Segundo Spyrides (2017), o estado do Rio Grande do Norte responde por cerca de 95% de toda a produção de sal marinho do Brasil. A larga produção de sal marinho no Rio Grande do Norte, mais precisamente na costa branca do estado, faz com que surja a necessidade de dar a devida destinação aos resíduos gerados.

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CAPÍTULO PRIMEIRO - INTRODUÇÃO

Outra vertente que tem ganhado espaço é a possibilidade de reciclagem dos resíduos gerados pela própria indústria da construção civil.

1.1. Objetivos da pesquisa

1.1.1. Objetivo geral

Considerando a necessidade constante de fontes alternativas de gipsita, bem como, a redução do volume de gesso efetivamente descartado e que venham a contaminar de forma ativa o meio ambiente, esta pesquisa tem como objetivo geral avaliar, a partir de planejamento experimental estatístico, a viabilidade técnica da substituição total ou parcial do gesso de revestimento por hemi-hidratos originados de fontes alternativas à convencional, o Salgesso, obtido através da calcinação de resíduos da indústria do sal marinho e o gesso reciclado, a partir da recalcinação de resíduos de construção civil.

1.1.2. Objetivos específicos

Este trabalho teve como objetivos específicos:

a) Caracterizar os pós para verificar se as exigências químicas, físicas e mecânicas estão em conformidade o prescrito na NBR 13207/2017 (ABNT, 2017)

b) Verificar as propriedades de trabalhabilidade, das pastas nos estados fresco, e mecânicas, das pastas em estado endurecido, bem como a morfologia das composições estudadas a fim de compreender como se dá a interação entre as partículas dos materiais;

c) Utilizar o planejamento estatístico de experimentos para obtenção das superfícies de respostas e das respectivas equações que descrevem o comportamento das variáveis dependentes analisadas de acordo com os teores de cada um dos componentes;

d) Identificar as formulações ótimas para cada uma das propriedades e chegar a uma formulação que atenda cada uma das propriedades analisadas de trabalhabilidade e resistência mecânica analisadas.

(24)

CAPÍTULO SEGUNDO – FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

2.1. Gesso, definição e contextualização

Bauer (1979), define a palavra gesso como, um termo genérico que identifica certa família de aglomerantes simples, que são constituídos por sulfatos mais ou menos hidratados e anidros de cálcio; o material que o origina é o mineral gipsita que, após passar por processo de calcinação, passa a se denominar gesso.

Com o passar do tempo e os avanços tecnológicos, hoje é possível verificar, com auxílio de estudos arqueológicos, que o gesso é utilizado como material construtivo desde o período neolítico, no início do uso da pirotecnia (GOURDIN e KINGERY, 1975).

Ainda segundo Gourdin e Kingery (1975), verificou-se a presença de gesso em ruínas na Turquia (Anatólia) e na Síria, onde era aplicado como argamassa para pisos, suporte de afrescos e fabricação de recipientes. Há também comprovações da existência de gesso nas juntas de assentamento dos blocos da pirâmide de Gizé, construída por Quéops, faraó da quarta dinastia egípcia, no ano de 2800 a.C. (PINHEIRO, 2011).

Na atualidade, onde há grandes reservas de gesso, o material é aplicado puro, enquanto em locais onde a disponibilidade deste recurso não é grande, o gesso é normalmente misturado com areia. No Brasil, as principais reservas de gipsita, principal matéria prima para a produção de gesso, se localizam na chapada do Araripe, mais precisamente nos municípios localizados no oeste do estado de Pernambuco, o que faz com que seja inviável a utilização deste material em larga escala, devido às grandes distâncias de transporte necessárias, normalmente necessárias, até chegar ao consumidor final. Assim, o gesso, é comumente empregado apenas em pequenos volumes e/ou com maior valor agregado, como peças de ornamentação, por exemplo.

Mesmo com os gargalos que o impedem de ser largamente utilizado no Brasil e em outras partes do mundo, o gesso é considerado um material abundante, onde o preço de comercialização é baixo, viabilizando seu uso em larga escala.

2.1.1. Gipsita natural

(25)

CAPÍTULO SEGUNDO – FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

ano deste minério (BALTAR, BASTOS e LUZ, 2005). Via de regra, a gipsita em si tem baixo valor agregado, precisando ser então processado para que apresente valor comercial que viabilize sua extração. Dentre os principais consumidores de seus produtos, estão a indústria de fertilizantes e a da construção civil. (BEZERRA, 2009).

Apesar do Brasil ter reservas significativas de gipsita, a sua produção supre apenas o consumo interno. As referidas reservas, estão todas localizadas nas regiões norte, nordeste e centro oeste do país (ARAÚJO, 2016).

Quando se compara o consumo de gipsita nacional com o de países mais desenvolvidos, ou onde há maior cultura no uso do gesso, o consumo de gipsita no Brasil ainda é insipiente, o que justifica o baixo consumo de gesso em território nacional. A Tabela 2.1, apresenta de forma resumida a relação dos principais países produtores de gipsita.

