PRODUÇÃO E CARACTERIZAÇÃO DE ROCHA ARTIFICIAL COM
RESÍDUOS DA LAVRA E BENEFICIAMENTO DE QUARTZITO
CARLOS PAULINO AGRIZZI
UNIVERSIDADE ESTADUAL DO NORTE FLUMINENSE – UENF
CAMPOS DOS GOYTACAZES – RJ FEVEREIRO DE 2020
PRODUÇÃO E CARACTERIZAÇÃO DE ROCHA ARTIFICIAL COM
RESÍDUOS DA LAVRA E BENEFICIAMENTO DE QUARTZITO
CARLOS PAULINO AGRIZZI
“Dissertação apresentada ao Centro de Ciência e Tecnologia, da Universidade Estadual do Norte Fluminense, como parte das exigências para obtenção de título de Mestre em Engenharia e Ciência dos Materiais”.
Orientador: Prof, D.Sc. Carlos Mauricio Fontes Vieira Coorientadora: D.Sc. Mônica Castoldi Borlini Gadioli
CAMPOS DOS GOYTACAZES – RJ FEVEREIRO DE 2020
PRODUÇÃO E CARACTERIZAÇÃO DE ROCHA ARTIFICIAL COM
RESÍDUOS DA LAVRA E BENEFICIAMENTO DE QUARTZITO
CARLOS PAULINO AGRIZZI
“Dissertação apresentada ao Centro de Ciência e Tecnologia, da Universidade Estadual do Norte Fluminense, como parte das exigências para obtenção de título de Mestre em Engenharia e Ciência dos Materiais”.
Aprovado em 19 de fevereiro de 2020.
Comissão Examinadora:
__________________________________________________________________ Noan Tonini Simonassi (D.Sc., Ciências dos Materiais) - UENF
__________________________________________________________________ Michelle Pereira Babisk (D.Sc., Eng. Materiais) – UENF
__________________________________________________________________ Mônica Castoldi Borlini Gadioli (D.Sc., Eng. Materiais) – CETEM
(Coorientadora)
__________________________________________________________________ Prof, Carlos Mauricio Fontes Vieira (D.Sc., Eng. Materiais) – UENF
“Ignorar a sua ignorância
Quem conhece a sua ignorância revela a mais alta sapiência. Quem ignora a sua ignorância vive na mais profunda ilusão. Não sucumbe à ilusão
quem conhece a ilusão como ilusão. O sábio conhece o seu não-saber e essa consciência do não-saber O preserva de toda a ilusão.”
Dedico este trabalho à minha família e todos aqueles que, de alguma forma, contribuíram com a sua realização.
AGRADECIMENTOS
Agradeço ao meu orientador, Carlos Maurício Fontes Vieira por toda ajuda e incentivo no cumprimento do trabalho.
Agradeço a Mônica Castoldi Borlini Gadioli por toda ajuda e suporte.
Agradeço a Elaine por me ensinar tudo que eu precisava aprender antes de começar a pesquisa.
Agradeço a Geovana por me ajudar e me mostrar que é possível fazer tudo. Agradeço ao Rômulo pela ajuda com os ensaios no LAMAV.
Agradeço a Abiliane, Mariane, Maria, Ana Julia e Luan pelo apoio.
Agradeço ao Philipe, Jefferson por me ajudar com os ensaios no CETEM. Agradeço ao Murilo por me ajudar com os ensaios no Ifes.
E agradeço à UENF pela oportunidade, ao Ifes por me permitir estar aqui e ao CETEM pelo apoio.
Agradeço a Fapes, através do processo nº 80857019, pelo suporte financeiro que tornou possível a pesquisa.
SUMÁRIO
LISTA DE FIGURAS ... 4
LISTA DE TABELAS... 6
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS ... 7
Resumo ... 8 Abstract ... 9 1. INTRODUÇÃO ... 10 1.1. OBJETIVO GERAL ... 12 1.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS ... 13 1.3. JUSTIFICATIVA ... 13 2. REVISÃO DA LITERATURA... 15 2.1. ROCHA ORNAMENTAL ... 15 2.2. LAVRA E BENEFICIAMENTO ... 16 2.2.1. Desdobramento ou Serragem ... 17 2.3. RESÍDUO ... 21 2.3.1. Resíduos Sólidos ... 22 2.3.2. Reciclagem ... 24 2.4. POLÍMEROS ... 25 2.4.1. Epóxi ... 26 2.4.2. Poliuretana ... 29 2.5. MATERIAIS COMPÓSITOS ... 31 2.6. MOLDAGEM E FABRICAÇÃO POR TRANSFERÊNCIA DE RESINA. 34
2.7. ESTADO DA ARTE DA ROCHA ARTIFICIAL ... 35 3. MATERIAIS E MÉTODOS ... 39 3.1. MATERIAIS ... 39 3.1.1. Quartzitos ... 39 3.1.1.1. Nome e localização ... 39 3.1.1.2. Caracterização petrográfica ... 39 3.1.2. Resinas ... 40 3.1.2.1. Resina Epóxi ... 40 3.1.2.2. Catalizador TETA ... 40
3.1.2.3. Resina Poliuretana Vegetal ... 40
3.2. MÉTODOS ... 41
3.2.1. Caracterização química e mineralógica do resíduo ... 41
3.2.1.1. Caracterização química do resíduo ... 41
3.2.2. Empacotamento ... 41
3.2.3. Teor Mínimo de Resina` ... 43
3.2.4. Produção da rocha artificial com epóxi ... 44
3.2.5. Produção da rocha artificial com poliuretano vegetal ... 46
3.2.6. Caracterização da Rocha Artificial de Quartzito ... 46
3.2.6.1. Determinação de Índices Físicos ... 46
3.2.6.2. Desgaste abrasivo do tipo AMSLER ... 48
3.2.6.4. Resistência ao impacto de corpo duro ... 51
3.2.6.5. Microestrutura ... 52
3.2.6.6. Microscopia confocal ... 52
3.2.6.7. Petrografia ... 52
4. RESULTADOS E DISCUSSÕES ... 54
4.1. COMPOSIÇÃO QUÍMICA E MINERALÓGICA DO RESÍDUO DE QUARTZITO ... 54
4.2. DETERMINAÇÃO DA COMPOSIÇÃO DE MAIOR EMPACOTAMENTO E TEOR MÍNIMO DE RESINA ... 55
4.3. ÍNDICES FÍSICOS ... 56
4.4. PROPRIEDADES MECÂNICAS ... 59
4.4.1. Resistência à flexão em três pontos ... 59
4.4.2. Desgaste abrasivo ... 60
4.4.3. Resistência ao impacto de corpo duro ... 62
4.4.4. Microscopia eletrônica de varredura da fratura ... 63
4.4.5. Microscopia confocal ... 66
4.4.6. Análise petrográfica ... 67
5. CONCLUSÃO ... 70
6. SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ... 72
LISTA DE FIGURAS
Figura 1– Evolução das importações brasileiras nos últimos 6 anos. (Adaptado de
Abirochas, 2019) ... 14
Figura 2 - Orientação dos minerais conforme direção do plano de corte da rocha. .. 15
Figura 3 - Produção de rocha ornamental em três etapas: A) Lavra em pedreira (método de bancada) B) e C) são os beneficiamentos da rocha (Oliveira, 2015) ... 16
Figura 4 - Métodos de lavra de rochas ornamentais. ... 17
Figura 5- Tear convencional (Cimef Metalurgia, 2019) ... 18
Figura 6 - Esquema de tear convencional (Vidal et al, 2014) ... 18
Figura 7 - Tear de lâminas diamantadas de rochas ornamentais. (Vidal et al, 2014) 19 Figura 8 - Tear de multifios diamantados. (Souza, 2012) ... 20
Figura 9 - Fluxograma de Caracterização de resíduos. (NBR10.004/2004) ... 23
Figura 10 - Grupo epoxítidico ou anel (Gonçalves, 2015) ... 26
Figura 11 - Resina epóxi de Bisfenol A (Alcântara, 2004) ... 27
Figura 12 - Rede entrecruzada da DGEBA com amina TETA (Amaral, 2014) ... 29
Figura 13 - Trietilenotetramina (Neves, 2017). ... 29
Figura 14 - Reação de poliadição (Vilar, 2005) ... 30
Figura 15 - Estrutura do óleo de mamona. (Vilar, 2005) ... 31
Figura 16 - Classificação para os tipos de compósitos. (Callister e Rethwisch, 2016) ... 32
Figura 17 - Processo de vibro compressão à vácuo (Caesarstone, 2010 apud Ribeiro, 2011) ... 35
Figura 17 – Rocha natural metamórfica quartzito. ... 39
Figura 19 - 10 composições no Modelo Simplex Centroide. ... 42
Figura 20 - Coluna de empacotamento sobre a base vibratória. ... 43
Figura 21 - Modelo de placa de rocha artificial produzida. ... 44
Figura 22 - Fluxograma de produção de placas artificiais. ... 44
Figura 23 – Molde utilizado para a confecção de placas de rochas artificiais. ... 45
Figura 24 - Corpo de prova no ensaio Flexão em 3 pontos. ... 50
Figura 25 - Coluna de impacto. ... 51
Figura 26 - Equipamento para confecção de lâminas petrográficas (A) e Lâmina petrográfica RAQ (B) ... 53
Figura 27 - Análise de DRX do resíduo de quartzito. ... 54
Figura 28 - Comportamento mecânico das rochas submetidas ao ensaio de resistência à flexão em três pontos. ... 60
Figura 29 - Micrografia obtida por microscopia eletrônica de varredura da superfície de fratura da rocha artificial de quartzito (RAQ) com matriz poliuretana vegetal (PUV) com aumento de 50x (A) e 100x (B). ... 64
