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ESTUDO DA VIABILIDADE DO USO DE MATERIAIS DE
BAIXO VALOR ECONÔMICO DO QUADRILÁTERO
FERRÍFERO NA FABRICAÇÃO DE MATERIAIS
CERÂMICOS
FUNDAÇÃO UNIVERSIDADE FEDERAL DE OURO PRETO
Reitor Prof. Dr. Marcone Jamilson Freitas Souza
Vice-Reitora Profa. Dra. Célia Maria Fernandes Nunes
Pró-Reitor de Pesquisa e Pós-Graduação Prof. Dr. Valdei Lopes de Araujo
ESCOLA DE MINAS
Diretor Prof. Dr. Issamu Endo
Vice-Diretor Prof. Dr. José Geraldo Arantes de Azevedo Brito
DEPARTAMENTO DE GEOLOGIA
Chefe Prof. Dr. Antonio Luciano Gandini
E V O L U Ç Ã O CR U S T AL E REC U RS O S N A TU R A I S
CONTRIBUIÇÕES ÀS CIÊNCIAS DA TERRA – VOL. XXXIII
TESE DE DOUTORADO
Nº LIX
ESTUDO DA VIABILIDADE DO USO DE MATERIAS DE BAIXO VALOR
ECONÔMICO DO QUADRILÁTERO FERRÍFERO NA FABRICAÇÃO DE
MATERIAIS CERÂMICOS
Miguel Genaro Peralta Sánchez
Orientadora
Profa. Dra. Angélica Fortes Drummond Chicarino Varajão
Co-Orientadora
Profa. Dra. Ana Mercedes Morales Carrera
Tese apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Evolução Crustal e Recursos Naturais do
Departamento de Geologia da Escola de Minas da Universidade Federal de Ouro Preto como
requisito parcial à obtenção do Título de Doutor em Ciências Naturais, Área de Concentração:
Petrogênese/Depósitos Minerais/Gemologia
OURO PRETO
2015
Universidade Federal de Ouro Preto – http://www.ufop.br Escola de Minas - http://www.em.ufop.br Departamento de Geologia - http://www.degeo.ufop.br/ Programa de Pós-Graduação em Evolução Crustal e Recursos Naturais Campus Morro do Cruzeiro s/n 35.400-000 Ouro Preto, Minas Gerais Tel. (31) 3559-1600, Fax: (31) 3559-1606 e-mail: [email protected] Os direitos de tradução e reprodução reservados. Nenhuma parte desta publicação poderá ser gravada, armazenada em sistemas eletrônicos, fotocopiada ou reproduzida por meios mecânicos ou eletrônicos ou utilizada sem a observância das normas de direito autoral. ISSN 85-230-0108-6
Depósito Legal na Biblioteca Nacional
Edição 1ª
Catalogação elaborada pela Biblioteca Prof. Luciano Jacques de Moraes do Sistema de Bibliotecas e Informação - SISBIN - Universidade Federal de Ouro Preto
P426e Peralta-Sánchez, Miguel Genaro.
Estudo da viabilidade do uso de materiais de baixo valor econômico do quadrilátero ferrífero na fabricação de materiais cerâmicos [manuscrito] / Miguel Genaro Peralta Sánchez. - 2015.
97f.: il.: color; tabs; mapas. (Contribuições às Ciências da Terra, Série D, v. 33)
ISSN: 85-230-0108-6 Orientadora: Profa. Dra. Angélica Fortes Drummond Chicarino Varajão Coorientadora: Prof. Dr. Ana Mercedes Morales-Carrera.
Tese (Doutorado) - Universidade Federal de Ouro Preto. Escola de Minas. Departamento de Geologia. Evolução Crustal e Recursos Naturais.
Área de Concentração: Petrogênese/Depósitos Minerais/Gemologia.
1. Quadrilátero Ferrifero (MG). 2. Argila caulinítica. 3. Cerâmica – Indústria. 4. Resíduos industriais. 5. Geopolímeros.
CDU: 666.32(815.1)
Catalogação: www.sisbin.ufop.br
vii
Dedicatória
Dedico este trabalho a meus corações: meus filhos;
a minha amada esposa Ana;
as minhas mães Laura e Anita;
a minha família toda.
viii
ix
Agradecimentos
A Deus, guiador dos meus passos.
São muitas as pessoas que colaboraram para a conclusão deste trabalho e às que tenho que expressar
meus sinceros agradecimentos, peço desculpas se faltar algum nome.
À Profa. Dra. Angélica Fortes Drummond Varajão pela orientação, amizade, compreensão, ajuda
e conselhos no desenvolvimento dessa tese e durante todo o curso de doutorado.
Ao Programa de Pós-Graduação em Evolução Crustal e Recursos Naturais do Departamento de
Geologia da Escola de Minas da Universidade Federal de Ouro Preto (DEGEO/EM/UFOP).
Ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) pela concessão da
bolsa de doutorado.
À Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Gerais (FAPEMIG) pelo financiamento
do projeto.
A todos os professores do DEGEO, DEMIN, DECIV e REDEMAT que colaboraram nessa
pesquisa e pelos conhecimentos adquiridos.
Aos alunos e bolsistas do DEGEO: Juliana Ribeiro, Ana Carolina, Ana Claudia, Tomás e Pedro.
Aos Colegas e amigos da querida Sala-41 e do PPGEM do DEGEO: Ana, Monica, Carol,
Harlley, Fabio, Lineo, Clayton, Cristiane, Simone, Fernanda, Carlos, Silvia, Ricardo e outros.
Aos amigos e colegas da República Favela/Ouro Preto pela acogida e impagável ajuda.
Aos funcionários do DEGEO, em especial a Vânia, Laura, Moacir, Morgado, Marcilio,
Aparecida, Marilene, João Batista, Sr. João Brito, e outros.
Aos professores e técnicos dos laboratórios dos Departamentos de Geologia: Hermínio Arias,
Maurício Carneiro, Jorge Lena, Leonardo Lagoeiro, Vanderlei Silva, Paola, João, Celso, Adriana,
Cristiano, Laissa; Química: Marcos Andrade, Geraldo Magela, Kátia Novack; Civil: Professor Dr.
Adilson do Lago Leite e Antonio; Minas: Jose Aurélio, Rosa Malena, Carlão, Hernani, Jose Fernando,
Wilson Trigueiro, Rodrigo, Jose Margarida, Milton Bligorino, Marcelo, Denise, e de Metalurgia e
Materiais: Sidney, Versiane Leão e Graciliano Francis.
A minha querida mãe, Laura Sanchez Ordoñez pelo amor, educação e exemplo, mesmo a
distância. Ao meu pai, Miguel Peralta Llapa e ao meu irmão Hipólito Manfred Peralta Sánchez, in
memoriam, pelos seus conselhos e carinho. Aos meus irmãos Nancy, Tália, Marlene, Julia e Holger
pela alegria, daqueles anos em que moramos todos juntos. Aos meus sobrinhos especialmente Clarita,
Vickyta, Leonelita e Katherine.
A meus primos Pepe Sanchez e Beatriz Ordoñez, pela ajuda oferecida.
À Professora do Instituto Federal de Goiás em Goiânia: Ana Mercedes Morales Carrera pela
compreensão, cobrança, amizade, amor, paciência, cumplicidade, ajuda e principalmente pelas luzes
das nossas vida.
x
xi
Sumário
AGRADECIMENTOS............................................................................................................................ix
LISTA DE FIGURAS.............................................................................................................................xv
LISTA DE TABELAS..........................................................................................................................ixx
RESUMO...............................................................................................................................................xxi
ABSTRACT........................................................................................................................................xxiii
CAPÍTULO 1. CONSIDERAÇÕES GERAIS ................................................................................... 1
1.1- INTRODUÇÃO ............................................................................................................................... 1
1.2- OBJETIVOS..................................................................................................................................... 2
1.3- CONTEXTO GEOLÓGICO ........................................................................................................... 2
1.4- DEPÓSITOS DE ARGILAS CAULINÍTICAS .............................................................................. 5
1.4.1 - Depósito de Padre Domingos - Sinclinal Moeda ............................................................ 7
1.4.1.1 - Fácies Arenito Coesivo Maciço (ACM) .......................................................... 7
1.4.1.2 - Fácies Diamictito Branco (DB )...................................................................... 8
1.4.1.3 - Fácies Diamictito Vermelho (DV) .................................................................. 8
1.4.2 - Depósito do Morro do Caxambu – Sinclinal Dom Bosco .............................................. 8
1.4.2.1 - Fácies Argilosa Friável (FS) .......................................................................... 8
1.4.2.2 - Fácies Argilosa Maciça (AM) ......................................................................... 9
1.4.3 - Taludes da rodovia BR-356 ............................................................................................ 9
CAPÍTULO 2. A INDÚSTRIA CERÂMICA – REVISÃO......... .................................................... 11
2.1- CERÂMICA .................................................................................................................................. 11
2.2 - PRINCIPAIS MATÉRIAS-PRIMAS PARA A INDÚSTRIA CERÂMICA .............................. 12
2.2.1- Caulim .............................................................................................................................. 14
2.2.1.1 - Propriedades e Aplicações Industriais do caulim ............................................. 15
2.2.2- Filito ................................................................................................................................. 16
2.2.3- Quartzito ........................................................................................................................... 16
2.2.4- Lama Vermelha ................................................................................................................ 17
2.3 - PRINCIPAIS ETAPAS DO PROCESSO PRODUTIVO DA CERÂMICA TRADICIONAL ... 17
2.3.1 - Preparação da matéria-prima e da massa ........................................................................ 18
2.3.2 - Formação de peça ............................................................................................................ 19
2.3.3 - Tratamento Térmico ........................................................................................................ 19
2.3.3.1 – Secagem ............................................................................................................. 20
2.3.3.2 – Queima .............................................................................................................. 20
xii
2.3.3.3 – Resfriamento ..................................................................................................... 21
2.3.4 – Acabamento .................................................................................................................... 21
2.3.5 – Etapas opcionais - esmaltação e decoração .................................................................... 21
2.4 - CERÂMICA VERMELHA OU ESTRUTURAL ........................................................................ 21
2.5 – GEOPOLÍMEROS ....................................................................................................................... 23
2.5.1 – Conceito .......................................................................................................................... 23
2.5.2 – Geosíntese ....................................................................................................................... 25
2.5.4 – Materiais usados na geosíntese ....................................................................................... 27
2.5.4.1- Matérias-primas .................................................................................................. 27
2.5.4.2- Ativadores ........................................................................................................... 28
2.5.5- Parâmetros Físico-Químicos............................................................................................. 28
2.5.6- Propriedades dos Geopolímeros........................................................................................ 29
2.5.7- Aplicações dos Geopolímeros........................................................................................... 30
CAPÍTULO 3. MATERIAIS E MÉTODOS ................................................................................... 31
3.1- MATERIAIS ................................................................................................................................. 31
3.2- MÉTODOS ................................................................................................................................... 33
3.2.1 - Amostragem e Preparação das Amostras................................................................... 33
3.2.2 - Confecção dos corpos de prova............................................................................... 33
3.2.2.1- Para Tijolos ................................................................................................... 33
3.2.2.2- Para Geopolímeros ........................................................................................ 35
3.2.3 - Análises e Ensaios Laboratoriais.............................................................................. 36
CAPÍTULO 4. CARACTERIZAÇÃO TECNOLÓGICA DAS ARGILAS CAULINÍTICAS
PARA SUA UTILIZAÇÃO NA INDÚSTRIA CERÂMICA ......... ................................................. 39
4.1- RESUMO....................................................................................................................................... 39
4.2- ABSTRACT................................................................................................................................... 39
4.3- INTRODUÇÃO.............................................................................................................................. 40
4.4- MATERIAIS E MÉTODOS........................................................................................................... 40
4.4.1- Materiais............................................................................................................................ 40
4.4.2- Métodos............................................................................................................................. 41
4.5- RESULTADOS E DISCUSSÃO................................................................................................... 43
4.6- CONCLUSÕES.............................................................................................................................. 50
4.7- AGRADECIMENTOS................................................................................................................... 50
xiii
CAPÍTULO 5. ATIVAÇÃO ALCALINA DE SUPERFÍCIES CERÂMI CAS VISANDO
MELHORAR AS PROPRIEDADES FÍSICAS ............................................................................... 51
5.1- RESUMO....................................................................................................................................... 51
5.2- ABSTRACT................................................................................................................................... 51
5.3- INTRODUÇÃO.............................................................................................................................. 52
5.3.1- Revisão teórica sobre ativação alcalina............................................................................. 54
5.4- MATERIAIS E MÉTODOS........................................................................................................... 54
5.4.1- Materiais............................................................................................................................ 54
5.4.2- Métodos............................................................................................................................. 55
5.4.2.1- Preparação da solução alcalina e modificação das superfícies dos corpos
cerâmicos.......................................................................................................................... 55