Tabela 2.1 - Principais países produtores de gipsita

PAÍSES PRODUÇÃO (1000 t) Estados Unidos 21100 Espanha 13200 Irã 13000 Canadá 9500 Tailândia 8355 China 7500 México 7000 Japão 5950 França 4800 Austrália 4000 Reino Unido 2900 Índia 2450 Rússia 2200 Egito 2000 Alemanha 1650 Brasil 1600 Argélia 1500 Polônia 1250 Itália 1200 Uruguai 1130 Argentina 1000 Áustria 1000

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No Brasil, os principais produtores de gipsita estão localizados, principalmente, nos estados de Pernambuco, Ceará, Maranhão e Tocantins, em regiões do semiárido nordestino, região amazônica e no centro oeste (BEZERRA, 2009).

Mundialmente, os Estados Unidos lideram o comércio internacional da gipsita que. Segundo Bezerra (2009), os EUA fazem importação do minério de 17 países e exporta para 69, sendo o México e o Canadá os principais parceiros, pela proximidade geográfica.

Um fator limitante no processo de exploração comercial da gipsita, é que são necessários níveis de pureza superiores a 80%, o que faz com que muitas das reservas conhecidas sejam inviabilizadas, considerando as atuais condições de exploração e beneficiamento (BALTAR, BASTOS e LUZ, 2005).

Uma fonte de gesso que tem ganhado bastante notoriedade surge a partir da recalcinação do gesso já hidratado, oriundo de resíduos de construção civil (RCC). O gesso até pouco tempo atrás era classificado como um resíduo que não apresentava opções de reciclagem conhecidas, mas pesquisas mostraram que ao passar novamente pelo processo de calcinação, apesar de ocorrer mudanças significativas na morfologia dos cristais, parte significativas de suas propriedades permanecem inalteradas ou sofrem pequena redução (PINHEIRO, 2011) (MORGADO e CORDON, 2016).

Outra fonte de gipsita que vem ganhando notoriedade é a proveniente dos rejeitos da indústria salineira. Devido às limitações operacionais que ainda existem no processo de calcinação da gipsita, outras fontes deste mineral estão sendo estudadas, como é o caso do rejeito da produção de sal marinho (o Carago). O estado do Rio Grande do Norte, por ser o maior produtor de sal marinho do país respondendo por cerca de 90 % da produção deste insumo em território nacional, segundo dados da Secretaria de Estado e Desenvolvimento Econômico do estado do Rio Grande do Norte (SEDEC), também acaba enfrentando problemas de destinação dos rejeitos gerados por esta produção. Cada uma das etapas de produção do sal marinho origina um resíduo distinto que necessita de destinação adequada. O primeiro destes resíduos gerados se constitui do sulfato de cálcio di-hidratado (CaSO4.2H2O) que é o mesmo

minério utilizado pela indústria de gesso convencional. A utilização deste resíduo na produção do gesso, representa uma prática sustentável, uma vez que reduz a necessidade de extração mineral da rocha gipsífera ao mesmo tempo em que garante a destinação destes resíduos evitando que sejam descartados em locais inadequados (COSTA, 2013)

(27)

obtenção de gesso beta para construção civil ao passar por processo de calcinação sob pressão atmosférica e temperaturas na faixa de 120 a 160 ºC, ao final do trabalho com os encontrados apontaram para um processo de desidratação a 160 °C e tempo de 210 minutos como

2.1.2. Gipsita para a Produção do Gesso

Mineralogicamente, a gipsita é originada de rochas de alta solubilidade, os evaporitos3_,

que por sua vez são formados por cloretos e sulfatos de sódio, cálcio, magnésio e potássio (JOHN e CINCOTTO, 2007).

A gipsita, ou sulfato de cálcio di-hidratado (CaSO4·2H2O), apresenta as seguintes

características (ANGELERI, CARDOSO e SANTOS, 1982):

(i) Possui composição química teórica correspondente a 46,6% de SO3, 32,5% de CaO, e 20,9% de água;

(ii) Apresenta sistema monoclínico após a cristalização, com morfologia lamelar ou tabular;

(iii) Sua densidade varia de 2,3 g/cm³ a 2,37 g/cm³; (iv) Possui dureza Möhs entre 1,5 e 2,5;

(v) Quando aquecido a temperaturas entre 900 ºC e 1200 ºC, se decompõe em CaO e SO3, não apresentando fusão;

(vi) Apresenta solubilidade elevada em ácido clorídrico e baixa em água;

(vii) Dependendo das impurezas presentes em sua constituição, pode apresentar coloração cinza, marrom, amarelo, rosa e azul e quando puro se apresenta na cor branca ou transparente.

Para que um mineral seja considerado viável de ser utilizado em escala industrial, deve-se fazer uma avaliação criteriosa de modo a verificar a sua aplicabilidade diante as diversas industrias no que diz respeito às propriedades físico-químicas, de estrutura cristalina, de sua morfologia e tamanho e dimensões dos cristais das rochas gipsífera (ANGELERI, CARDOSO e SANTOS, 1982).

3_{Os evaporitos são constituídos, principalmente, por gipsita (CaSO4·2H2O) e anidrita} (CaSO4), normalmente ocorrendo de forma associada, dependendo do seu processo de formação (SUGUIO, 2003).

(28)

Os teores de hemi-hidratos e anidritas são reduzidos consideravelmente quando da ocorrência de impurezas, por isso é desejável que o mineral se apresente da forma mais pura possível (JOHN e CINCOTTO, 2007). A redução nos teores de hemi-hidratos e anidritas, dependendo do teor, acaba afetando algumas propriedades finais do produto, como por exemplo a consistência, a resistência mecânica e o tempo de pega (JORGENSEN, 1994).