Figura 30 - Micrografia obtida por microscopia eletrônica de varredura da superfície de fratura da rocha artificial de quartzito (RAQ) com matriz poliuretana vegetal (PUV) de uma segunda posição com aumento de 50x (A) e 100x (B). ... 64
Figura 31 - Micrografia obtida por microscopia eletrônica de varredura da superfície de fratura da rocha artificial de quartzito (RAQ) com matriz epóxi com aumento de 50x (A) e 100x (B). ... 65
Figura 32 - Micrografia obtida por microscopia eletrônica de varredura da superfície fratura da rocha artificial de quartzito (RAQ) com matriz epóxi de uma segunda posição com aumento de 50x (A) e 100x (B). ... 65
Figura 33 - Micrografia confocal da seção fraturada da RAQ de PUV em 430x (A) e 430x em preto e branco (B) ... 66
Figura 34 - Micrografia confocal da seção fraturada da RAQ de Epóxi em 430x (A) e 430x em preto e branco (B) ... 67
Figura 35 - Lâmina petrográfica da RAQ de matriz epóxi. ... 68
Figura 36 - Lâmina petrográfica da RAQ de matriz PUV. ... 68
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Propriedades típicas da resina epoxídica DGEBA. (Silva, 2009) ... 28
Tabela 2 - Composição média do óleo de mamona. (Silvestre Filho, 2001) ... 31
Tabela 3 - Propriedades físicas e mecânicas dos meios acadêmicos e industrial. ... 36
Tabela 4 - Principais trabalhos publicados de compósitos com matriz polimérica. ... 37
Tabela 5 - Faixas granulométricas, (-) passante na peneira, (+) retido na peneira. .. 40
Tabela 6 - Diferentes composições do modelo Simplex. ... 42
Tabela 7 - Análise de FRX do resíduo de quartzito. ... 54
Tabela 8 - Resultados das composições no empacotamento. ... 55
Tabela 9 - Teores das rochas confeccionadas. ... 56
Tabela 10 - Índices físicos dos materiais. ... 58
Tabela 11 - Resistência à flexão das rochas artificiais. ... 59
Tabela 12 - Resultado do ensaio de abrasão do tipo AMSLER. ... 61
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
ABIROCHAS – Associação Brasileira da Indústria de Rochas Ornamentais ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas
ASTM – American Society for Testing and Materials CETEM – Centro de Tecnologia Mineral
CCT – Centro de Ciência e Tecnologia DGEBA – Diglicidil éter de bisfenol A DMA – Análise Dinâmico Mecânica DRX – Difração de raios X
EN – Norma Europeia
FAPES – Fundação de Amparo à Pesquisa e Inovação do Espírito Santo IFES – Instituto Federal do Espírito Santo
LAMAV – Laboratório de Materiais Avançados MEV – Microscopia Eletrônica de Varredura NBR – Norma Brasileira
MPa – Mega Pascal Msec – Massa seca Msat – Massa saturada Msub – Massa submersa NBR – Norma Brasileira PPC – Perda Por Calcinação PUV – Poliuretano Vegetal RAC – Rocha Artificial Comercial RAQ – Rocha Artificial de Quartzito RN – Rocha Natural
RTM – Moldagem por Transferência de Resina SEPOL – Setor de Polímeros
TETA – Tetraetilenotetramina TGA – Análise Termogravimétrica TMR – Teor Mínimo de Resina
UENF – Universidade Estadual do Norte Fluminense Darcy Ribeiro UNE-EN – Norma Técnica Espanhola
Resumo da dissertação apresentada ao CCT-UENF como parte dos requisitos para obtenção do grau de Mestre em Engenharia e Ciência dos Materiais
PRODUÇÃO E CARACTERIZAÇÃO DE ROCHA ARTIFICIAL
COM RESÍDUOS DA LAVRA E BENEFICIAMENTO DE QUARTZITO
Carlos Paulino Agrizzi 19 de fevereiro de 2020 Orientador: Prof. D.Sc Carlos Mauricio Fontes Vieira Coorientadora: D.Sc. Mônica Castoldi Borlini Gadioli
A produção de uma rocha artificial a partir da aglutinação dos resíduos da mineração pela resina poliuretana de óleo de mamona onde já se utiliza a epóxi pode ser uma alternativa viável do ponto de vista técnico, econômico e ecológico. O resíduo utilizado foi recolhido em pedreiras e marmorarias oriundos do beneficiamento de quartzito, hoje são dispostos no meio ambiente ou depositados em aterros industriais. Considerando esta aplicação inédita, foram obtidos materiais sustentáveis e ecológicos. A pesquisa teve o objetivo de avaliar as propriedades físicas, mecânicas e estruturais de dois quartzitos artificiais produzidos a partir de seu resíduo. Foram confeccionados os materiais com o uso de resina epóxi (DGEBA/TETA) e resina poliuretana derivada do óleo de mamona como matriz por meio do processo de vibro compressão a vácuo. A mistura de partículas que maximizaram o empacotamento do material foi encontrada pelo método SIMPLEX Centroid. Os teores ótimos de resina foram de 15% e 14% para epóxi e poliuretana. Os materiais foram confeccionados com a pressão de compactação de 10 MPa por 20 minutos a 90ºC para as de resina epóxi e 80ºC para as de poliuretano. Dois quartzitos artificiais foram produzidos e em seguida preparados corpos de prova para os ensaios: densidade, absorção de água, porosidade, resistência a flexão, à abrasão, ao impacto de corpo duro, conforme as normas brasileiras de rochas naturais e as europeias de rochas aglomeradas. Foram comparados com o quartzito natural e uma rocha artificial comercializada. Sendo comprovada a viabilidade técnica dos materiais produzidos.
Abstract of Dissertation presented to CCT-UENF as part of the requirements for obtaining the Master’s Degree in Materials Engineering and Science.
PRODUCTION AND CHARACTERIZATION OF ARTIFICIAL
STONE WITH WASTE FROM LAVRA AND BENEFIT OF QUARTZITE
Carlos Paulino Agrizzi February 19, 2020 Advisor: Prof. D.Sc. Carlos Mauricio Fontes Vieira Co-supervisor: D.Sc. Mônica Castoldi Borlini Gadioli
The production of artificial stone acquired from the agglutination of mining waste by the polyurethane resin of castor oil where epoxy is already used can be a technically, economically and ecologically viable alternative. The waste used was collected in quarries and marble mills from the processing of quartzite at unfolding in looms, are today disposed of in the environment or deposited in industrial landfills. Considering this unprecedented application, sustainable and ecological materials were obtained. The research aimed to evaluate the physical, mechanical and structural properties of two artificial quartzite produced from its residue. The materials were made using epoxy resin (DGEBA/TETA) and polyurethane resin derived from castor oil as a matrix by means of the vacuum compression vibration process. The mixture of particles that maximized the packing of the material was found by the SIMPLEX Centroid method. The optimal resin contents were 15% and 14% for epoxy and polyurethane. The materials were made with the compression pressure of 10 MPa for 20 minutes at 90ºC for epoxy resin and 80ºC for polyurethane. Two artificial quartzite were produced and then prepared specimens for the tests: density, water absorption, porosity, bending strength, abrasion resistance, hard body impact, according to the Brazilian standards for natural and European agglomerated rocks. They were compared with natural quartzite and a commercialized artificial stone. The technical feasibility of the materials produced was proven.
1. INTRODUÇÃO
A palavra “sustentável”, mundialmente conhecida, foi difundida a partir da Conferência das Nações Unidas sobre o Meio Ambiente Humano de 1972 em Estocolmo, a partir da qual o conceito passou a ganhar maior importância. Hoje relacionada ao desenvolvimento econômico e(ou) material, sem agredir o meio ambiente através da utilização dos recursos naturais de forma inteligente e visando às próximas gerações (Jacobi, 1998).
