INCORPORAÇÃO DE RESÍDUO SÓLIDO PROVENIENTE DO POLIMENTO DE GRÊS PORCELANATO NA INDÚSTRIA DE CERÂMICA VERMELHA
J.C.S. Andrade; C.A. Paskocimas
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica - PPGEM Universidade Federal do Rio Grande do Norte - UFRN
Núcleo de Tecnologia Industrial Laboratório de Engenharia de Materiais
Campus Universitário - Lagoa Nova
CEP.: 59072-970, CP.: 1524, Natal - RN, Brasil jean@ufrnet.br
RESUMO
Este trabalho tem por objetivo avaliar o efeito da incorporação de até 8% em peso de resíduo sólido, proveniente do polimento de cerâmica de revestimento grês porcelanato nas propriedades e microestrutura de uma argila utilizada na fabricação de cerâmica vermelha. Foram preparados corpos de prova por prensagem uniaxial a 20 MPa para queima em forno de laboratório nas temperaturas de 850ºC, 950ºC e 1050ºC. As propriedades tecnológicas avaliadas foram: porosidade aparente, massa específica aparente, retração linear, absorção de água e tensão de ruptura à flexão. A caracterização química e mineralógica das matérias-primas utilizadas no trabalho foram avaliadas por difração de raios-X e fluorescência de raios-X. Os resultados mostraram que a reciclagem de resíduo em cerâmica vermelha pode ser feita com incorporações de até 6% em peso para não acarretar redução da resistência mecânica da argila.
Palavras-chave: resíduo sólido, propriedades tecnológicas, reciclagem, cerâmica vermelha
INTRODUÇÃO
A consciência empresarial de reciclagem faz com que pequenas e grandes empresas, procurem soluções alternativas através de pesquisas aplicadas
objetivando reciclar e agregar valor comercial ao produto final, com pleno atendimento a legislação ambiental.
A reciclagem de resíduos é uma oportunidade de transformação de uma fonte considerável de despesas em uma fonte de faturamento ou, pelo menos, de redução das despesas de deposição.
A incorporação de resíduos nos processo produtivos reduz custos e abre novas oportunidades de negócios, além de reduzir o volume de extração de matérias-primas, ou seja, na preservação de recursos naturais limitados ou não. Na busca de técnicas de melhoria para indústrias cerâmicas, destaca-se a incorporação de resíduos como uma matéria-prima em seus produtos, visando lucratividade e benefício ao meio ambiente.
Os resíduos oriundos de processos industriais como proveniente do polimento de grês porcelanato, material este revestimento cerâmico, são rejeitos potenciais para serem utilizadas como aditivo na formulação de massas, para produtos da indústria cerâmica vermelha. As razões para que sejam utilizadas na indústria de cerâmica vermelha estão relacionadas aos seguintes aspectos principais: a composição químico-mineralógica do resíduo; a sua natureza não plástica; e não causa poluição durante a fabricação de produtos cerâmicos. Isso tem sido objeto de pesquisas, que buscam soluções que conciliem o custo de disposição, tipo, quantidade de resíduos, tecnologia de processos, tendo como finalidade a avaliação econômica ligada ao meio ambiente.
A relação de dependência entre o processo de fabricação, sua microestrutura e suas propriedades é fundamental para o estudo tecnológico do produto cerâmico ou de qualquer outro material. É indispensável, portanto, a caracterização das adições minerais presentes no produto cerâmico, conhecendo a natureza dos materiais, estabelecendo teorias ou descrições que relacionem a estrutura com a composição, as propriedades esperadas e o comportamento.
Estes aspectos motivaram o desenvolvimento de um trabalho que avalie a viabilidade da produção de material cerâmico com a incorporação do resíduo sólido, gerado da indústria de revestimento, do produto grês porcelanato, para formar um produto que atenda as características físicas dos produtos que são confeccionados pelas indústrias cerâmicas vermelhas, que trabalham com argila pura, ou seja, sem adição de resíduos.