Em geral, impurezas presentes no gesso comercial, como o dióxido de silício (SiO2),

óxido de alumínio (Al2O3), óxido de ferro (FeO), carbonato de cálcio (CaCO3) e óxido de

magnésio (MgO), somados não passam de 6% (PETRUCCI, 1998).

Para que o processo industrial ocorra sem problemas é imprescindível que se faça, sempre que possível, a determinação dos teores minerais que constituem a rocha gipsífera. No que diz respeito à composição química, o gesso comercial convencional, é formado basicamente por óxido sulfúrico (SO3), óxido de cálcio (CaO) e outros compostos em menores quantidades,

conforme Tabela 2.2.

Tabela 2.2 - Composição química do gesso convencional

Componentes Fórmula

química

Percentual, em volume, na composição

Óxido sulfúrico SO3 56,0

Óxido de cálcio CaO 41,3

Óxido de silício SiO2 1,11

Óxido de magnésio MgO 0,696 Óxido de alumínio Al2O3 0,395 Óxido de ferro Fe2O3 0,22 Óxido de estrôncio SrO 0,183 Óxido de potássio K2O 0,0567

Óxido de zircônio ZrO2 0,024

Fonte: Adaptado de (CAMÕES et al., 2010)

2.1.3. Processo de calcinação e desidratação da gipsita

A calcinação é um processo térmico através do qual a gipsita passa por processo de desidratação, originando o sulfato de cálcio hemi-hidratado (gesso) ou sulfato de cálcio anidro (anidrita), a depender do tempo e da temperatura a qual o minério foi exposto.

O processo de calcinação faz com o que ¾ da água de cristalização saia da estrutura cristalina e a depender das condições de pressão e da temperatura de exposição, é possível obter

(29)

Quando a desidratação da gipsita é realizada a pressão atmosférica com temperaturas entre 140 °C e 160 °C, o hemi-hidrato beta (ou gesso beta) é formado. Já o hemi-hidrato alfa (gesso alfa) é obtido a partir da calcinação da gipsita em equipamentos fechados onde há, além da temperatura, aplicação de pressões maiores que a atmosférica. A calcinação do gesso alfa, pode ser realizada a seco (a partir da exposição a vapor a temperaturas acima de 120 °C) normalmente em autoclaves ou via úmida (com auxílio de solução hidrotérmica).

Entre os processos de produção dos gessos alfa e beta, a principal diferença é a modificação na estrutura cristalina. O gesso beta é processado de maneira rápida e o processo completo de calcinação leva em torno 1 hora para ser totalmente concluído, o que acaba limitando a taxa de crescimento dos cristais e fazendo-os tomar formas irregulares (PINHEIRO, 2011).

Já a exposição a pressões superiores à de calcinação do gesso beta, além de ser um processo mais demorado (levando cerca de horas só para o processo de desidratação, sem contar com os tempos de resfriamento e secagem, posteriores) faz com o que o gesso alfa apresente cristais maiores, mais regulares, com menor superfície específica e maior peso específico (MELO, 2013).

A menor superfície específica do gesso alfa faz com que o material necessite de menor teor de água para que ocorram os processos de hidratação, o que reduz a quantidade de água livre e com isso o teor de vazios presentes no material quando em estado endurecido.

O gesso alfa, quando misturado com água em proporções adequadas, origina um produto que apresenta maior resistência mecânica, quando em estado endurecido, e menor consistência em sua fase fluida (TONDOWSKI, 1998) (SOARES, 2009).

Após a calcinação, o hemi-hidrato passa pela etapa de pulverização, que consiste em uma moagem fina, que reduz sua granulometria à faixa adequada à sua utilização. Em geral, as granulometrias são especificadas por normas específicas, no caso do gesso, apenas o módulo de finura típico é descrito pela NBR 12127 (ABNT, 2019). O produto pulverizado, segue então para ensilamento onde é estabilizado e aguarda o acondicionamento em embalagens estanques, de forma a proteger o material de qualquer interação com o meio. Alguns materiais utilizados para confecção destas embalagens são papel kraft multifoliados, sacos plásticos ou bigbags e segue para comercialização.

Para entender como se dá a transformação do di-hidrato em hemi-hidrato, é necessário analisar uma sequência de etapas que passam pela calcinação e compreensão das reações do forno e estão detalhadas a seguir.

(30)

2.1.4. As reações de transformação

As reações de transformação que ocorrem no interior do forno são quem normalmente definem as propriedades que o produto final irá apresentar. De acordo com o nível de desidratação da gipsita, pode- se obter alguns produtos bem distintos, tudo em dependência da temperatura na qual é realizado todo o processo.

Os produtos de desidratação, sulfatos de cálcio, para este processo podem ser diferenciados em; a gipsita, em suas duas formas polimórficas hemi-hidratadas (α e β), a anidrita III (solúvel), a anidrita II (insolúvel) e a anidrita I, também denominada anidrita- α, o que difere todas as classes apresentadas é a configuração cristalográfica (ANGELERI, CARDOSO e SANTOS, 1982)

Abaixo, apresentam-se sucintamente os produtos formados pelo processo de calcinação, com suas respectivas equações de formação.

a) Gipsita

O di-hidrato de sulfato de cálcio, mais comumente conhecido como gipsita, apresenta cristalização no sistema monoclínico e 2 moléculas de água de cristalização em sua composição, apresentando a fórmula química CaSO4·2H2O. A gipsita, ao ser aquecida a uma temperatura de

até 100 ºC, libera a água livre através do processo de evaporação, permanecendo apenas a água de cristalização em sua composição. A Equação 2.1 retrata a formação da gipsita a partir das reações de calcinação já apresentadas.