5.4.2.2- Determinação da absorção de água (AA) .......................................................... 55
5.4.2.3- Determinação da resistência à compressão ....................................................... 56
5.4.2.4 - Análises texturais através do microscópio eletrônico de varredura................. 56
5.5- RESULTADOS E DISCUSSÃO................................................................................................... 57
5.6- CONCLUSÕES.............................................................................................................................. 59
5.7- AGRADECIMENTOS................................................................................................................... 59
CAPÍTULO 6. ATIVAÇÃO ALCALINA DE MISTURAS DE MATERI AIS SILICÁTICOS DE
BAIXO INTERESSE ECONÔMICO ............................................................................................... 61
6.1- ABSTRACT................................................................................................................................... 61
6.2- INTRODUCTION.......................................................................................................................... 62
6.3- MATERIALS................................................................................................................................. 63
6.4- METHODS…................................................................................................................................. 63
6.4.1- Preparation of Raw Materials and Mixtures..................................................................... 63
6.4.2- Development of Geopolymers…………………..……………………………………… 64
6.4.3 - Firing trials …………………………….......................................................................... 65
6.4.4 - Compressive Strength Test.............................................................................................. 65
6.4.5- Mineralogical, Physical and Morphological Analysis……...…………....…….………. 65
6.5- RESULTS AND DISCUSSION …................................................................................................ 66
6.6- CONCLUSIONS............................................................................................................................ 71
6.7- ACKNOWLEDGMENTS.............................................................................................................. 71
CAPÍTULO 7. ATIVAÇÃO ALCALINA DE MISTURAS DE MATERI AIS SILICÁTICOS E
SUA CARACTERIZAÇÃO TECNOLÓGICA COMO MATERIAL FILTRA NTE................... 73
7.1- RESUMO....................................................................................................................................... 73
xiv
7.2- ABSTRACT................................................................................................................................... 73
7.3- INTRODUÇÃO.............................................................................................................................. 74
7.4- MATERIAIS.................................................................................................................................. 75
7.5- MÉTODOS..................................................................................................................................... 77
7.5.1- Ativação das matérias-primas e preparação das misturas................................................. 77
7.5.2- Preparação da solução alcalina, elaboração dos geopolímeros e ensaios mecânicos........ 77
7.5.3- Análises mineralógicas e físicas ....................................................................................... 78
7.5.4- Análises microtexturais .................................................................................................... 78
7.5.5- Ensaio de coluna de lixiviação ......................................................................................... 78
7.6- RESULTADOS ................................................................................................................... 78
7.7- CONCLUSÕES.............................................................................................................................. 82
7.8- AGRADECIMENTOS................................................................................................................... 82
CAPÍTULO 8. CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES………………........................................ 83
8.1- PARA CERÂMICA VERMELHA................................................................................................ 83
8.2- PARA GEOPOLÍMEROS.............................................................................................................. 84
REFERÊNCIAS................................................................................................................................... 87
xv
Lista de Figuras
Figura 1.1- Localização das áreas de estudo de argilas nos sinclinais Moeda e Dom Bosco e dos
aditivos: filito no sinclinal Dom Bosco e quartzito em Ouro Preto, ao oeste e sul do Quadrilátero
Ferrífero (QF), estado de Minas Gerais, sul do Craton São Francisco (CSF) (Modificado de Dorr 1958
e Alkmim & Marshak 1998) .................................................................................................................. 3
Figura 1.2 – Coluna estratigráfica do Quadrilátero Ferrífero (modificada de Alkmim & Marshak
1998) ...................................................................................................................................................... 4
Figura 1.3- Mapa de localização e acesso aos depósitos de argilas e de aditivos em estudo (Adaptado
de Ferreira et al. 2011)............................................................................................................................. 6
Figura 1.4 – Vista do Depósito de Padre Domingos (A.) com as três fácies identificadas e que foram
estudadas B- Arenito coesivo maciço (ACM), C- Diamictito Branco (DB) e D- Diamictito Vermelho
(DV)......................................................................................................................................................... 7
Figura 1.5 – Vista do Depósito do Morro do Caxambu (A.) com as duas fácies que foram estudadas,
B- Argilosa Friável (FS) e C- Argilosa Maciça (AM)..............................................................................9
Figura 1.6– Argilas obtidas de taludes na rodovia BR-356. A- argila avermelhada (R1), B- argila
amarelada (R5)....................................................................................................................................... 10
Figura 2.1 – Estrutura Cristalina da Caulinita (Grim 1968)................................................................ 14
Figura 2.2 – Processo de fabricação de cerâmica vermelha (modificado de ABCERAM 2011)....... 22
Figura 2.3 – Figuras computarizadas das moléculas de poliméricas de polissialato de Mn-(-Si-O-Al-
O-)n e polissialato-siloxo de Mn -(-Si-O-Al-O-Si-O-)n e suas estruturas (Davidovits 1994).............. 25
Figura 2.4– Comparação entre os processos de obtenção do cimento Portland convencional, do
cimento geopolimérico e da zeólita sintética, modificado de Nicholson et al. (2005) e Breck (1962)..26
Figura 3.1 – A- Detalhe de ocorrência de filitos no Morro do Caxambu. B- Oficina de corte das placas
de quartzito de onde são gerados rejeitos em forma de fragmentos e de areia...................................... 31
Figura 3.2 – A- Amostras de lama vermelha natural, B – Amostras das matérias-primas de quartzito
Q, das argilas cauliníticas ACM, DB, R1, FS e R5, filito F e da lama vermelha LMV, aquecidas à
temperatura de 680 °C .......................................................................................................................... 32
Figura 3.3– A- NaOH em micropérolas utilizado na elaboração de soluções alcalinas. B – Moldes
plásticos cúbicos em PVC e recipientes cilíndricos plásticos, ambas utilizadas na conformação dos
corpos de prova geopoliméricos. ...........................................................................................................32
Figura 3.4– Metodologia de fabricação de peças de cerâmica vermelha. A- Fluxograma resumido da
metodologia; B- Matéria-prima sendo homogeneizada; C- Balança para o controle e correção da
umidade das misturas; D- Prensa hidráulica para a conformação dos corpos; E- Corpos de prova
prontos a queima; F- Corpo cerâmico obtido após a queima................................................................ 34
xvi
Figura 3.5– Metodologia de fabricação de cerâmica avançada: ativação alcalina (geopolimerização).
A- Fluxograma resumido da metodologia; B- Matérias-primas, reagente alcalino e materiais de
plástico utilizados na geopolimerização; C- Gel formado a partir da mistura, na sua fase inicial da
ativação alcalina; D- Gel depositado em moldes plásticos cilíndricos; E- Geopolímeros obtidos após o
desmolde; F- Detalhe de um geopolímero obtido sem fraturas............................................................. 35
Figura 4.1 – Localização das áreas de estudo no Quadrilátero Ferrífero, Minas Gerais...................... 41
Figura 4.2 – Difratogramas de raios X das amostras compostas de Padre Domingos (A, B, C), da
rodovia (D, E), do aditivo F, das misturas e dos corpos cerâmicos sem fraturas obtidos a 900 ºC (9.) e
1.100 ºC (1.). K = caulinita, H = hematita, Q = quartzo, Fd = feldspato, M = muscovita, Go = goethita,
Mu = mulita........................................................................................................................................... 45
Figura 4.3 – Difratogramas de raios X das amostras compostas do Morro do Caxambu, do aditivo F,
das misturas e dos corpos cerâmicos sem fraturas obtidos a 900 ºC (9.) e 1.100 ºC (1.). K = caulinita,
H = hematita, Q = quartzo, Fd = feldspato, M = muscovita, Go = goethita.......................................... 46
Figura 4.4- Fotomicrografias de microscopia eletrônica de varredura (MEV) dos materiais naturais e
queimas a 900 e 1.100 °C. Com o aumento da sinterização a 1.100 ºC o tamanho dos poros
aumenta................................................................................................................................................. 49
Figura 5.1 – Localização das áreas de estudo no Quadrilátero Ferrífero, no estado de Minas Gerais,
Brasil...................................................................................................................................................... 52
Figura 5.2- Fotomicrografias de microscopia eletrônica de varredura (MEV) com aumento de 900x;
A- das superfícies dos corpos de prova (cru); B- dos corpos cerâmicos a 900 °C e; C- dos corpos
cerâmicos a 900 °C e com a superfície modificada. Nas figuras C-, são observadas uma aparente
dissolução e modificação das superfícies em todos os corpos.............................................................. 58
Figure 6.1 - A representative X-ray diffractograms of: 33%Q_67%DB natural and calcined at B: 680
°C; C: 900 °C; and D: 1,000 °C, indicating quartz (Q), mica (M ), clinochlore (Cl), sodalite (Sd),
zeolites LTA (ZTA), zeolites A (Za) and nepheline (N)……………………………………………... 68
Figure 6.2 – X-ray diffractogram of 34%Q_56%DB_10%LMV geopolymer, with quartz (Q), mica
(M), hematite (H), sodalite (Sd) and zeolites A (Za)…………………………………………………. 69
Figure 6.3– SEM images of mixtures of quartzite and kaolinite, geopolymer, where A: natural
geopolymer 33%Q_67%DB; B: geopolymer 33%Q_67%DB calcined at 680 °C; C: geopolymer
33%Q_67%DB calcined at 900 °C; D: geopolymer 33%Q_67%DB calcined at 1,000 °C; E: 34%Q_
56%DB_10% LMV. Showing quartz grain (Q), matrix porous (M), microcracks (m) and sintered
surface (s)……………………………………………………………………………………………... 70
Figura 7.1– Fotografias do trabalho feito durante a pesquisa com geopolímeros. A- Corpos de prova
durante sua conformação e curado em moldes plásticos cúbicos. B- Corpos de prova cúbicos e testados
mecanicamente. C- Geopolímero britado e peneirado em três faixas granulométricas. D- Colunas de
lixiviação................................................................................................................................................ 76
xvii
Figura 7.2 – Difratogramas de raios X, das matérias-primas naturais (R1 e ACM) e do resíduo lama
vermelha (LMV) mostrando a presença de quartzo (Q) e mica (M) em (A, B e C); hematita (H) em (A
e B); feldspato (Fd) e caulim (K) em (B); sodalita (Sd) e gibbsita (Gb) em (C)................................... 79
Figura 7.3– Difratogramas de raios X, das matérias-primas naturais queimadas a 680°C: R1_680°C
(A) e ACM_680°C (B); do resíduo de lama vermelha aquecida à mesma temperatura: LMV_680°C
(C); e do geopolímero sintetizado: S010_Geopolímero (D) mostrando a presença de quartzo (Q), mica
(M), hematita (H), sodalita (Sd) e da formação de espécies mineralógicas de zeólitas (Z) no
geopolímero........................................................................................................................................... 80
Figura 7.4 – Fotomicrografias obtidas por microscopia eletrônica de varredura, com aumento de 900
vezes, das superfícies de dois corpos geopoliméricos. A- superfície porosa obtida a 65 °C
apresentando uma matriz porosa; B- superfície obtida a 400 °C que apresenta microfissuras (m) e uma
aparente menor porosidade.................................................................................................................... 81
xviii
xix
Lista de Tabelas
Tabela 2.1 – Matérias-primas consumidas pela indústria cerâmica (modificado de Tanno & Motta
2000) ..................................................................................................................................................... 13
Tabela 2.2– Classificação dos geopolímeros (modificado de Davidovits et al. 1994)......................... 24
Tabela 2.3 – Relações molares das misturas dos reagentes (matérias-primas + ativadores) de dois
polímeros minerais (Davidovits 1982).................................................................................................. 29
Tabela 3.1– Tijolos obtidos a partir das argilas naturais, com as misturas de argilas com filito (F) e
aquecidos a 900 e 1.100 °C, e os tijolos cujas superfícies foram modificadas com solução alcalina... 34
Tabela 3.2– Relações molares entre os óxidos reagentes da mistura geopolimérica de acordo com
Davidovits (1982).................................................................................................................................. 36
Tabela 4.1 – Distribuição de tamanho de partículas das matérias primas e do aditivo........................ 43
Tabela 4.2– Características físicas das amostras: limite de liquidez (LL), limite de plasticidade (LP) e
índice de plasticidade (IP)...................................................................................................................... 44
Tabela 4.3 – Composição química das amostras das argilas DB, DV e ACM (Padre Domingos), FS e
AM (Morro do Caxambu) e R1 e R5 (Rodovia BR-356); e do aditivo F (Morro do Caxambu)........... 46
Tabela 4.4 – Características físicas das amostras: densidade, superfície específica, porosidade.