MATERIAIS E METÓDOS
As matérias-primas utilizadas no trabalho foram duas. Um resíduo sólido proveniente do polimento de grês porcelanato (RPGP), que foi coletado aleatoriamente na Empresa geradora e uma argila plástica denominada de argila Tavares (AT), proveniente do município de Parelhas/RN.
O trabalho experimental consistiu na preparação e caracterização das matérias-primas, preparação das amostras e confecção do produto cerâmico a partir de adições crescentes (0%, 2%, 4%, 6% e 8%) de resíduo à argila.
A preparação e caracterização das matérias-primas consistiram na secagem com temperatura de 110ºC ± 5ºC até a umidade de 2,0%, em seguida a desagregação ocorreu com destorroamento manual e posteriormente moídas em moinho planetário (Moinho de bolas - máquina bp engenharia) Após a moagem o as matérias-primas foram passadas em peneira ABNT número 100 (abertura de 0,150mm), armazenada em saco plástico fechado, de tal forma que a umidade não variasse. Em seguida as matérias-primas foram caracterizadas quimicamente através da técnica de fluorescência de raios-X, em equipamento da marca SHIMADZU modelo XDR 700 como também caracterizadas mineralogicamente através da técnica de difração de raios-X em difratômetro da marca SHIMADZU modelo XDR 600, com radiação CuKα. 2θ variando de 0 a 80° com velocidade de 2°/min e passo de 0,002°
As formulações foram misturadas através de moinho planetário (Moinho de bolas - máquina bp engenharia) por um período de 30 minutos para cada formulação, formando massas homogêneas com uma umidade variando de 4,5 a 6 %. O método de conformação das misturas utilizado foi o de prensagem de massa seca, através da prensa hidráulica manual, Modelo PHS 15ton - Schulz, com uma pressão de 200 kgf/cm2 numa matriz retangular, obtendo corpos-de-prova com dimensões médias de 6,087cm x 2,05cm e uma altura média de 0,58cm.
Após secagem, os corpos de prova foram medidos quanto suas dimensões e massa, através de um paquímetro STARRETT (150 mm/0,01 mm) e uma balança digital TECNAL Mark/2200-2,0kg/0,01g
A etapa de queima foi feita em forno elétrico (LINN ELEKTRO Therm com controlador CC-405 até 1400ºC) com temperaturas de queima de 850ºC, 950°C e 1050°C. O ciclo de queima teve 3 fases: onde na primeira fase, a taxa de
aquecimento foi de 3,0°C/min até 425ºC, 475ºC e 525ºC respectivamente, a segunda fase, a temperatura foi elevada até a temperatura desejada 850°C, 950ºC e 1050ºC respectivamente, sendo que a taxa de aquecimento foi de 5°C/min para todas as temperaturas desejadas. Após queimados os corpos de prova foram submetidos a caracterização de suas propriedades físicas com a determinação da perda de massa (PM), retração linear (RL), absorção de água (AA), porosidade aparente (PA), massa específica aparente (MEA) e módulo de ruptura à flexão (MRF) (ZWICK/ROELL modelo Z 2.5 com velocidade de aplicação da carga empregada de 0,5mm/min, com largura entre os cutelos de 30mm). Foram utilizados para cada ensaio e teste, 24 corpos de prova de cada formulação realizada (0, 2, 4, 6, 8 % de resíduo).
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Analisando a composição química da argila Tavares (AT) na Tabela I, verifica-se um teor de sílica (Si2O) 42,00%, provenientes dos minerais argilosos e da sílica livre. O teor de alumina (Al2O3) é 27,99%, oriunda dos argilominerais e do feldspato, aumenta a refratariedade da argila. O teor de ferro (Fe2O3) superior a 14,00% indica que a argila, após queima, a coloração vermelha devida principalmente, a oxidação do composto de ferro que ao final apresenta-se sob a forma de óxido férrico. A intensidade da coloração vermelha depende da quantidade de óxido de ferro presente (1).
Tabela I: Análise química da argila Tavares (AT).
SiO2 Al2O3 Fe2O3 TiO2 K2O Na2O CaO MgO PF 42,00 27,99 14,48 1,8 3,92 1,96 2,5 3,84 1,51
Analisando a composição química do resíduo (RPGP) na Tabela II, verifica-se que o RPGP apresenta teor de óxido de magnésio (MgO) 15,0%, proveniente do abrasivo utilizado no polimento do grês porcelanato e óxido de cálcio (CaO) 0,8%, que provocam reações expansivas na hidratação. É importante lembrar que o óxido de magnésio que reage na hidratação aparece na forma do periclásio, sendo necessário analisar a difração de raios-X para comprovar a sua presença. Grande parte do resíduo é formada por sílica (SiO2) 62,0% e alumina (Al2O3).
Tabela II: Análise química do resíduo (RPGP).
SiO2 Al2O3 Fe2O3 ZrO2 K2O Na2O CaO MgO PF 62,0 15,0 0,74 0,41 2,8 1,5 0,8 15,0 1,75
O difratograma de raios-X da argila Tavares (AT) utilizada neste trabalho está representado na Figura 1. Verificam-se picos de difração das fases cristalinas refletidas referentes a quartzo (SiO2), ilita (K,H3O)Al2Si3AlO10(OH)2, caulinita (Al2Si2O5(OH)4), albita (K0,2Na0,5AlSi3O5) e montmorilonita (Ca0,2(Al,Mg)2Si4O10(OH)2,4H2O).
Figura 1: Difratometria de raios-X da argila Tavares (AT).
O difratograma mostra que se trata de uma argila ilitica com seus picos característicos (picos mostrados pelo número 2). Os picos de quartzo (1) são evidenciados por seu tamanho elevado em relação aos da ilita; isto é devido ao alto grau de cristalinidade do quartzo em relação à ilita e não à sua concentração em si. Verifica-se também a presença de feldspato, representado pelo mineral acessório albita (4) (2). A composição assemelha-se à da muscovita, tendo mais sílica e menos potássio. A estrutura é similar à da mica e cristaliza-se no sistema monoclínico.
É importante determinar a forma apresentada no difratograma mostrando na Figura 2, que os compostos químicos presentes no resíduo (RPGP) se apresentam na forma cristalina ou amorfa. O material cristalino apresenta um espectro com picos mais definidos. Já o material amorfo apresenta um espectro sem picos definidos.
Figura 2: Difratometria de raios-X do resíduo (RPGP).
O espectograma da difração de raios-X apresentou picos bem definidos, tais como de quartzo e coríndon, demonstrando o resíduo (RPGP) ser uma estrutura basicamente cristalina. O hidróxido de magnésio Mg(OH)2 não foi identificado no difratograma, o que indica que possivelmente esse composto esta na forma amorfa de difícil identificação. Entretanto, na região da sílica, não apresentou picos definidos no espectograma, caso da mulita, caracterizando uma pequena quantidade de sílica amorfa.
A média dos valores dos teores de umidade é mostrada na Tabela III. O teor de resíduo incorporado à argila Tavares (AT) é crescente da esquerda pra direita.
Tabela III: Teor de umidade medido após secagem (110°C). Temp. TU: 0 (%) TU: 2 (%) TU: 4 (%) TU: 6 (%) TU: 8 (%)
110°C 5,06 4,59 4,79 4,90 5,71
A média dos resultados obtidos para a retração linear de secagem (RLs) estão listados na Tabela IV.
Tabela IV: Retração linear medida após secagem (110°C). Temp. RLs: 0 (%) RLs: 2 (%) RLs: 4 (%) RLs: 6 (%) RLs: 8 (%)
110°C 0,30 0,44 0,46 0,45 0,53
Observa-se que a perda de massa (PM) ao fogo das amostras não tiveram variações significativa com as diferentes temperaturas de queima.