𝐶𝑎𝑆𝑂₄. 2𝐻₂𝑂 𝑔𝑖𝑝𝑠𝑖𝑡𝑎 𝑎𝑡é 100º𝐶 𝛥 →𝐶𝑎𝑆𝑂4. 2𝐻2𝑂 𝑔𝑖𝑝𝑠𝑖𝑡𝑎 + 𝐻2𝑂 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 Equação 2.1

b) Hemi-hidrato de Sulfato de Cálcio

Os hemi-hidratos são formados a partir da saída de 1,5 molécula de água de cristalização da composição da gipsita, apresentando-se na forma CaSO4·0,5 H2O. O hemi-hidrato é o

primeiro produto de desidratação e sua formação inicia quando a temperatura atinge os 106ºC, porém devido ao elevado tempo que seria necessário para que o processo ocorresse nesta

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hidratos α ou β, de acordo com as condições de pressão no interior do forno e do tempo de exposição do material. A Equação 2.2 trata da formação deste sulfato (SCHROEDER, 1970) Apud (ABREU, 2005).. .𝐶𝑎𝑆𝑂4. 2𝐻2𝑂 𝑔𝑖𝑝𝑠𝑖𝑡𝑎 140º𝐶 𝑎 160º𝐶 𝛥 → 𝐶𝑎𝑆𝑂4. 0,5𝐻2𝑂 ℎ𝑒𝑚𝑖 − ℎ𝑖𝑑𝑟𝑎𝑡𝑜+ 1,5𝐻2𝑂 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 Equação 2.2

Na formação do hemi-hidrato-α, há a aplicação de pressão de vapor, o que acarreta a saída mais lenta da água de cristalização propiciando a formação de cristais mais uniformes e prismáticos, o que não acontece no processo de obtenção do hemi-hidrato-β que, por ser obtido em condições de pressão atmosférica, onde há a saída da água de cristalização de forma rápida, causando a formação de cristais irregulares, fraturados e porosos (ANGELERI, CARDOSO e SANTOS, 1982).

c) Anidrita III

A próxima fase da desidratação da gipsita ocorre na faixa de temperatura de 160 °C a 190 °C, na qual há a formação da Anidrita III. Também denominada de Anidrita solúvel, a Anidrita III é uma fase intermediária entre o Hemi-hidrato e a Anidrita II e se caracteriza por apresentar baixo teor de água que pode variar de 0,06 a 0,11 (JOHN e CINCOTTO, 2007).

O processo de obtenção da Anidrita III pode se dar diretamente a partir da gipsita (Equação 2.3) ou a partir do Hemi-hidrato (Equação 2.4) (JOHN e CINCOTTO, 2007)

.𝐶𝑎𝑆𝑂4. 2𝐻2𝑂 𝑔𝑖𝑝𝑠𝑖𝑡𝑎 160º𝐶 𝑎 190º𝐶 𝛥 →𝐶𝑎𝑆𝑂4. 𝜀𝐻2𝑂 𝑎𝑛𝑖𝑑𝑟𝑖𝑡𝑎 𝐼𝐼𝐼 + (2 − 𝜀)𝐻2𝑂 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟_. Equação 2.3 𝐶𝑎𝑆𝑂₄. 0,5𝐻₂𝑂 ℎ𝑒𝑚𝑖 − ℎ𝑖𝑑𝑟𝑎𝑡𝑜 160º𝐶 𝑎 190º𝐶 𝛥 →𝐶𝑎𝑆𝑂4. 𝜀𝐻2𝑂 𝑎𝑛𝑖𝑑𝑟𝑖𝑡𝑎 𝐼𝐼𝐼 + (0,5 − 𝜀)𝐻2𝑂 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 Equação 2.4

A desidratação parcial (quase total) da gipsita, neste caso, resulta em um material altamente reativo que reage com a própria umidade do ar, não sendo necessária que tenha contato direto com a água (JOHN e CINCOTTO, 2007). Tais características favorecem a

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possibilidade da Anidrita III ser adicionada ao Hemi-hidrato como acelerador de pega, quando for desejável tal propriedade. (BARBOSA, FERRAZ e SANTOS, 2014)

d) Anidrita II

A etapa seguinte no processo de desidratação da gipsita dá origem à Anidrita II, também conhecida como Anidrita Insolúvel, e inicia quando o forno atinge temperaturas de 220 °C e 350 °C para os gessos Alfa e Beta, respectivamente. A Anidrita II se caracteriza pela ausência total de água de constituição, sendo sua fórmula CaSO4. O processo de obtenção da Anidrita II

está apresentado na Equação 2.5.