Somente são apresentadas as misturas queimadas a 900 ºC (9.) e a 1100 ºC (1.) que obtiveram corpos
cerâmicos sem fraturas........................................................................................................................... 47
Tabela 4.5 – Valores de absorção de água, retração linear e resistência à compressão das amostras
naturais e das misturas com filito para corpos queimados a 900 e 1100 ºC. Somente são apresentadas
as misturas queimadas a 900 ºC (9.) e a 1100 ºC (1.) que obtiveram corpos cerâmicos sem fraturas.. 48
Tabela 5.1 – Valores de absorção de água e resistência à compressão dos corpos cerâmicos obtidos a
900 ºC, antes e após a modificação das superfícies............................................................................... 57
Table 6.1- Molar ratios of the mixtures according to geopolymerization of Davidovits (1982)…….. 64
Table 6.2- Chemical composition of raw clay (DB, R1, R5 and FS) and quartzite (Q) (Peralta-Sánchez
et al. 2011.) which was the reference to reach the molar ratios for the geopolymers........................... 65
Table 6.3 - Molar ratios and proportions of SiO2 + Al2O3 and Fe2O3, and the mixtures prepared for the
fabrication of geopolymers.................................................................................................................... 66
Table 6.4 - Physical properties of natural geopolymers and calcined at 680 and at 900 °C................. 67
Tabela 7.1 - Faixa de valores das relações molares entre os óxidos componentes das misturas a serem
usadas para ativação alcalina e posterior obtenção de geopolímeros, de acordo com Davidovits
(1982)..................................................................................................................................................... 77
Tabela 7.2 - Composição química das matérias-primas (R1, ACM e LMV) e do geopolímero obtido
(S010_Geopolímero). A relação molar entre os óxidos SiO2 e Al2O3, atingido na mistura para fabricar
o geopolímero, é referente aos valores propostos por Davidovits (1982)............................................. 79
xx
Tabela 7.3 - Principais características físicas dos geopolímeros. S010_65°C: correspondente ao
processo normal de curado dos geopolímeros; S010_220°C: após aquecimento do curado a 220 °C por
cinco horas; S010_400°C: queimado a 400 °C por cinco horas............................................................ 81
Tabela 7.4– Análises dos principais metais pesados contidos na solução ácida lixiviante e nos
lixiviados coletados da coluna com geopolímero.................................................................................. 82
xxi
Resumo
Estudos prévios sobre a gênese dos depósitos argilosos cenozóicos do Quadrilátero Ferrífero
foram fundamentais para a seleção das fácies mais argilosas em três ocorrências dessa região e para o
estudo da viabilidade da sua aplicação tecnológica em cerâmica vermelha, tal como na fabricação de
tijolos comuns obtidos a altas temperaturas, visando sua utilização como material de construção, e na
fabricação de geopolímeros obtidos a baixa temperatura, também para sua utilização como material de
construção e como material filtrante de águas poluídas.
As matérias-primas empregadas nessa pesquisa foram as argilas cauliníticas das fácies arenito
coesivo maciço (ACM), diamictito branco (DB) e diamictito vermelho (DV), do depósito de Padre
Domingos, localizado no sinclinal Moeda; das fácies argilosa friável (FS) e argilosa maciça (AM), do
depósito Morro do Caxambu, localizado no sinclinal Dom Bosco e; das fácies R1 e R5, localizadas em
cortes da rodovia BR-356. Como aditivos foram usados filito (F), que é o embasamento dos depósitos
argilosos, e quartzito (Q), proveniente de rejeitos da fabricação de placas de revestimento, localizados
na cidade de Ouro Preto. Adicionalmente na elaboração de geopolímeros foi também utilizada lama
vermelha (LMV) proveniente de resíduos da indústria de alumínio, da região de Poços de Caldas,
Minas Gerais.
Foram coletados 10 kg de amostra em cada uma das fácies selecionadas. As amostras foram
secadas, destorroadas, homogeneizadas, quarteadas, moídas e peneiradas a 35 mesh (0,425 mm).
Seguidamente, análises granulométricas, difração de raios-X (DRX), fluorescência de raios-X (FRX),
análises termodiferenciais (ATD) e termogravimétricas (ATG), plasticidade, densidade, superfície
especifica, porosidade, microscopia eletrônica de varredura (MEV) permitiram confirmar a
predominância da caulinita e, secundariamente, quartzo, hematita, feldspato, muscovita e goethita,
além de conhecer detalhadamente outras características físicas, química e texturais das argilas. As
cores apresentadas pelas amostras estão diretamente relacionadas ao conteúdo em Fe2O3.
Após ajustar a umidade à 8,5 % corpos de prova foram confeccionados e queimados a 900 e a
1.100 °C. Os corpos cerâmicos obtidos com as amostras DV e R1 resultaram com superfícies
homogêneas e sem fraturas, atingindo valores apropriados de absorção de água, retração linear e de
resistência à compressão às normas técnicas para tijolos para alvenaria. As cinco amostras restantes
(ACM, DB, FS, AM e R5) foram testadas com o aditivo filito (F), em diferentes proporções. Somente
as misturas ACM+15F, DB+5F, FS+5F, AM+5F e, R5+5F após queimadas a 900 ºC resultaram em
corpos com características físicas e mecânicas adequadas à indústria de cerâmica vermelha. Ensaios
adicionais com uma solução alcalina (12 mol/L NaOH) resultaram no aumento da resistência mecânica
e na redução da absorção de água dos corpos.
xxii
Para a obtenção de geopolímeros, rejeitos de quartzito (Q), três amostras das argilas
cauliníticas (DB, R1 e R5) e lama vermelha (LMV), foram misturados adequadamente nas proporções:
34%Q_66%R5; 33%Q_67%DB; 49%R1_51%R5; 48%R1_52%DB; 34%Q_56%DB_10%LMV e
34%Q_46%DB_20% LMV. Adicionalmente, geopolímeros também foram obtidos com as amostras
R1 e ACM misturadas com lama vermelha (LMV) na proporção de 50%R1_40%ACM_10%LMV.
Todos os geopolímeros obtidos mostraram superfícies homogêneas e sem fraturas, com valores de
resistência mecânica superiores aos estipulados para sua utilização como tijolo para alvenaria. A
mineralogia dos produtos obtidos indicou a formação de sodalita e zeólita, que são espécies comuns
nos geopolímeros. Finalmente, pesquisando novas aplicações, ensaios de filtragem utilizando os
geopolímeros como filtros de águas ácidas contendo metais pesados mostraram a viabilidade do seu
uso na obtenção de águas alcalinas e/ou ligeiramente ácidas e com uma importante redução do
conteúdo de metais pesados.
Os resultados desta pesquisa permitiram valorizar matérias-primas para o seu uso na indústria
de cerâmica vermelha, além de oferecer um destino final ambientamente correto tanto para o quartzito
quanto para a lama vermelha, que atualmente são fontes geradoras de poluentes ambientais.
xxiii
Abstract
Previous studies on Cenozoic clay deposits of the Quadrilátero Ferrífero were essential to the
selection of the most clayey facies in three occurrences of this region and to study the feasibility of
technological application in red ceramic, such as in the fabrication of common bricks obtained at high
temperatures, for their use as construction material, and in the fabrication of geopolymers obtained at
low temperature, for their use as construction material and as filter material for polluted water.
The raw materials used in this research were the kaolinitic clay of massive cohesive sandstone
(ACM), white diamictite (DB) and red diamictite (DV) facies, of the Padre Domingos deposit, located
in the Moeda syncline; of friable clayey (FS) and massive clayey (AM) facies of Morro do Caxambu
deposit, located in the syncline Dom Bosco and; the R1 and R5 facies, located in BR-356 highway
cuts. As additives were used phyllite (F), which is the basement of clay deposits, and quartzite (Q),
from wastes of fabrication of coating plates, located in Ouro Preto city. Additionally in the fabrication
of geopolymers was also used red mud (LMV) from waste of the aluminum industry, from Poços de
Caldas region, Minas Gerais.
Was collected 10 kg sample of each one of the selected facies. The samples were dried,
disaggregated, homogenized, reduced, milling and sieved to 35 mesh (0.425 mm). Next, granulometric
analyses, X-ray diffraction (XRD), X-ray fluorescence (XRF), thermodifferential (DTA) and
thermogravimetric (TGA) analysis, plasticity, density, surface area, porosity, scanning electron
microscopy (SEM) allowed to confirm the predominance of kaolinite and secondarily, quartz,
hematite, feldspar, muscovite and goethite, as well as know in detail other physical, chemical and
textural characteristics of clays. The colors in the samples are directly associated to the content of
Fe2O3.
After adjusted the humidity to 8.5% the samples were prepared and fired at 900 and 1,100 °C.
The ceramic samples with DV and R1 resulted with homogeneous surfaces and without fractures,
reaching appropriate values of water absorption, linear shrinkage and compressive resistance to
technical standards for brick masonry. The remaining five samples (ACM, DB, FS, AM and R5) were
tested with the additive phyllite (F), in different proportions. Only the blends ACM + 15F, DB + 5F,
FS + 5F, AM + 5F and R5 + 5F after burning at 900 °C resulted in bodies with physical and
mechanical properties appropriated to the ceramic industry. Additional tests with an alkaline solution
(12 mol / L NaOH) resulted in a increase of the mechanical strength and reduction of water absorption
from the bodies.
To obtain geopolymers, quartzite tailings (Q) of three samples of kaolinitic clay (DB, R1 and
R5) and red mud (LMV) were adequately mixed in the proportions: 34%Q_66%R5; 33%Q_67%DB;
49%R1_51%R5; 48%R1_52%DB; 34%Q_56%DB_10%LMV and 34%Q_46%DB_20%LMV.
xxiv
Additionally, geopolymers were also obtained samples with the R1 and ACM mixed with red mud
(LMV) in the proportion of 50%R1_40%ACM_10% LMV. All geopolymers showed homogeneous
surfaces and without fractures, with strength values higher than those required for use as brick
masonry. The mineralogy of the products obtained indicated the formation of sodalite and zeolite
species which are common in geopolymers. Finally, searching for new applications, filtration assays
using the geopolymers as a filter for acidic water containing heavy metals shown the feasibility of
their use in obtaining alkaline and/or slightly acidic water, with a significant reduction in heavy metal
content.
The results of these research allowed evaluate raw materials for use in the ceramic industry
and offer a final destination environmentally correctly for both quartzite and the red mud, which are
currently sources of environmental pollutants.
CAPÍTULO 1
CONSIDERAÇÕES GERAIS
1.1- INTRODUÇÃO
O Quadrilátero Ferrífero, localizado no estado de Minas Gerais, é uma importante região com
diversos recursos que incluem minerais metálicos assim como rochas e minerais industriais (RMI’s).
Dentre estes, destacam-se as argilas cauliníticas, filitos e quartzitos estudados nessa pesquisa. Estes
materiais possuem um importante potencial econômico para a região, apesar disso, o seu
aproveitamento econômico é limitado.
Os estudos sobre argilas do Quadrilátero Ferrífero iniciaram no século XIX (Gorceix 1884),
porém somente a partir da década de noventa foi elucidada a gênese destes corpos como sendo
formados a partir da deposição de materiais oriundos de perfis lateríticos, gerados da alteração de
rochas metapelíticas dos Grupos Piracicaba, no Supergrupo Minas (Santos e Varajão 2004, Santos et
al. 2004, Santos 2003, Varajão et al. 2001, 2000, 1990, 1989a, 1989b, 1989c, Varajão 1988).
Entretanto, apesar da abundância destes materiais e, do conhecimento da sua origem e de suas
características mineralógicas, esses nunca foram alvo de um estudo para determinar a sua
potencialidade na indústria cerâmica.
Filitos, que constituem o embasamento dessas argilas, são frequentes nos arredores dos
depósitos e atualmente não são aproveitados economicamente.
Quartzitos das regiões de Ouro Preto e Mariana são utilizados para a fabricação artesanal de
placas para revestimento (Lima et al. 2007, Leite e Gonçalves-Fujaco 2013, Jort-Evangelista et al.
2001). Como resultados dessa atividade são gerados aproximadamente 1.500 m³ mensais (Lima et al.
2007) de rejeitos, em forma de fragmentos e/ou de areia, que não possuem um destino final adequado.
Dessa maneira o constante acúmulo desses rejeitos representa uma potencial fonte de impacto
ambiental (Leite e Gonçalves-Fujaco 2013, Russo 2011, Meyer et al. 2005).
Essa pesquisa propõe o estudo da viabilidade do uso dessas argilas cauliníticas, sejam em
estado natural ou em misturas com filito e rejeitos de quartzito, na indústria cerâmica, como produtos
cerâmicos queimados ou por ativação alcalina na forma de geopolímeros, de modo a valorizar recursos
minerais abundantes que não possuem aproveitamento econômico atual. Uma amostra de lama
vermelha, resíduo do processo Bayer da indústria do alumínio, proveniente da região de Poços de
Caldas, também foi utilizada em misturas com as argilas, visando a sua inclusão na elaboração de
cerâmicas.
Peralta-Sánchez M. G., 2015. Estudo da Viabilidade do Uso de Materiais de Baixo Valor Econômico do Quadrilátero Ferrífero na Fabricação de Materiais Cerâmicos.