A dimensão do setor de rochas brasileiro estrategicamente é destacada por alguns indicadores, apontados desde 1976 pela Organização das Nações Unidas. Essas recomendações se baseavam na capacidade de se expandir de forma organizada o setor de rochas tornando viáveis as iniciativas de incentivo e financeiras (Montani, 2014).
As Rochas Ornamentais estão entre os produtos constituídos por base mineral exportados pelo Brasil em 5º lugar, atrás apenas de:
• Minério de ferro; • Minério de cobre; • Ferro-ligas; • Ouro;
Ainda assim, segundo Ashby (2016), é um fato de amplo conhecimento que as indústrias desse setor, em sua grande maioria, são de economia linear, extraindo recursos minerais, agregando valor, distribuindo e os rejeitando em sua exaustão mineral.
Segundo Molinari (2007), ao analisar o cenário socioeconômico, percebe-se que as indústrias do setor mineral, apenas adotam normas sustentáveis com o fim de atender às legislações ambientais, através da fabricação de novos materiais, em sua grande maioria, materiais cerâmicos.
O Brasil, um grande produtor de rochas ornamentais a nível global, também é um grande gerador de resíduos, com consideráveis emissões poluentes dessa atividade mineira. Resíduos estes gerados nos processos de lavra (extração de blocos
em pedreira) e beneficiamento do bloco (“desdobramento” do bloco em chapas), sendo estes destinados a depósitos sanitários pagos diariamente. (Souza et al, 2009)
O volume explotado (extraído) das pedreiras brasileiras em 2016, chegou a 8,5 milhões de toneladas de rochas para uso em revestimento, o que corresponde a seis por cento do volume mundial. (Montani, 2017)
Vidal et al (2014) estimavam que os resíduos gerados nos processos de lavra e beneficiamento das rochas ornamentais, do material extraído na natureza para a produção de uma chapa, é da ordem de 83%. Ou seja, para se produzir 330 m² de chapas (valor médio obtido em um bloco comercial de 10 m³ serrado), são extraídos 30 m³ de rocha, em média, do maciço. Desses 30 m³, 20 m³ ficam na pedreira em forma de resíduos.
No entanto, a rocha artificial é um material de alto valor, com propriedades superiores às das placas cerâmicas de primeira linha, em função de sua excelente resistência à flexão e brilho superficial. (Lee et al. 2008)
Lee et al (2008) afirmam ainda que em função do volume utilizado desses resíduos e do preço unitário (m² de rocha artificial) serem elevados, com base em outros materiais que utilizam desses resíduos também, a rocha artificial é a que encontra o melhor custo benefício e com melhores aplicações.
A Breton (2019), uma das maiores fabricantes do mundo do seu material patenteado, bretonstone, afirma que esses novos materiais são: ecológicos, sempre são ultracompactos, isentos de microporosidades, homogêneos e isotrópicos com excelentes características físico-mecânicas.
Há no mercado outras grandes empresas que já trabalham com materiais artificiais, já muito desenvolvidos, como: Technistone, Silestone by Cosentino, Corian Quartz e Compac.
Diante disso, é evidente que a criação de novos materiais com a utilização de resíduos da indústria da rocha ornamental é interessante economicamente, além de atender uma ideologia sustentável no meio industrial, a da economia circular.
Porém, muitos polímeros não são recicláveis, e os sintéticos derivados de petróleo utilizados nas rochas artificiais não sofrem biodegradação quando dispostos
no meio ambiente, e ainda, os que podem ser reciclados não o são, o que acarreta problemas ambientais. O uso de polímeros sustentáveis é uma alternativa para diminuir o impacto ambiental, apesar de estarem disponíveis no mercado há décadas, não são competitivos frente aos polímeros derivados do petróleo por custarem em média, duas vezes mais. O que poderia ser reduzido com o aumento do interesse por esses produtos, elevando o consumo e a escala de produção desses materiais.
O poliuretano derivado do óleo de mamona é um polímero de origem vegetal que pode ser utilizado na criação de materiais sustentáveis e ecológicos, o que justifica a pesquisa em questão, contribui no desenvolvimento da tecnologia, da variabilidade de materiais comercializados e o aumento de vagas de emprego no setor mineral.
Com isso, o CETEM criou o projeto “Desenvolvimento de Novos Materiais Utilizando Resíduos da Extração e do Beneficiamento de Rochas Ornamentais”, aprovado no edital da FAPES, processo de número 80857019, do qual faz parte a seguinte pesquisa.
Até o momento, a pesquisa apresentada já produziu duas patentes:
• BR10201901815 - “Compósito de matriz polimérica com a utilização de resíduos da extração e do beneficiamento de quartzito como carga mineral particulada e método de obtenção.”
• BR10201902091 – “Rocha artificial de resina poliuretana vegetal a base de óleo de mamona e resíduos de rocha ornamental e método de obtenção.”
1.1. OBJETIVO GERAL
O objetivo desse trabalho consiste em desenvolver novos materiais, chamados de rochas artificiais a partir de resíduos de quartzitos com o uso das resinas: epóxi e poliuretana vegetal e caracterizá-los, a fim de confirmar a viabilidade técnica em produzir materiais sustentáveis e de potencial econômico.
1.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS
• Produzir placas de quartzito artificial provenientes da aglutinação de resíduos industriais do quartzito natural pelas resinas epóxi e poliuretana vegetal de mamona.
• Produzir lâminas petrográficas dos materiais confeccionados para a análise petrográfica das mesmas.
• Avaliar quanto as suas propriedades mecânicas, físicas da forma dos ensaios: densidade, absorção de água, porosidade aparente, resistência à flexão, resistência ao desgaste abrasivo, resistência ao impacto de corpo duro.
• Correlacionar as propriedades físicas e mecânicas com a sua microestrutura.
1.3. JUSTIFICATIVA
O Brasil, além de ser um dos maiores produtores de rochas ornamentais no mundo, é também um dos maiores geradores de resíduos. De acordo com Montani (2017), o volume anual em 2016 de resíduos de rochas ornamentais foi de 25 milhões de toneladas.
Tendo em vista as pesquisas referentes à utilização de resíduos por Lee et al (2008) e Chang et al (2010), é constatada a viabilidade técnica na utilização dos resíduos minerais para a confecção de materiais aglomerados artificiais (rochas artificiais).
As importações de rochas ornamentais no Brasil no ano de 2019 foram de 46,5 mil ton e U$ 24,2 milhões (redução de 20% e 13,9% com relação a 2018) , e as importações de rochas artificiais para revestimento e ornamentação foram de 70,5 mil t e U$ 44,9 milhões (aumento de 10% e 1,1% com relação a 2018) conforme Figura 1.
Figura 1– Evolução das importações brasileiras nos últimos 6 anos. (Adaptado de Abirochas, 2019) A importação no ano de 2018 de rochas artificiais ultrapassou a de rochas naturais pela primeira vez, perpetuou em 2019 com um volume ainda maior, mostrando o crescente interesse do mercado em adquirir esses materiais, o que justifica o interesse em pesquisas e desenvolvimento de materiais sintéticos, sobretudo, com a utilização dos resíduos como matéria-prima.
É necessária a criação principalmente de materiais que atendam cada vez mais a propósitos específicos de um usuário final cada vez mais exigente, esteticamente agradáveis na aparência, duráveis ao longo do tempo, ecologicamente corretos e adaptáveis às técnicas modernas de construção e design sustentáveis (Ribeiro, 2011).
2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 Rochas Naturais 109,2 98,9 73,7 58,9 63,1 53,5 46,5 Rochas Artificiais 52,2 62,7 53,3 44,8 57,1 64,1 70,5 0 20 40 60 80 100 120 1 .00 0 t o n e la d as
EVOLUÇÃO DAS IMPORTAÇÕES BRASILEIRAS DE ROCHAS
NATURAIS E ARTIFICIAIS
2. REVISÃO DA LITERATURA 2.1. ROCHA ORNAMENTAL
Para Almeida & Chaves (2002), é considerada rocha ornamental, aquela que é produzida pela extração em forma de blocos, que são, na maioria dos casos, serrados em placas, com o objetivo de serem aplicados na construção civil, decoração e urbanismo.
As rochas ornamentais comercializadas em forma de chapas ou recortes menores, polidas e de espessura uniforme, são usualmente comercializadas sob duas denominações: “granitos” (rochas ígneas e metamórficas) e “mármores” (rochas carbonatadas, de origem sedimentar ou metamórfica). Os outros tipos são as ardósias e as “pedras naturais”, com acabamento rústico, geralmente comercializadas em forma de placas (Vidal et al, 2014).