.𝐶𝑎𝑆𝑂4. 𝜀𝐻2𝑂 𝑎𝑛𝑖𝑑𝑟𝑖𝑡𝑎 𝐼𝐼𝐼 220º𝐶 𝑎 350º𝐶 𝛥 → 𝐶𝑎𝑆𝑂4 𝑎𝑛𝑖𝑑𝑟𝑖𝑡𝑎 𝐼𝐼+ 𝜀𝐻2𝑂 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 Equação 2.5

Para que a Anidrita II passe pelo processo de hidratação são necessárias 2 moléculas de água e o fato de ser um processo lento faz com que o produto apresente porosidade menor e consequente ganhos de resistência mecânica e dureza (JOHN e CINCOTTO, 2007).

Após ultrapassar a temperatura de 350 ºC e até 700 °C, um novo sulfato é formado. Denominado de Anidrita supercalcinada, o sulfato intermediário entre a Anidrita II e a Anidrita I, apresente ainda mais baixa solubilidade, podendo ter seu processo de hidratação estendido por até 7 dias. O processo de obtenção da Anidrita supercalcinada está resumido na Equação 2.6. .𝐶𝑎𝑆𝑂4. 𝜀𝐻2𝑂 𝑎𝑛𝑖𝑑𝑟𝑖𝑡𝑎 𝐼𝐼𝐼 >350º𝐶 𝛥 → 𝐶𝑎𝑆𝑂4 𝑎𝑛𝑖𝑑𝑟𝑖𝑡𝑎 𝑠𝑢𝑝𝑒𝑟 − 𝑐𝑎𝑙𝑐𝑖𝑛𝑎𝑑𝑎+ 𝜀𝐻2𝑂 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 Equação 2.6

Além da Anidrita supercalcinada, ainda há um outro sulfato antes que a Anidrita I seja formada. A Anidrita calcinada a morte se forma quando a temperatura ultrapassa os 700 °C e é formada até que o patamar de temperatura chegue até os 800 °C, quando a Anidrita I começa finalmente a se formar, este sulfato apresenta ainda menor reatividade que as anteriores e seu processo de hidratação pode durar meses (JOHN e CINCOTTO, 2007). O processo de obtenção da Anidrita calcinada a morte está resumido pela Equação 2.7.

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CAPÍTULO SEGUNDO – FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA .𝐶𝑎𝑆𝑂4.𝜀𝐻2𝑂 𝑎𝑛𝑖𝑑𝑟𝑖𝑡𝑎 𝐼𝐼𝐼 700º𝐶 𝑎 800º𝐶 𝛥 → 𝐶𝑎𝑆𝑂4 𝑎𝑛𝑖𝑑𝑟𝑖𝑡𝑎 𝑐𝑎𝑙𝑐𝑖𝑛𝑎𝑑𝑎 à 𝑚𝑜𝑟𝑡𝑒+ 𝜀𝐻2𝑂 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 Equação 2.7 e) Anidrita I

Penúltima etapa no processo de calcinação da gipsita, a Anidrita I começa a ser formada quando a temperatura do forno atinge os 800 °C e se estende até os 1230 °C, quando então os compostos começam a se decompor formando dióxido de enxofre (SO2) e óxido de cálcio

(CaO), popularmente conhecido como cal virgem.

Durante o processo de obtenção da Anidrita I, há a contaminação com óxido de cálcio tornando este sulfato um material impuro. A contaminação da Anidrita I com óxido de cálcio se dá devido à temperatura de decomposição do óxido de cálcio está exatamente no mesmo patamar, de 800 °C (JOHN e CINCOTTO, 2007). Os processos de obtenção da Anidrita I e do óxido de cálcio, respectivamente, estão apresentação pelas Equações 2.8 e 2.9.

. 𝐶𝑎𝑆𝑂4 𝑎𝑛𝑖𝑑𝑟𝑖𝑡𝑎 𝐼𝐼 800º𝐶 𝑎 1230º𝐶 𝛥 → 𝐶𝑎𝑆𝑂4 𝑎𝑛𝑖𝑑𝑟𝑖𝑡𝑎 𝐼 Equação 2.8 . 𝐶𝑎𝑆𝑂4 𝑎𝑛𝑖𝑑𝑟𝑖𝑡𝑎 𝐼 >1230º𝐶 𝛥 → 𝐶𝑎𝑂 + 𝑆𝑂2+ 0,5𝑂2 Equação 2.9

2.2. Classificação e microestrutura do Sistema CaSO4.H2O

A hidratação do gesso (hemi-hidrato de sulfato de cálcio) dá origem à sua fase di-hidratada que se apresenta normalmente na forma de cristais bem definidos ou na forma de agulhas menos alongadas. A Figura 2.1, apresenta a morfologia típica dos cristais de gesso hidratados (LEWRY e WILLIAMSON, 1994).

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Figura 2.1 - Morfologia característica do sulfato de cálcio di-hidratado, proveniente da hidratação do sulfato de cálcio hemi-hidratado.

Fonte: (LEWRY e WILLIAMSON, 1994)

Durante a fase de calcinação, como já descrito no item 2.1.4, após a saída de toda a água livre, uma parcela da água de cristalização começa a ser extraída do mineral. Quando a parcela de água que permanece é equivalente à 0,5 molécula de água para cada molécula de sulfato de cálcio, o minério passa a ser denominado de Hemi-hidrato (CaSO4·0,5H2O) que é o produto formado na primeira etapa da desidratação da gipsita. Lewry e Williamson (1994) retratam as partículas de hemi-hidrato-α (CaSO4·0,5H2O) como formadas por cristais simples, romboédricos e uniformes. Ao serem observados com o auxílio de microscópio eletrônico de varredura (MEV) é possível perceber a ocorrência destes cristais bem formados, conforme apresentado na Figura 2.2. Devido às suas condições de processamento, são formados por partículas maiores que as do hemi-hidrato-β.