2
A presente tese foi elaborada em oito capítulos, se referindo no capítulo inicial sobre a área de
estudo e dos depósitos de argilas. No segundo capítulo se oferece uma abordagem geral sobre
cerâmica vermelha e geopolímeros. O terceiro capítulo compreende as matérias-primas utilizadas na
pesquisa e metodologias empregadas. O quarto capítulose refere a um artigo científico publicado na
revista Cerâmicaque abrange as pesquisas tecnológicas das argilas naturais e aditivadas com filitos
para cerâmica vermelha queimada. No capitulo quinto são apresentados os resultados dos ensaios de
modificação das superfícies de cerâmicas com soluções alcalinasque foram publicados no livro da Red
Minería XXI, n° II. O sexto capítulo é produto de um artigo submetido à revista científica Applied
Clay Science sobre as pesquisas na elaboração de geopolímeros com resíduos de quartzito e lama
vermelha e sua caracterização tecnológica como material de construção. O sétimo capítulo se refere ao
artigo publicado no livro da Red Minería XXI, n° IV e aborda o uso de geopolímeros como filtro de
água ácida. Finalmente, o capítulo oito são as conclusões e recomendações da tese.
1.2 - OBJETIVOS
Objetivo Geral
Este trabalho visa estudar a viabilidade do uso de recursos minerais da região do Quadrilátero
Ferrífero, sem valor econômico atual, no setor da indústria cerâmica vermelha.
Objetivos específicos
- Conhecimento detalhado das principais características mineralógicas, físicas, químicas,
texturais e tecnológicas das argilas cauliníticas de três depósitos do Quadrilátero Ferrífero, Minas
Gerais.
-Aplicação de cada argila pesquisadano seu estado natural ou em misturas com filito, rejeitos
de quartzito ou lama vermelha, na indústria cerâmica vermelha, seja na forma de tijolosou de
geopolímeros.
- Propor um destino final adequado aos rejeitos de quartzito e de lama vermelha, atualmente
considerados como poluentes ambientais.
1.3 – CONTEXTO GEOLÓGICO
O Quadrilátero Ferrífero (Figura 1.1) delimitado em 1907 pelo geólogo Gonzaga Campos (in
Dorr 1958) está localizado na borda sul do Craton São Francisco, na parte central do Estado de Minas
Gerais, e abrange uma área de aproximadamente 7.000 km2 (Barbosae Rodrigues, 1967).
Contribuições às Ciências da Terra Série D, vol. 33, 97p.
3
De acordo com Alkmim e Marshak (1998) o Quadrilátero Ferrífero esta representado por
cinco unidades litoestratigráficas principais. As rochas destas unidades incluem os Complexos
Metamórficos Arqueanos do Embasamento Cristalino; as seqüências vulcano-sedimentares do tipo
“Greenstone Belt”, denominadas Supergrupo Rio das Velhas; as coberturas sedimentares plataformais
de idade paleoproterozóica denominadas Supergrupo Minas e Grupo Itacolomí e as intrusões ígneas
Post-Minas (Figura 1.2).
A história tectônica e metamórfica da região do Quadrilátero Ferrífero indica que foi
submetida a eventos extensionais e compressionais superpostos (Alkmim e Marshak 1998, Chemale et
al. 1992, Marshak e Alkmim 1989), responsáveis pela formação de megaestruturas tais como
sinclinais, anticlinais e megafalhamentos, sob condições de metamorfismo de fácies xisto verde
(porção oeste) a anfibolito (porção leste). Essas estruturas foram o resultado de pelo menos dois
eventos tectônicos que ocorreram durante o Proterozoico: o Transamazônico e o Brasiliano.
Figura 1.1 – Localização das áreas de estudo de argilas nos sinclinais Moeda e Dom Bosco e dos aditivos: filito no sinclinal Dom Bosco e quartzito em Ouro Preto, ao oeste e sul do Quadrilátero Ferrífero (QF), estado de Minas Gerais, sul do Craton São Francisco (CSF) (Modificado de Dorr 1958 e Alkmim e Marshak 1998).
Argilas : Padre Domingos Rodovia Morro do Caxambu Aditivos: Filito Quartzito
Belo Horizonte
Sinclinal Gandarela
Moeda Itabirito
Supergrupo Minas (preto = BIF)
Grupo Itacolomi
Rio das Velhas
Pal
eopr
oter
ozoi
co
Arq
uean
o
10 km Itabira
Ouro Branco
Domo Bação
Domo Bonfim
Sinclinal
Anticlinal Conceição
Sinclinal Ouro Fino
Domo Santa Rita
Sinclinal Monlevade
Domo Caeté
Domo Belo Horizonte Sinclinal
Mateus Leme
Sinclinal Souzas
Homoclinal Serra do Curral
Domo Floristal
Domo Itaúna
Arco Mariana
Sinclinal Itabira
Sinclinal Pitangui-Peti
Brasil
CSF
QF 500 km
44°1
5’
44°0
0’
43°4
5’
43°3
0’
19°45’
20°00’
20°15’
20°00’
Dom Bosco Ouro Preto
Mariana
Sinclinal
Peralta-Sánchez M. G., 2015. Estudo da Viabilidade do Uso de Materiais de Baixo Valor Econômico do Quadrilátero Ferrífero na Fabricação de Materiais Cerâmicos.
4
PA
LEO
PR
OT
ER
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OIC
O
AR
QU
EA
NO
Grupo Sabará
Grupo Piracicaba
Grupo Itabira
Grupo Caraça
SU
PE
RG
RU
PO
R
IOD
AS
V
ELH
AS
EMBASAMENTO
SU
PE
RG
RU
PO
MIN
AS
Gr. Itacolomi
Fm. Fecho do Funil Fm. Taboões
Fm. Moeda
Fm. Cercadinho
Fm. Barreiro
Fm. Batatal
Fm. Cauê
Gr. Nova Lima
Gr. Maquiné
Gr. Nova Lima
Fm. Gandarela
Gr. Tamanduá
metaconglomerados metadiamictitos pillow basaltos, komatitos gneiss, migmatitos metavulcânicos
carbonatos formação ferrífera metapelitos granitoides diques máficos
1,75 Ga
2,12 Ga
2,40 Ga
2,61-2,78Ga
2,90-3,20Ga
Os Complexos Metamórficos Arqueanos constituem as rochas mais antigas como gnaisses e
migmatitos datados de 2,9 a 3,2 Ga (Machado e Carneiro 1992).
O Supergrupo Rio das Velhas é constituído por rochas metasedimentares e metavulcânicas
(Dorr 1969) datadas de 2,7 a 2,8 Ga (Machado et al. 1992) e que juntas constituem uma sequência
greenstone belt. Divide-se em dois grupos: Nova Lima e Maquiné (Dorr 1969).
Figura 1.2 - Coluna estratigráfica do Quadrilátero Ferrífero (modificada de Alkmim e Marshak 1998).
O Supergrupo Minas, datado de 2,4 Ga, corresponde a uma sequência de rochas
metassedimentares de origem fluvial a marinha plataformal de idade paleoproterozóica e é subdivido,
de acordo com Dorr (1969), da base para o topo, em quatro grupos: Tamanduá, Caraça, Itabira e
Piracicaba. Renger et al. (1994) incluíram o Grupo Sabará nesta sequência, seguindo proposição de
Barbosa (1968).
− Tamanduá (Simmons e Maxwell 1961), constituído por quartzitos, filitos, xistos
quartzosos e argilosos, itabiritos filíticos e dolomíticos, conglomerados.
− Caraça, constituído por metassedimentos clásticos e compreende duas formações: Moeda
(na base, Maxwell 1958) formada por conglomerados e quartzitos grossos de origem
Contribuições às Ciências da Terra Série D, vol. 33, 97p.
5
fluvial e quartzitos finos e filitos e; Batatal, constituída por filitos sericíticos, grafitosos e,
localmente, esta formação pode apresentar clorita e sedimentos carbonáticos e finas
camadas de chert e hematita.
− Itabira (Dorr 1958), subdividido em duas formações: Cauê (na base) caracterizada por
formações ferríferas bandadas (BIF- Banded Iron Formations), do tipo Lago Superior
(Gross 1965) e por itabiritos, itabiritos dolomíticos e anfibolíticos com pequenas lentes de
filitos e margas, e horizontes manganesíferos e; Gandarela (no topo) constituída dolomitos
e por itabiritos, filitos dolomíticos e filitos.
− Piracicaba (Dorr et al. 1957), dividido em quatro formações, da base para o topo:
Cercadinho com quartzito ferruginoso, filito ferruginoso, filito, quartzito e pequenas
intercalações de dolomito; Fecho do Funil com filito dolomítico, filitos e dolomitos
silicosos e argilosos; Taboões com quartzito fino e maciço; e, Barreiro com filito, filito
grafitoso e xisto.
− Sabará (Renger et al. 1994), é uma sequênciametavulcanossedimentar, constituída de mica
xisto e clorita xisto com intercalações de metagrauvaca, quartzito, quartzito feldspático,
quartzito ferruginoso, formação ferrífera e metaconglomerado.
O Grupo Itacolomí (Dorr 1969, Guimarães 1931), possui contato discordante, de caráter
tectônico, com as rochas do Supergrupo Minas, é constituído por quartzitos, quartzitos
conglomeráticos e lentes de conglomerado com seixos de itabiritos, filitos, quartzitos e quartzo de
veio.
Depósitos Cenozóicos, representados por depósitos lacustres, fluviais, lateríticos e argilosos
(Dorr 1969, Guild 1957), estão distribuídos heterogêneamente ao longo dos sinclinais e anticlinais,
constituindo ocorrências argilosas. Os materiais objetos de estudo desta pesquisa incluem os corpos
argilosos cauliníticos do sinclinal Moeda (Santos 2003), especificamente do depósito de Padre
Domingos, e do sinclinal Dom Bosco, especificamente do Morro do Caxambu (Santos 1998, Varajão e
Santos 2001, Santos e Varajão 2004).
1.4- DEPÓSITOS DE ARGILAS CAULINÍTICAS
Os depósitos argilosos de Padre Domingos, da BR-356 e do Morro do Caxambu, principais
objetos de estudo dessa pesquisa, estão inseridos em duas das principais feições morfoestruturais do
Quadrilátero Ferrífero, os sinclinais Moeda e Dom Bosco, respectivamente (Figura 1.3).
Peralta-Sánchez M. G., 2015. Estudo da Viabilidade do Uso de Materiais de Baixo Valor Econômico do Quadrilátero Ferrífero na Fabricação de Materiais Cerâmicos.
6
O acesso ao depósito de Padre Domingos, com coordenadas UTM 7765203, 0610328, é
realizado pela BR-356, sentido Belo Horizonte-Rio de Janeiro, onde depois do entroncamento para
CORRIGINDO:Ouro Preto, percorre-se 7 km até a entrada à esquerda em direção a Lagoa de Água
Limpa/Condomínio Água Limpa, seguindo-se por aproximadamente 5 km em estrada não
pavimentada (Figura 1.3).
Figura 1.3- Mapa de localização e acesso aos depósitos de argilas e de aditivos em estudo (Adaptado de Ferreira et al. 2011).
O depósito do Morro do Caxambu (coordenadas UTM 7742875, 0638453) situa-se no distrito
de Dom Bosco, município de Ouro Preto. O acesso é realizado na BR-356 (Rodovia dos
Depósitos de Argilas:
Padre Domingos Rodovia Morro do Caxambu
Aditivos:
Filito Quartzito
Contribuições às Ciências da Terra Série D, vol. 33, 97p.
7
Inconfidentes), em Cachoeira do Campo, município de Ouro Preto, na entrada para a pedreira do
Cumbe, percorrendo-se 5 km em estrada não pavimentada (Figura 1.3).
O talude da BR-356, com coordenadas UTM 7766757, 0617133, encontra-se ao lado direito
da rodovia, a aproximadamente 10 km da cidade de Itabirito, no sentido Belo Horizonte-Ouro Preto
(Figura 1.3).
1.4.1 – Depósito de Padre Domingos - Sinclinal Moeda
Apresenta orientação E-W, geometria alongada perfazendo-se uma área aproximada de 1 Km2
(Figura 1.4). Santos (2003) identificou três fácies nesse depósito: arenito coesivo maciço (ACM),
diamictito branco (DB) e diamictito vermelho (DV), todas essas foram utilizadas como matérias-
primas nessa pesquisa.
Figura 1.4 – Vista do Depósito de Padre Domingos (A.) com as três fácies identificadas e que foram estudadas B- Arenito coesivo maciço (ACM), C- Diamictito Branco (DB) e D- Diamictito Vermelho (DV).
1.4.1.1 - Fácies Arenito Coesivo Maciço (ACM)
Esta fácies (Figura 1.4B) possui 10,0 m de espessura ocorre na porção basal do depósito e
encontra-se em contato basal discordante com os filitos do embasamento local (filitos da Formação
Fecho do Funil, Grupo Piracicaba) e em contato superior gradacional com as rochas da fácies DB.
Apresenta coloração branca (5YR-8/1 - Munsell 1975) com zonamentos ferruginosos localizados.
Peralta-Sánchez M. G., 2015. Estudo da Viabilidade do Uso de Materiais de Baixo Valor Econômico do Quadrilátero Ferrífero na Fabricação de Materiais Cerâmicos.