Devido à grande variedade de cores entre os diferentes tipos de rochas, a sua característica pétreo-ornamental, esta, baseada no padrão cromático do material, é a principal característica considerada para a sua valorização comercial, variando conforme a orientação dos minerais conforme ilustra a Figura 2. (Chiodi Filho e Rodrigues, 2009)
Figura 2 - Orientação dos minerais conforme direção do plano de corte da rocha.
As rochas ornamentais são comercializadas na forma de chapas polidas, na maior parte das vezes. Para chegar a essa forma, são necessárias 3 etapas de transformação: lavra em pedreiras, serragem do bloco, ou desdobramento e o polimento (Figura 3).
Figura 3 - Produção de rocha ornamental em três etapas: A) Lavra em pedreira (método de bancada) B) Beneficiamento primário (serragem) e C) Beneficiamento secundário (polimento) (Oliveira, 2015). 2.2. LAVRA E BENEFICIAMENTO
A lavra em “pedreiras” corresponde à forma empregada no Brasil para denominar minas que extraiam agregados de uso direto na construção civil, tais como, pedras para revestimento e britas em geral. (Curi, 2014)
Para a extração de rochas ornamentais, são necessárias algumas fases que antecedem à sua lavra, dentre as quais, as mais importantes são a prospecção – para definir a localização, dimensionamento e identificação da ocorrência mineral; a pesquisa mineral – para avaliar exequibilidade da jazida economicamente e tecnologicamente, com o desenvolvimento do planejamento de lavra; a lavra – a atividade de extração desenvolvida seguindo um plano específico baseado em metodologias específicas para as características geológicas do material e ao final, a fase de recuperação da área degradada (Vidal et al, 2014).
Os métodos de extração de rochas ornamentais mais importantes utilizados, segundo Vidal et al (2014), são: lavra por desmoronamento, lavra seletiva, lavra de matacões, lavra de bancadas altas e baixas, lavra de painéis verticais e a lavra subterrânea, conforme a Figura 4:
Figura 4 - Métodos de lavra de rochas ornamentais.
As lavras direto do maciço garante um melhor plano de lavra, devido ao grande volume disponível de material rochoso, o método que mais se destaca é o de bancadas altas (altura múltipla das dimensões dos blocos).
O beneficiamento das rochas ornamentais tem o objetivo de transformar os blocos, obtido na fase da lavra, em um produto final ou semiacabado. (Vidal et al, 2014)
Após a extração dos blocos, estes são transportados até as marmorarias (indústria beneficiadora) onde o bloco passa por duas etapas: a) Serragem ou desdobramento dos blocos. b) polimento de superfície, corte e o acabamento. Porém não é incomum empresas que só possuam uma dessas etapas (Villaschi Filho, 2000). 2.2.1. Desdobramento ou Serragem
Este processo compreende o preparo e serragem do bloco de rocha em chapas de espessura muito próxima do produto acabado. Isso é obtido mais comumente com o uso de tear monolâmina, teares multilâmina e multilâmina diamantadas, tear monofio, teares multifio e talha-blocos de disco diamantado. (Silveira, 2008)
O desdobramento (ou serragem) dos blocos de granito, mármore, e muitas outras rochas é quase que exclusivamente processado por teares multilâmina (conhecido como tear convencional), multilâmina diamantadas ou multifio diamantados.
Na serragem com tear de multilâminas (Figura 5) ocorre o corte pela ação da granalha (elemento abrasivo) conduzida pelo conjunto de lâminas movimentadas pelo tear. O tear convencional é constituído por uma estrutura (Figura 6) com quatro colunas de sustentação, sobre elas, o quadro porta-lâminas. A disposição das lâminas é feita no sentido longitudinal ao maior comprimento do bloco de rocha e tensionadas para manter o paralelismo durante o corte. O quadro é acionado por um motor elétrico, por meio de um volante com seu eixo excêntrico, imprime um movimento de pêndulo através do braço, responsável por causar o atrito entre as lâminas com o elemento abrasivo e o bloco de rocha a ser cortado. Ao mesmo tempo, o conjunto do quadro porta-lâminas é comprimido contra a rocha em um movimento de descida (cala), ocasionando o corte do bloco. Com o movimento de pêndulo do quadro porta-lâminas, a partícula abrasiva (granalha) corta a rocha de três modos: riscamento, rolamento e impacto. (Reckelberg, 2009)
Figura 5- Tear convencional (Cimef Metalurgia, 2019)
O tear de multilâminas diamantadas (Figura 7) é o mais utilizado para rochas carbonáticas (mármores e carbonatos) por utilizar lâminas abrasivas (através de pastilhas diamantadas incrustadas no fio da lâmina) aonde o seu movimento difere do tear convencional por não haver o movimento pendular do quadro de lâminas, somente o movimento de serra pressionada contra a rocha. O sistema de arrefecimento se dá pela constante aspersão de água sobre o conjunto de lâminas e bloco de rocha, que também funciona na limpeza e expurgo dos resíduos da rocha desagregados durante o processo. (Vidal et al., 2014)
Figura 7 - Tear de lâminas diamantadas de rochas ornamentais. (Vidal et al, 2014)
O tear de multifio diamantado (Figura 8) é considerado a mais recente tecnologia de serragem de blocos. Constitui no corte da rocha pela ação abrasiva de anéis (ou pérolas diamantadas), dispostos ao longo do fio (cabo de aço), espaçados por um polímero injetado sob alta pressão. (Souza, 2012)
São constituídos de uma estrutura metálica, na qual são dispostas polias equidistantes para guiar e tensionar os fios diamantados contra o bloco, em um movimento circular sobre ele. Essa estrutura de fios equidistantes tem o movimento de descida na direção do bloco (cala), possuem uma produtividade consideravelmente mais alta do que os teares convencionais.
Figura 8 - Tear de multifios diamantados. (Souza, 2012)
O tear de multifio tem mostrado maior eficiência segundo estudo feito por Souza (2012), ao compara-los aos teares convencionais, com as seguintes vantagens:
• Um menor consumo de energia elétrica, em quilowatts por metro quadrado de plano de corte, consome 68% do consumo de um tear convencional.
• O desgaste do equipamento é menor, por ter um insumo mais eficiente, ocasionando um custo de mão de obra 26% menor comparado ao tear convencional.
• Em um mesmo período de tempo, o tear de multifio produz 625% mais do que o convencional.
• Seu resíduo é inerte, enquanto o do convencional é tóxico. Suas desvantagens:
• Seu insumo é 50% mais caro (fio diamantado), comparado com os insumos abrasivos do tear convencional (cal, granalha e água)
• É um equipamento com o custo mais elevado.
A tecnologia empregada para este trabalho é a de serragem por tear de multifio, pois é a utilizada no corte da rocha na indústria e como apresentado, o seu resíduo é inerte.
O polimento, dentre as etapas secundárias de beneficiamento da rocha, configura-se como a mais importante, através da abrasão é feito o desgaste superficial da chapa com a finalidade de reduzir a rugosidade, e com isso, transforma a chapa
em uma superfície com brilho, a sua intensidade é função de propriedades intrínsecas à rocha, suas características reflexivas. (Silveira, 2008)
2.3. RESÍDUO
O gerenciamento da lama residual tem representado um grande problema para a sociedade e empresas. Devido ao seu alto valor de deposição, a necessidade de uma recuperação apropriada que não sejam aterros, programas governamentais de investimento no desenvolvimento de novas tecnologias para solucionar esse problema (Careddu e Dino, 2016).
Barrientos (2010), através de analises com resíduos de serragem de granitos, concluiu que a sua composição após o processo de desdobramento de um bloco em chapas, se mantém aproximada a do granito precursor. As diferenças entre os métodos de corte de rocha pelos teares convencionais e os diamantados são significantes, enquanto a serragem por equipamentos diamantados não há contaminantes (resquícios mínimos e inertes do material que compõe os fios), o uso do tear convencional para a serragem contamina o resíduo com os elementos encontrados na granalha e no cal, utilizados no processo, contaminantes esses: Fe2O3, CaO e C (inorgânico), e em menor grau MnO.