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Figura 2.2 - Morfologia característica do sulfato de cálcio hemi-hidratado do tipo α

Fonte: (LEWRY e WILLIAMSON, 1994).

Já o hemi-hidrato-β, é formado por pequenos cristais sem orientação definida. Não possui faces cristalográficas, apresentando quantidade considerável de fissuras e poros, a Figura 2.3, apresenta um exemplo de morfologia típica dos cristais do hemi-hidrato-β (LEWRY e WILLIAMSON, 1994).

Figura 2.3 - Morfologia característica do sulfato de

cálcio hemi-hidratado do tipo β.

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CAPÍTULO SEGUNDO – FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 2.3. Propriedades características do gesso em pó

Dentre as várias propriedades dos materiais que tem influência direta no seu comportamento quando hidratado, a área superficial específica pode ser classificada como uma das principais uma vez que os processos de interação sólido-líquido dependem diretamente da área do reagente sólido que está potencialmente exposta ao contato com o fluido. Esta propriedade pode ser definida como a razão entre a área superficial total das partículas de determinada amostra pela sua massa. (DE CARVALHO, 2011)

A norma brasileira que trata do gesso aplicado à indústria da construção civil é a NBR 13207/2017 que estabelece critérios mínimos de aceitação e classificação deste produto para que atenda minimamente as exigências deste setor no que diz respeito às suas características físicas, mecânicas e químicas.

Na construção civil, de modo geral, dois tipos de gesso são utilizados em quase que a totalidade das aplicações, o gesso para fundição e o gesso para revestimento.

Como os próprios nomes já sugerem, o gesso para fundição é utilizado quando se deseja pré-moldar peças para aplicação posterior e deseja-se para tanto que possua estabilidade física e certa rapidez no processo de hidratação. O gesso para revestimento, por sua vez, é aplicado para revestimento de parede em substituição da argamassa convencional de cimento e areia e apresenta uma série de vantagens quando aplicada, como o acabamento mais refinado ou mesmo o tempo de execução que é bem inferior ao de aplicação da argamassa convencional. Um fator limitante, porém, é a carência de mão de obra especializada uma vez, que precisa ser aplicada de forma rápida e eficaz devido ao seu tempo de endurecimento ser muito menor que o da argamassa convencional.

O gesso de fundição é utilizado na produção de artefatos em geral, elementos decorativos, peças pré-moldadas para acabamento de construções (roda tetos ou sancas, etc..) artesanatos em geral e elementos decorativos, seu uso pode ser empregado ainda no envasamento do molde ou matriz. No acabamento de edificações em geral, possui excelente desempenho quando utilizado na fabricação de sancas, molduras, roda tetos e roda paredes, podendo ser usado como carrilho. Há ainda diversas aplicações em que a pasta de gesso é misturada a fibras para melhorar sua resistência mecânica e aderência ao substrato (CUNHA, 2012).

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13207/2017, apresenta de forma clara estes valores limites. Segundo a referida norma brasileira, para que o gesso seja considerado fino para fundição deve apresentar, dentre outros fatores, tempo de início de pega entre 4 e 10 minutos e tempo de fim de pega entre 20 e 45 minutos, além do modulo de finura ser inferior a 1,10, para o gesso grosso para revestimento, o único parâmetro que se modifica é o módulo de finura que deve ser superior a 1,10.

Apesar de ser constituído por hemi-hidrato de sulfato de cálcio, uma pequena fração de Anidrita III (solúvel) é aceitável, uma vez que uma das características desde material é o tempo de pega mais rápido que o do gesso de revestimento.

O gesso utilizado para revestimentos de parede, diferente do gesso de fundição, necessita de um certo tempo mínimo entre o início e o final da reação de hidratação.

O gesso de revestimento é constituído basicamente por hemi-hidrato-β (CaSO4·0,5H2O) e anidrita insolúvel (CaSO4), é aceitável ainda a presença de uma pequena fração de impurezas (cerca de 2%) como sílica, sulfato de magnésio, carbonatos, argilas e óxidos de ferro e alumínio (PINHEIRO, 2011).

No que diz respeito a granulometria, a norma brasileira NBR 13207/2017, define limites para a classificação do gesso para revestimento em fino ou grosso. Para o gesso fino para revestimento, fica estabelecido que o seu módulo de finura seja inferior a 1,10, acima disso passa a ser denominado gesso grosso para revestimento.

O tempo de pega, outra característica extremamente importante do gesso, também deve ser observado, uma vez que reações muito rápidas acarretam em uma redução na trabalhabilidade do material podendo chegar até a inviabilizar seu uso. A NBR 13207/2017, define que os tempos de início e fim de pega sejam, maior que 10 minutos e maior que 45 minutos, respectivamente para o gesso de revestimento. Uma compilação destes dados está presenta naTabela 2.3.

