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AVALIAÇÃO DA DURABILIDADE DE MATERIAIS CERÂMICOS DA REGIÃO DE CAMPOS DOS GOYTACAZES

Paulo César de Almeida Maia, D.Sc., UENF (P.C.A. Maia) Aline Dias Pinheiro, UENF (A. D. Pinheiro)

Jonas Alexandre, D.Sc., UENF (J. Alexandre) [email protected]

Av. Alberto Lamego, 2000, Pq. Califórnia 28013-600 Campos dos Goytacazes RJ

RESUMO

Este trabalho tem por objetivo fazer a avaliação das transformações sofridas pelos

materiais cerâmicos provocadas pela exposição aos agentes de alteração. Foram

moldados corpos de prova por prensagem da argila em molde prismático e calcinados a

600ºC e 950ºC. Fez-se a alteração dos corpos de prova de forma acelerada no

laboratório ou de forma natural no campo, utilizando-se diferentes tempos, ou

intensidades, de alteração. Foram utilizados diferentes procedimentos de alteração no

laboratório: lixiviação contínua e ciclagem de umidade. Fez-se a determinação dos

seguintes parâmetros característicos dos materiais intacto e alterados: massa

específica, absorção e resistência à flexão. Os resultados indicam a variações nas

características devido aos processos de alteração das cerâmicas, permitindo uma

previsão de comportamento do material a longo prazo.

Palavras-Chave: Cerâmica vermelha, durabilidade, lixiviação, alteração.

INTRODUÇÂO

A Engenharia Civil emprega diferentes tipos de materiais de construção que,

muitas vezes, ficam expostos ao meio e assim sujeitos às modificações de suas

características pela exposição aos agentes de alteração. As modificações das

características dos materiais de construção ocorrem de modo gradativo. No entanto, a

Anais do 48º Congresso Brasileiro de Cerâmica Proceedings of the 48th Annual Meeting of the Brazilian Ceramic Society

28 de junho a 1º de julho de 2004 – Curitiba-PR

1

literatura indica que alterações rápidas podem provocar problemas construtivos ou, até

mesmo, a ruptura de obras civis (1) (2) (3). Para a Construção Civil, pode-se considerar

que os principais agentes de alteração são de ordem climática, destacando-se as

variações de temperatura, umidade, precipitação pluviométrica e pressão atmosférica(7).

Dentre os materiais utilizados na construção civil, destaque especial merecem os

materiais cerâmicos que são, provavelmente, os mais utilizados. No entanto, devido aos

procedimentos de fabricação e às características da matéria-prima, os materiais

cerâmicos podem ser afetados significativamente pelos agentes de alteração, o que

ocasiona freqüentes problemas construtivos (1). Dentre estes problemas destaca-se a

desagregação que se caracteriza pela perda de resistência e pelo desgaste do material.

É importante salientar que, devido as diferentes características da matéria prima, dos

processos de produção e das condições do meio ambiente, o estudo da durabilidade de

materiais cerâmicos tem aplicação adequada somente a nível regional.

Deste modo, a análise da alteração e da alterabilidade e seus efeitos nas

propriedades dos materiais cerâmicos são de extrema relevância na possível previsão

do comportamento destes materiais a longo prazo.

Assim, este trabalho tem como objetivo avaliar as transformações sofridas pelos

materiais cerâmicos, provocadas pela exposição do material ao meio ambiente

exogeno. Esta avaliação é feita quantificando-se os parâmetros dos materiais

estudados com diferentes níveis de alteração. Neste sentido, existem várias

metodologias indicadas na literatura para o estudo da durabilidade de materiais de

construção (4) (5) (7). O presente trabalho utiliza uma metodologia simplificada sugerida

por Maia et al., 2000 (8), na qual as características dos materiais intacto não-alterado e

alterados de forma natural no campo ou de forma acelerada no laboratório são

correlacionadas diretamente.

MATERIAL DE ESTUDO

O material utilizado consiste de um solo argiloso coletadas na Cerâmica Primeira,

localizada em Campos dos Goytacazes, RJ. A amostragem do solo foi feita em pilhas

de estoque constituídas de sobras da prensagem das telhas (Figura 1). Deste modo,



2

pode-se considerar as amostras representativas do material utilizado na confecção das

telhas na Cerâmica.