O resíduo produzido na serragem do bloco de rocha em chapas pelo tear de multifio é uma lama composta por basicamente, água, pó da rocha e cristais micrométricos fragmentados do anel diamantado. Por outro lado, no tear de multilâmina, ou tear convencional, a lama contém pó de rocha, cal, água e fragmentos de aço oriundos da granalha e da lâmina. Nos dois casos, já há um reaproveitamento de 95% da água do processo, de forma recirculada. O volume de rocha desagregado em ambos os casos é em média 26% do volume inicial do bloco de rocha. (Vidal et al, 2014)
Segundo Campos (2014), a lama em sua maior parte é proveniente de teares convencionais, com 67% de água, 30% do pó da rocha, 2% da granalha, 1% dos resíduos das lâminas de aço e 1% de cal (em peso). É estimado sejam produzidas 2,2 toneladas de lama abrasiva por cada 1m³ de rocha serrado. Porém, o setor não costuma separar os resíduos por tipo processo (serragem e polimento), e misturam todos, a lama final contém outros produtos químicos com toxidade, provenientes de
etapas de polimento das chapas e resinagem, gerados no beneficiamento secundário. O polimento produz em torno de 3,5 kg de lama por cada metro quadrado de chapa, em torno de 100 kg/m³ de bloco de rocha. Do mesmo modo, o resíduo da serragem dos blocos nos teares diamantados também é misturado com o dos convencionais, mesmo constituído praticamente só de água e pó da rocha serrada.
2.3.1. Resíduos Sólidos
Segundo a NBR 10004 (2004), são considerados resíduos sólidos (RS), os que são encontrados em estado sólido ou semissólido, sendo originário de variadas atividades, tais como: industriais, hospitalares, agrícolas, domésticas, comerciais, de varrição e de serviços em geral.
Com base na norma, os RS podem ser classificados em (Figura 9):
• Resíduos de Classe I: Perigosos, aqueles que em por meio de suas propriedades físicas, químicas ou infectocontagiosas, podem apresentar risco à saúde pública, provocar a morte, incidência de doenças ou acentuar as mesmas. Ou também, podem apresentar risco ao meio ambiente quando gerenciado inadequadamente.
• Resíduos de Classe II: Não Perigosos, constitui os resíduos como: restos de alimento, sucata, papel, plástico, borracha, madeira, tecido, minerais não metálicos entre outros.
• Classe II A: Não Inertes, os que não são perigosos, porém não inertes. Estes podem apresentar biodegradabilidade, combustibilidade ou solubilidade em água.
• Classe II B: Inertes, são aqueles aprovados por meio das normas NBR 10007 e NBR 10006, não tendo nenhum dos seus constituintes solubilizados a concentrações maiores às padronizadas para a potabilidade de água.
Segundo Braga et al (2010) a rocha ornamental pode ser classificada em 3 tipos de resíduos, conforme a etapa do beneficiamento amostrada, foram amostrados pedaços de blocos de rocha moídos, lama de serragem e de polimento. Após análise, todos foram classificados na “Classe II – Não Perigosos” na segunda classificação, apenas os fragmentos de rocha dos materiais mármore e granito cinza foram
classificados como “Classe II B – Inertes”, enquanto a coloração presente nos outros materiais indicavam teores de alumínio ou ferro maiores do que o aceitável, sendo classificados como “Classe II A – Não Inertes”
As rochas metamórficas de quartzo, os quartzitos ou quartzolitos, por apresentar mais de 90% de Silício, na maioria das vezes são classificadas como “Classe II B – Inertes” salvo os casos de contaminação do material.
2.3.2. Reciclagem
Menezes et al (2002) propuseram um estudo sobre resíduos, aonde concluíram que existem 3 motivos principais que induzem um país a reciclar os seus resíduos industriais:
• Esgotamento das reservas das matérias primas confiáveis;
• Um volume crescente de resíduos sólidos, o que ameaça à saúde pública, ocupam espaço e degradam o meio ambiente;
• E a necessidade de compensar o desequilíbrio devido à alta extração de petróleo;
A indústria da cerâmica é de grande destaque no reaproveitamento de resíduos urbanos e industriais, por possuir um alto volume de produção, o que possibilita o consumo de grandes quantidades de rejeito.
Vieira et al (2004), utilizando resíduos de granitos em cerâmicas vermelhas constatou a sua viabilidade tecnológica do material produzido, onde com a adição de 40% de resíduo de serragem de granito, as propriedades obtidas foram:
• ao aumento da plasticidade da argila, o que favorece ao processo de extrusão, otimizando a produção;
• redução de água no processo, 20% a menos, o que reduz o tempo de secagem e torna a retração do material linear;
• a incorporação do resíduo de granito reduz os poros livres do material após a queima, o que reduz a absorção de água pela cerâmica. Não alterando a sua resistência à flexão significativamente;
O uso dos resíduos do granito (rocha silicática), também é muito estudado para incorporação em concreto e cimento, Ghorbani (2019) constatou em recente pesquisa que ao adicionar até 10% em massa de resíduo fino de granito, algumas propriedades do concreto apresentam melhora. Até 10% de incorporação, aumenta 6% a resistência a compressão após 28 dias de cura e após 91 dias de ataque químico por ácido sulfúrico, hidróxido de sódio e solução salina, a resistência à compressão da mistura contendo 10% de resíduo ainda foi maior do que para porcentagens menores.
Vijayalakshmi (2013), estudando 6 misturas diferentes com incorporações de 0% a 25% de resíduo de serragem de granitos, assegura a utilização de até 15% de resíduo de serragem incorporado, devido ao ataque do material à solução de cloreto de sódio nas misturas de 20 e 25%, assim garantindo maiores resistências à flexão e a compressão do que a mistura comum devido a criação de uma matriz mais densa, o que favorece a melhor distribuição dos grãos de cimento.
Incorporando o resíduo do granito em forma de pasta à argamassa, Li (2018) constatou um aumento da resistência à carbonatação (21,4%) e à absorção de água (40,9%), redução do encolhimento quando curado (redução de 37,9%) e a possibilidade da redução do uso de cimento em até 25%. O que ainda reduziria a emissão de carbono pela cura do cimento.
2.4. POLÍMEROS
Polímero, como a própria palavra significa, poli (muito) e mero (unidade de repetição), é um material formado pela união de muitas unidades repetidas por meio de ligações covalentes. A maior parte de suas propriedades físicas está diretamente ligada ao tamanho de sua cadeia que determina também, a sua massa molecular (Mano, 1991).
Uma das formas de se classificar os polímeros, segundo Canevarolo (2010), é pelo seu comportamento mecânico, do seguinte modo (os mais comuns utilizados):
Plásticos – em estado sólido em sua faixa de trabalho (temperatura de uso), geralmente à temperatura ambiente. Se dividem em:
• Termoplásticos – plásticos com capacidade de deformar-se de modo a amolecer e fluir mediante ao aumento da temperatura e pressão. Cessado o aumento dessa temperatura e pressão, tendem a solidificar-se com novas formas em um novo produto. Podendo essas variações ocorrerem incontáveis vezes, proporcionando o mesmo efeito. Sendo esses, materiais recicláveis.
• Termorrígidos – ou termofixos, são plásticos que quando sujeitos a temperatura e pressão também possuem a característica de amolecer e fluir adquirindo a forma do molde, porém, reagem quimicamente
formando ligações cruzadas e se solidifica, com isso tem-se um polímero em rede ou reticulado. Aumentos de temperatura e pressão posteriores já não influenciam a solidez do material, sendo este insolúvel, não-reciclável e infusível.
Elastômeros – são polímeros que em temperatura ambiente, podem deformar-se no mínimo em duas vezes o deformar-seu comprimento inicial, e após retirado o esforço, volta ao seu estado original (deformação elástica). Para isso, possuem cadeias flexíveis e poucos entrecruzamentos de suas cadeias poliméricas (o que enrijeceria o polímero)
O desenvolvimento tecnológico-cientifico, até o momento atual, produziu uma variedade enorme de polímeros para atender às mais diversas solicitações do nosso dia a dia. Muitos desenvolvimentos ou variações de moléculas já conhecidas (Canevarolo, 2010).
2.4.1. Epóxi
A palavra “Epóxi” vem do grego "ep" (entre ou sobre) e do inglês "oxi" (oxigênio), literalmente o termo significa oxigênio entre carbonos.
Segundo Levy Neto e Pardini, (2006), resina epóxi, é o termo utilizado para denominar oligômeros de baixo peso molecular, com um ou mais grupos epóxi em sua molécula e também para o composto curado resina/ endurecedor. Após a cura, é classificada como polímero termofixo ou termorrígido, de elevadas propriedades mecânicas. Possuem grupos epóxi em seus terminais com formato de anel ou triangular (Figura 10) com ligações tensionadas por dois átomos de carbono e um de oxigênio, denominados grupos etoxilina ou oxirano.
Segundo Stevens (1999), a resina epóxi designa o sistema formulado, tenha ou não passado pelo processo de cura. As resinas epóxis comumente utilizadas são obtidas de uma reação de polimerização, entre um bisfenol A e um composto que possua o grupo epóxi, com a presença de uma base. O mais comum de ser utilizado é o co-monômero epicloridrina. O produto resultante desta reação é uma resina epóxi proveniente do bisfenol A, com a sua estrutura molecular apresentada na Figura 11.
