UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA – UDESC CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA –DEM PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E
ENGENHARIA DE MATERIAIS - PGCEM
Formação: Mestrado em Ciência e Engenharia de Materiais
DISSERTAÇÃO DE MESTRADO OBTIDA POR
Edson Raupp de Bitencourt
UTILIZAÇÃO DE MATÉRIA-PRIMA ALTERNATIVA NA FABRICAÇÃO DE TIJOLOS DE ARGILA VERMELHA E BRANCA
Apresentada em 30/07/2004 perante a Banca Examinadora:
Prof. Dr. Enori Gemelli - Presidente (UDESC)
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA – UDESC CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA - DEM PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA
E ENGENHARIA DE MATERIAIS – PGCEM
DISSERTAÇÃO DE MESTRADO
Mestrando: EDSON RAUPP DE BITENCOURT – Engenheiro Mecânico
Orientador: Prof. Dr. ENORI GEMELLI
CCT/UDESC – JOINVILLE
UTILIZAÇÃO DE MATÉRIA-PRIMA ALTERNATIVA NA FABRICAÇÃO DE TIJOLOS DE ARGILA VERMELHA E BRANCA
DISSERTAÇÃO APRESENTADA PARA OBTENÇÃO DO TÍTULO DE MESTRE EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS DA UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA, CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT, ORIENTADA PELO PROF. DR. ENORI GEMELLI
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA - UDESC
CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT
COORDENAÇÃO DE PÓS-GRADUAÇÃO - CPG
"Utilização de Matéria-Prima Alternativa na Fabricação de Tijolos de
Argila Vermelha e Branca"
por
Edson Raupp de Bitencourt
Essa dissertação foi julgada adequada para a obtenção do título de
MESTRE EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS na área de concentração "Cerâmica", e aprovada em sua forma final pelo CURSO DE MESTRADO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS
DO CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS DA UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA
Prof. Dr. Enori Gemelli (Presidente) Banca Examinadora:
Prof. Dr.Carlos Alberto Klimeck Gouvêa
Prof. Dr. Nelson Heriberto Almeida Camargo
FICHA CATALOGRÁFICA
NOME: BITENCOURT, Edson Raupp de DATA DEFESA: 30/07/2004
LOCAL: CCT/UDESC – Joinville
NÍVEL: Mestrado Número de ordem: 40 – CCT/UDESC FORMAÇÃO: Ciência e Engenharia de Materiais
ÁREA DE CONCENTRAÇÃO: Cerâmica
TÍTULO: Utilização de Matéria-Prima Alternativa na Fabricação de Tijolos de Argila Vermelha e Branca
PALAVRAS - CHAVE: Matéria-Prima Alternativa, Resíduo, Cerâmica Vermelha, Tijolo, Construção Civil
NÚMERO DE PÁGINAS: x, 50 p.
CENTRO/UNIVERSIDADE: Centro de Ciências Tecnológicas da UDESC PROGRAMA: Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais - PGCEM CADASTRO CAPES: 410021001P-9
ORIENTADOR: Prof. Dr. Enori Gemelli
PRESIDENTE DA BANCA: Prof. Dr. Enori Gemelli
À MINHA ESPOSA PATRÍCIA E
AGRADECIMENTOS
Ao Prof. Dr. Enori Gemelli que, como orientador e amigo, teve paciência e deu todo o apoio necessário para a elaboração deste trabalho.
À Universidade do Estado de Santa Catarina – UDESC e ao Programa de Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais - PGCEM pela realização do presente trabalho.
Ao Centro de Ciências Tecnológicas e ao Departamento de Engenharia Mecânica pela infraestrutura oferecida.
Às empresas envolvidas neste trabalho, que por motivos estratégicos não são citadas na dissertação.
A todos os professores do Curso de Mestrado em Ciência e Engenharia de Materiais, que de uma forma direta ou indireta contribuíram para a realização desse trabalho.
SUMÁRIO
RESUMO ... ix
ABSTRACT ... x
INTRODUÇÃO ... 1
CAPÍTULO 1 - FABRICAÇÃO DE TIJOLOS DE ARGILA VERMELHA E BRANCA ... 3
1.1 MATÉRIA-PRIMA CONVENCIONAL...3
1.1.1 Composição Química das Argilas... 3
1.1.2 Aplicações das Argilas Vermelhas... 5
1.1.3 Características e Propriedades das Argilas Vermelhas para a Fabricação de Tijolos... 5
1.2 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO DE TIJOLOS ...7
1.3 PROPRIEDADES E CARACTERÍSTICAS DOS TIJOLOS DE ARGILA VERMELHA ...9
1.3.1 Resistência à Compressão/Cizalhamento ... 9
1.3.2 Absorção de Água ... 10
1.3.3. Expansão e Retração ... 11
1.3.4. Densidade ... 11
CAPÍTULO 2 - UTILIZAÇÃO DE MATÉRIAS-PRIMAS ALTERNATIVAS NA FABRICAÇÃO DE TIJOLOS ...13
2.1 MATÉRIA-PRIMA ALTERNATIVA COMBUSTÍVEL...13
2.1.1 Lama de Estações de Tratamento de Resíduos Urbanos ... 14
2.1.2 Lamas da Indústria do Papel ... 15
2.1.3 Serragem de Madeira ... 15
2.1.4 Material Proveniente da Indústria Têxtil... 16
2.1.5 Resíduos de Curtume ... 17
2.1.6 Material Procedente da Extração e do Processamento do Carvão ... 18
2.1.7 Matéria-Prima Alternativa Proveniente das Refinarias de Petróleo... 18
2.1.8 Outras Matérias-Primas Alternativas Combustíveis ... 18
2.2 CINZAS VOLANTES...19
2.3 MATÉRIAS-PRIMAS ALTERNATIVAS FUNDENTES ...20
2.4 MATÉRIAS-PRIMAS ALTERNATIVAS REDUTORAS DE PLASTICIDADE E PLASTIFICANTES...20
2.5 OUTRAS MATÉRIAS-PRIMAS ALTERNATIVAS UTILIZADAS PARA A FABRICAÇÃO DE TIJOLOS CERÂMICOS ...21
2.5.1 Rocha Calcária em Pó ... 21
2.5.3 Areias de Escória de Alto-Forno ... 23
2.5.4 Areias Esgotadas de Fundição ... 23
2.6 CONCLUSÃO...24
CAPÍTULO 3 – MATERIAIS E MÉTODOS EXPERIMENTAIS ... 25
3.1 MATERIAIS UTILIZADOS...25
3.2 ELABORAÇÃO DOS CORPOS-DE-PROVA ...25
3.3 ENSAIO DE COMPRESSÃO...26
3.4 ENSAIOS DE ANÁLISE TÉRMICA ...27
3.5 ENSAIO DE ABSORÇÃO DE ÁGUA...28
3.6 MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE VARREDURA ...28
3.7 ENSAIO DE LIXIVIAÇÃO E SOLUBILIZAÇÃO...28
3.8 ANÁLISE DOS GASES EMITIDOS...29
3.8.1 Amostragem dos Gases e Condições de Operação dos Fornos ... 29
3.8.2 Medidas “on line” da Concentração dos Gases Emitidos... 29
CAPÍTULO 4 – RESULTADOS E ANÁLISE DOS DADOS EXPERIMENTAIS ... 32
4.1 RESISTÊNCIA MECÂNICA DOS TIJOLOS SINTERIZADOS...32
4.2 ANÁLISE TÉRMICA ...33
4.3 ABSORÇÃO DE ÁGUA...35
4.4 CARACTERIZAÇÃO MICROESTRUTURAL ...35
4.5 LIXIVIAÇÃO, SOLUBILIZAÇÃO E MASSA BRUTA ...37
4.6 ANÁLISE DOS GASES EMITIDOS DURANTE A SINTERIZAÇÃO DOS TIJOLOS ...41
CONCLUSÃO ... 46
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 48
RESUMO
ABSTRACT
INTRODUÇÃO
A preservação do meio ambiente é um assunto discutido não só em escolas e na mídia, como também em grandes e pequenas empresas. Uma prova disso é a tão aspirada ISO 14000, certificação de qualidade e de proteção ao meio ambiente exigida globalmente em empresas que exportam ou desejam exportar seus produtos. Além disso, em um mercado competitivo a utilização de processos e produtos que preservam o meio ambiente constitui um fator vital para o desenvolvimento sustentável das indústrias. Sendo assim, além do controle adequado de emissão de poluentes, tanto no ar quanto em água e em terra, faz-se necessário encontrar um destino mais adequado para os materiais descartáveis resultantes de processos industriais, que são inevitavelmente gerados, buscando sempre utilizar aterros industriais como última opção.
O estudo sobre o aproveitamento de materiais descartados na produção industrial vem aumentando e se diversificando cada vez mais. Um dos setores de maior absorção destes materiais é a indústria da construção civil, principalmente na fabricação de tijolos e argamassas/concretos. Estudos como estes envolvem aprimoramento da tecnologia de materiais, pesquisa de ponta e muita dedicação para que se obtenham resultados positivos, como a descoberta de novos materiais de melhor qualidade e de custos mais baixos, tendo como maior beneficiária a natureza. Por conseguinte, a utilização destes materiais requer uma gama infinita de estudos no que diz respeito à compatibilidade entre matéria-prima alternativa e produto propriamente dito. A combinação destes pode gerar um efeito contrário ao desejado, isto é, pode ocorrer uma reação química liberando gás tóxico, por exemplo, ou diminuir a resistência mecânica de um determinado material manufaturado. Para evitar esses efeitos indesejáveis deve-se ter conhecimento das composições químicas das matérias primas e dos materiais alternativos utilizados.
Assim, buscando aliar o fator ambiental às dificuldades, ou necessidade de diminuir custos do setor produtivo cerâmico, este trabalho teve como objetivo geral a utilização de um material alternativo, proveniente do descarte de um processo industrial (resíduo), na fabricação de tijolos de cerâmica vermelha. Para tanto, foi preciso estabelecer dois objetivos: o primeiro foi o de determinar a concentração mais apropriada de resíduo na argila, visando uma boa trabalhabilidade da massa cerâmica durante o processo de fabricação de tijolos, e o segundo, foi o de verificar as características das propriedades e o impacto ambiental da fabricação de tijolos com resíduo.
CAPÍTULO 1 - FABRICAÇÃO DE TIJOLOS DE ARGILA VERMELHA E BRANCA
1.1 MATÉRIA-PRIMA CONVENCIONAL
A matéria-prima básica usada na fabricação de tijolos é a argila. Distingue-se dois tipos de argila: argila branca e argila vermelha.
A argila é um material proveniente da decomposição ocorrida durante milhões de anos das rochas feldspáticas, graníticas e basálticas, muito abundantes na crosta terrestre. São classificadas em duas categorias: argilas primárias e argilas secundárias ou sedimentares [PORTO ROSSI, 2003]. As argilas primárias são formadas no mesmo local da rocha mãe tendo pouca influência dos agentes atmosféricos. Possuem partículas mais grossas e coloração mais clara, são pouco plásticas e possuem grande pureza, com alta fusibilidade. O caulim é um exemplo deste tipo de argila. As argilas secundárias ou sedimentárias são materiais que sofrem grande influência de agentes atmosféricos, como a ação das águas, dos ventos, descargas elétricas e até mesmo o degelo de geleiras. A água, em especial, fragmenta a argila em diferentes tamanhos, fazendo com que as partes mais pesadas se depositem primeiro e as outras vão se depositando de acordo com suas densidades, sendo que as menos densas se depositam onde a água pára. As argilas sedimentares são mais finas e plásticas do que as primárias, podendo, no entanto, conter impurezas ao se misturarem com matérias orgânicas [PORTO ROSSI, 2003].
Argilas e caulins são materiais que possuem a propriedade de quando misturados com água, em devidas proporções, apresentarem a possibilidade de serem amassados e trabalhados mantendo a forma que se deseja. Quando secos e ainda não sinterizados, basta adicionar água para que possam recuperar a plasticidade.
1.1.1 Composição Química das Argilas
A composição química das argilas varia de acordo com a jazida de onde é retirada, ou seja, do local, da formação geológica do terreno, da era de formação e da influência hidrotérmica exercida sobre o material.
argila é formada por uma molécula de alumina, que contém dois átomos de alumínio e três de oxigênio; duas moléculas de sílica, que contém um átomo de silício e dois de oxigênio e duas moléculas de água, com dois átomos de hidrogênio e um de oxigênio, podendo ser representado por [Al2Si2O5(OH)4]2 [PORTO ROSSI, 2003].
Além da alumina e da sílica, é normalmente encontrado nas rochas ígneas o óxido de ferro (Fe2O3), que dá cor vermelha ou amarelada na maioria das argilas, reduz a plasticidade, mas também diminui a retração e facilita a secagem. Ele também diminui a resistência mecânica, mas o pouco que funde na sinterização, proporciona dureza ao vidrado. Os álcalis baixam o ponto de fusão e provocam porosidade, facilitando a secagem e a sinterização, mas também reduzem a plasticidade. O cálcio age como fundente e faz com que a cerâmica tenha um aspecto de cor mais claro. Os sais solúveis são perniciosos porque dão eflorescência de mau aspecto. A matéria orgânica, embora aumente a plasticidade, torna a argila mais porosa. É ela que torna a argila escura antes da sinterização; não obstante a cor vermelha reaparece depois da sinterização [PIZATTO, 2001].
Os resultados da análise química de duas argilas vermelhas naturais brasileiras (utilizadas como recebidas do fornecedor, pré-moídas e sem nenhum tratamento de enriquecimento prévio) estão apresentados na tabela 1. Verifica-se que ambas as argilas apresentam teores de ferro em torno de 10%. A diferença mais significativa está na predominância de óxido de cálcio em uma e de óxido de potássio na outra [VILLEGAS et al., 2003].
Tabela 1: Composição química em porcentagem de argilas brasileiras (argilas 1 e 2).
Argila SiO2 Al2O3 Fe2O3 MgO Na2O K2O CaO TiO2
1 59,57 22,28 11,31 2,25 0,01 2,83 0,72 1,03 2 66,19 17,10 10,11 3,21 0,42 0,45 1,42 1,10
Tabela 2: Composição química (%) de uma argila do Vale do Itajaí (Santa Catarina).
SiO2 Al2O3 Fe2O3 MgO Na2O K2O CaO TiO2
72,40 11,82 3,75 0,52 0,10 0,23 0,34 0,84
1.1.2 Aplicações das Argilas Vermelhas
As argilas vermelhas são utilizadas para fabricação de materiais para a construção civil, tais como tijolos (maciço, de dois furos, de quatro furos, de seis furos, de oito furos, de vinte e um furos, entre outros), telhas (de vários formatos), ladrilhos de pisos, objetos de adornos (elementos vazados), lajes cerâmicas, manilhas vidradas (tubos hidráulicos), agregados leves, além de obras de artesanato e decoração [SANTOS, 1989].
As argilas, por serem basicamente de alumino-silicatos de estrutura lamelar, são utilizadas como catalisadores em síntese orgânica, visto que o seu emprego alia melhoras de rendimento e diminuição do tempo reacional às facilidades decorrentes do uso de catalisadores sólidos nas reações, tornando o processo mais limpo do ponto de vista ambiental [VILLEGAS et al., 2003].
1.1.3 Características e Propriedades das Argilas Vermelhas para a Fabricação de Tijolos
As argilas vermelhas são plásticas e possuem ferro em sua constituição. Resistem a temperaturas de até 1100o C, podendo ser utilizadas em vidrados. Sua coloração é vermelho escura quando úmida, chegando a quase marrom quando atinge seu limite de temperatura de sinterização.
As argilas utilizadas para a fabricação de tijolos cerâmicos devem apresentar boa moldabilidade, ter resistência à flexão antes e após a sinterização, apresentar cor avermelhada após a sinterização, com um mínimo de trincas e empenamentos. Não devem apresentar ferro divalente, elementos alcalinos e alcalino-terrosos, pois estes causam excessiva retração, reduzem a faixa de sinterização e provocam coloração indesejada [SANTOS, 1989].
Plasticidade: varia de acordo com a quantidade de água. A argila seca tem plasticidade nula. Molhando-a, ela vai adquirindo plasticidade até um máximo, com mais água as lâminas se separam e a argila perde a plasticidade para se tornar um líquido viscoso. O ponto em que se limitam essas fases, ou seja, quando a argila não mais se desagrega, porém ainda é pegajosa, é chamado de ponto de maior plasticidade. Esse ponto varia de acordo com a argila, sendo as substâncias que alteram a plasticidade listadas a seguir: a) aumentam a plasticidade: o carbonato de sódio, hidróxido de sódio, tanino, silicatos. b) diminuem a plasticidade numa argila: o ar, o calor, adição de produtos para desengordurar e a areia [PIZATTO, 2001].
Retração: em um bloco de argila úmida, quando exposto à secagem, ocorre evaporação da água a partir da superfície do corpo e difusão de umidade no interior da massa, ou seja, migração no sentido do centro para as superfícies do corpo, que se encontram mais secas, com tendência de homogeneizar o conjunto. Em todo esse processo, no lugar antes ocupado pela água, vão ficando vazios e, conseqüentemente, o conjunto retrai-se. Surgem durante a evaporação, forças capilares que tendem a aproximar as paredes capilares. A massa de argila sofre então, ação semelhante a uma compressão isotrópica, de fora para dentro, diminuindo de volume. Essa retração é proporcional ao grau de umidade e varia também com a composição da argila. Quanto menor a granulomeria, maior a retração. A retração de secagem ocorre inicialmente de maneira bastante acentuada, atenuando-se a partir de um determinado teor de umidade, denominado “umidade crítica”. Um efeito negativo da retração é que, como ela não é uniforme, as camadas externas tendem a retrair-se antes do que as camadas internas. O bloco pode vir a se deformar ou mesmo fissurar. Todos os fatores que aumentam a plasticidade (o que é bom), também aumentam a retração (o que é ruim), assim sendo, no processo de moldagem dos produtos cerâmicos, deve-se adicionar à argila menor quantidade possível de água [PIZATTO, 2001].
Com argilas de grãos de vários tamanhos, reduzem-se a porosidade e a permeabilidade, ou seja, consegue-se um encaixe melhor (chama-se de melhor “empacotamento”) do que entre partículas com granulometria contínua. A porosidade tem influência sobre as argilas e as cerâmicas, aumentando a absorção de água na razão direta da quantidade de seus poros. Porém, favorece a sinterização e a refratariedade, diminuindo a condutibilidade térmica e elétrica e a massa específica aparente do material. A resistência a esforços axiais e a resistência à abrasão também são diminuídas com o aumento da porosidade [PIZATTO, 2001].
Comportamento ao Calor: aquecendo-se uma argila entre 20 ºC e 150 ºC ela somente perde a água de capilaridade. Entre 150 ºC a 600 ºC ela perde água absorvida e a argila vai se enrijecendo. Até aqui há somente alteração física, mas a partir de 600 ºC começam as alterações químicas em três estágios. Em um primeiro estágio há a desidratação química, ou seja, a água de constituição também é expulsa resultando no endurecimento, além de as matérias orgânicas serem queimadas. No segundo estágio, os carbonetos são calcinados e se transformam em óxidos. A partir do terceiro estágio, que inicia pelos 950 ºC, há a vitrificação. A sílica de constituição e a das areias formam uma pequena quantidade de vidro, que aglutina os demais elementos, dando dureza, resistência e compactação ao conjunto, aparecendo a cerâmica propriamente dita. A qualidade de um produto cerâmico depende, acima de tudo, da quantidade de vidro formado. É ínfima nos tijolos comuns e grande nas porcelanas [PIZATTO, 2001].
1.2 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO DE TIJOLOS
Os produtos de cerâmica vermelha são fabricados pelo processo de extrusão ou prensagem, sendo normalmente o primeiro para fabricação de tijolos (blocos de vedação, blocos portantes, tijolos maciços, tijolos estruturais), lajotas e manilhas. O segundo na fabricação de telhas [DOS SANTOS, 2001].
passar por uma chapa de aço perfurada, lançando-a dentro de uma câmara de vácuo. Da câmara de vácuo, a massa é retirada por outra rosca sem fim que a impele através de uma matriz de aço denominada de boquilha, onde a massa recebe a forma do tijolo. Porém, essa forma é contínua, sendo necessário um corte (manual ou automático) no tamanho desejado do tijolo [DOS SANTOS, 2001].
Argila Vermelha
Misturador Laminador Umidificação
Extrusora
Corte Secagem
Sinterização Resfriamento
Estocagem Comercialização Argila
Branca
Figura 1: Fluxograma do processo produtivo de tijolos.
A plasticidade da massa cerâmica interfere na qualidade final dos produtos extrudados. Para isso, deve-se sempre que possível, extrudar as massas na zona de máxima plasticidade, evitando situações desvantajosas em termos de extrusão [RIBEIRO et al., 2003].
Logo após a extrusão e o corte, os tijolos apresentam uma umidade de 20 a 25%, que é reduzida para 6 a 10% durante a secagem (natural ou forçada). Só então o tijolo pode passar pela etapa de sinterização, a qual dá aos tijolos suas características finais como resistência mecânica e cor.
Uma série de transformações estruturais e químicas ocorre quando as argilas são submetidas ao calor. A temperatura de sinterização dos tijolos é da ordem de 750 a 900 oC, sendo utilizados fornos para tal operação. As operações de secagem e sinterização são as que consomem a maior parte do combustível utilizado [DOS SANTOS, 2001].
crescimento dos grãos. Os átomos dos grãos pequenos são transferidos para os maiores através de difusão ao longo dos contornos dos grãos ou entre as partículas, substituindo os poros por material sólido [VAN VLACK, 1964].
1.3 PROPRIEDADES E CARACTERÍSTICAS DOS TIJOLOS DE ARGILA VERMELHA
1.3.1 Resistência à Compressão/Cizalhamento
Como os materiais cerâmicos são geralmente não-dúcteis, suas características de resistência mecânica diferem bastante dos metais. Um material cerâmico é muito resistente a compressão porque ele não se rompe por deslizamento, estando este comportamento diretamente ligado às forças interatômicas deste material. Porém, os materiais cerâmicos não podem romper-se por compressão pura, pois nenhum valor crítico da tensão é atingido à medida em que o espaço interatômico vai sendo reduzido [VAN VLACK, 1964].
O tijolo de seis furos é o que possui maior valor de produção na região de Santa Catarina, devido à preferência da grande maioria dos consumidores por este produto neste local. Contudo, a resistência à compressão dos tijolos apresenta, em sua maioria, valor abaixo do mínimo exigido pela norma NBR 7171/92, que é de 1 MPa, conforme mostrado na tabela 3. Além disso, os valores de resistência variam muito em um mesmo lote de tijolos, indicando a inexistência de controle de qualidade adequado na fabricação deste produto. Isto implica em um grande número de quebras no transporte e no manuseio dos tijolos [OLIVEIRA, 1993].
Tabela 3: Valores médios de resistência à compressão de tijolos de seis furos fabricados com argilas de diferentes regiões de Santa Catarina.
Região Resistência à Compressão [MPa] Alto Vale do
Itajaí 0,88
Morro da
Fumaça 0,47
1.3.2 Absorção de Água
A absorção de água é a quantidade de água necessária para encher os poros existentes em um corpo-de-prova cerâmico. Através deste ensaio (descrito pela norma britânica BS 3921), o ar escapa quando o corpo-de-prova é imerso, permitindo a livre passagem da água por entre os poros. Os valores médios de absorção de água dos tijolos cerâmicos em Santa Catarina varia entre 17% a 24% por peso (tabela 4). Segundo a norma NBR 7171/92, a absorção de água não deve ser superior a 25% [OLIVEIRA, 1993].
A propriedade de absorção de água dos tijolos cerâmicos influencia na permeabilidade das paredes de alvenaria, ou seja, quanto maior o coeficiente de absorção do material, mais permeável será a parede. Porém, baixos coeficientes prejudicam a aderência da argamassa. Influencia, também, na resistência à compressão dos tijolos, sendo esta inversamente proporcional à absorção de água [OLIVEIRA, 1993].
Tabela 4: Valores médios de absorção de água para tijolos de seis furos de regiões de Santa Catarina.
Região Absorção de Água [%] Alto Vale
do Itajaí 17,72 Morro da
Fumaça 18,22
Tijucas 23,70
A absorção de água em tijolos fabricados no Estado de Santa Catarina apresentam alta variabilidade, chegando a um coeficiente de 22% (tabela 5) [PRADO, 1995].
Tabela 5: Valores de absorção de água de tijolos de cerâmica vermelha de diferentes formas e dimensões.
Tipos de Tijolos Absorção de Água [%] Maciços 22,19
1.3.3. Expansão e Retração
A dilatação térmica dos materiais cerâmicos varia conforme sua energia interna. Geralmente, o coeficiente de dilatação térmica é maior para temperaturas mais elevadas. Também é admissível dizer que, quanto maior é a temperatura de fusão de um material, menor é a sua dilatação térmica [ABIKO, 1988].
Os movimentos de temperatura e umidade ocorrem ao mesmo tempo e podem ser considerados conjuntamente. O maior aumento no comprimento ocorre no calor com tempo úmido, e o maior decréscimo no frio com tempo seco. Depois que os tijolos são retirados dos fornos eles sofrem leve expansão que vai decrescendo com o tempo. Em alguns tijolos a expansão ocorre em até seis meses, porém em outros, continua por muitos anos numa razão reduzida. Isto não ocorre da mesma maneira em todos os tipos de tijolos, logo é necessário o conhecimento do material local para que seja admitida uma tolerância. Esta expansão e retração ocorre também com a mudança de temperatura. Os materiais cerâmicos absorvem consideráveis quantidades de água, o que causa uma pequena expansão. As principais desvantagens disso são: aumento de peso para estruturas de alvenaria; risco da umidade ser transferida para o interior; descoloração temporária e eflorescência. Como a composição das argilas e, portanto, dos tijolos cerâmicos varia de um lugar para outro, assim o comportamento dos mesmos também varia. Além disso, devido à grande diferença de clima entre um lugar e outro e, eventualmente, entre o local de produção e utilização dos tijolos, eles podem contrair ou expandir após a fabricação [COWAN e SMITH, 1988]. Por este motivo, os tijolos recém sinterizados não devem ser comercializados logo após a fabricação. Deve haver um tempo de espera de quinze dias para que os tijolos atinjam um equilíbrio dimensional [SINHA, 1992].
1.3.4. Densidade
Musa D =
V (equação 1)
Onde: D = densidade [kg/m3]
Musa = massa da unidade seca ao ar [kg] V = volume da unidade [m3]
CAPÍTULO 2 - UTILIZAÇÃO DE MATÉRIAS-PRIMAS ALTERNATIVAS NA FABRICAÇÃO DE TIJOLOS
As atividades industriais produzem uma determinada quantidade de substâncias não inerentes aos objetivos da produção em si. Na maior parte dos casos, estes produtos secundários não podem ser reutilizados diretamente, constituindo assim, resíduos industriais que conduzem à problemática da sua correta destinação final [DONDI et al., 1998].
As massas cerâmicas utilizadas na indústria de tijolos são de natureza heterogênea, constituídas por matérias-primas argilosas com um vasto espectro de composição, sendo extraídas normalmente dos depósitos de argila situados nas imediações das olarias. Por este motivo, tais massas têm a capacidade de tolerar a presença de materiais alternativos (resíduos), utilizando estes como aditivos presentes em quantidades significativas. A incorporação destes aditivos na massa cerâmica para a fabricação de tijolos implica sempre em obter, pelo menos, duas vantagens de caráter ambiental: a utilização e a inertização de resíduos poluentes e de difícil eliminação, sem contar a economia de matérias primas argilosas [DONDI et al., 1998]. Além disso, existem ainda eventualmente os efeitos positivos nas propriedades dos produtos semi-acabados e acabados, como na retração, porosidade, resistência mecânica, redução de perdas na secagem e diminuição da densidade da massa cerâmica sinterizada. O consumo de energia pode ser reduzido graças à contribuição calorífica proporcionada por muitos tipos de matéria-prima alternativa [JUNGE e HAUCK, 1997].
Os resíduos ou matérias primas alternativas podem ser divididos em quatro categorias principais, em relação aos seus efeitos mais importantes [DONDI et al., 1998]: 1. Matéria-prima alternativa combustível;
2. Cinzas volantes;
3. Matéria-prima alternativa de fusão;
4. Matéria-prima alternativa redutora de plasticidade.
2.1 MATÉRIA-PRIMA ALTERNATIVA COMBUSTÍVEL
fase de sinterização dos tijolos, através da combustão dos elevados níveis de substâncias orgânicas contidas nos mesmos. Esta categoria inclui resíduos das estações de tratamento de resíduos urbanos, resíduos da exploração de carvão, resíduos da indústria têxtil e de curtumes, derivados do processamento do petróleo e resíduos da indústria do papel e da madeira. Também as cinzas volantes das centrais termoelétricas são caracterizadas por um considerável valor calorífico [DONDI et al., 1998].
Em linhas gerais, a quantidade de resíduos que na prática podem ser acrescentados às massas cerâmicas é de certa forma limitada (raramente ultrapassa 10% em peso) sendo que os principais efeitos são o aumento da porosidade e a diminuição da retração e da resistência mecânica do material acabado [DONDI et al., 1998].
2.1.1 Lama de Estações de Tratamento de Resíduos Urbanos
As lamas de estação de tratamento de resíduos urbanos apresentam uma composição bastante variada, devido às diversas origens e aos diferentes processos de tratamento a que os resíduos são submetidos, obtendo assim uma larga faixa de variação de presença de material orgânico que vai de 10 a 60% em peso. A parte inorgânica é constituída essencialmente de silicato, com significativo teor de metais pesados, como chumbo, zinco, cromo e cobre [DONDI et al., 1998].
O poder calorífico desta lama é estimado em 2400 kcal/kg, o que pode resultar em uma economia de combustível da ordem de 10% a 40%. A quantidade que pode ser acrescentada na massa cerâmica vai de 2% a 30% em peso, dependendo do teor de umidade presente na lama e nas argilas [DONDI et al., 1998].
Os efeitos notados em massas cruas são representados pelo aumento da plasticidade, com uma melhora das propriedades reológicas e consequentemente uma moldagem mais fácil. Já durante a secagem, o comportamento é variado, aumentando ou reduzindo a retração, dependendo do material utilizado [DONDI et al., 1998].
2.1.2 Lamas da Indústria do Papel
As lamas derivadas da depuração de águas de efluentes das fábricas de papel são caracterizadas por um conteúdo de substâncias orgânicas de cerca de 20% do peso, quando seco, e por um valor calorífico de 2000 kcal/kg. Geralmente, a quantidade de água presente varia de 50% a 80% em peso. O componente inorgânico é, em grande parte, atribuído às “cargas”, como por exemplo caulin, cal e gesso [JUNGE e HAUCK, 1997].
As quantidades desse aditivo podem elevar-se até 10% do peso dependendo do grau de porosidade que se pretende obter e da redução da resistência mecânica que se possa aceitar [JUNGE e HAUCK, 1997].
O uso de lamas da indústria papeleira produz efeitos em todas as fases de produção dos tijolos. Sua natureza fibrosa e seu conteúdo em água são elementos importantes na preparação e na conformação da massa. Graças, sobretudo, ao efeito fortalecedor das fibras presentes, se conseguirá uma redução substancial dos inconvenientes da secagem e também um aumento da resistência à flexão e tração da peça verde. Durante o processo de sinterização, deve-se controlar cuidadosamente a energia liberada, compensando-a mediante a regulagem de alimentação do combustível. Isto reduz o consumo de combustível, normalmente de alta qualidade, necessário para queima, em uma quantidade ligeiramente inferior ao conteúdo de energia fornecida pela lama da indústria do papel [SILVA e ROCHA, 1997].
Com relação às emissões gasosas, durante a fase de pré-aquecimento da argila misturada com a lama, forma-se o gás de carbonização à baixa temperatura. Em muitos casos é necessário se assegurar de que a combustão está completa, utilizando um sistema de pós-combustão dos gases de descarga interno (reciclagem dos gases de combustão) ou externa (termo-captadores) [JUNGE e HAUCK, 1997].
A formação de poros devido a queima da parte orgânica da lama da indústria papeleira é aceito em geral sem problemas. Este é o motivo da redução da densidade e da condutividade térmica do tijolo [JUNGE e HAUCK, 1997].
2.1.3 Serragem de Madeira
uma economia energética de 15%. O valor calorífico oscila entre 1700 a 4500 kcal/kg [DONDI et al., 1998].
A serragem é utilizada com maior frequência para formar poros nos elementos cerâmicos que tenham como finalidade o isolamento térmico. Desde os tempos mais remotos, sempre acrescentou-se serragem para a produção de tijolos, sendo aceito sem problemas. Normalmente, utiliza-se serragem de madeira recém cortada, isenta de qualquer impureza advinda de solventes e aditivos [JUNGE e HAUCK, 1997] .
As quantidades de serragem adicionadas à argila são sempre limitadas, sendo os valores ideais entre 4 a 5% em peso. A granulometria da serragem deve ser controlada ao máximo possível, não podendo ultrapassar 2 mm de diâmetro. Assim, este aditivo melhora a trabalhabilidade da argila e diminui os tempos de secagem. Porém, em alguns casos, pode gerar problemas de extrusão e secagem, baixos valores de resistência mecânica no produto verde e seco e a necessidade de uma maior quantidade de água para a fabricação da massa [DONDI et al., 1998].
O produto sinterizado é mais leve, melhorando assim as propriedades térmicas e acústicas. A absorção de água também tende a crescer significativamente, enquanto que a retração permanece quase sempre invariável ou diminui ligeiramente [POERNER a al., 1994]. A resistência mecânica diminui de 10 a 30%, o que não representa um inconveniente se o objetivo for produzir um produto mais leve [DONDI et al., 1998].
O tijolo produzido com adição de serragem não necessita de qualquer substância desgaseificante, devido ao fato de que os componentes desgaseificantes e combustíveis da serragem se desprendem pela microestrutura da massa cerâmica formada em altas temperaturas. Além disso, podem ser eliminados ou reciclados sem nenhum tipo de restrição, já que a introdução da serragem não produz materiais que possam formar compostos solúveis. Entretanto, como aspectos negativos pode-se citar o surgimento de eflorescências e a queima incompleta do gás de carbonização a baixa temperatura liberado durante o pré-aquecimento do forno, emitindo na atmosfera compostos de hidrocarbetos junto com o gás de combustão do forno [JUNGE e HAUCK, 1997].
2.1.4 Material Proveniente da Indústria Têxtil
relativos a economia de combustível de até 20%. A fibra de lã acrescentada à massa pode chegar a 1,5% em peso, enquanto que a lama chega a 10%. Isto se deve às diferentes quantidades de substâncias orgânicas que, para as lamas da lavagem da lã é apenas de cerca de 20%, a seco. Os resíduos de fibras exigem uma trituração preliminar, devido a irregularidade das dimensões dos filamentos [DONDI et al., 1998].
A presença do material alternativo proveniente da indústria têxtil nas quantidades anteriormente referidas mantém as propriedades do tijolo antes da sinterização praticamente inalteradas, aumentando a absorção de água e diminuindo a resistência à flexão e o peso do produto sinterizado [DONDI et al., 1998].
Apesar da utilização deste material como aditivo na fabricação de tijolos ser praticável do ponto de vista econômico, tecnológico, energético e ambiental, existem poucos dados a cerca de sua utilização na indústria dos tijolos. Os maiores obstáculos verificam-se no custo do transporte e no tratamento [DONDI et al., 1998].
2.1.5 Resíduos de Curtume
A utilização dos resíduos provenientes da indústria de curtumes (beneficiamento de couro), quer seja lamas de escoamento ou resíduos de peles curtidas é de certa forma problemático devido à presença de elementos poluentes, principalmente o cromo. No entanto, tais lamas tem um potencial de utilização como combustível em função do seu significativo valor calorífico, mas devem ser submetidas a continuados controles ambientais e de toxicidade. A dosagem adequada nas massas para tijolos fica, portanto, condicionada ao teor de cromo. As adições realizadas desse material na massa cerâmica não ultrapassam os 10% em peso e, geralmente, tem o efeito de criar um produto sinterizado mais leve, apresentando uma melhoria nas características de isolamento térmico. Particularmente os resíduos de peles curtidas com cromo (adição de 2% em peso) produzem efeitos de redução da plasticidade da massa, isto é, maior facilidade de secagem, diminuição da retração e da resistência à flexão e aumento de porosidade [DONDI et al., 1998].
2.1.6 Material Procedente da Extração e do Processamento do Carvão
Os resíduos da extração de carvão ou de seu processamento (quer sejam resíduos sólidos da extração ou resíduos da lavagem) têm geralmente um valor calorífico significativo, mas bastante variável, permitindo assim uma grande economia de energia estimada entre 20% e 40%, com picos de 60%. O conteúdo inorgânico de tais resíduos é constituído, principalmente, por minerais argilosos e quartzo. A composição química é, portanto, rica em sílica, alumina e óxido de ferro, geralmente com teores reduzidos de elementos alcalinos e alcalinos-terrosos. As quantidades deste aditivo introduzido na massa cerâmica varia de 10% a 15% em peso, sendo recomendável fazer o refino do material. Em alguns casos é possível utilizar o material no seu estado natural [DONDI et al., 1998].
Os produtos obtidos apresentam redução de plasticidade, porém aumentam o desempenho da secagem e a resistência mecânica a verde. Ocorre um aumento da porosidade durante a sinterização e por fim diminui a resistência mecânica do produto acabado. Dependendo da quantidade de substâncias voláteis, deve-se ter cuidado com a velocidade de sinterização, a fim de se evitar o fenômeno denominado de “coração negro” [JUNGE e HAUCK, 1997].
É provável que os gases de carbonização a baixa temperatura cheguem à chaminé. Nestes casos haverá uma oxidação dos gases de carbonização através de uma pós-combustão interna ou externa dos gases liberados [JUNGE e HAUCK, 1997].
2.1.7 Matéria-Prima Alternativa Proveniente das Refinarias de Petróleo
Com 7500 kcal/kg de valor calorífico, a introdução de matéria-prima alternativa proveniente de refinarias de petróleo proporciona uma grande economia de combustível. É utilizado na forma de pó triturado com partículas menores de 100 µm a uma quantidade inferior a 2,5%. A influência observada é a diminuição da resistência mecânica em cerca de 15%, o que é aceitável [DONDI et al., 1998].
2.1.8 Outras Matérias-Primas Alternativas Combustíveis
de tijolos cerâmicos, como óleos minerais de exaustão, que em percentagens inferiores a 5% em peso não influenciam nas propriedades do produto final; resíduos de nozes de coco e casca de arroz, que diminuem o peso e a resistência mecânica do tijolo; embalagens de poliestireno, que são formadoras de porosidade; e borracha de pneus previamente trituradas [DONDI et al., 1998].
2.2 CINZAS VOLANTES
Cinzas volantes (fly-ash) são materiais inertes que contém partículas carbônicas incombustíveis, sendo produzidas em centrais elétricas durante a queima do carvão ou lignito [JUNGE e HAUCK, 1997]. A composição granulométrica das cinzas volantes possuem um tamanho médio de 30 a 50 µm, não necessitando, portanto, ser triturada antes de ser utilizada [DONDI et al., 1998]. Devido a sua composição química semelhante a dos minerais argilosos, são admitidas quantidades de adição à massa do tijolo entre 10% e 20% em peso [JUNGE e HAUCK, 1997].
A adição de cinzas volantes às massas argilosas produz uma melhoria no comportamento da massa, tanto na moldagem como na secagem, reduzindo a formação de trincas. Todavia, a utilização de partículas finamente divididas pode conferir plasticidade à massa e uma ligeira diminuição da resistência mecânica a seco, o que não influencia as características do produto [DONDI et al., 1998].
O tijolo produzido com adição de cinzas volantes apresenta uma melhora considerável nas propriedades mecânicas, devido a formação de fase mulita durante o período de sinterização. A retração tende a aumentar com a quantidade de cinzas volantes, enquanto que a porosidade não apresenta uma tendência uniforme. Esta circunstância deve-se à utilização de cinzas volantes com diferentes composições e com percentagens variadas, onde destacam-se as cinzas volantes mais finas, que parecem diminuir consideravelmente a absorção de água, melhorar as propriedades mecânicas, diminuir a retração e a densidade durante a sinterização [DONDI et al., 1998].
combustão do carbono tem lugar somente na zona da temperatura de sinterização e, em temperaturas semelhantes, a combustão é completa e libera exclusivamente gás carbônico [JUNGE e HAUCK, 1997].
2.3 MATÉRIAS-PRIMAS ALTERNATIVAS FUNDENTES
As matérias primas alternativas fundentes são aquelas formadas, por exemplo, por lamas das linhas de esmaltação de cerâmicas, lamas de indústria de galvanização e cinzas de fornos de arco elétrico. Este material possui uma composição majoritária sílico-aluminosa (SiO2 + Al2O3 > 50%), sendo utilizado habitualmente em torno de 20% em peso. A principal característica deste resíduo é a de produzir um efeito de “fusão”, que ocorre com uma redução significativa da porosidade quando a massa é sinterizada [DONDI et al., 1998].
As misturas de argila e resíduos fundentes influenciam positivamente na massa, tanto durante a extrusão quanto na fase de secagem. A retração na secagem permanece inalterada. A principal desvantagem desta fase é a redução da resistência mecânica à flexão a seco. No produto final, há uma tendência de melhorar as propriedades mecânicas, embora a absorção de água diminua em relação à quantidade de lama, enquanto que a retração permanece também inalterada [JUNGE e HAUCK, 1997].
2.4 MATÉRIAS-PRIMAS ALTERNATIVAS REDUTORAS DE PLASTICIDADE E PLASTIFICANTES
Os resíduos provenientes das indústrias de extração de minérios como cobre e alumínio, da indústria de cimento e de centrais termo-elétricas podem produzir um efeito de redução de plasticidade durante o processo de preparação da matéria-prima argilosa. Torna-se, no entanto, difícil de fazer uma distinção clara, dado que os diferentes efeitos se relacionam frequentemente com a distribuição granulométrica dos resíduos e com as características da argila com que são misturados. Estes resíduos apresentam, geralmente, composições químicas bastante variáveis, dependendo da origem dos materiais [DONDI et al., 1998].
mecânica e da retração. A absorção de água pode aumentar com a utilização de pó de cimento, chamote (componente cerâmico como piso ou tijolo quebrados antes da sinterização) e lamas de lavagem de cascalho, diminuindo, no entanto, com a utilização de resíduos de flotação de minérios de cobre [DONDI et al., 1998].
Os resíduos produzidos durante o processo de laboração de rochas e minerais como a bauxita, feldspato, quartzo, fluorita, pirita e o cascalho, são utilizados como agentes plastificantes, uma vez que possuem a capacidade de tornar as massas mais plásticas, facilitando a sua moldagem e reduzindo a quantidade de matéria-prima para a fabricação de tijolos cerâmicos. Possuem uma granulometria fina e são constituídos de materiais argilosos, quartzo, feldspatos e carbonatos. São empregados em percentagens bastante variadas, que vão de 5% a até 100%, tendo como resultado de maior ênfase o aumento da plasticidade, com um ligeiro incremento da retração na fase de secagem. Já o produto final caracteriza-se por um aumento geral da resistência à flexão e diminuição da absorção de água [JUNGE e HAUCK, 1997].
2.5 OUTRAS MATÉRIAS-PRIMAS ALTERNATIVAS UTILIZADAS PARA A FABRICAÇÃO DE TIJOLOS CERÂMICOS
2.5.1 Rocha Calcária em Pó
Pode-se dizer que é bastante conhecido o processo de adição de rocha calcária, bem como de gesso, para realçar a cor do tijolo acabado. No entanto, existe uma quantidade inumerável de problemas originários pelo uso deste aditivo. Em função do tipo de produto e da matéria-prima utilizada para a fabricação de tijolos, as quantidades usadas podem chegar a um percentual de 20% em peso [JUNGE e HAUCK, 1997].
2.5.2 Sedimentos de Água Potável
Esta substância compõe-se de sedimentos e resíduos gerados na filtração da água em estações de tratamento de água potável. No caso das águas procedentes de rios e de mananciais ou diques de acumulação, podem ocorrer flutuações sazonais relativamente grandes em sua composição, ocasionadas por intempéries e/ou por microorganismos que podem formar um conteúdo de sedimento orgânico de até 50%. Em princípio, os sedimentos de água potável e os resíduos de filtração podem integrar-se sem dificuldades com o grande número de componentes de argila para a produção de tijolo cerâmico. Dependendo da sua função original, podem ser idênticos ou não aos sedimentos depositados na argila. Isto também vale para os resíduos orgânicos que resultam da ação do plancton marinho. É necessário prestar atenção às diversas intervenções de purificação da água potável e a todos os agentes de precipitação contidos no resíduo filtrado, que em muitos casos são muito puros e não representam risco algum para a saúde. Contudo, nos compostos de ferro, podem influenciar sensivelmente na cor do produto [JUNGE e HAUCK, 1997].
As quantidades a serem utilizadas deveriam estar sempre determinadas pelas provas previamente realizadas em laboratório. As quantidades de matéria-prima alternativa inferiores a 5% em peso de substância sólida deveriam adaptar-se bem. Caso os efeitos sejam em sua maioria positivos, pode-se considerar razoável uma quantidade de aditivo mais elevada [JUNGE e HAUCK, 1997].
similares aos da argila natural, queimam no forno sem deixar resíduos. Os sedimentos de água são compostos de uma grande variedade de substâncias. Antes de utilizar quantidades relativamente elevadas, é indispensável realizar provas de laboratório para demonstrar que são aptos a serem incorporados a uma massa para produção de tijolos [JUNGE e HAUCK, 1997].
2.5.3 Areias de Escória de Alto-Forno
Na fabricação de ferro fundido produzem-se grandes quantidades de escória de alto-forno. As denominadas “areias de escórias de alto-forno” são obtidas desintegrando as escórias. Elas tem uma composição química semelhante às argilas minerais e foram utilizadas durante muito tempo na produção de tijolos cerâmicos [JUNGE e HAUCK, 1997].
As quantidades de matéria-prima alternativa utilizadas variam de acordo com a argila, podendo variar de 10% a 20% em peso. Durante a queima, ocorre uma melhor sinterização e compactação da massa cerâmica, em particular a temperaturas finais de sinterização superiores a 1000o C [JUNGE e HAUCK, 1997].
A incorporação da areia de escória de alto-forno deve ser cuidadosamente verificada desde o ponto de vista tecnológico dos processos industriais. No que diz respeito a secagem e a moldagem, não se prevêem efeitos negativos causados por estas matéria-prima alternativa. Na presença de uma composição de particulados pontiagudos, a tendência à laminação reduz-se muito mais que quando o grão de areia de quartzo é arredondado. Além do mais, estas matérias-primas alternativas favorecem uma completa combustão das substâncias orgânicas. Não se manifesta nenhum efeito negativo do quartzo, como a pré-disposição a trincas de pré-aquecimento e de resfriamento. As resistências das massas cerâmicas são maiores quando comparadas às massas que utilizam quartzo como aditivo. Poderá haver efeitos de melhora no processo de sinterização e também uma maior resistência mecânica do produto final [JUNGE e HAUCK, 1997].
2.5.4 Areias Esgotadas de Fundição
empregar-se na produção de tijolos. Seus principais componentes são: quartzo, areias de quartzo, areias de escória de alto-forno e uma ampla gama de partículas de óxido de metal [JUNGE e HAUCK, 1997].
A quantidade de areia esgotada de fundição, em relação a quantidade de argila para a fabricação de tijolo, deveria corresponder aproximadamente a 10% em peso. No caso de matérias-primas com uma relativa falta de plasticidade, a quantidade de aditivo deverá ficar seriamente limitada [JUNGE e HAUCK, 1997].
Se o componente principal é a areia de quartzo, a uma temperatura de 573o C será produzida uma troca espontânea do volume, tanto na fase de pré-aquecimento como na de resfriamento devido a transformação alotrópica do quartzo. Em todo caso, não se observam inconvenientes com respeito às propriedades do produto, sobretudo durante a sinterização [JUNGE e HAUCK, 1997].
As areias esgotadas de fundição não só introduzem aglomerados orgânicos na massa cerâmica do tijolo, como também metais pesados que se combinam na matriz cerâmica durante a sinterização [JUNGE e HAUCK, 1997].
2.6 CONCLUSÃO
Este primeiro estudo mostra que a utilização de resíduos sólidos industriais como matéria-prima alternativa na fabricação de tijolos é viável e lucrativa, tanto para as empresas que produzem o resíduo, pois permite uma correta eliminação de um passivo ambiental, quanto para os fabricante de tijolos, uma vez que diminui os custos de produção e melhora as propriedades do material em alguns casos.
CAPÍTULO 3 – MATERIAIS E MÉTODOS EXPERIMENTAIS
3.1 MATERIAIS UTILIZADOS
Os materiais usados na fabricação dos tijolos consistem basicamente de duas argilas utilizadas pela olaria e resíduo sólido de uma indústria de Joinville/SC. A argila sem resíduo, que será chamada de argila pura, consiste de uma mistura formada por aproximadamente 50% em volume de argila vermelha e 50% de argila branca. Análises quantitativas por dispersão de energia através da microssonda mostraram que a argila pura é composta basicamente de sílica, alumina e hematita (tabela 6). Por motivos estratégicos não será mencionado o nome das empresas envolvidas e nem o tipo de resíduo. Contudo, é possível informar a composição qualitativa do resíduo, indicada por um “sim” na tabela 6. Pode-se observar na tabela que a composição química do resíduo apresenta uma certa afinidade com a argila pura utilizada na fabricação dos tijolos.
Tabela 6: Composição química média dos materiais utilizados na fabricação dos tijolos.
[%] SiO2 Al2O3 Fe2O3 CuO TiO2 K2O MgO Na2O CaO S C
Argila 49,60 26,30 15,30 7,40 1,00 0,50 -- -- -- -- -- Resíduo sim sim sim -- sim sim sim sim sim sim sim
3.2 ELABORAÇÃO DOS CORPOS-DE-PROVA
Foram confeccionados tijolos comerciais de seis furos, conforme a norma NBR 7171/92, com as seguintes misturas: argila pura (sem resíduo); argila + A% Resíduo; argila + B% Resíduo e argila + C% Resíduo em volume.
umidade. No que concerne o aspecto visual, os tijolos crus apresentam cor marrom clara nos tijolos sem resíduo e cor cinza nos tijolos fabricados com resíduo.
A sinterização dos tijolos foi realizada em forno industrial de olaria o qual utiliza serragem como combustível. Os tijolos crus foram desumidecidos em estufa, sendo mantidos durante 12 horas a uma temperatura de aproximadamente 200 oC para secagem total. Após secagem os tijolos foram colocados nos fornos e aquecidos até 1000 oC a uma velocidade de 250oC/h, permanecendo por 4 horas a uma temperatura que variou entre 1000 oC e 1060 oC e, em seguida, resfriados através da interrupção da queima de serragem. Os tijolos ficaram dentro do forno até o resfriamento do forno a uma temperatura próxima da ambiente. A figura 2 mostra o ciclo de aquecimento e resfriamento do forno medido através da colocação de um termopar no centro do forno durante o processo de aquecimento e sinterização.
0 200 400 600 800 1000 1200
0 1 2 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Tempo [h]
Temperatura [
o C]
Figura 2: Ilustração do ciclo de sinterização dos tijolos fabricados com as diferentes misturas. Medidas realizadas no forno industrial da Olaria. Rampa de aquecimento ~ 250 oC/h.
3.3 ENSAIO DE COMPRESSÃO
corpos-de-prova foram revestidos com uma camada de argamassa nas superfícies superior e inferior para homogeneizar as superfícies de contato com os cabeçotes da máquina de compressão. Em seguida, os tijolos foram submersos em água por 24 horas, retirados da água, ligeiramente secados nas superfícies e ensaiados. O ensaio foi realizado em uma máquina universal de ensaios mecânicos a uma velocidade de aplicação de carga de 1 mm/s.
Como a área da superfície do tijolo não era a mesma da superfície do cabeçote da máquina, calculou-se a área de contato entre o tijolo e o cabeçote que, com os resultados da carga de ruptura obtidos no ensaio de compressão, determinaram-se as tensões de compressão dos tijolos através da equação 2.
Crup x 9,8 RC =
AC
(equação 2)
Onde: RC = Resistência à Compressão [MPa] Crup = Carga de ruptura [kgf]
AC = Área de Contato [m2]
3.4 ENSAIOS DE ANÁLISE TÉRMICA
Foram realizados ensaios de análise térmica diferencial (DTA), de perda de massa (TG) e de dilatometria da argila pura e da argila com B% de resíduo.
Para realizar os ensaios de DTA e TG, foi coletado entre 50 e 100 mg de pó de cada amostra, o qual foi colocado em um cadinho de alumina e depois inserido no equipamento para análise. O ensaio foi realizado em atmosfera de ar sintético e com uma taxa de aquecimento de 10 oC/min até a temperatura de 1250 oC.
3.5 ENSAIO DE ABSORÇÃO DE ÁGUA
Foi feito um ensaio comparativo de absorção de água nos tijolos com e sem resíduo. Os tijolos permaneceram submersos em água a temperatura ambiente durante 3 (três) e 15 (quinze) dias. A porcentagem de água absorvida foi determinada pela equação 3, baseada na diferença de peso medido antes e após a imersão em água. A pesagem dos tijolos foi realizada através de uma balança analítica com capacidade máxima de 20 Kg e resolução mínima de 5 mg.
Msat – Msec AA =
Msec
x 100 (equação 3)
Onde: AA = absorção de água [%]
Msat = massa do corpo-de-prova saturado em água [g] Msec = massa do corpo-de-prova seco [g]
3.6 MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE VARREDURA
A caracterização microestrutural e a análise por micro-sonda foram realizadas no Laboratório de Materiais da empresa geradora do resíduo. Para as análises foram coletadas amostras de tijolo puro e de tijolo com B% de resíduo, as quais foram fixadas em um porta-amostras do microscópio mediante uma fita dupla-face condutora. Como a cerâmica que compõe os tijolos não é um material condutor, cobriram-se as superfícies das amostras com uma fina camada de ouro de aproximadamente 12 nm, utilizando um metalizador da marca BAL-TEC, modelo SDC 050.
3.7 ENSAIO DE LIXIVIAÇÃO E SOLUBILIZAÇÃO
O ensaio de solubilização é aplicado somente para resíduos no estado físico sólido e é utilizado para diferenciar resíduos entre Classe II e Classe III, de acordo com a norma brasileira NBR 10004.
Ambos os ensaios foram realizados no laboratório químico da empresa Essencis Soluções Ambientais S.A., de Curitiba, e de acordo com a metodologia preconizada pelas Normas Brasileiras NBR 10005, 10006 e 10007.
3.8 ANÁLISE DOS GASES EMITIDOS
A olaria onde foram fabricados os tijolos possui 8 fornos com uma chaminé para cada dois fornos, consumindo biomassa (serragem) como combustível para a sinterização dos tijolos.
Foram realizadas análises de emissões atmosféricas em dois dias de diferentes semanas, em uma das chaminés, com o intuito de verificar a diferença na concentração dos gases emitidos entre os tijolos comuns e alternativos (com B% de resíduo). Os ensaios foram realizados pela empresa LACTEC - Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento, situada em Curitiba/PR, a qual nos forneceu um laudo técnico.
A serragem, utilizada como combustível, é acondicionada no pátio da empresa e transportada por tratores para silos que alimentam a fornalha. Os tijolos são colocados dentro do forno no período da manhã, terminando o processo de sinterização no início da tarde.
3.8.1 Amostragem dos Gases e Condições de Operação dos Fornos
As medidas das emissões foram realizadas em uma das chaminés, a aproximadamente 5 m do solo, sobre um andaime metálico previamente instalado no local. Foram feitos 2 furos na chaminé distantes um do outro de aproximadamente 1 m, como ilustrado na figura 3. Os furos foram destinados à adaptação das sondas do analisador de gases para medição de vazão, temperatura, O2, CO, CO2, NOx, SO2 e eficiência térmica.
3.8.2 Medidas “on line” da Concentração dos Gases Emitidos
semanas diferentes. As condições amostradas estão especificadas na tabela 7.
13 m
5 m
Diâmetro dos furos: 1,4 cm
Espessura da parede: 24 cm Diâmetro interno: 1,8 m (na altura dos furos)
Figura 3: Esquema de amostragem na chaminé.
Tabela 7: Condições da amostragem nos dois dias amostrados.
Medida Data Horário (h:min) Tipo do Tijolo Número de dados coletados
1 7:40 até 8:37 333
2 9:43 até 10:35 338
3 11:49 até 14:01 801
4
11/03/2003
15:17 até 15:58
Tijolo comum
242
5 7:34 até 8:37 326
6 9:40 até 10:35 294
7 11:48 até 14:05 887
8
16/04/2003
15:17 até 16:05
Tijolo Alternativo
310
Tabela 8: Princípios de medições e erros relacionados às medidas.
Parâmetro Princípio de Medição Faixa de Erro
O2 Medição com célula eletroquímica ± 0,2 Volume.-% absoluto NO Medição com célula eletroquímica ± 5% do valor indicado NO2 Medição com célula eletroquímica ± 5% do valor indicado NOx Cálculo baseado da medição de NO e NO2
CO Medição com célula eletroquímica para CO
(H2 compensado) ± 5% do valor indicado CO2 Cálculo de combustão
SO2 Medição com célula eletroquímica ± 5% do valor indicado Temperaturas
dos gases e Ambiente
MEDIÇÃO TERMOPAR TIPO K ± 0,5 oC
Eficiência térmica
CAPÍTULO 4 – RESULTADOS E ANÁLISE DOS DADOS EXPERIMENTAIS
4.1 RESISTÊNCIA MECÂNICA DOS TIJOLOS SINTERIZADOS
Os tijolos fabricados foram testados em compressão axial de acordo com a norma NBR 6461/83. Para cada composição foram ensaiados 10 (dez) tijolos. A figura 4 mostra os valores médios dos resultados dos ensaios mecânicos para os tijolos obtidos com as diferentes composições: argila pura (AP), argila com A% de resíduo (A+AR), argila com B% de resíduo (A+BR) e argila com C% de resíduo (A+CR). Através da figura 4 observa-se que a adição de resíduo aumenta bastante a resistência dos tijolos. Ela passa de 0,66 MPa para os tijolos de argila pura (sem resíduo) para valores que variam entre 1,41 a 1,49 MPa para os tijolos com resíduo. Nota-se também que a resistência dos tijolos com resíduo apresenta uma leve tendência de aumento da resistência com a concentração de resíduo. O desvio padrão dos tijolos de argila pura é de ±0,2 MPa e dos tijolos com resíduo é de aproximadamente ±0,4 MPa.
1,49 + 0,4 1,45 + 0,4
1,41 + 0,4
0,66 + 0,2
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6
AP A+AR A+BR A+CR
Materiais
Tensão de Ruptura [MPa]
Outra observação importante é que a norma NBR 6461/83 estabelece um valor mínimo de resistência mecânica à compressão axial de 1 MPa para os tijolos de 6 (seis) furos. Sendo assim, ao contrário dos tijolos de argila pura (sem resíduo), os tijolos com resíduo apresentam uma resistência mecânica bem superior ao mínimo estabelecido pela norma.
4.2 ANÁLISE TÉRMICA
A figura 5 apresenta os resultados da análise térmica diferencial (DTA) e da perda de massa (TG) da argila pura e da argila com B% de resíduo. Pode-se observar na figura 5 que a perda de massa total da argila pura foi de aproximadamente 12% enquanto que aquela da argila com resíduo ficou em torno de 14%. Observando o comportamento das curvas pode-se dizer que até em torno de 120 oC houve uma perda de massa provocada majoritariamente pela evaporação da água dissolvida. Entre 120 oC e 400 oC a perda de massa é devida à oxidação da matéria orgânica. Entre 400 oC e 600 oC houve uma perda de massa mais acentuada devido a um fenômeno de desidroxilação das argilas acompanhado eventualmente de oxidação de matéria orgânica e, em seguida, acima de 600 oC a perda de massa é essencialmente devido à oxidação. Na amostra de argila com resíduo a perda de massa é maior devido à oxidação do carbono contido no resíduo.
Com relação às curvas de análise térmica diferencial, observa-se um pico exotérmico entre 550 oC e 570 oC. Esse pico está associado à transformação alotrópica do quartzo alfa para o quartzo beta. Observa-se também, a uma temperatura próxima do início da sinterização, uma inversão das curvas da amostra de argila pura com a amostra de argila com resíduo. Isto se deve a presença de fundentes no resíduo que geram uma melhor sinterização e consequentemente menor porosidade, fazendo com que a entalpia livre desta amostra seja menor do que a da amostra de argila pura.
uma temperatura mais baixa, mostrando que o resíduo diminui à temperatura de sinterização.
Figura 5: Análise térmica diferencial (DTA) e perda de massa (TG) das amostras de argila pura (curva 2) e da argila com B% de resíduo (curva 1).
Sobre a curva de dilatometria também é possível observar a transformação alotrópica do quartzo alfa para o quartzo beta durante o aquecimento. De modo análogo, porém inverso, ocorre a transformação alotrópica do quartzo beta para o quartzo alfa durante o resfriamento. Ambas transformações ocorrem em temperatura de aproximadamente 570 oC.
4.3 ABSORÇÃO DE ÁGUA
Os resultados da absorção de água estão apresentados na tabela 9 e mostram que os tijolos praticamente atingiram a saturação após três dias de imersão. Os valores encontrados são da mesma ordem de grandeza entre o tijolo sem resíduo e o tijolo com resíduo, com um desvio padrão de ± 2,0%. Isso mostra que o tijolo com resíduo não é mais poroso do que o tijolo sem resíduo. De acordo com as análises térmicas realizadas, o tijolo com resíduo tem uma maior perda de massa devido principalmente à oxidação do carbono. Isso provoca uma maior porosidade. No entanto, como o tijolo com resíduo teve uma melhor sinterização, o fechamento dos poros também é maior. Em consequência, a retração nos tijolos com resíduo também é maior como foi observado no ensaio de dilatometria. Contudo, os valores relativos de retração entre o tijolo sem resíduo e o tijolo com resíduo são pequenos. Foi observado também durante a pesagem dos tijolos secos que o tijolo com resíduo é sensivelmente mais leve do que o tijolo sem resíduo. Calculando a densidade dos tijolos chega-se à conclusão que eles apresentam praticamente os mesmos valores.
Tabela 9: Resultado do ensaio comparativo de absorção de água.
Material % absorvida após 3 dias
% absorvida após 15 dias Tijolo puro 22,62 ± 2,0 22,85 ± 2,0 Tijolo + B%
resíduo 21,59 ± 2,0 21,83 ± 2,0
4.4 CARACTERIZAÇÃO MICROESTRUTURAL
está representada nas figuras 7 e 8 respectivamente.
20 µm
Figura 7: Morfologia da fratura do tijolo puro (sem resíduo).
20 µm
Pode-se observar na figura 7 a presença de grandes vazios que representam uma porosidade da ordem de 50 µm nos tijolos sem material alternativo.
Na figura 8 se observa um aspecto mais denso, com porosidade inferior ao da figura 7. Observa-se também, a presença de muitas fissuras que provavelmente foram geras pela maior retração do tijolo com material alternativo, como observado no ensaio de dilatrometria. Estas fissuras são responsáveis, em grande parte, pela pequena diferença no resultado do ensaio de absorção de água dos tijolos com e sem resíduo, visto que nos tijolos sem resíduo há o preenchimento dos poros pela água, enquanto que nos tijolos com resíduo há o preenchimento das fissuras.
4.5 LIXIVIAÇÃO, SOLUBILIZAÇÃO E MASSA BRUTA
A tabela 10 mostra resultados dos testes de lixiviação e massa bruta do resíduo e a tabela 11 mostra resultados do teste de solubilização do resíduo. De acordo com o laudo técnico emitido pela Essencis, o resíduo é classificado como não inerte Classe II, de acordo com a NBR 10004 da ABNT, pois as concentrações de alumínio, ferro, fluoretos e manganês nos extratos solubilizados estão acima do máximo permitido pela norma.
As tabelas 12 e 13 mostram os resultados dos ensaios de lixiviação, massa bruta e solubilização da argila pura, do tijolo sinterizado puro (sem resíduo) e do tijolo sinterizado com B% de resíduo.
Segundo a norma NBR 10004, rochas, tijolos e vidros são classificados como resíduos inertes Classe III. Portanto, os ensaios de lixiviação e solubilização na argila e nos tijolos com e sem resíduo foram realizados apenas para verificar se a inserção do resíduo no tijolo provoca modificações no teor dos elementos constituintes da argila e do tijolo sem resíduo, extrapolando os limites da norma.
Tabela 10: Resultado do teste de lixiviação do resíduo. LQ = Limite de Quantificação.
Parâmetros
Extrato Lixiviado
(mg/L)
Limite Máximo (mg/L)
NBR 10004
Análise de Massa Bruta
(mg/kg)
Limite Máximo (mg/kg)
NBR 10004
Alumínio - - 5.942,00 -
Antimônio - - < LQ -
Arsênio < LQ 5,0 < LQ 1000
Bário < LQ 100 - -
Berílio - - < LQ 100
Cádmio < LQ 0,5 < LQ -
Chumbo < LQ 5,0 < LQ 1000
Cianetos - - < LQ 1000
Cloretos - - 220,37 -
Cobre < LQ - < LQ -
Cromo Hexavalente - - < LQ 100
Cromo Total < LQ 5,0 < LQ -
Fenol - - < LQ 10
Ferro - - 14.240,00 -
Fluoretos 0,11 150 - -
Magnésio - - 16.710,00 -
Manganês - - 85,10 -
Mercúrio < LQ 0,1 < LQ 100
Níquel < LQ - < LQ -
Óleos e Graxas - - < LQ -
Prata < LQ 5,0 < LQ -
Selênio < LQ 1,0 < LQ 100
Tálio - - < LQ -
Vanádio - - < LQ 1000
Tabela 11: Resultado do teste de solubilização do resíduo. LQ = Limite de Quantificação.
Teste Limite Máximo (mg/L)
NBR 10004 Resultados
Alumínio 0,20 3,36
Arsênio 0,05 < LQ
Bário 1,00 < LQ
Cádmio 0,005 < LQ
Chumbo 0,05 < LQ
Cianetos 0,10 < LQ
Cloretos 250,00 < LQ
Clobre 1,00 < LQ
Cromo Total 0,05 < LQ
Fenol 0,001 < LQ
Ferro 0,3 1,56
Fluoretos 1,5 2,01
Manganês 0,1 0,56
Mercúrio 0,001 < LQ
Nitrato 10,00 < LQ
Prata 0,05 < LQ
Selênio 0,01 < LQ
Sódio 200,00 119,00
Sulfato 400,0 21,96
Dureza 500,00 (MgCaCO3/l) 15,00
Surfactantes 0,20 < LQ
Tabela 12: Resultado do teste de lixiviação da argila pura e dos tijolos. LQ = Limite de Quantificação.
Extrato Lixiviado (mg/L)
Análise de Massa (mg/kg)
Parâmetros Argila Pura Tijolo Puro Tijolo + B% resíduo Limite Máximo (mg/L) NBR 10004 Argila Pura Tijolo Puro Tijolo + B% resíduo Limite Máximo (mg/kg) NBR10004
Alumínio - - - - 10.668,50 3.246,50 1.770,70 - Antimônio - - - - < LQ < LQ < LQ - Arsênio < LQ < LQ < LQ 5,0 < LQ < LQ < LQ 1000 Bário < LQ < LQ < LQ 100 - - - - Berílio - - - - < LQ < LQ < LQ 100 Cádmio < LQ < LQ < LQ 0,5 < LQ < LQ < LQ - Chumbo < LQ < LQ < LQ 5,0 < LQ 70,38 < LQ 1000 Cianetos - - - - < LQ < LQ 1,37 1000 Cobre < LQ < LQ < LQ - < LQ < LQ < LQ - Cloretos - - - - 461,23 1.210,74 1.307,60 - Cromo
Hexavalente - - - - < LQ < LQ < LQ 100 Cromo Total < LQ < LQ < LQ 5,0 < LQ < LQ < LQ - Fenol - - - - < LQ < LQ < LQ 10 Ferro - - - - 40.265,00 1.294,00 1.958,00
Fluoretos 1,46 1,23 0,94 150 - - - -
Magnésio - - - - 86,32 58,67 164,40 -
Manganês - - - - 35,90 39,50 52,80 -
Mercúrio < LQ < LQ < LQ 0,1 < LQ < LQ < LQ 100 Níquel < LQ < LQ < LQ - < LQ < LQ < LQ - Óleos e