8
1.4.1.2 - Fácies Diamictito Branco (DB)
Com uma espessura de 15,0 m a fácies DB (Figura 1.4C) ocupa a porção mediana do depósito
em contato gradacional com a fácies ACM e contato superior tectônico (falha reversa) com os filitos
do substrato. Apresenta coloração branca (5YR-8/1 - Munsell 1975), com zoneamentos ferruginosos,
que exibem formas concêntricas, sub-paralelas horizontais e verticais.
1.4.1.3 - Fácies Diamictito Vermelho (DV)
Possui espessura média de 8,0 m e ocorre na porção superior do depósito (Figura 1.4D). O
contato basal é discordante e tectônico com as rochas do substrato e o superior evolui
gradacionalmente para o perfil de solo. Apresenta coloração vermelha (2.5R-5/8 - Munsell 1975) e é
constituída de lamitos arenosos com mosqueamentos ferruginosos, típicos de perfis lateríticos.
1.4.2 – Depósito do Morro do Caxambu – Sinclinal Dom Bosco
Localizado na porção sul do Quadrilátero Ferrífero, especificamente no sinclinal Dom Bosco
que abrange uma faixa E-W com cerca de 28,0 km de extensão (Figura 1.5A). Possui como substrato
filitos do Grupo Piracicaba (Formação Cercadinho e Fecho do Funil) que foi utilizado como aditivo
nessa pesquisa. Estudos macromorfológicos, micromorfológicos e mineralógicos efetuados neste
depósito (Santos e Varajão 2004, Varajão e Santos 2001, Santos 1998) mostraram a ocorrência de
quatro fácies: Fragmentária, Argilosa Maciça (AM), Nodular e Fácies Argilosa Friável (FS). Nessa
pesquisa foram utilizadas as duas fácies mais argilosas: FS e AM.
1.4.2.1 - Fácies Argilosa Friável (FS)
Capeando a fácies maciça e nodular, ocorre a fácies argilosa friável inserida em feições
côncavas semelhantes a canais, cujo comprimento e espessura atingem cerca de 5,0 m e 80,0 cm,
respectivamente. Apresenta coloração vermelha amarelada (5YR-5/6) relacionada com os zonamentos
ferruginosos decorrentes de variações hídricas (Figura 1.5B).
Esta fácies, sem estruturas visíveis, é constituída de material argiloso caulinítico com grãos de
quartzo e textura granular. Na base dos canais há discreta concentração de grãos de quartzo na
granulometria areia média a grossa (0,26 a 1,00 mm), com grânulos (2,30 a 4,00 mm) subordinados e,
bolas de argila de composição essencialmente caulinítica, possuindo aproximadamente 0,50 cm de
diâmetro.
Contribuições às Ciências da Terra Série D, vol. 33, 97p.
9
1.4.2.2 - Fácies Argilosa Maciça (AM)
Ocorrendo com espessura média de 3,0 m, a Fácies Argilosa Maciça (Figura 1.5C) é
constituída de um material argiloso de composição caulinítica, sem estratificação visível e com
coloração vermelha (2.5YR-4/6), podendo apresentar manchas brancas alongadas características de
processos de deferruginização em planos de fratura. Grãos de quartzo de granulometria areia média a
grossa (0,25 a 0,80 mm) a grânulos (4,0 mm) encontram-se distribuídos aleatoriamente, além de raros
nódulos ferruginosos e argilosos.
.
Figura 1.5 – Vista do Depósito do Morro do Caxambu (A.) com as duas fácies que foram estudadas, B- Argilosa Friável (FS) e C- Argilosa Maciça (AM).
1.4.3 – Taludes da rodovia BR-356
As argilas coletadas em dois cortes na rodovia BR-356 (Figura 1.6), de tipo cauliníticas-
quartzíticas-ferruginosas (R1) de coloração vermelha (2.5R-4/8) e cauliníticas-ferruginosas (R5) de
coloração amarela (10YR-8/6), estão incluídas em depósitos cenozoicos isolados e que também podem
ser encontrados em diversas regiões do Quadrilátero Ferrífero.
Estes corpos foram foco de estudos de caracterização sedimentológica, mineralógica e
pedológica que permitiu identificar diferentes fácies argilosas ao longo dos cortes da rodovia cuja
Peralta-Sánchez M. G., 2015. Estudo da Viabilidade do Uso de Materiais de Baixo Valor Econômico do Quadrilátero Ferrífero na Fabricação de Materiais Cerâmicos.
10
gênese foi atribuída a deposição de sedimentos dos mantos de alteração das rochas encaixantes
(Mateus 2013, Mateus et al. 2013). Processos pedogenéticos posteriores à deposição destes
sedimentos ocasionaram mecanismos de deferruginização e ferruginização inferiram ao depósito
um padrão mosqueado. Especificamente as argilas R1 e R5 deste trabalho são relacionadas
respectivamente às fácies Argilosa Vermelha Mosqueada Quartzosa (AVMQ) e Argilosa Amarela
Mosqueada Quartzosa (AAMQ) (Mateus 2013).
Figura 1.6– Argilas obtidas de taludes na rodovia BR-356. A- argila avermelhada (R1), B- argila amarelada (R5).
Contribuições às Ciências da Terra Série D, vol. 33, 97p.
11
CAPÍTULO 2
A INDÚSTRIA CERÂMICA – REVISÃO
A seguir serão abordados alguns aspectos teóricos sobre as indústrias de cerâmica vermelha
assim como sobre caulim, filito, quartzito e lama vermelha utilizados nessa pesquisa como matérias-
primas para a obtenção de peças cerâmicas.
2.1 – CERÂMICA
A palavra “cerâmica” provém do grego “keramikos”, que significa “matéria-prima queimada”,
indicando que as propriedades atingidas por esses materiais são normalmente adquiridas através de um
processo de tratamento térmico a altas temperaturas conhecido como sinterização (Callister 2002). A
característica comum a estes materiais é serem constituídos de metais e não metais unidos com
ligações de tipo iônicas e/ou covalentes (Van Vlack 2003) e apresentam alta dureza e grande
resistência à compressão, fragilidade, alto ponto de fusão, baixa condutividade térmica e elétrica e, boa
estabilidade química e térmica (Askeland 1998).
A fabricação de cerâmicas é uma das mais antigas atividades humanas, evidenciada pela
presença de objetos e materiais cerâmicos datados desde os alvores da civilização. Exemplos desses
materiais são fragmentos cozidos ao sol foram encontrados entre 5000 e 6000 a.C.; peças elaboradas, a
partir de 4000 a.C.; os primeiros tijolos queimados para revestimentos, nos 3000 a.C.; peças em
terracota, desde 2000 a.C.; tijolos queimados para construção e cerâmica fina, entre 1600 e 1.000 a.C.;
e, em torno de 280 a.C., objetos cerâmicos foram intensamente utilizados pelos romanos,
principalmente telhas, objetos ornamentais e utensílios domésticos (SEBRAE 2008, Felletti e
Constantini 1996, Guimarães 1981).
A ampla e heterogênea indústria cerâmica abrange vários setores industriais, em função de
fatores como matérias-primas, características dos produtos e áreas de aplicação, podendo ser adotada a
seguinte classificação geral (ABCERAM 2011):
− cerâmica vermelha ou estrutural;
− materiais de revestimento (placas cerâmicas);
− cerâmica branca;
− materiais refratários;
− isolantes térmicos;
Peralta-Sánchez M. G., 2015. Estudo da Viabilidade do Uso de Materiais de Baixo Valor Econômico do Quadrilátero Ferrífero na Fabricação de Materiais Cerâmicos.
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− corantes a base de fritas;
− abrasivos;
− vidros, cimento e cal;
− cerâmica avançada.
A cerâmica tradicional, ou silicática de base argilosa, inclui três desses setores: a cerâmica
vermelha ou estrutural, materiais de revestimento e a cerâmica branca (SEBRAE 2008, Santos 1992).
O setor da cerâmica avançada, ou cerâmica de alta tecnologia, inclui o desenvolvimento de novas
tecnologias e o aprimoramento das já existentes, nas mais diferentes áreas (ABCERAM 2011).
No Brasil todos os setores da indústria cerâmica se encontram representados, com maior ou
menor grau de desenvolvimento e capacidade de produção (CTESB 2008), participando com
aproximadamente 1,0 % do PIB, (ABCERAM 2011, CTESB 2008, Bustamante e Bressiani 2000),
concentrada, principalmente, nas regiões com maior número de habitantes nas zonas urbanas, no sul e
sudeste (Bustamante e Bressiani 2000).
2.2 - PRINCIPAIS MATÉRIAS-PRIMAS PARA A INDÚSTRIA C ERÂMICA
A indústria cerâmica consome uma diversidade de rochas e minerais industriais, tal como
mostrado na Tabela 2.1, seja in natura ou beneficiada, além de algumas substâncias sintéticas (Tanno
e Motta 2000). As principais matérias-primas consumidas pela indústria cerâmica são: argilas, caulim,
quartzo/quartzito, feldspato, talco, dolomito e filito (MINEROPAR 2000).
As matérias-primas utilizadas na indústria cerâmica são classificadas em dois grupos: (i)
materiais plásticos (argilosos) e materiais não plásticos (fundentes, inertes, carbonatos, talcos, etc.)
(Motta et al. 1998, Borba et al. 1996). Embora ambos os materiais exerçam funções ao longo de todo
o processo cerâmico, as matérias-primas plásticas são essenciais na fase de conformação, enquanto
que os não plásticos atuam principalmente na fase do processamento térmico (Motta et al. 1998).
As matérias-primas plásticas são constituídas por minerais com granulometrias abaixo de
2 µm como argilas comuns plásticas, caulim e argilas vermelhas, que são essenciais na fase de
conformação das peças cerâmicas tais como trabalhabilidade e resistência mecânica a cru, e no
processamento térmico, como estrutura e cor (Motta et al. 2002, 1998). Santos (1989) define argila
como um material de origem natural, terroso, de granulometria fina, que geralmente adquire, quando
umedecido em água, certa plasticidade. Quimicamente as argilas são formadas essencialmente por
argilominerais, que são filosssilicatos hidratados de alumínio, ferro e magnésio, contendo ainda,
geralmente, certo teor de outros elementos tais como ferro, álcalis e outros (ABCERAM 2011).
Contribuições às Ciências da Terra Série D, vol. 33, 97p.
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Tabela 2.1 – Matérias-primas consumidas pela indústria cerâmica (modificado de Tanno e Motta 2000).
As matérias-primas não plásticas mais utilizadas são os filitos, fundentes feldspáticos
(feldspatos, granito, sienito, etc.), talco, carbonatos (calcário e dolomito) e quartzo (geralmente
associado a outros minerais) que atuam principalmente na fase do processamento térmico (Motta et al.
1998). Os materiais fundentes têm a função básica de aumentar a cinética de sinterização, através da
formação de fase líquida viscosa, de modo a adequar as características finais do produto, tais como
porosidade, contração linear e resistência mecânica (Borba et al. 1996).
Na elaboração de produtos cerâmicos se aproveitam as diversas propriedades físico-químicas
das matérias-primas utilizadas, destacando-se os argilominerais por sua facilidade de se moldar no
estado “cru” (úmido) e de adquirir dureza à medida que são secadas (Martins e Silva 2004).
De acordo com Menezes et al. (2001) o Brasil é um grande produtor de matérias-primas para a
indústria cerâmica, com grande quantidade de depósitos de argilas para satisfazer os diversos setores
dessa indústria, porém, não existem suficientes dados técnico-científicos da maior parte destes
recursos minerais que orientem sua utilização de maneira mais racional e otimizada.
Nessa pesquisa, devido à variação da cor das argilas cauliníticas, entre branco e vermelho, que
esta relacionada com a presença de óxidos de ferro, sua aplicação foi direcionada para a indústria
cerâmica vermelha, sendo que, em alguns casos, foi necessário fazer misturas com filito como aditivo.
Além disso, devido ao seu maior conteúdo em sílica + alumina, algumas argilas foram utilizadas para
a elaboração de geopolímeros, como outra alternativa de aproveitamento desses recursos minerais de
INSUMOS
SETORES DA INDÚSTRIA CERÀMICA
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Argila vermelha ■ ■ ■ ■ Argila plástica ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ Argilas refratária ■ ■ ■ Bauxita alumina ■ ■ ■ ■ ■ Caulim ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ Calcários ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ Cromita ■ ■ Feldspato ■ ■ ■ ■ ■ Filito ■ ■ ■ Gipsita ■ ■ ■ ■ Grafita ■ ■ Magnesita ■ ■ ■ Quartzo ■ ■ ■ ■ ■ ■ Rejeitos Industriais ■ ■ ■ ■ ■ Talco ■ ■ ■ ■ Zircão ■ ■
Peralta-Sánchez M. G., 2015. Estudo da Viabilidade do Uso de Materiais de Baixo Valor Econômico do Quadrilátero Ferrífero na Fabricação de Materiais Cerâmicos.