Figura 11 - Resina epóxi de Bisfenol A (Alcântara, 2004)
Os agentes de cura, endurecedores, são adicionados ao sistema em significativas quantidade para reagirem com o epóxi, se tornando parte da rede. Podem ser, aminas alifáticas, aminas aromáticas ou anidridos. Como também, podem ser adicionados em quantidades muito pequenas com o objetivo de reduzir a energia de ativação na reação de cura, assim, aumentando a velocidade de reação (Jesus, 2005)
A densidade de ligações cruzadas realizadas tem influência direta na resistência química de uma resina. Então, quanto maior foi a densidade de ligações, maior será a resistência química da resina, isso se dá, pela maior dificuldade de um agente agressivo penetrar a superfície do polímero. Com o aumento da densidade, também são aumentadas a temperatura de Transição vítrea e a resistência mecânica. Segundo Jesus (2005), as vantagens da resina epóxi atuando como matriz em compósitos são:
• Confere ótima adesão a uma grande variedade de cargas devido a sua natureza polar.
• Possui baixa contração na cura, o que facilita a fabricação de estruturas pela precisão dimensional e evita tensões residuais.
• Ausência de produtos voláteis da reação de cura, o que evita bolhas internas indesejadas.
• A estrutura do reticulada do polímero confere uma excelente resistência a ambientes quimicamente agressivos, aquosos ou não.
• Além de possuírem alta elasticidade, boa capacidade de compressão, baixa viscosidade, o que torna fácil a sua moldagem.
As resinas não curadas são caracterizadas através de seu peso molecular, viscosidade, porcentagem de insaturação, distribuição de peso molecular por meio de procedimentos padronizados (Barbosa, 2010).
Todas essas características tornam a resina epoxídica DGEBA a mais utilizada para compósitos de matriz cerâmica, devido a também ao seu manuseio, na forma líquida, na Tabela 1 - Propriedades típicas da resina epoxídica DGEBA. (Silva, 2009)Tabela 1.
Tabela 1 - Propriedades típicas da resina epoxídica DGEBA. (Silva, 2009)
Propriedades Típicas da Resina DGEBA Peso Equivalente em Epóxi (EEW) 182-192g.eq Viscosidade à 25ºC (cPs) 11000-14000 Conteúdo de Água (ppm) Máx. 700 Densidade g/ml 1,05-1,15
A cura da resina, inclusive a DGEBA, a transforma em um polímero termorrígido. Esse processo acontece pela formação de ligações cruzadas em seus anéis epóxi, eles transformam as cadeias poliméricas em uma rede tridimensional através da união de um grande número de substratos, também chamados, agentes de cura. (Gonçalez, 2006)
O agente de cura utilizado, causa efeito nas propriedades mecânicas dos sistemas epoxídicos formados, aonde as melhoras são justificadas com o aumento da funcionalidade dos agentes.
Figura 12 - Rede entrecruzada da DGEBA com amina TETA (Amaral, 2014)
Na Figura 12 é possível identificar a molécula do agente de cura dentro do sistema DGEBA/TETA, uma cadeia linear com grupos funcionais ativos, espaçados a uma curta distância na cadeia principal (Figura 13).
Figura 13 - Trietilenotetramina (Neves, 2017). 2.4.2. Poliuretana
Poliuretanas são os polímeros formados por monômeros uretanos, formados pela reação de isocianatos com compostos hidroxilados. Possuem, além dos monômeros uretanos, grupos de hidrocarbonetos alifáticos e aromáticos, grupos éter e éster, ureia, amida e outros. (Azevedo, 2009)
As poliuretanas foram desenvolvidas por Otto Bayer no ano de 1937. Sendo comercializadas ainda na mesma década, com a fabricação de adesivos, tintas e espumas rígidas. Já os elastômeros de PU, tiveram origem na Inglaterra e Alemanha, na década de 40. O grande desenvolvimento comercial das resinas poliuretanas se deu na década de 1950 como espumas flexíveis. Hoje, sua maior aplicação é na moldagem por injeção e reação (RIM). (Vilar, 2005)
As resinas de poliuretano possuem grande aplicabilidade e podem ser utilizadas em vários seguimentos da indústria. Essas resinas podem variar a sua densidade desde 6 a 1.220 Kg/m³, se apresentam como: elastômeros de alta flexibilidade ou dureza, ou como plásticos de engenharia. (Woods, 1990)
As resinas de poliuretano são polímeros resultantes da reação de poliadição (Figura 14) em etapas, entre um isocianato com um poliol, cada um com dois ou mais radicais isocianatos com um poliol. Com a possibilidade de sintetizar quando a funcionalidade de um ou ambos for maior que 2. (Câmara, 2015)
Figura 14 - Reação de poliadição (Vilar, 2005)
As resinas de poliuretano de fontes naturais, neste caso, formadas pelos chamados “bio-monomeros” são obtidas de fontes renováveis, como no caso dos óleos vegetais. Estes óleos são derivados de vegetais como girassol, amendoim, oliva, milho, mamona e outros (Petrovic, 1999).
2.4.2.1. Poliuretana de mamona
O poliuretano de mamona é derivado do óleo da planta “Ricinus Communis”, esta é encontrada em abundância nas regiões tropicais e subtropicais do Brasil. Seu
óleo é viçoso, obtido por esmagamento das sementes ou solubilizado com uso de solvente. (Vilar, 2005)
O óleo de mamona (Figura 15), possui um triglicerídeo com o teor médio em 40% a 50% em sua semente. Nessa molécula de triglicerídeo, por volta de 90% é formado por ácido graxo chamado ácido ricinoléico (ácido 12-hidroxioléico), os restantes 10% são de ácidos graxos não hidroxilados, sendo 3,5% de ácidos oléicos e 4,5% de ácidos linoleicos. O óleo de mamona é composto, em média, de 69,8% de triglicerídeos do ácido ricinoleico (funcionalidade 3), 26,7% de digligerídeos do ácido ricinoleico (funcionalidade 2) e 3,5% de monoglicerídeos do ácido ricinoleico (funcionalidade 1). Portanto, o óleo é um poliol achado na natureza da forma em que é utilizado, com uma funcionalidade média de 2,7 aproximadamente. (Vilar, 2005)
Figura 15 - Estrutura do óleo de mamona. (Vilar, 2005)
O grupo hidroxila presente na ricinoleína (precursora do ácido ricinoleíco) confere ao óleo de mamona a propriedade única de solubilidade em álcool. E também é solúvel em solventes, como o éter, ácido acético glacial e clorofórmio. Os 10% restantes não são hidroxilados. A composição do óleo de mamona média está apresentada na Tabela 2. (Rodrigues, 2005)
Tabela 2 - Composição média do óleo de mamona. (Silvestre Filho, 2001)
2.5. MATERIAIS COMPÓSITOS
Os materiais compósitos, são definidos pela norma ASTM D3878 (2019) como um material que consiste em duas ou mais substancias, insolúveis entre si, os quais
são combinados na forma de um material com propriedades específicas úteis para determinado uso, o qual não é possível pelos seus constituintes sozinhos. Podem ser macroscopicamente homogêneos, desde que microscopicamente tenham suas fases distintas com suas próprias características.
Conforme Callister e Rethwich (2016), a maior parte dos materiais compósitos é constituída por duas fases distintas, chamadas de matriz e fase dispersa. A matriz compreende a fase continua do material e que envolve a outra fase, pode ser cimentícia, cerâmica ou polimérica na maioria dos casos. A outra fase é a dispersa, a qual compreende à carga adicionada na matriz, sendo caracterizada por sua quantidade e geometria (tamanho, forma, distribuição e a orientação das partículas).
Dentre as muitas definições de materiais compósitos, têm-se que esse é um material produto da união de no mínimo dois materiais das grandes classes de materiais (metais, cerâmicos e poliméricos), possuindo uma fase contínua (matriz) e um ou mais materiais como reforço.
Segundo Westrupp (2008), um material compósito, pode ser reforçado com cargas (partículas ou fibras) ou deforma estrutural (laminada ou sanduiche). Como Callister e Rethwisch (2016) ilustram na Figura 16.
Figura 16 - Classificação para os tipos de compósitos. (Callister e Rethwisch, 2016)
Para os casos dos compósitos reforçados por partículas, sua subclassificação se distingue pelo mecanismo de reforço ou de aumento de resistência, o termo “partículas grandes” designa partículas de carga com dimensões em que não cabe o tratamento partícula-matriz a nível atômico ou molecular, sendo empregada a mecânica do contínuo. É característico desse tipo de compósito possuir partículas de
reforço mais rígidas e duras do que a matriz, restringindo o movimento da fase matriz em contato com a partícula próxima, partículas essas possuem diversas formas, desde cubicas, esféricas, flocos até irregulares, como também, a mistura entre elas (Callister e Rethwisch, 2016).