Tabela 2.3 - Exigências físicas do gesso para a construção civil

Classificação do gesso Tempo de pega (min) (NBR 12128) Módulo de finura Início Fim (NBR 12127)

Gesso fino para revestimento > 10 > 45 < 1,10 Gesso grosso para revestimento > 10 > 45 > 1,10 Gesso fino para fundição 4 – 10 20 - 45 < 1,10 Gesso grosso para fundição 3 - 10 20 – 45 > 1,10

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No que diz respeito às propriedades mecânicas, os valores exigidos pela NBR 13207/2017, são os apresentados na Tabela 2.4.

Tabela 2.4 - Exigências físicas e mecânicas do gesso para construção civil. Determinações físicas e mecânicas Unidade Limites

Resistência à compressão (NBR 12129) Mpa > 8,40 Dureza (NBR 12129) N/mm² > 30,00 Massa unitária (NBR 12127) Kg/m³ > 700,00

Fonte: NBR 13207 (ABNT, 2017)

Já as exigências químicas, Tabela 2.5, normatizados para o gesso de construção civil são aos teores de água livre, de água de cristalização, de óxido de cálcio e de anidrido sulfúrico, não havendo distinção entre os diversos tipos de gesso. A norma descrita aqui, não faz referência à teores de impurezas e percentuais das frações de hemi-hidrato e anidrita.

Tabela 2.5 - Exigências químicas do gesso para construção civil Determinações químicas Limites (%)

Água livre máx. 1,3

Água de cristalização 4,2 a 6,2 Óxido de cálcio (CaO) mín. 38,0 Anidrito sulfúrico (SO3) mín. 53,0

Fonte: NBR 13207 (ABNT, 2017)

2.4. Propriedades dos produtos de hidratação

Quando o gesso em pó entra em contato com quantidade suficiente de água, uma pasta homogênea é então formada, com consistente e com trabalhabilidade aceitável. Em alguns minutos, a viscosidade vai sendo elevada e com isso a consistência vai sendo reduzida de forma brusca, ganhando então resistência mecânica e dureza. Ao momento em que a pasta começa a aumentar sua viscosidade dá-se o nome de tempo de início de pega e ao final, quando há ganho de resistência, tempo de final de pega, ambos os tempos são determinados pela velocidade com que há a hidratação do gesso e depende de forma direta das frações de cada um de seus constituintes (produtos de calcinação) (HINCAPIE e CINCOTTO, 1997).

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O processo de hidratação do anidro4, em suas fases de hemi-hidrato e anidrita, se inicia quando ele entra em contato com água e reage. A dissolução das suas fases dá origem então à íons Ca2+ e SO42-, formando hidratos de baixa solubilidade. O processo de hidratação do anidro,

é um processo exotérmico que libera energia em forma de calor. A Equação 2.10 apresenta a reação de conversão (hidratação) do hemi-hidrato em di-hidrato de sulfato de cálcio (COUTINHO, 2006).

𝐶𝑎𝑆𝑂4. 0,5𝐻2𝑂 + 1,5𝐻2𝑂 → 𝐶𝑎𝑆𝑂4. 2𝐻2𝑂 + 𝐶𝐴𝐿𝑂𝑅 Equação 2.10

Isaia (2005), apresenta a partir da Tabela 2.6, as composições teóricas típicas dos sulfatos.

Tabela 2.6 - Composições teórica dos sulfatos

Sulfato Fórmula Massa molecular (g) Composição (%) H2O CaO SO3 Anidrita CaSO4 136,14 0 41,19 58,81 Hemi-hidrato CaSO4.0,5H2O 145,15 6,20 38,63 55,15 Di-hidrato CaSO4.2H2O 172,17 20,99 20,99 46,50 Fonte: (JOHN e CINCOTTO, 2007)

No fenômeno físico há depósito dos íons sobre os núcleos recém-formados de di-hidrato, acarretando o crescimento cristalino dos grãos em forma de agulhas. A reação de crescimento e entrelaçamento das agulhas, causa o endurecimento da pasta, tratando agora de um fenômeno mecânico e não mais apenas químico (JOHN e CINCOTTO, 2007).

O método utilizado no Brasil para medir o tempo em esta reação de pega acontece é o proposto pela NBR 12128 (ABNT, 2019).

2.4.1. Fator Água/Gesso (FAG)

O emprego de quantidades erradas de água pode acarretar problemas na pasta como, redução da resistência mecânica pelo excesso de água livre. A água em excesso, água livre,

4_{Termo utilizado para designar uma substância que não contém, ou contém quantidade}

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tende a sair do material através do processo de evaporação e os espaços ocupados pelas moléculas de água no interior do material já consolidado passam a apresentar-se como espaços vazios, reduzindo assim a resistência mecânica dos elementos por ele conformados. Já em caso de utilização de quantidade de água abaixo do necessário, torna o processo de hidratação deficiente além de reduzir de forma drástica a trabalhabilidade da pasta.

Pinheiro (2011) e Hincapie e Cincotto (1997) relataram ter encontrado em seus estudos, um fator água/gesso de 0,7, tendo sido analisados para tanto, amostras de gesso reciclado de primeiro ciclo e gesso beta comercial, respectivamente.

2.5. Propriedades do gesso no Estado Fresco

Durante o processo de hidratação da pasta de gesso, uma etapa que apresenta fundamental importância para que se obtenha os melhores resultados possíveis é a passagem pelo estado fresco.