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baixo valor econômico em cerâmica vermelha. Para isso, foi necessário atingir relações molares
adequadas misturando as argilas com os rejeitos de quartzito. Também foram aproveitados os
conteúdos de sódio (> 9 %) dos resíduos de lama vermelha, oriundos do processo Bayer da indústria
do alumínio, além de sílica e alumina, para compor as misturas das outras matérias-primas nos
geopolímeros.
2.2.1 – Caulim
O termo “caulim” ou “china clay” deriva-se da palavra chinesa Kauling (colina alta) que faz
referência a uma colina de Jauchau Fu, ao norte da China, onde o material foi lavrado (Silva 2001,
Bristow 1987, Gomes 1986).
Entende-se por caulim, o material constituído por argilominerais do grupo da caulinita,
principalmente caulinita e halloisita, podendo também ocorrer os outros membros desse grupo, como a
diquita e nacrita (Murray 1988, Grim 1968). No caulim bruto outras sustâncias também podem estar
presentes, sob a forma de impurezas, com volume até entre 50 % e 80 %, tais como quartzos, micas,
feldspatos e outros minerais, tais como gibbsita, clorita, montmorilonita, topázio, turmalina, fluorita e,
óxidos de ferro e titânio. De acordo da aplicação industrial a concentração dessas substâncias no
caulim natural ou beneficiado podem situar até entre 15 e 20 % (MME 2009, Gomes 1986).
A fórmula geral dos minerais do grupo da caulinita é Al2O3.mSiO2.nH2O, onde m varia de 1 a 3
e n varia de 2 a 4 (Grim 1962). A estrutura cristaloquímica ideal da caulinita pode ser descrita como
uma sequência dioctaédrica, de empilhamento de camadas 1:1 (Figura 2.1), sendo cada camada
formada pela superposição de uma folha tetraédrica em uma folha octaédrica ligadas pelas hidroxilas
presentes na folha octaédrica superior que interagem com os átomos de oxigênio adjacentes da folha
tetraédrica inferior. Apresenta como parâmetros cristaloquímicos de célula unitária a = 5,139 Å; b =
8,932 Å; c = 7,371 Å e α = 91,6 º; β = 104,8 º e δ = 89,9 º (Brindley e Brown 1980) e suas principais
distâncias interplanares (d) difratadas são 7,15; 3,57; 2,55; 2,49 e 2,33 Å.
Figura 2.1 – Estrutura Cristalina da Caulinita (Grim 1968)
Contribuições às Ciências da Terra Série D, vol. 33, 97p.
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Os caulins são o resultado de alterações de silicatos de alumínio, particularmente os feldspatos,
e podem ocorrer em dois tipos de depósitos: os primários ou residuais (eluviais) e os secundários. Os
depósitos primários, resultantes das alterações de rochas in situ, são divididos em dois grupos
principais: intemperizados e hidrotermal. Os depósitos secundários ou sedimentares são originados
pela deposição de materiais transportados em água, com baixos teores de quartzo e mica (Murray e
Keller 1990).
2.2.1.1 - Propriedades e Aplicações Industriais do caulim
As aplicações industriais do caulim, independentemente do tipo de depósito e formação, em
geral, estão baseadas nas suas propriedades físicas e químicas, sendo as mais importantes (Silva 2001):
− Desfloculação – é o ponto no qual o caulim (na forma de barbotina) mais se aproxima de sua
viscosidade mínima;
− Tixotropia – é o fenômeno de transformação sol-gel isotermo reversível, ou seja, quanto mais
afastada de sua viscosidade mínima está o caulim (na forma de barbotina), maior é a tendência
de aumentar sua viscosidade com o tempo, podendo em certos usos, atingir a forma de gel; no
entanto, pela agitação volta ao estado físico inicial;
− Viscosidade – é o tempo, em segundos, para escoar volumes de 200 e 250 cm3 de barbotina
em viscosímetro de Mariotte;
− Granulometria – é mais grosseira do que os demais tipos de argila;
− Cristalinidade – apresenta lamelas hexagonais bem cristalizadas;
− Densidade real – 2,6 g/cm3 ;
− Ponto de fusão – de 1.650 a 1.775 ºC;
− Resistência mecânica – baixa em relação às outras argilas;
− Plasticidade – menos plástica do que as demais argilas;
− Morfologia – apresenta partículas lamelares euédricas;
− pH – depende da capacidade de troca do íons e das condições de formação do caulim,
podendo variar entre 4,3 e 7;
− Alvura – é a propriedade de medida da refletância;
− Módulo de ruptura – medido em atmosferas a 80 % de umidade relativa;
− Abrasão – medida em termos de perda de peso em miligramas;
− Propriedades químicas – representadas pela sua mineralogia e composição química.
Industrialmente o caulim calcinado ou metacaulim é utilizado em variadas aplicações como são:
pinturas, plásticos, cerâmicas, produtos de cimentos (cimento pozolânico e geopolímeros), papel,
borrachas, tintas, revestimentos e produtos de vedação. Essas aplicações conferem aos produtos finais
melhoras nas propriedades como são na dureza, resistência, fricção e outras (Taylor et al. 2008).
Peralta-Sánchez M. G., 2015. Estudo da Viabilidade do Uso de Materiais de Baixo Valor Econômico do Quadrilátero Ferrífero na Fabricação de Materiais Cerâmicos.
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O caulim pode ser comercializado na forma não beneficiada, beneficiada a seco e, beneficiada a
úmido ou lavada (Bordonalli 1995). Em 2007 o consumo aparente de caulim no Brasil foi de
aproximadamente 177.400 toneladas. Nesse mesmo ano o consumo mundial do caulim foi de
37.357.000 toneladas: 45 % distribuído nas indústrias de papel (cobertura e enchimento) 31 % em
cerâmica (porcelana, cerâmica branca e produtos refratários) e o restante, 24 %, nas indústrias de tinta,
borracha, plásticos e outros (Senna e Mártires 2008).
2.2.2 – Filito
O filito cerâmico, também denominado leucofilito, ou simplesmente filito, é uma rocha
metassedimentar metamórfica de textura muito fina, de fácil moagem, constituída basicamente de
mica (principalmente sericita), caulinita e quartzo (Motta et al. 1998), além de dolomita e/ou
feldspatos (Medeiros et al. 2003). No estado natural, apresenta textura sedosa e cores claras, variando
entre cinza, branca e rosa, entretanto, quando queimado a 950 °C torna-se rosa, após a queima a1.250
°C pode ser cinza com tonalidades esverdeadas e, após fundir a 1.450 °C é cinza escuro (Souza e
Santos 1964).
O filito contém aproximadamente 7 % de álcalis (K), devido à presença de micas o que lhe
confere propriedades de material fundente (Motta et al. 1998, Santos 1992). De acordo com a sua
composição química e mineralogia, o filito pode ser adicionado às massas cerâmicas, em proporções
de até 50 %, como substituto parcial de argila e feldspato, assim como para aumentar a velocidade da
sinterização da massa (Tanno e Motta 2000, Motta et al. 1998). Porém, os filitos mais ricos em ferro
(> 2 %) não são aplicados em cerâmica branca por se fundirem a temperaturas menores do que
1.250 °C, além de que as peças elaboradas apresentam bolhas e coloração escura (Souza e Santos
1964).
2.2.3 – Quartzito
O quartzito é uma rocha metamórfica, com alto grau de recristalização, composta basicamente
entre 70 a 95 % de quartzo, podendo incluir, dentre outros minerais, micas (muscovita), magnetita,
granada, pirolusita, feldspatos, dumortierita e cianita (Menezes e Larizzatti 2005). A textura do
quartzito é granoblástica com granulação fina a média, e de acordo com a proporção e orientação dos
grãos dos outros minerais, a rocha pode apresentar forma maciça ou estratificada, com diversas
tonalidades. Esses fatores determinam a forma de lavra e as características do produto a comercializar
(Lima et al. 2007, Menezes e Larizzatti 2005).
Contribuições às Ciências da Terra Série D, vol. 33, 97p.
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A principal aplicação do quartzito é como chapas de revestimentos, peças ornamentais, areia
para construção civil e na indústria do vidro, sendo nesta última muito restrita devido aos seus
conteúdos de ferro (Costa et al. 2002, Fernandes et al. 2002).
2.2.4 – Lama vermelha
Os resíduos gerados após a dissolução da bauxita no processo Bayer são comumente
denominados lama vermelha, “red mud”, nomeada assim devido à sua cor característica (Barrand e
Gadeau 1981). O processo Bayer é o processo industrial mais empregado pelas indústrias de alumínio
na produção da alumina (Al2O3) através da dissolução (digestão), em soluções cáusticas (NaOH) à
temperaturas relativamente baixas (< 100°C), dos hidróxidos de alumínio Al(OH)3 contidos nos
minérios de bauxita, este processo têm alta eficiência nas bauxitas gibsíticas, como é no caso das
bauxitas brasileiras (Santos 1989).
A lama vermelha é constituída por óxidos insolúveis (principalmente ferro, silício e alumínio)
dispersos em um meio altamente alcalino (Galembeck et al. 2009) e dentre os minerais mais comuns
são encontrados hematita, goethita, magnetita, quartzo, sodalita e gipsita (Brunori et al. 2005).
Uma refinaria de alumínio pode gerar entre 0,7 a 0,9 t de resíduos por cada tonelada de
alumina fabricada (ABAL 2000). A forma comum de deposição desses resíduos, ainda saturados com
soda caustica, é mediante sua descarga em lagoas de sedimentação, construídas especificamente para
este propósito (UNCTAD 1995), podendo ter algum tratamento prévio (Costa 1981). Essa deposição
gera altos custos e riscos ambientais, que têm motivado pesquisas na busca de usos alternativos, que
possibilitem a redução dos volumes de resíduo e uma adequada disposição final (Silva Filho et al.
2007).
Por muito tempo as lamas vermelhas não tiveram aplicações com resultados práticos (Chaves
1962), convertendo-se no principal problema enfrentado pelas refinarias de alumínio por ser altamente
agressivo ao meio ambiente e de difícil armazenamento. A descoberta da possibilidade de utilizar
lamas vermelhas na fabricação de vidrados representou um grande avanço (Menezes et al. 2002), pois
as pesquisas progrediram nos campos de estudo ambientais, construção civil e cerâmica, química,
agrícola e, polímeros (Silva Filho et al. 2007), sendo consideradas como primeira opção a utilização
como material de construção (que incluem as cerâmicas tradicional) e na indústria química (Klauber et
al. 2009).
2.3– PRINCIPAIS ETAPAS DO PROCESSO PRODUTIVO DA CERÂMICA
VERMELHA
Os processos de fabricação empregados nos diversos segmentos cerâmicos, em geral, são
similares, se diferenciando pelas características da peça a fabricar ou pelo tipo de técnica aplicada na
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conformação da peça (CTESB 2008). De maneira geral, a fabricação de produtos cerâmicos
compreende as seguintes etapas:
1. Preparação da matéria-prima e da massa;
2. Formação das peças;
3. Tratamento térmico
4. Acabamento;
5. Etapas opcionais- esmaltação e decoração.
A qualidade do produto final depende, principalmente, da composição da massa cerâmica, do
ciclo de queima e do controle das temperaturas usadas.
2.3.1– Preparação da matéria-prima e da massa
Na indústria cerâmica vermelha, grande parte das matérias-primas utilizadas é natural. Seu
tratamento inclui algumas etapas de beneficiamento de minerais, como são homogeneização,
desagregação ou destorroamento, moagem, classificação e, em alguns casos específicos a purificação
(CTESB 2008).
Denomina-se massa cerâmica à mistura de duas ou mais matérias-primas e água. Essa água
adicionada se divide em dois tipos: água intersticial que é necessária para preencher os poros das
partículas e, água livre que se localiza entre as partículas facilitando a trabalhabilidade da massa
cerâmica (Vieira et al. 2003). As matérias-primas são dosadas em proporções controladas, misturadas
e homogeneizadas, até obter uniformidade física e química da massa cerâmica (CTESB 2008).
Os diferentes tipos de massas preparadas dependem da técnica a ser empregada para dar forma
ao produto cerâmico, assim, as massas cerâmicas podem ser classificadas como:
− Suspensão (Barbotina): solução ou diluição de argila, para obtenção de peças em moldes de
gesso ou resinas porosas;
− Massas secas ou com uma baixa porcentagem de água: na forma sólida ou granulada, para
obtenção de peças por prensagem;
− Massas plásticas: constituídas de um sólido maleável, para obtenção de peças por extrusão
que seguidamente podem ser torneadas ou prensadas.
Contribuições às Ciências da Terra Série D, vol. 33, 97p.