Os compósitos reforçados por dispersão com partículas ligeiramente menores, em média 10 a 100 nm, o aumento de resistência ocorre a nível atômico ou molecular devido à interação partícula-matriz, um comportamento relatado como o de endurecimento da matriz, segundo Callister e Rethwisch (2016).
Da mesma forma que o tamanho das partículas, a forma também influencia nas propriedades do compósito. Uma partícula esférica apresenta uma razão mínima entre a sua superfície e volume, o que limita a área de adsorção da resina, e com isso, modifica menos a viscosidade final da resina. A forma esférica da partícula proporciona a distribuição uniforme das tensões. A partícula em forma de floco, comparada a esférica, apresenta melhores resultados de distribuição de tensões da matriz para a carga. Fato que se deve à razão entre o seu diâmetro médio e sua espessura. Quanto maior a razão, mais efetiva a transferência de tensões. Contudo, partículas de formas irregulares, com arestas afiadas, nessas pontas ocorre a concentração de tensões, o que pode acarretar na falha antecipada do compósito. Porém, formas lamelares ou irregulares apresentam melhores resultados quando submetidas a forças de tração. (Jesus, 2005)
Segundo Nakamura (1991), há um aumento da tenacidade do compósito com cargas maiores que 50 micrometros, e quanto maior forem as partículas, maior a probabilidade de apresentarem trincas divergentes, o que impede a propagação de planos de fratura no compósito.
Segundo Cavalcante (2006), materiais compósitos possuem a vantagem de aliar as melhores qualidades entre os seus constituintes. O sucesso desses novos materiais reside na capacidade de se fazer uso de características como: baixa densidade, alta resistência, alta rigidez, resistência à fadiga elevada, possibilidade de orientar a fibra constituinte, uso versátil, a ampla possibilidade de combinações variadas e de matrizes, elevada resistência à corrosão, vida longa e baixa transmissão de ruídos. Devido à elevada anisotropia dos compósitos, a sua rigidez e resistência dependem da direção em que a carga é aplicada.
2.6. MOLDAGEM E FABRICAÇÃO POR TRANSFERÊNCIA DE RESINA
O processo de moldagem líquida de compósitos (LCM – Liquid Composite
Molding), segundo Hiller et al (2006), compreende a impregnação de um molde já
preenchido pelo material fibroso constituinte (fibras de vidro ou carbono) por uma resina polimérica. O método comumente utilizado para a confecção das rochas compostas, é o de moldagem por transferência de resina (RTM), este método tem sido empregado na produção de compósitos de alto desempenho, como em componentes estruturais na indústria automotiva, peças pré-fabricadas para as indústrias civil, militar e aeroespacial.
Dentre os diversos métodos de moldagem liquida de compósitos, todos compartilham o mesmo um processo, a introdução de uma resina liquida termofixa (termorrígida) em um molde fechado, por meio de um gradiente de pressão, onde o reforço é impregnado, para posterior cura da resina e retirada da peça do molde (Schmidt, 2016).
Segundo Schmidt (2016), o RTM apresenta várias vantagens por se tratar de um processo versátil, com capacidade de produção eficiente de compósitos de diversas geometrias e complexas, com elevado desempenho industrial. Além de possibilitar um alto teor de carga incorporada e reduzir o teor de vazios a valores mínimos dentro do compósito. É um processo que tem a capacidade de suprir a indústria automotiva, com elevado volume de produção. O RTM é considerado muito útil na fabricação de compósito de grande área de superfície mantendo alta qualidade, sendo para isso utilizado também o auxílio de vácuo no processo (VARTM -
Vacuum-Assisted Resin Transfer Moulding).
Há também o processo de moldagem a vácuo, semelhante aos métodos de injeção de resina (RTM), neste, a mistura já feita (compósito particulado, por exemplo) é puxada para dentro do molde por um sistema de vácuo. (Ribeiro, 2011)
Outro processo de pouco uso na indústria do compósito tradicional é o de vibro compressão a vácuo, união de dois processos descritos por Kalpakjian e Schmid (2009) de moldagem fechada, a moldagem a vácuo (favorece a distribuição da resina e a retirada de bolhas) e a moldagem por compressão (favorece a impregnação do reforço/carga pela resina). Neste processo cargas de partículas, como a mineral, são
misturadas à resina, essa mistura é colocada em um molde para ser então comprimida sob vibração e vácuo para maximização do empacotamento das partículas e eliminação de gases conforme ilustra a Figura 17.
Figura 17 - Processo de vibro compressão à vácuo (Caesarstone, 2010 apud Ribeiro, 2011) Esse processo não é convencional na indústria dos compósitos atualmente, devido a hoje existirem processos muito mais sofisticados para fabricar materiais mais avançados tecnologicamente. Contudo, Lee et al (2008) em sua pesquisa, utilizou desse método para fabricar “rochas artificiais” variando os parâmetros de vibração, compressão e vácuo, mesmos parâmetros empregados na ciência da modelagem liquida de compósitos, pelo processo de vibro compressão a vácuo, encontrando valores otimizados para o seu processo (Ribeiro, 2011).
Ribeiro (2011), utilizando rejeitos de mármore da indústria de rochas ornamentais, desenvolveu uma “rocha artificial” com o processo de vibro compressão a vácuo, o qual foi caracterizado, físico e mecanicamente, obtendo valores superiores aos das rochas ornamentais.
2.7. ESTADO DA ARTE DA ROCHA ARTIFICIAL
Diversos fabricantes de rochas sintéticas citam vantagens em utilizar esse produto. Entre as características técnicas, segundo a Breton (2000) as rochas artificiais apresentam resistência à flexão de 632 Kgf/cm² contra 134 Kgf/cm² de um granito natural, tem a sua resistência à compressão de 2.198Kgf/cm² contra 1.921 Kgf/cm², e ainda, porcentagens de absorção de água de 0,02% contra 0,33%. (Breton, 2000; Caesarstone, 2007 apud Molinari, 2007)
Abaixo, tem-se a Tabela 3, com os dados de ensaios dos atuais pesquisadores de rochas artificiais (compósito particulado) com o uso de resíduos e a Tabela 4 apresenta as principais pesquisas realizadas com a utilização de resíduos para a produção de rochas artificiais com matriz polimérica.
Tabela 3 - Propriedades físicas e mecânicas dos meios acadêmicos e industrial.
Autor(es) Densidade Aparente (g/cm³) Absorção de Água (%) Resistência à Flexão (MPa) Resistência à Compressão (MPa) Lee, M. Y. et al. (2008) 2,05 – 2,44 0,01 – 0,2 27,9 – 52,7 78,70 – 151,30 Borsellino, C.; Calabrese, L.; Bella, G. (2009) N.D. 0,25 10,6 – 22,2 N.D. Caesarstone (2015) N.D. 0,02 50,5 215,74 Alicante (2015) 2,40 – 2,50 0,09 - 0,40 N.D. 220 Ribeiro, C. E. G.; Rodrigues, R. J. S.; Vieira, C. M. F (2014) 2,27 ± 0,02 0,19 ± 0,02 4,21 ± 0,52 14,17 ± 1,03 Ribeiro, C. E. G. et al. (2015) 2,27 0,19 ± 0,02 21,5 ± 1,9 77,9 ± 6,1 Silva, F. S. (2016) 2,23 ± 0,02 0,05 ± 0,01 31,8 ± 2,5 85,2 ± 7,8 RMC Tradicional (2015) 2,52 – 2,57 0,09 – 0,32 13,6 – 17,2 97 - 131 RMC Polaris (2015) 2,51 – 2,56 0,06 31 130 - 150 COMPAC MARBLE (2015) 2,45 – 2,49 0,04 – 0,11 24 - 30 130 - 137 Carvalho et al (2015) 2,68 ± 0,03 0,17 ± 0,04 57,57 ± 3,21 N.D. Aguiar, M. C. (2016) 1,53 2,00 ± 0,19 37,75 ± 3,4 71,62 ± 1,31 Barani, K.; Esmaili, H. (2016) 2,68 0,64 45 90 Vilela, N. F. (2016) 2,35 ± 0,08 0,35 ± 0,09 30 ± 1,44 N.D. Demartini et al (2018) 2,1 ± 0,06 0,06 ± 0,01 33,93 ± 0,49 96,49 ± 2,82 Gomes et al (2018) 2,12 ± 0,01 0,38 ± 0,06 30 ± 3 N.D. Peng, L.; Qin, S. (2018) 2,41 0,01 73,5 170,9 Carvalho, E. A. S. et al (2018) 2,25 ± 0,08 0,25 ± 0,02 32 ± 3 N.D.