A trabalhabilidade de uma pasta pode ser definida como a maior ou menor facilidade que certo material possui de ser empregado para uma determinada finalidade, sem que haja perda de homogeneidade. A trabalhabilidade não é só uma, mas um conjunto de propriedades. Para John e Cincotto (2007), a trabalhabilidade de pastas de gesso depende basicamente de dois fatores: a sua consistência e os tempos de início e fim de pega. O tempo de pega faz uma estimativa do tempo em que a pasta apresentará condições que possibilitem sua aplicação e, a consistência indica se o material apresenta a coesão necessária para sua utilização. A água necessária para que se garanta a trabalhabilidade à pasta de gesso depende da sua superfície específica e da distribuição do tamanho das partículas do gesso.

A consistência de pastas de gesso pode ser determinada através do ensaio de Mini-slump (ou miniabatimento), que avalia a fluidez da pasta de gesso através da medida do diâmetro ou da área ocupada pelo material espalhado sobre uma placa de vidro (MUNHOZ, 2008).

Já o tempo de pega das pastas de gesso é o tempo necessário para a solidificação do material, importante observar que as reações de hidratação continuam ocorrendo mesmo após o fim da pega.

Para pastas de gesso, a velocidade da reação de pega depende essencialmente da presença e quantidade dos produtos de calcinação que dão origem a reações de hidratação mais rápidas (hemi-hidratos), e o endurecimento da presença de anidritas II, responsáveis pela

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o preenchimento dos vazios deixados entre os cristais hidratados dos hemi-hidratos, evitando que haja a retração por secagem no material já em estado endurecido evitando em consequência a sua fissuração (LE COVEC, 1978) Apud (JOHN e CINCOTTO, 2007)

A pega das pastas de gesso é diretamente influenciada por fatores, como a presença de impurezas, a fração de cada um de seus constituintes, o módulo de finura e a forma dos grãos, o fator água/gesso (FAG), a temperatura da água de amassamento5, a velocidade e o tempo de mistura e a presença de aditivos (JOHN e CINCOTTO, 2007).

2.6. Propriedades no estado endurecido

O processo de endurecimento e entrelaçamento dos cristais, tem influência direta nas propriedades mecânicas do gesso no estado endurecido. A forma dos cristais, dimensões e a porosidade presente em seu interior determinam se uma peça qualquer de gesso vai possuir maior ou menor resistência mecânica.

Para Lewry e Williamson (1994), a resistência mecânica do gesso em estado endurecido depende:

a. do tamanho e da forma dos cristais; b. da força de ligação entre os cristais;

c. das impurezas presentes, que proporcionam a formação de cristais com maior dureza ou com predisposição a fraturas; e

d. da porosidade da estrutura devido ao excesso da água de amassamento.

O excesso de água de amassamento aumenta a fluidez da pasta, aumentando a trabalhabilidade, mas em contrapartida, após sua saída por evaporação, causa surgimento excessivo de poros no interior das peças, o que acarreta redução significativa de suas propriedades mecânicas. Normalmente, teores superiores a 50 % são necessários para que se alcance uma trabalhabilidade satisfatória. Uma vez que a reação de hidratação consome apenas cerca de 0,186 gramas de água por grama de gesso, a água restante acaba sendo eliminada por evaporação, tornando as peças, em geral, com resistência reduzida (JOHN e CINCOTTO, 2007)

5_{Parcela da água adicionada ao material sólido que não participa do processo de} hidratação e tem a função exclusiva de garantir a trabalhabilidade adequada da pasta.

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2.6.1. Resistência mecânica das pastas

Segundo Karni e Karni (1995), a resistência mecânica da pasta de gesso endurecido é alterada por uma série de fatores, como:

a) Fator água/gesso (FAG): a resistência mecânica decresce com o aumento do fator água/gesso.

b) Idade: a resistência aumenta com tempo, alcançando níveis máximos entre os 14 e 28 dias de idade, dependendo das condições ambientais.

c) Condições ambientais: a resistência do gesso é sensível às variações de umidade do ambiente, e a presença de umidade no ambiente pode causar redução em até 50% seu valor da resistência mecânica do produto (JOHN e CINCOTTO, 2007)

d) Condições de uso: a resistência mecânica da pasta decresce, devido à sua capacidade de absorver umidade.

Peres, Benachour e Santos (2001) apontam que, além das propriedades mecânicas, as pastas de gesso em estado endurecido apresentam outras importantes propriedades, como: a) Resistência ao Fogo: por ser um material não inflamável, o gesso combate a propagação das

chamas estabilizando a temperatura por um determinado tempo. Tudo isso devido ao consumo da água presente nos cristais (água de cristalização), que faz com que a temperatura não ultrapassa os 40 ºC;

b) Isolamento Térmico e acústico: a capacidade isolante do gesso diretamente relacionada com o alto índice de porosidade associado ao material (KARNI e KARNI, 1995)

2.7. Aplicações típicas dos produtos de gesso

2.7.1. Agricultura

Ao ser adicionado ao solo, o sulfato de cálcio, reage com o alumínio já presente formando o sulfato de alumínio, que é de difícil absorção pelas plantas proporcionando um melhor desenvolvimento do seu sistema radicular e com isso melhores condições para que as raízes absorvam nutrientes e água nas camadas mais profundas do solo (MACHADO, 2016)

Dentre os benefícios do uso do gesso no solo, Machado (2016), lista: