EFEITO DO CONTEÚDO DE BARRO VERMELHO NAS PROPRIEDADES TECNOLÓGICAS DE MASSAS CERÂMICAS UTILIZANDO TÉCNICAS DE
DELINEAMENTO EXPERIMENTAL
S.L. Correia1,F. C. Tomazi1, N. Geraldi2, J. P. Reis1, M. Tomiyama1, M.V. Folgueras1
1 Universidade do Estado de Santa Catarina (UDESC/CCT), Programa de
Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais, Joinville, SC, sivaldo@joinville.udesc.br
2 Cerâmica Geraldi, Departamento Técnico, Joinville, SC
RESUMO
Durante a fabricação de produtos cerâmicos estruturais, tais como tijolos e blocos, as propriedades tecnológicas são determinadas basicamente pela combinação de matérias-primas e condições de processamento. Neste trabalho, foram selecionadas oito formulações constituídas por uma mistura de duas argilas A e B, e um barro vermelho (C), usado como inerte e para fornecer a cor vermelha ao produto final. As propriedades de retração linear, absorção de água e módulo de ruptura à flexão foram avaliadas como uma função da composição. Com os resultados da caracterização, foram calculados modelos de regressão relacionando cada propriedade com as proporções de matérias-primas. Os modelos foram usados para obter as melhores combinações dos três componentes em formulações para tijolos estruturais. Os resultados mostraram que não é possível obter formulações para o fabrico de tijolos estruturais com as matérias-primas utilizadas, para as condições de processamento empregadas no trabalho.
Palavras-chave: Cerâmica estrutural; Barro vermelho; Delineamento de misturas; Propriedades tecnológicas.
1. INTRODUÇÃO
conformação; materiais não-plásticos, que mantêm a estabilidade dimensional; e materiais fundentes, que contribuem para a maior eficiência do processo de sinterização. A essa combinação de três componentes em geral se refere como massas cerâmicas ou produtos cerâmicos.
Em várias indústrias de processamento em geral (químico, mecânico, materiais, etc.), técnicas modernas de planejamento de experimentos e avaliação de qualidade de produtos têm sido utilizadas. Quando as propriedades de interesse são função, basicamente, da combinação ou mistura de componentes, pode-se fazer uso de uma metodologia especifica de experimentos com misturas.
O delineamento de misturas pode ser entendido como um caso especial da metodologia do cálculo de superfícies de resposta, que utiliza ferramentas estatísticas e matemáticas para modelar, simular e otimizar uma determinada propriedade de uma mistura em função de seus componentes (1), (2). O objetivo é encontrar misturas cujas características sejam superiores às características individuais de cada um dos componentes. A modelagem de uma dada propriedade usando-se essa metodologia de otimização é muito comum em diversas áreas (3) - (9)
e tem permitido, em todos os casos relatados, obter uma maior confiança nos resultados e eficiência em termos de racionalização de custo.
Na fabricação de tijolos na indústria cerâmica vermelha, é muito comum utilizar matérias-primas naturais cuja composição pode variar largamente e, idealmente, suas proporções são ajustadas em conformidade, por forma a manter inalteradas as várias etapas do processamento e as características do produto final. Por isso, é freqüente o uso intensivo de certas propriedades (propriedades tecnológicas) como parâmetros de controle das etapas do processo e de qualidade dos produtos finais (10) –(12).
Estas propriedades (e.g. absorção de água, módulo de ruptura e retração linear) são determinadas basicamente pela combinação de matérias-primas e pelos parâmetros, ajustáveis, das etapas de processamento. Se estes últimos são mantidos constantes, estas propriedades passam a ser apenas função das proporções das matérias-primas e podem ser modeladas usando a metodologia de otimização das superfícies de resposta e delineamento de misturas.
(in)equações simultâneas, geralmente não-lineares, cuja resolução conduz à definição da gama de composições (13) ,(14).
Este trabalho descreve o uso da metodologia de delineamento de misturas para avaliar o efeito do conteúdo de um barro vermelho em composições cerâmicas para o fabrico de tijolos. Objetiva-se avaliar a quantidade a máxima de barro vermelho na massa, adequada à fabricação de tijolos, sujeita a restrições nas propriedades tecnológicas (módulo de ruptura à flexão e absorção de água) e restrição imposta pelo processo de fabrico (retração linear).
2. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
As matérias-primas utilizadas (argilas A e B) e o barro vermelho (C) foram fornecidos pelas empresas cerâmicas da região de Joinville, Santa Catarina. A composição química das matérias-primas foi determinada por Fluorescência de Raios X (FRX). As fases cristalinas presentes foram identificadas por Difração de Raios X (DRX) e quantificadas via análise racional (15).
Para definir as misturas das matérias-primas a serem investigadas foi utilizado um arranjo simplex-centróide {3,2}, aumentado com pontos interiores (total de dez pontos).