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2.3.2 – Formação de peça
A seleção de um processo para transformar uma massa cerâmica em uma forma geométrica é o
processo de conformação, que depende, fundamentalmente, das características do produto a obter tais
como dimensões e forma, assim como das propriedades das matérias-primas, de fatores econômicos,
dentre outros. Existem quatro processos de conformação (CTESB 2008):
− Colagem/Fundição em molde: comumente utilizado nos produtos feitos à base de
barbotina, como xícaras e louças sanitárias. Consiste no despejo da barbotina em um molde
de gesso. Seguidamente, o molde absorve a água da suspensão, acomodando as partículas
sólidas na superfície do gesso e reproduzindo a superfície interior do molde. Nessa
pesquisa, foi adaptado o processo de colagem para a conformação de geopolímeros,
utilizando um recipiente plástico cilíndrico como molde.
− Extrusão: nesse processo, a massa plástica é colocada em um equipamento denominado
extrusora, também conhecida como maromba, onde é compactada e forçada por um pistão
ou eixo helicoidal, através de um bocal com determinado formato. Dessa forma o material
sai da extrusora como uma coluna contínua, com formato e seção transversal estabelecidos
pelo bocal. Seguidamente, a coluna é cortada no comprimento requerido para os diversos
produtos, tais como telhas, tijolos, tubos e outros. É comum que a extrusão seja uma etapa
intermediária da conformação, podendo ser continuada por prensagem ou torneamento das
peças.
− Prensagem: usado, principalmente, na produção de pisos e revestimentos. Consiste na
conformação de massas granuladas, com baixo teor de umidade, por meio de uma prensa
mecânica, hidráulica ou isostática. Nessa pesquisa, a conformação de tijolos foi feita com
uma prensa hidráulica com auxílio de um molde de aço.
− Torneamento: esse processo é realizado em torno, mecânico ou manual, comumente
utilizado logo após da extrusão, para dar a forma ou acabamento final à peça. Também é
muito utilizado nas oficinas de cerâmica artística e artesanal.
2.3.3 – Tratamento Térmico
Essa etapa inclui a secagem, queima e resfriamento das peças conformadas. Os tempos
empregados nessas três fases variam entre poucos minutos até dias, dependendo do tipo de produto
cerâmico desejado (CTESB 2008). Durante esse tratamento ocorre uma série de transformações físico-
químicas nos componentes da massa cerâmica, tais como perda de massa, desenvolvimento de novas
fases cristalinas, formação de fases vítreas e a soldagem dos grãos. Essas transformações conferem aos
produtos cerâmicos propriedades e características adequadas para diversas aplicações (CTESB 2008).
Peralta-Sánchez M. G., 2015. Estudo da Viabilidade do Uso de Materiais de Baixo Valor Econômico do Quadrilátero Ferrífero na Fabricação de Materiais Cerâmicos.
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De maneira resumida, as principais reações durante um ciclo de queima são:
− Até 100 °C: eliminação da água livre;
− Próxima a 200 °C: eliminação da água coloidal contida entre as partículas de argila;
− De 350 a 650 °C: combustão de matéria orgânica;
− De 450 a 650 °C: destruição da estrutura cristalina dos argilominerais, com liberação de
vapor;
− Próxima a 570 °C: transformação do quartzo;
− > 700 °C: reações químicas da sílica com a alumina, formando silico-aluminatos
complexos;
− De 800 a 950 °C: carbonatos se decompõem e liberam CO2;
− > 1.000 °C: os silico-aluminatos amolecem abrangendo as outras partículas, e fechando
espaços entre partículas.
2.3.3.1- Secagem
É uma etapa bastante delicada e complexa, pois comumente aparecem defeitos na peça
conformada durante a evaporação da água contida nessa peça (Vieira et al. 2003). Os defeitos incluem
desde fissuras até a diminuição das propriedades físicas dos corpos cerâmicos, como a resistência
mecânica e a descoloração. A principal causa da maior parte dos defeitos é a retração do corpo durante
a secagem (Brosnam e Robinson 2003). Para evitar a presença desses defeitos é necessário reduzir
lenta e gradualmente a água contida até um teor entre 0,8 a 1,5 % de umidade (CTESB 2008).
O calor fornecido nessa etapa é feita por queimadores de gás natural ou elétricos, a temperaturas
entre 100 e 170 °C. Os secadores são de tipo horizontal e vertical, sendo que os verticais ocupam
menor espaço e os horizontais consomem menor energia (CTESB 2008).
2.3.3.2 - Queima
Esse processo, também conhecido como sinterização, corresponde a uma das etapas de maior
importância do processo cerâmico, onde as peças adquirem propriedades finais de qualidade, tais
como: brilho, cor, porosidade, estabilidade dimensional, resistência mecânica, resistência à
temperatura, resistência química, etc., assim como é um fator essencial para determinar o preço final
de venda do produto (CTESB 2008, Alexandre et al. 2006).
Contribuições às Ciências da Terra Série D, vol. 33, 97p.
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As temperaturas utilizadas na queima das peças conformadas podem variar de acordo com o
setor cerâmico, assim, para cerâmica vermelha entre 900 (SEBRAE 2008) e 1.350 °C (Moreira 1994);
para cerâmica branca de revestimento, próxima a 1.200 °C e; para a elaboração de louças, entre 1.000
e 1.450 °C (Moreira 1994).
2.3.3.3 -Resfriamento
As peças cerâmicas obtidas após a queima entram na fase de redução de temperatura, até atingir
temperaturas inferiores a 200 °C. Essa fase visa evitar o aparecimento de defeitos nas peças quando
expostas à temperatura do ambiente.
2.3.4 – Acabamento
Alguns produtos cerâmicos não podem ser colocados no mercado sem antes receber um
tratamento adicional, pós-queima, tais como polimento, corte, furação, dentre outros (CTESB 2008).
2.3.5 – Etapas opcionais - esmaltação e decoração
Após a secagem, a maioria dos produtos recebe uma camada fina e continua de materiais, de
origem natural ou sintética, denominada esmalte ou vidrado, que adquire aspecto vítreo após a queima.
Essa camada confere ao produto cerâmico propriedades que vão desde a estética, higiene e, melhor
resistência mecânica e elétrica. Os esmaltes podem ser do tipo cru, esmalte de fritas ou uma mistura de
ambos (CTESB 2008). O esmalte cru é uma mistura de matérias-primas com granulometria fina,
aplicada em suspensão sobre a superfície da peça cerâmica, comumente sanitários e porcelanas,
durante a queima (> 1.200 °C), que se funde e forma uma camada vítrea sobre peças (CTESB 2008).
O esmalte de fritas é uma suspensão, de um material previamente vitrificado (> 1.300 °C), aplicada em
peças cerâmicas queimadas a temperaturas inferiores a 1.200 °C (CTESB 2008).
A decoração é uma técnica opcional utilizada, de acordo com a estética desejada no produto
final. Existem muitos métodos manuais e mecânicos de aplicação das matérias-primas sobre a
superfície do corpo cerâmico que vão fornecer a cor, relevo, brilho, etc., desejados. (CTESB 2008).
2.4 - CERÂMICA VERMELHA OU ESTRUTURAL
Os produtos de cerâmica vermelha compreendem aqueles materiais com coloração avermelhada
empregados na construção civil (tijolos, blocos, telhas, elementos vazados, lajes, tubos cerâmicos e
argilas expandidas) e também utensílios de uso doméstico e de ornamentação (ABCERAM 2011). A
Peralta-Sánchez M. G., 2015. Estudo da Viabilidade do Uso de Materiais de Baixo Valor Econômico do Quadrilátero Ferrífero na Fabricação de Materiais Cerâmicos.
22
cerâmica vermelha está representada, principalmente, pelos produtos oriundos de olarias, que são
microempresas familiares dedicadas a essa atividade (CTESB 2008, Resende 1998).
Na Figura 2.2 é apresentado um esquema que resume o processo de fabricação de telhas e
tijolos, como parte da cerâmica vermelha.
Figura 2.2 – Processo de fabricação de cerâmica vermelha (modificado de ABCERAM 2011).
É característica desse subsetor a elaboração empírica das massas cerâmicas, procurando uma
composição ideal de plasticidade e fusibilidade que vai propiciar a trabalhabilidade e resistência
durante a queima. A preparação da massa é feita através da mistura de uma argila “gorda” (plástica e
Argila “dura”
Britagem
Moagem
Dosagem e alimentação
Desintegração
Mistura
Laminação
Extrusão
Argila “mole”
Dosagem e alimentação
Prensagem
1- Telhas
2- Tijolos furados, blocos, lajes, elementos vazados, tubos (manilhas) e alguns tipos de telhas.
Extrusão
Corte
Secagem
Queima
Inspeção
Extrusão Estocagem
Expedição
Rejeito
Aparas
Contribuições às Ciências da Terra Série D, vol. 33, 97p.
23
grão fino) composta de argilominerais com uma argila “magra” (menos plástica e rica em quartzo)
(Motta et al. 2001, Pracidelli e Melchiade 1997). A temperatura de queima dos produtos de cerâmica
vermelha varia entre 900 °C (SEBRAE 2008) e 1.350 °C (Moreira 1994).
2.5 – GEOPOLÍMEROS
O avanço das pesquisas nas ciências dos materiais tem proporcionado ao homem a faculdade de
desenvolver novas tecnologias e aperfeiçoar as já existentes para o aproveitamento de diversas
matérias-primas na obtenção de novos produtos com qualidades cerâmicas aceitáveis (ABCERAM
2011). Nesse setor se incluem os geopolímeros obtidos no presente trabalho.
Os geopolímeros utilizam matérias-primas comuns à indústria cerâmica em misturas com
subprodutos ou rejeitos industriais e, em geral, podem atingir propriedades tecnológicas superiores aos
materiais cerâmicos comuns em diversas áreas de aplicação, tais como em construção, cimentos,
revestimento, isolante, etc. (Davidovits 2008, Teixeira-Pinto 2004).
2.5.1 – Conceito
Na década de 70, Joseph Davidovits (1976) apresentou os métodos de fabricação de um novo
polímero mineral chamado polissialato (Davidovits 2008) que foi patenteado nos Estados Unidos com
o nome de geopolímero (Davidovits e Sawyer 1985, Davidovits 1984, Davidovits 1982). O processo
de fabricação foi baseado na metodologia empregada na obtenção de zeólitas sintéticas (Weber 1971,
MacDaniel 1968, Kvetinskas 1966, Barrer e Baynham 1962, 1961, Milton 1962, 1961, Bond 1952) e,
nos estudos realizados sobre os fenômenos da conformação de solos-cimento alcalinos (Glukhovsky
1965) e da ativação alcalina de escorias de alto forno (Glukhovsky et al. 1980).
O processo de elaboração dos geopolímeros (Davidovits 1982, Davidovits 1976), também
denominada geosíntese, consiste na dissolução de misturas de materiais alumino-silicáticos em
soluções altamente alcalinas, a temperaturas que variam do ambiente até menores do que 120 °C, que
se transformam em uma fase em forma de gel até solidificar e, após um tempo de curado, se tornam
altamente resistentes (Davidovits 2008). Esse processo também é denominado como geopolimerização
(Xu e Deventer 2000) ou ativação alcalina (Roy 1999).
Os geopolímeros são classificados, de acordo com sua relação atômica de Si:Al, em famílias
chamadas de sialatos, que é uma abreviação para álcali silico-óxi-aluminato, sendo que o “álcalis”
pode corresponder a sódio, potássio, lítio ou cálcio, e o termo polissialato abrange à combinação
(Na,K,Li,Ca)(Si-O-Al) (Davidovits 1982, Davidovits et al. 1994). Os geopolímeros possuem a
seguinte fórmula empírica:
Peralta-Sánchez M. G., 2015. Estudo da Viabilidade do Uso de Materiais de Baixo Valor Econômico do Quadrilátero Ferrífero na Fabricação de Materiais Cerâmicos.
24
Mn{-(SiO2)z-AlO2} n, wH2O
onde:
M é um cátion como potássio, sódio ou cálcio,
n é o grau de policondensação
z é 1, 2 ou 3,
w pode ter valores acima de 7.
De acordo com o valor de z, que representa a razão Si:Al, os geopolímeros se classificam em
três categorias ou famílias: polissialato (PS), polissialato-siloxo (PSS), polissialato-disiloxo (PSDS),
tal como mostrado na Tabela 2.2.
Tabela 2.2– Classificação dos geopolímeros (modificado de Davidovits et al. 1994).
z Tipo de geopolímero Estrutura Cátion alcalino
1 Polissialato (PS)
| |Mn(Si―O―Al―O)n, wH2O
| |O O
K ou Na
2Polissialato–siloxo (PSS)
| | |
Mn(Si―O―Al―O―Si)n, wH2O| | |
O O O
KNaK,Ca
3Polissialato-disiloxo (PSDS)
| | | |Mn(Si―O―Al―O―Si―O―Si-)n, wH2O
| | | |O O O O
KK,Ca
O polissialato também chamado geopolímero, polímero mineral ou polímero inorgânico pode
receber outras denominações relacionadas com a sua utilização ou método de fabricação, tais como:
geocimentos, cimentos geopoliméricos, cimentos alcalinos com escórias, concreto polímero-
inorgânico, cimento alcalino-activado, hidro-cerâmica e vidro-aluminossilicato de baixa temperatura
(Duxson et al. 2007).