Tabela 4 - Trabalhos relevantes publicados de compósitos com matriz polimérica.
Autor(es) Ano Titulo
Molinari, E. J. 2007 Reutilização dos Resíduos de Rochas Naturais para o Desenvolvimento De Compósitos Polímericos com Matriz Termofixa na Manufatura de Pedras Industriais (Dissertação)
Lee, M. Y. et al 2008 Artificial Stone Slab Production Using Waste Glass, Stone Fragments and Vacuum Vibratory Compaction
Borsellino C.,
Calabrese L., Bella G. 2009
Effects of Powder Concentration and Type of Resin on The Performance of Marble Composite Structures
Santos, J. P. L., Rosa,
L. G., Amaral, P. M. 2011 Temperature Effects on Mechanical Behaviour of Engineered Stones Hamoush, S.,
Abu-lebdeh, T., Picornell, M., Amer, S.
2011 Development of Sustainable Engineered Stone Cladding for Toughness, Durability, and Energy Conservation
Ribeiro,C.E.G.
Rodriguez R.J.S., Vieira, C.M.F.
2014 Production of Ornamental Compound Marble with Marble Waste and Unsaturated Polyester
Carvalho, E. A. S. et
al 2015
Development of Epoxy Matrix Artificial Stone Incorporated with Sintering Residue from Steelmaking Industry
Aguiar, M. C. 2016 Desenvolvimento de Rocha Artificial com Pó De Rocha e Aglomerante Polimérico e Geopolimérico (Tese)
Barani, K., Esmaili, H 2016 Production of artificial stone slabs using waste granite and marble stone sludge samples
Vilela, N. F. 2016 Produção de Rocha Artificial Utilizando Finos de Brita Em Uma Matriz Epóxi (Dissertação)
Silva, F. S. 2016
Desenvolvimento e Caracterização de um Mármore Artificial Produzido a Partir do Aproveitamento do Resíduo de Mármore Calcítico e Resina Epoxídica (Dissertação)
Ribeiro, C. E. G., Rodriguez, R. J. S., Carvalho, E. A. S.
2017 Microestructure and Mechanical Properties of Artificial Marble
Demartini, T. J. C., Rodriguez, R. J. S., Silva, F. S.
2018
Physical and Mechanical Evaluation of Artificial Marble Produced with Dolomitic Marble Residue Processed by Diamond-Plated Bladed Gang-Saws
Gomes, M. L. P. M. et
al 2018
Production and Characterization of a Novel Artificial Stone Using Brick Residue and Quarry Dust in Epoxy Matrix
Peng, L., Qin, S. 2018 Mechanical Behaviour and Microstructure of an Artificial Stone Slab Prepared Using SiO2 Waste Crucible and Quartz Sand
Carvalho, E. A. S. et
al 2018
Novel Artificial Ornamental Stone Developed with Quarry Waste in Epoxy Composite.
Gomes, M. L. P. M et
al 2019
Desenvolvimento de Rocha Artificial Utilando Resíduo de Granito e Poliuretano Derivado do Óleo De Mamona
Como apresentado na Tabela 4, temos as pesquisas até o momento sobre o tema trabalhado, com destaque para:
• Lee et al (2008) produziu rochas artificiais, utilizando resíduos de granito e vidro, através da variação da pressão de compactação entre 4,9 MPa e 19,6 MPa e variando também a pressão de vácuo de 50 mmHg e 200 mmHg. • Santos (2011) comparou três rochas artificiais comerciais com mármore e
granito, submetidas ao aumento de temperatura para 200 ºC, aonde as rochas artificiais apresentaram altos valores de resistência à flexão, comparados às rochas naturais.
• Carvalho et al (2015), produziu rochas artificiais a partir de resíduos precipitados de indústrias siderúrgicas, com resistência a flexão (57,57 MPa) superior às rochas artificiais comerciais.
• Demartini (2018) e Silva (2016), utilizando de resíduos de serragem de mármores calciticos e dolomíticos em teares diamantados, produziram mármores artificiais com propriedades mecânicas superiores aos mármores naturais.
• Peng e Qin (2018), pesquisaram o uso de agentes compatibilizantes na mistura do material artificial, variando o tempo de compactação e cura, tendo obtido propriedades mecânicas muito elevadas.
• Gomes et al (2019), confeccionou de forma inédita uma rocha artificial com resina poliuretana de óleo de mamona como matriz com resultados melhores do que o das rochas naturais, mesmo que ainda inferiores às de matrizes epoxidícas, comprovando a viabilidade em se produzir materiais ecológicos e não apenas sustentáveis.
3. MATERIAIS E MÉTODOS
3.1. MATERIAIS
Neste tópico, é apresentado o material rochoso utilizado na pesquisa, sua caracterização petrográfica, a região onde é encontrado na natureza, bem como as resinas utilizadas para a confecção dos corpos de prova utilizados na pesquisa. 3.1.1. Quartzitos
3.1.1.1. Nome e localização
O resíduo utilizado na pesquisa é o de rochas ornamentais, mais especificamente da chamada de “quartzito”, extraída no município de Pindobaçu na Bahia (Figura 18), comercializada em Cachoeiro de Itapemirim no Espírito Santo.
Figura 18 – Rocha natural metamórfica quartzito.
3.1.1.2. Caracterização petrográfica
O material é denominado petrograficamente de “Quartzolito” devido a presença de mais de 90% de quartzo em sua composição.
É obtida na forma de rocha bruta, com sua estrutura maciça e granulação grossa, geralmente trincadas e de coloração branco leitosa.
O resíduo gerado da lavra e o resíduo gerado no processamento desse material foi cominuído por um moinho de cilindros a fim de obter granulações grossas e médias, e por um moinho de pratos cerâmicos para a granulação fina. Ao reduzir o seu tamanho de partícula, é possível selecionar as granulometrias de acordo com o
critério estabelecido a seguir de faixas granulométricas apresentado na Tabela 5 adaptada de Costa et al (2017).
Tabela 5 - Faixas granulométricas, (-) passante na peneira, (+) retido na peneira.
Granulometria MESH [#] Tamanho de Grão [mm]
Grossa -8 Ø +10 2,38 > Ø > 2,00 Média -10 Ø +220 2,00 > Ø > 0,630 Fina -220 Ø 0,630 > Ø
3.1.2. Resinas
3.1.2.1. Resina Epóxi
Uma das resinas utilizadas foi a epóxi do tipo diglicidil éter de bisfenol A (DGEBA), como aglutinante (matriz), com excelentes propriedades mecânicas e boa resistência química, modificáveis dentro de amplos limites com a seleção adequada de endurecedores e materiais auxiliares.
3.1.2.2. Catalizador TETA
Foi utilizado o Trietilenotetramina (TETA), como endurecedor de excelente resposta para curas rápidas em resinas epóxi. Sendo usado na proporção de 10 partes de endurecedor para cada 100 partes da resina DGEBA.
3.1.2.3. Resina Poliuretana Vegetal
Foi utilizada uma resina a base de poliuretano vegetal originada do óleo de mamona, bi-componente, isenta de solventes (100% sólido), que não libera vapores tóxicos, estabelecida pela mistura a frio de um componente A (pré-polímero) e um componente B (poliól), com características de impermeabilidade, elasticidade e estabilidade físico-química.
3.2. MÉTODOS
Neste tópico é abordado a metodologia empregada para a obtenção dos dados discutidos em capítulos subsequentes.
3.2.1. Caracterização química e mineralógica do resíduo
O difratograma de raios-X do resíduo foi obtido pelo método do pó, foi coletado em um equipamento Bruker-D4 Endeavor, condições de operação: radiação CoKa (35 kV/40 mA); velocidade do goniômetro de 0,02° (2θ) com tempo de contagem de 1 segundo por passo e coletados de 5 a 80º (2θ).
Para o resíduo de quartzito, as interpretações qualitativas de espectro foram efetuadas por comparação com padrões contidos no banco de dados do software Match! da Crystal Impact.
A Fluorescência de raios X foi realizada utilizando um espectrômetro (WDS-2) modelo AXIOS Panalytical. As micrografias foram obtidas usando um microscópio eletrônico de varredura MEV FEI Quanta 400.
3.2.1.1. Caracterização química do resíduo
A caraterização química do mesmo resíduo (material) de quartzito foi feita para outra frente de pesquisa por Gomes et al (2018), sendo utilizados os dados de saída (output) dos equipamentos e reprocessados para esta pesquisa.
3.2.2. Empacotamento
Com o uso das três faixas granulométricas (grossa, média e fina), foram propostas dez misturas diferentes (Tabela 6) utilizando o “Modelo Simplex Centróide” (Figura 19).