Figura 1 - Pilhas de estoque de sobras da prensagem de telhas na Cerâmica Primeira.

Inicialmente, o solo foi seco, destorroado e quarteado, garantindo-se a

homogeneização da granulométrica e de umidade. A Figura 2 mostra a granulometria

do solo após homogeneização. Da granulometria e dos Limites de Atterberg (LL=51%,

LP=24% e IP=27%), o solo é classificado com uma argila inorgânica de elevada

plasticidade. Posteriormente, fez-se o peneiramento, descartando-se todo material

retido na peneira com abertura nominal da malha de 0,84mm, ótima para a produção de

cerâmicas vermelhas.

MOLDAGEM E PREPARAÇÃO DOS CORPOS DE PROVA

Para o estudo da durabilidade de materiais é fundamental que os corpos de

prova sejam regulares e homogêneos (9). Para isto, a moldagem dos corpos de prova foi

feita por prensagem do solo argiloso com umidade igual a 6%. A pressão de prensagem

utilizada foi de 25 MPa. Após secagem com temperatura de 110ºC, os corpos de prova

foram calcinados com temperaturas de 600ºC e 950ºC. Estas temperaturas

correspondem às temperaturas de calcinação de tijolos e telhas, respectivamente,

observadas nas cerâmicas da Região de Campos dos Goytacazes. A Figura 2 ilustra

um corpo de provas após calcinação a 600ºC.

Após moldagem, os corpos de prova foram alteradas de forma natural no campo e

de forma acelerada no laboratório. No campo, a alteração foi feita pela exposição dos



3

corpos de prova aos agentes atmosféricos de alteração. Para isto, os corpos de prova

foram dispostos em tabuleiros e levados ao campo. Uma vez por semana, os corpos de

prova foram virados a fim de se promover uma alteração uniforme nas faces dos copos

de prova. No laboratório, foram executados dois procedimentos de alteração:

0

20

40

60

80

100

0,001 0,01 0,1 1

Diâmetro (mm)

Porc

enta

gem

que

Pas

sa (%

)

0,001 0,01 10,1

argila silte areiamedia grossafina

Figura 2 - Curva granulométrica do solo utilizado para moldagem dos corpos de prova

Figura 2 - Corpo de prova após a calcinação a 600ºC.

(i) por lixiviação contínua: os ensaios de lixiviação contínua são, provavelmente, os

que melhor representam os mecanismos de alteração por carreamento de

minerais constituintes dos materiais. O equipamento mais utilizado para ensaios

de lixiviação contínua é o extrator Soxhlet. O equipamento Soxhlet permite

submeter amostras de pequenos volumes a períodos controlados de variação de

temperatura, de precipitação e de flutuação do nível da solução de lixiviação. O

equipamento convencional é constituído por manta aquecedora, balão, tubo



4

extrator e tubo condensador (Figura 3). Dentro do balão coloca-se a solução de

lixiviação. A manta aquece a solução e produz vapor que é conduzido ao topo do

tubo extrator através do tubo condutor de vapor. O vapor é condensado no tubo

condensador. No tubo extrator, a amostra é submetida a três diferentes condições

de alteração. Na primeira, o material é submetido a variações de temperatura,

enquanto é lavado continuamente pela solução condensada (Figura 3b). A solução

que passa pelo primeiro trecho é acumulada no fundo do tubo extrator. Quando o

nível da solução no tubo extrator atinge determinado ponto, ocorre o rebaixamento

da solução de lixiviação através do sifão. A solução sifonada retorna para o balão.

A segunda condição de alteração corresponde às variações do nível da solução

de lixiviação (Figura 3b). A terceira condição é de submersão permanente (Figura

3b). A temperatura média da amostra durante o ensaio é da ordem de 80°C. O

material permanentemente submerso (terceira condição) sofre níveis de alteração

inferiores aos do material nas duas primeiras condições (5). Assim, o equipamento

é adaptado para que não ocorra submersão permanente.