As misturas selecionadas foram processadas seguindo os procedimentos da indústria cerâmica: moagem a úmido, secagem (cerca de 24 h ou até peso constante), umidificação (7,0±0,3% em peso, base seca) e granulação.
Com cada mistura, foram preparados corpos-de-prova planos (70 x 30 x 5 mm3, usando 20,0 g de material por peça). Os corpos-de-prova foram obtidos por compactação uniaxial (prensa EMIC, 10 ton), com uma pressão de compactação de 10 MPa. Após a compactação, as peças foram secas a 110±5 ºC até peso constante, queimadas a 1000 ºC por 2 h (taxa de 5°C/min), e resfriadas naturalmente.
A resistência mecânica das peças foi determinada como módulo de ruptura à flexão em 3 pontos, após queima (MoRQ), usando uma máquina de ensaios mecânicos EMIC, com uma velocidade de 1,0 mm/min, conforme norma ABNT NBR 13818 (16). O resultado final foi a média das medidas obtidas para dez corpos-de-prova
Estes resultados foram então usados para calcular (iterativamente, até serem obtidos modelos estatisticamente significantes) os coeficientes das equações de regressão que relacionam RL, AA e MRQ com as proporções das matérias-primas presentes na massa. Os cálculos foram executados com o software Statistica 5.5 (StatSoft, 2000).
O tipo de tijolo cerâmico a ser manufaturado define as restrições impostas às três propriedades (gamas de variação ou valores máximos/mínimos admissíveis). A solução simultânea das equações, sujeitas a estas restrições, foi calculada usando o software Excel (Microsoft, 2002).
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO 3.1. Misturas e modelos
No sistema de componentes argilas (A e B) e barro vermelho C (Figura 1), foram estabelecidos, por exigências de processamento, limites inferiores de 0 % da argila A, 0 % da argila B e 0 % do barro vermelho C (em peso), criando um triângulo de composições. Neste triângulo, foi estabelecido um arranjo simplex {3,2} (6 pontos) com um ponto central (simplex-centróide), ao qual foram adicionados mais três pontos (arranjo simplex-centróide {3,2} aumentado), num total de dez composições.
Argila A Argila B Barro vermelho C
0,25 0,50 0,75
Figura 1. Sistema ternário argila A–argila B–barro vermelho C, mostrando o triângulo das matérias-primas e os pontos do simplex.
Tabela 1. Composição mineralógica (% peso) das matérias-primas.
Mineral Argila A Argila B Barro vermelho C
Caulinita 51,96 48,26 62,73
Muscovita 6,78 7,88 2,03
Quartzo 32,22 34,97 19,85
Hematita - 3,53 10,14
Outros 9,04 5,36 5,25
A Tabela 2 apresenta as composições para cada projeto, com os correspondentes valores médios da retração linear (RL), absorção de água e módulo de ruptura à flexão (MoRQ). Usando estes valores e as respectivas composições, foram calculadas equações de regressão de acordo com os vários modelos, tendo sido escolhidas as que satisfaziam um nível de significância de 5 % (1) ,(2).
As Equações (A), (B) e (C) são o resultado final (x1 é a fração da argila A, x2 é
a fração da argila B e x3 a fração do barro vermelho C, expressas como
Tabela 2. Valores medidos de MoRQ, AA e RL para cada composição. Mistura
Argila A Argila B Barro C RL
(%) AA (%) MoRQ (MPa) 2 0,000 1,000 0,000 2,61±0,13 26,03±0,36 2,54±0,48 3 0,000 0,000 1,000 3,06±0,11 30,92±0,36 1,61±0,20 5 0,500 0,000 0,500 2,23±0,05 29,26±1,76 2,20±0,28 6 0,000 0,500 0,500 2,01±0,06 30,85±1,20 1,18±0,33 7 0,333 0,333 0,334 1,88±0,33 27,36±0,64 2,00±0,52 8 0,667 0,166 0,167 2,05±0,04 25,79±0,29 2,59±0,35 9 0,167 0,666 0,167 2,29±0,23 26,85±1,72 2,33±0,71 10 0,167 0,166 0,667 1,98±0,04 30,79±2,15 1,66±0,37 RL = 2,42x1 + 2,67x2 +3,01x3 – 0,91x1x2 – 2,43x1x3 – 3,53x2x3 (A) MoRQ = 2,60x1 + 2,57x2 + 1,62x3 +1,95x1x2 +0,28x1x3 – 3,62x2x3 (B) AA = 24,93x1 + 26,07x2 + 31,00x3 – 11,44x1x2 +5,30x1x3 +9,56x2x3 (C)
O modelo quadrático (1), (2) foi o mais adequado para representar o efeito da RL, MoRQ e AA com a composição das argilas, cujos coeficientes são dados pelas Equações (A) a (C), as quais são estatisticamente significantes ao nível estipulado (valor p ≤ nível de significância) e apresentam variabilidade muito baixa (coeficientes de múltipla determinação elevados) (17).
3.2. Otimização da combinação das argilas A e B, e do barro vermelho C para a produção de tijolos
A norma ABNT NBR 13818(16) estabelece os requisitos a que os tijolos
cerâmicos devem obedecer para serem classificados. Admitindo que as matérias-primas e as condições de processamento usadas neste trabalho podem ser utilizadas na produção deste tipo de material, o módulo de ruptura do tijolo queimado deverá respeitar a seguinte restrição:
AA ≤ 22,0 % (E) Embora não seja exigido pela norma, é sabido que outras propriedades
podem ser determinantes em etapas intermediárias do processo de fabrico. A retração linear devida à queima pode também ser limitativa do processamento:
RL ≤ 3,0 % (F)
Assim, a solução do sistema de Equações (A) a (C) sujeitas às Inequações (D) a (F), conduzirá à gama de composições que satisfazem todas as restrições (região viável) e que são adequadas para produzir o material com as características pretendidas.
Em termos de problema de otimização, a função objeto será MoRQ, dada pela Equação (B), e pretende se encontrar um vetor de variáveis de otimização (x1,
x2, x3) que a maximize. A restrição para a retração linear e absorção de água é
superimposta. Em termos gráficos, trata-se de encontrar a intersecção das superfícies de resposta para as duas propriedades.
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 fração da argila A fr ação d a ar g ila B MoRQ >2,5 MPa AA < 22 % RL < 3 %
Figura 2. Intersecção das superfícies de resposta de MRQ e RL, mostrando a gama de composições adequada ao fabrico de tijolos (região viável, em cinzento).
Pode-se observar que seria impossível satisfazer às restrições impostas pelas Equações (D) a (F), para as matérias-primas utilizadas no trabalho, nas condições utilizadas no processamento, para uma temperatura de queima de 1000 °C. Pode-se observar a baixa taxa de sinterização das matérias-primas, manifestada pelos valores pobres das propriedades tecnológicas. É possível conseguir composições que satisfazem aos requisitos de MoRQ > 2,5 MPa, porém torna-se impossível obter composições com AA < 22 %, Figura 2.
4. CONCLUSÕES
O planejamento de experimentos com misturas e o uso da metodologia de superfícies de respostas possibilitam o cálculo de modelos de regressão que descrevem, em função das proporções das matérias-primas e para as mesmas condições de processamento, a retração linear, absorção de água e o módulo de ruptura após queima. Esta técnica pode ser usada para selecionar as melhores combinações das três matérias-primas para produzir um tijolo estrutural com propriedades específicas.
Os resultados mostraram que não é possível obter composições que satisfaçam às exigências tecnológicas para a fabricação de tijolos estruturais, utilizando-se as matérias-primas citadas e nas condições de processamento, principalmente para temperaturas inferiores a 1000 °C.
Assim, os resultados parciais para este estudo inicial mostram que as argilas utilizadas por algumas indústrias cerâmicas da região de Joinville não são apropriadas para cerâmica vermelha, uma vez que a temperatura de queima nessas indústrias é inferior a 1000 ºC. Está temperatura não permite, para as argilas estudadas, a completa sinterização e formação de fases cristalinas e vítreas, indispensáveis para se conseguir atingir as propriedades cerâmicas para o fabrico de tijolos estruturais.
AGRADECIMENTOS
acadêmica de Engenharia Civil), e são gratos às indústrias cerâmicas da região de Joinville por fornecer as matérias-primas utilizadas no trabalho.
REFERÊNCIAS
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13. M. A. Bhatti, Practical optimization methods with Mathematica applications, Springer Telos, New York, 2000.
14. R. E. Miller, Optimization foundations and applications, Willey, New York, 2000. 15. C. Coelho, N. Roqueiro and D. Hotza, Materials Letters, 52 (2002), p. 394. 16. ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas. NBR 13818, Anexo C:
Placas Cerâmicas – Especificações e Métodos de Ensaios, 1997, p. 14-16. 17. S.L Correia, D. Hotza, A.M. Segadães, Ceramics International, 30 (2004),p.
EFFECTS OF RAW MATERIALS ON TECHNOLOGICAL PROPERTIES OF BRICKS COMPOSITIONS USING EXPERIMENTS DESIGN
ABSTRACT
In the development and manufacture stages of bricks, technological properties are basically determined by the combination of raw materials and processing conditions. In the present study, ten formulations of three selected raw materials, namely a clay mixture, were processed under conditions similar to those used in the ceramic tile industry, and characterized. From the experimental results, regression models were calculated, relating each technological property (bending strength, water absorption and linear firing shrinkage) with the proportions of raw materials. The regression models were then used to delimit the composition range suitable to produce brick ceramic bodies (restrictions in the final properties), subjected to restrictions imposed by the manufacture process. The raw materials product bodies with poor sintering and are not suitable for pottery and brick making at low sintering temperature.