Figura 3: Perda de massa (PM) em diferentes porcentagens de resíduo (RPGP) incorporado à argila (AT) em diferentes temperaturas de queima (850ºC, 950ºC e 1050ºC).
Os resultados na Figura 4 da retração linear de queima (RLq) em função da temperatura de queima e porcentagem de resíduo (RPGP) mostram que a retração linear (RL) dos corpos de prova sofreram variações significativas com o aumento da temperatura, isto deve ao maior grau de vitrificação (formação de fase vítrea), que contribui para maior densificação dos corpos de prova e com isso maior RL. Não houve variação significativa com as diferentes porcentagens de resíduo (RPGP) incorporado à argila (AT), nas três temperaturas de queima.
Figura 4: Retração Linear de Queima (RLq) com diferentes temperaturas de queima (850ºC, 950ºC e 1050ºC) em diferentes porcentagens de resíduo (RPGP) incorporado à argila (AT).
A Figura 5 mostra que os corpos de prova possuem uma porosidade elevada nas temperaturas de 850ºC e 950ºC, não apresentando variação significativa, nas diferentes porcentagens de resíduo (RPGP) incorporado à argila (AT).
Figura 5: Porosidade Aparente (PA) em diferentes temperaturas de queima (850ºC, 950ºC e 1050ºC) com diferentes porcentagens de resíduo (RPGP) incorporado à argila (AT).
Os corpos de prova submetidos à temperatura de 1050ºC tiveram a porosidade aparente variando significativamente na amostra 100% de argila (AT) (0% de resíduo) até a incorporação de 8% resíduo (RPGP).
Na Figura 6 é observado a ocorrência de pouca variação nos valores de absorção da água, nas temperaturas de 850ºC e 950ºC nas diferentes porcentagens de resíduo (RPGP) incorporado a argila (AT), sendo os maiores valores apresentados à temperatura de 850º e intermediária a 950ºC.
Figura 6: Absorção da Água (AA) em diferentes temperaturas de queima (850ºC, 950ºC e 1050ºC) com diferentes porcentagens de resíduo (RPGP) incorporado à argila (AT).
Já na temperatura de 1050ºC houve uma pequena oscilação nos valores de absorção de água, apresentando os menores valores de absorção de água nos corpos de prova, deve-se ao resultado do aumento na densificação do material.
Os ensaios de absorção de água estão associados às propriedades e ao tipo de microestrutura formada no material quando da queima e seu controle implica em uma forma simplificada de controle da porosidade, que pode interferir em outras propriedades do produto acabado.
Na Figura 7 observa-se que a MEA aumentou à medida que aumentou a temperatura, isto ocorreu devido à densificação do material no processo de sinterização.
Figura 7: Massa Específica Aparente (MEA) em diferentes temperaturas de queima (850ºC, 950ºC e 1050ºC) com diferentes porcentagens de resíduo (RPGP) incorporado à argila (AT).
A 1050ºC a MEA variou desde a amostra de 100% de argila Tavares (0% de Resíduo) até a 8% de resíduo (RPGP) incorporado á argila (AT). Nos corpos de prova submetidos à temperatura de 850ºC e 950ºC praticamente não houve variação na MEA em todas as porcentagens de resíduo nas duas temperaturas.
Outra importante propriedade do produto final, intimamente ligada à absorção da água, porosidade e massa específica aparente, é a resistência mecânica (modulo de ruptura à flexão - MRF). Sua importância está relacionada à classificação do produto em termos de solicitações mecânicas em uso estrutural.
Na Figura 8 observa-se que os corpos de prova tiveram um aumento considerável no módulo de ruptura à flexão (MRF) com o aumento da temperatura, com exceção na queima a 850ºC, nas incorporações de 2 e 4% de resíduo (RPGP)
á argila (AT), que tiveram queda nos valores do MRF como também na incorporação de 8% de resíduo á argila, nas três temperaturas de queima.
Figura 8: Módulo de Ruptura à Flexão (MRF) com diferentes temperaturas de queima (850ºC, 950ºC e 1050ºC) em diferentes porcentagens de resíduo (RPGP) incorporado à argila (AT).
Os resultados do MRF para a temperatura de 850ºC, com incorporação de 2% e 4% de resíduo (RPGP) tiveram uma redução nos seus valores comparada a 100% da argila (AT) (0% de resíduo), tendo o seu melhor resultado na incorporação de 6% de resíduo (RPGP). A 950ºC os resultados do MRF tiveram um aumento crescente dos valores até a incorporação de 6% de resíduo, a partir de 8%, os corpos de prova apresentaram queda nos valores do MRF. A 1050ºC obteve-se os melhores resultados de MRF para os corpos de prova, apresentando de forma crescente os valores até a incorporação de 6% de resíduo (RPGP) e a partir de 8% queda nos valores do MRF.
A Figura 9 mostra os corpos de prova das formulações de argila (AT) com a incorporação de resíduo (RPGP) com os respectivos percentuais, após os testes de resistência mecânica, com relação à diferença de tonalidade devido as 3 diferentes temperaturas de queima 850ºC, 950ºC e 1050ºC.
Figura 9: Corpos de prova das formulações de argila (AT) com a incorporação de resíduo (RPGP) nas temperaturas de 850oC, 950oC e 1050oC.
CONCLUSÕES
Com base nos resultados obtidos neste trabalho, pôde-se constatar que o módulo de ruptura á flexão (MRF) ou resistência mecânica com a incorporação do resíduo (RPGP) melhorou o desempenho dos corpos de prova em relação aos de referência produzidos com argila padrão (0% do RPGP), para todos os teores, menos ao de 8% de resíduo incorporado a argila (AT).
Quanto aos aspectos de durabilidade, foi constatado que a porosidade aparente diminuiu com a incorporação do resíduo (RPGP) na massa da argila (AT), não consideravelmente, mais os resultados obtidos em sua maioria foram abaixo dos valores apresentados comparado à argila padrão (0% do RPGP).
O percentual de incorporação de até 6% de (RPGP) na massa da argila (AT) (0 % de RPGP) na temperatura dos testes de queima de 950ºC pode ser usado na confecção de produtos da indústria de cerâmica vermelha, devido apresentar os melhores resultados nos testes de absorção de água, porosidade aparente, massa específica aparente e resistência mecânica, resultando com isso a melhor classificação nos corpos de prova.
REFERÊNCIAS
1. P. S. Santos, Ciência e Tecnologia de Argilas, Volume 2 ed. V.1, Edgard Blücher Ltda, 1989.
2. R.P.S. Dutra, P.A.S. Araújo, R.M.P.R. Macedo, R.M. Nascimento, U.U. Gomes, A.E. Martinelli, C.A. Paskocimas, Desenvolvimento de Formulações de Massas para a Indústria de Cerâmica Vermelha do Rio Grande do Norte, Revista Cerâmica Industrial, V. 11 n. 3, p. 41-46, Maio/Junho, 2006.
INCORPORATION OF SOLID RESIDUE PROCEEDING FROM BURNISHING OF GRES PORCELLANATO IN RED CERAMIC INDUSTRY
ABSTRACT
This work has for objective evaluate the effect of the incorporation of up to 8% in weight of solid residue, proceeding from burnishing of covering ceramics gres porcellanato in properties and microstructure of a clay used in ceramic red manufacture. They had been prepared bodies test for prensagem uniaxial 20 MPa for burning in oven of laboratory in temperatures of 850ºC, 950ºC and 1050ºC. The properties technological evaluated had been: apparent porosity, apparent specific mass, linear retraction, water absorption and breaking strength to the flexão. The chemical and mineralogical characterization of raw materials used in the work had been evaluated by diffraction of rays-X and fluorescence of rays-X. The results had shown that recycling of residue in ceramic red can be made with incorporations of up to 6% in weight not to cause reduction of resistance mechanics of the clay.