Tubo condensador

Tubo extrator

Tubo condutor de vapor

Entrada da água de resfriamento

Balão

Manta aquecedora

Sifão

Saída da água de resfriamento

3a condição: submersão permanente

1a condição: lavagem periódica

2a condição: variação do nível da solução

40 c

m

40 c

m

φ int

=10c

m

(a) equipamento (b) esquema construtivo

Figura 3 - Equipamento Soxhlet convencional para ensaios de lixiviação contínua.



5

(ii) por ciclos de saturação e secagem: os ensaios de ciclos de saturação e secagem

tentam reproduzir, no laboratório, a alteração do material provocada pelas

variações da umidade e da temperatura do material no campo. O ensaio de

saturação e secagem mais comum é o de saturação por submersão em água

natural ou destilada seguido de secagem ao ar ou em estufa. No presente

trabalho a submersão foi feita em água destilada a 21ºC e secagem em estufa a

110ºC. O tempo necessário para o umedecimento e para a secagem depende do

material, podendo ser previamente definido através das curvas de variação de

umidade com o tempo, obtidas a partir de ensaios de absorção e de secagem (7).

Através destes ensaios determinou-se que os estados saturado e seco dos

materiais cerâmicos estudados são alcançados para 10 horas de submersão ou

secagem, respectivamente.

Destaca-se que as condições de alteração no laboratório não são as mesmas as

condições de alteração no campo. No entanto, resultados indicados na literatura

mostram que os ensaios de lixiviação contínua e de saturação e secagem podem ser

representativos das condições de alteração no campo (6) (4).

PROGRAMA EXPERIMENTAL

O programa experimental consiste da determinação dos parâmetros físicos e

mecânico dos materiais. A caracterização física foi feita através da determinação da

perda de massa, da massa específica aparente e da absorção. Para a caracterização

mecânica fez-se a determinação da tensão de ruptura à flexão.

Destaca-se que para cada nível ou tipo de procedimento de alteração foram

executados 10 ensaios em diferentes corpos de prova a fim de se garantir uma

representatividade estatística dos resultados.

ANÁLISE DOS RESULTADOS

Dos resultados, verifica-se, inicialmente, o aumento da massa específica

aparente γap com a temperatura de calcinação (Figura 4a). Observa-se, também, que a



6

massa específica γap não apresenta modificação significativa com o tempo de alteração

natural. A absorção do material intacto (0 dias de alteração) não foi significativamente

afetado pela temperatura de calcinação (Figura 4b). No entanto, observa-se uma

redução da absorção, principalmente no material calcinado a 600ºC, para nível de

alteração correspondente a 40 dias de alteração natural, aproximadamente (Figura 4b).

1,70

1,72

1,74

1,76

1,78

1,80

0 20 40 60 8

Tempo de alteração (dias)

0

ap (g

/cm

3 )

950°C

600°C

(a) massa específica aparente

18,0

18,5

19,0

19,5

20,0

20,5

21,0

0 20 40 60 8

Tempo de alteração (dias)

Abs

orçã

o (%

)

0

950°C600°C

(b) absorção

Figura 4 – Variação da massa específica aparente e da absorção com o tempo de alteração natural

Não se verifica modificação significativa da massa especifica γap com o nível de

alteração das cerâmicas alteradas no laboratório (Figura 5). No entanto, observa-se que

a absorção é afetada pelo nível de alteração no laboratório (Figura 6). Verifica-se que a

absorção da cerâmica calcinada a 950°C aumenta com o nível de alteração,

independentemente do processo de alteração no laboratório. Para a cerâmica calcinada

a 600ºC verifica-se, ao contrário, a redução da absorção com o nível de alteração.

Particularmente na lixiviação contínua, a absorção sofre significativa redução para

baixos níveis de alteração. Para níveis mais elevados de alteração observa-se aumento

gradativo da absorção. Na cerâmica calcinada com maiores temperaturas, espera-se

que os minerais estejam mais cristalizados que na cerâmica calcinadas com menores

temperaturas. Assim, devido à alteração, espera-se que ocorra nas cerâmicas com



7

menores temperaturas de calcinação a formação de uma camada superficial de óxidos

provenientes do material de alteração dos minerais ainda não totalmente cristalizados,

reduzindo a absorção. Para maiores temperaturas de calcinação, a alteração deverá

provocar o carreamento dos minerais pela ruptura do material cimentate, aumentando a

absorção.

1,70

1,72

1,74

1,76

1,78

1,80

0 50 100 150 200 250

Tempo de alteração (horas)

ap (g

/cm

3 )

950°C

600°C

(a) lixiviação contínua

1,70

1,72

1,74

1,76

1,78

1,80

0 10 20 30 4Tempo de alteração (ciclos)

0ap

(g/c

m3 )

950°C

600°C

(b) saturação e secagem

Figura 5 – Variação da massa específica aparente com o nível de alteração.

18,0

18,5

19,0

19,5

20,0

20,5

21,0

21,5

0 50 100 150 200 250

Tempo de alteração (horas)

Abs

orçã

o (%

)

950°C

600°C


18,0

18,5

19,0

19,5

20,0

20,5

21,0

21,5

0 10 20 30 4

Tempo de alteração (ciclos)

Abs

orçã

o (%

)

0

950°C

600°C

(b) saturação e secagem



8

Figura 6 – Variação da absorção com o nível de alteração.

A Tabela 1 apresenta os valores de resistência à flexão σf dos materiais não-

alterados (0 dias) e dos alterados naturalmente (80 dias). Verifica-se o aumento da

resistência à flexão com a temperatura de calcinação e com o nível de alteração.

Verifica-se que os procedimentos de alteração no laboratório provocaram a

redução de σf com o nível de alteração para elevadas temperaturas de calcinação

(Figura 7). Para a menor temperatura de calcinação, observa-se o aumento de σf para

baixos níveis de alteração com posterior redução para elevados níveis de alteração.

Das figuras 6 e 7 verifica-se que o aumento de σf é acompanhado de uma redução da

absorção. Este comportamento se justifica, provavelmente, pela formação da cada de

óxidos na superfície dos corpos de prova calcinados a 600ºC, conferindo maior

resistência à flexão.

Das figuras 6 e 7 observa-se que as variações da absorção com o nível de

alteração se refletem nas variações da resistência σf de forma não-linear e

inversamente proporcionais. Além disto, os resultados apresentados na Tabela 1 e na

Figura 7 sugerem que os materiais alterados com 80 dias de exposição aos agentes

atmosféricos ainda apresentam baixos níveis de alteração. Isto se justifica pela

observação do aumento de σf somente para baixos níveis de alteração no laboratório.

Assim, espera-se que 80 dias de alteração natural correspondam, provavelmente, a 25

horas de lixiviação contínua ou 20 ciclos de saturação e secagem (Tabela 1 e Figura 7).

Considerando que a relação entre o tempo de alteração no laboratório e o tempo de

alteração natural é linear e que o estado inicial de alteração no laboratório ou no campo

são iguais (6), pode-se fazer a previsão do comportamento do material a longo prazo,

através da extrapolação dos resultados experimentais. Por exemplo, considerando que

80 dias de alteração natural é igual a 25 horas de lixiviação contínua e dos resultados

indicados na Figura 7b, conclui-se que a resistência à flexão das cerâmicas calcinadas

à 600ºC e 950ºC após 800 dias de alteração natural é de 220KPa e 185KPa,

respectivamente. Estes valores corresponde a perdas de resistência da ordem de 22%

e 13% para as calcinadas à 600ºC e 950ºC, respectivamente.



9

Tabela 1 – Variação da resistência à flexão com o nível de alteração natural

Tensão σf (Kpa) Temperatura de calcinação 0 dias 80 dias

1020ºC 281 319 600ºC 212 231

175

200

225

250

275

300

325

0 50 100 150 200 250Tempo de alteração (horas)

f (K

Pa)

950°C

600°C


175

200

225

250

275

300

325

0 10 20 30 4Tempo de alteração (ciclos)

0

f (K

Pa)

950°C

600°C

(b) saturação e secagem Figura 7 – Variação da tensão de ruptura à flexão com o nível de alteração.

CONCLUSÕES

O trabalho apresenta resultados de ensaios de laboratório mostrando a variação

de propriedades dos materiais cerâmicos com diferentes níveis e procedimentos de

alteração. Os resultados permitem avaliar a evolução das características dos materiais

estudados com a alteração.

Os resultados indicam que os processos de alteração envolvem mecanismos

complexos provocando variações não-monotônicas nas propriedades dos materiais

cerâmicos. Este comportamento dificulta a previsão do comportamento a longo prazo

destes materiais.

As variações de absorção se refletem, aproximadamente, de forma inversamente

proporcional, não-linearmente, com a resistência á flexão.



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AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem á Cerâmica Primeira pelo fornecimento do material de

estudo, ao LAMAV-UENF por disponibilizar os equipamentos para ensaios mecânicos e

ao CNPq pelo apoio financeiro.

REFERÊNCIAS

1. Amorim, L. V.; Neves, G. A.; Oliveira, R. A.; Ferreira, H. C. Estudo da Expansão por Umidade (EPU) em Tijolos Cerâmicos Provenientes de Edifícios em Alvenaria com Falência Estrutura. Florianópolis, (2001).

2. Fookes, P. G.; Gourley, C. S.; Ohikere, C. Rock Weathering in Engineering Time. Quarterly Journal of Engineering Geology, London, vol. 21, (1988), p. 33-57.

3. Frazão, E. B.; Caruso, L. G. Síntese do Conhecimento sobre Alterabilidade de Rochas Basálticas como Material de Construção em Algumas Barragens da Bacia do Alto Paraná. Simpósio sobre a Geotecnia da Bacia do Alto Paraná, vol. II A, São Paulo, SP, (1983), p. 21-33.

4. Minette, E. Quantificação geomecânica e de alterabilidade de um diorito, Dissertação de mestrado, DEC PUC-Rio, Rio de Janeiro, RJ, (1982),.253 p.

5. Frazão, E.B. Metodologia para avaliação da alterabilidade de rochas a partir de estudo experimental em amostras de basalto da U.H.E. de Três Irmãos - Estado de São Paulo. Tese de doutoramento, Escola de Eng. de São Carlos, Universidade de São Paulo, SP, (1993), 175 p.

6. Maia, P. C. A.; Sayão, A. S. F. J.; Nunes, A. L. L. S; Antunes, F. S. Avaliação Experimental da Alteração de Enrocamentos. Solos e Rochas, 24(2), (2001), p. 129-139.

7. Maia, P. C. A. Avaliação do Comportamento Geomecânico e de Alterabilidade de Enrocamentos. Tese de Doutorado, Departamento de Engenharia Civil da Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, RJ, (2001), 351 p.

8. Maia, P. C. A.; Sayão, A. S. F. J.; Antunes, F. S.; Nunes, A. L. L. S. Avaliação da Alterabilidade de Enrocamentos. VII Congresso Nacional de Geotecnia, Porto, Portugal, 1, (2000), .p. 513-521.

9. Alexandre, J. - Análise de matéria-prima e composições de massa utilizada em cerâmicas vermelhas, Tese de Doutorado, fevereiro (2000).



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DURABIBITY EVALUATION OF CERAMIC MATERIALS IN THE CAMPOS DOS

GOYTACAZES SITE

Abstract

This work intends to make an evaluation about transformations suffered by the ceramic

materials when they were exposed by alterations agents. Samples had been shaped by

pressing the clay in prismatic mould and burned in 600ºC and 950ºC. Accelerated

alterations of the samples in lab and normal acceleration in field had been made, by

using different times or intensities of alteration. Different alteration procedures in lab had

been used: continuous lixiviation and wet and dry cycles. After that, these

characteristic’s parameters of the materials intact and weathering had been pointed:

specific mass, absorption e flexion resistance. The results show variations in the

characteristics by the processes of the ceramic alteration, which allows a prediction of

the behavior material in long-term.

Key-words: Red ceramics, durability, lixiviation, weathering.



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