A estrutura do polissialato pode ser amorfa ou semicristalina, e é formada por cadeias ou anéis
que consistem de tetraedros de SiO4 e AlO4- ligados em uma sequência alternada com
compartilhamento de íons de oxigênios nos vértices. Íons positivos, tais como Na+, K+, Li+, Ca2+, Ba2+,
NH4+ e H3O
+ devem estar presentes nas cavidades estruturais, a fim de compensar a carga negativa do
Al 3+ e Si+4 com oxigênio O2- gerando deficiência de carga -5 no alumínio e -4 no silício. Na Figura 2.3
são mostradas algumas estruturas obtidas como polissialatos, que são similares às de alguns minerais.
Contribuições às Ciências da Terra Série D, vol. 33, 97p.
25
Figura 2.3 – Figuras computarizadas das moléculas de poliméricas de polissialato de Mn-(-Si-O-Al-O-)n e polissialato-siloxo de Mn -(-Si-O-Al-O-Si-O-)n e suas estruturas (Davidovits 1994).
2.5.2 - Geosíntese
A geosíntese ou geopolimerização é o conjunto de reações químicas que ocorrem entre o
aluminossilicato das matérias-primas e as fortes soluções alcalinas, sob pressão atmosférica e a
temperaturas inferiores a 120 ºC (Giannopoulou e Panias 2007). Davidovits (1982) menciona que a
geosíntese pode ser acelerada a temperaturas que não ultrapassem 120 ºC, pois, sob estas condições,
poderia ser cristalizada a zeólita. Este pesquisador também menciona que, à temperatura ambiente~25
ºC, a geosíntese é atingida após 15 horas, a 50 ºC é atingida após 4 horas e, a 95 ºC, após 30
minutos. Segundo a Wincret Designer Concrete Produts (Geo-Pol 2008), a geosíntese se desenvolve a
baixas temperaturas, com reação química rápida e, a cura inicial requer um período entre 24 e 48
horas. Cura é o conjunto de procedimentos que visam evitar a evaporação da água necessária e a perda
da forma adquirida do molde, durante a fabricação de concreto (ABNT 1994, Andriolo 1984).
Polissialato (–Si–O– Al–O–)
Polissialato-siloxo (–Si–O–Al–O–Si–O–)
Polissialato-disiloxo (–Si–O– Al–O–Si–O–Si–O–)
PS
PSS
PSDS
Polissialato de Potássio Estrutura da Kalsilita
K-PS
Polissialato-siloxo de Potássio Estrutura da Leucita
K-PSS
Polissialato-siloxo de (Cálcio, Potássio) Estrutura da Analcima
(Ca,K)-PSS Polissialato de Sodio Estrutura da Sodalita
Na-PS
Polissialato-siloxo de (Sodio,Potasio) Estrutura da Filipsita
(Na,K)-PPS
Peralta-Sánchez M. G., 2015. Estudo da Viabilidade do Uso de Materiais de Baixo Valor Econômico do Quadrilátero Ferrífero na Fabricação de Materiais Cerâmicos.
26
Na Figura 2.4 apresenta-se um esquema geral de formação de três produtos diferentes
envolvendo aluminossilicatos, ou seja, obtenções de cimento Portland convencional, cimento
geopolimérico e zeólita sintética. Como pode ser observado nesta figura, para a obtenção de cimento
Portland é necessária a fabricação de clínquer, que ocorre a altas temperaturas, entre 1450 e 1500 ºC, o
que provoca altas emissões de CO2, tanto pela calcinação do calcário, quanto pela queima do
combustível empregado. Já na geosíntese, semelhantemente à fabricação de zeólita sintética, a grande
vantagem é que as reações são realizadas a temperaturas muito menores, portanto, sem maiores
emissões de poluentes na atmosfera. No caso de serem utilizadas matérias-primas naturais, antes da
geosíntese e da fabricação de zeólita cristalina, deve ser feita a calcinação destas matérias, visando a
sua desoxidrilação, que ocorre entre 500 e 900 ºC (Geo-Pol 2008).
Cimento Portland Cimento geopolimérico Zeólita cristalina
CaO + SiO2 + Al2O3 Al2O3 + SiO2 Al2O3 + SiO2
1450 ºC - 1500 ºC
20 - 90 ºC +
solução silico-alcalina
80 - 120 ºC +
solução alcalina
Clinquer - Si – O – Al – O - Sílica coloidal
Hidratação Geosíntese
Aquecimento em 2 estágios:
80 - 100 ºC 25 - 150 ºC
C – S – H + Ca(OH)2 Estrutura 3D – Aluminossilicato Cristalização da zeólita
Figura 2.4– Comparação entre os processos de obtenção do cimento Portland convencional, do cimento geopolimérico e da zeólita sintética, modificado de Nicholson et al. (2005) e Breck (1962).
Alguns autores, como Panias et al. (2007), Giannopoulou e Panias (2007), Panagiotopoulou et al.
(2007), Barbosa et al. (2000), Xu e Van Denventer (2000), Van Jaarsveld et al. (1997), estudaram a
geosíntese, que pode ser resumida nos seguintes estágios:
• dissolução da Si e Al dos aluminossilicatos das matérias-primas sólidas em soluções
aquosas altamente alcalinas, formação dos monômeros (SiO4-4) e (AlO4
-5),
• difusão das espécies dissolvidas por toda a solução,
• formação de ligações tipo Si-O-Si e/ou Si-O-Al, na fase aquosa, chamadas oligômeros que
são os precursores dos geopolímeros, resultado na formação de gel,
• policondensação dos oligômeros na forma de rede tridimensional, formando gel,
• ligação das partículas sólidas não dissolvidas dentro da rede geopolimérica, formando um
conjunto homogêneo e,
Contribuições às Ciências da Terra Série D, vol. 33, 97p.
27
• endurecimento da estrutura geopolimérica.
Estes estágios, porém também podem ocorrer paralelamente sem que seja possível distingui-los
entre si.
2.5.4 - Materiais usados na geosíntese
Os polímeros inorgânicos compõem-se de dois sistemas formadores: sólidos reativos ou matérias-
primas que contêm principalmente SiO2 e Al2O3 e, ativadores ou solução ativadora que contêm
hidróxidos alcalinos, silicatos, aluminatos, carbonatos e sulfatos em concentrações adequados para se
obter as relações SiO2/Al2O3 , M2O/SiO2 e H2O/M2O (Buchwald 2006).
2.5.4.1- Matérias-primas
No desenvolvimento dos geopolímeros inicialmente foram utilizados materiais naturais como
caulim e logo se estenderam a materiais secundários e subprodutos industriais, tais como, escórias de
alto forno, cinzas industriais, cerâmicas, rejeitos de mineração, e argamassas recicladas, visando sua
utilização como substituto de argamassas ou agregados para concretos, cimentos, plásticos entre outras
aplicações (Davidovits 2008, Davidovits 2002).
Atualmente sabe-se que, teoricamente, alguns materiais compostos de sílica e alumina podem ser
ativados alcalinamente, sendo os mais comuns: argilas cauliníticas (Peralta-Sánchez et al. 2010,
Davidovits 1984, Davidovits 1982), cinzas industriais (Van Jaarsveld et al. 2003, Jahanian e Rostami
2001, Palomo et al. 1999, Roy et al. 1995), escorias de alto forno (Fernández-Jiménez e Puertas 1997,
Jhon 1995), rejeitos de mineração (Davidovits 1996, Torgal et al. 2007), rejeitos da indústria química
(Puertas et al. 1999), materiais cerâmicos (Puertas et al. 2006, Davidovits et al. 1989), bauxitas (Klauber
et al. 2011), além de silicatos minerais ricos em alumínio tais como: almandina, grossularita, silimanita,
andaluzita, cianita, pumpeleita, espodumênio, augita, lepidolita, illita, celsiana, estilbita, heulandita,
anortita (Xu e Van Deventer 2000) e vidros vulcânicos (Gimeno et al. 2003).
As matérias-primas podem ser misturadas entre si ou com outros materiais, como complemento
químico, para formar as composições geopoliméricas. Algumas misturas que foram pesquisadas são:
metacaulim e escória de alto forno (Yip e Van Deventer 2003, Davidovits e Sawyer 1985), cinzas
industriais e metacaulim (Swanepoel e Strydom 2002), caulim, albita e cinzas industriais (Xu et al.
2002), metacaulim e materiais pozolânicos (Davidovits 1996), metacaulim e rochas feldspáticas,
metacaulim e fumo de sílica (Davidovits e Davidovits 2005, Davidovits et al. 1998), cinzas industriais e
caulinita (Van Jaarsveld et al. 2002), cinzas industriais e escorias (Puertas e Fernández-Jiménez 2003),
cinzas industriais e argilas (Zimmer e Bergmann 2007) e, escoria e lama vermelha (Pan et al. 2002). A
pesquisa destas matérias-primas conduziu à obtenção de polímeros inorgânicos de alta resistência
Peralta-Sánchez M. G., 2015. Estudo da Viabilidade do Uso de Materiais de Baixo Valor Econômico do Quadrilátero Ferrífero na Fabricação de Materiais Cerâmicos.
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mecânica e térmica. Outras pesquisas concentraram-se em descobrir materiais aluminossilicosos
naturais, rejeitos ou subprodutos industriais que possam servir de matérias-primas para a elaboração dos
geopolímeros (Nicholson et al. 2005). Pesquisas realizadas com lutitos diatomáceos contendo 20 % de
calcita (de Guaiaquil, Equador) e caulim (da Bahia, Brasil) resultaram em geopolímeros sem fraturas e
com resistência mecânicas menores a 5 MPa (Peralta-Sánchez 2008, Peralta-Sánchez et al. 2007),
características que permitem seu uso como material de construção.
2.5.4.2- Ativadores
Os ativadores alcalinos mais comumente empregados na geosíntese são: hidróxido de sódio
(NaOH), hidróxido de potássio (KOH), silicato de sódio (Na4SiO4), metasilicato de sódio
(Na2SiO3.nH2O) e silicato de potássio (nSiO2K2O – Swanepoel e Strydom 2002, Xu et al. 2002, Barbosa
et al. 2000, Fernandez-Jimenez et al. 1999, Palomo et al. 1999). Outros ativadores menos utilizados são:
hidróxido de cálcio (Ca(OH)2 – Alonso e Palomo 2001), carbonato de sódio (Na2CO3 – Collins e
Sanjayan 1998) e silicato de cálcio (CaSiO3 –Yip e Van-Deventer 2003).
Os ativadores são usados de forma simples ou composta. O ativador simples utiliza um único
reagente, podendo ser hidróxido de sódio ou hidróxido de potássio. O ativador composto inclui uma
solução de 1 ou 2 hidróxidos ou, por sua vez, combinados com um silicato (Collins e Sanjayan 1998). O
silicato da solução composta é uma fonte adicional de SiO2 ao sistema, enquanto que o hidróxido garante
alta alcalinidade à solução (Lima et al. 2005). Nessa pesquisa o ativador utilizado foi hidróxido de sódio,
que é o mais utilizado em diversos experimentos e de fácil aquisição comercial.
Os resíduos de lama vermelha também foram utilizados para reduzir o consumo do ativador
hidróxido de sódio, considerando que a concentração de sódio (Na2O) nas lamas podem atingir valores
próximos de 10 % (Mercury et al.2010), além de apresentar altos teores de sílica e alumina.
2.5.5- Parâmetros Físico-Químicos
Os parâmetros mais importantes considerados na elaboração dos polímeros inorgânicos são:
• temperatura de desoxidrilação das matérias-primas naturais (Smiley et al. 1998,
Chandrasekhar 1996);
• granulometria das matérias-primas (Teixeira-Pinto 2004, Yip e Van-Denventer 2003);
• razões molares, SiO2/Al 2O3, M2O/SiO2, M2O/Al2O3, H2O/M2O, das matérias-primas e das
misturas com os reagentes (Beleña et al. 2004, Davidovits 1982);
• tipo e concentração dos ativadores (Bakharev et al. 1999a, Fernandez-Jimenez et al.
1999);
• temperatura da geosíntese (Barbosa et al. 2000, Bakharev et al. 1999b, Fernandez-Jimenez
Contribuições às Ciências da Terra Série D, vol. 33, 97p.
29
e Puertas 1997, Davidovits 1982);
• condições e tempo de cura (Swanepoel e Strydom 2002, Collins e Sanjayan 2001,
Davidovits 1982).
O controle destes parâmetros permite elaborar materiais de distintas naturezas e propriedades. Por
exemplo, as relações molares SiO2/Al2O3 baixas e um excesso do cátion Na+ em relação ao Al3+, além
das temperaturas superiores a 100 ºC, favorecem a obtenção de zeólitas, que são materiais de baixa
resistência mecânica. Enquanto que, razões molares SiO2/Al2O3 ≥ 4 e Na2O/Al2O3 = 1 e, com condições
de curado a temperatura e pressão baixas, favorecem a obtenção de estruturas geopoliméricas de dureza e
resistência próximas às das cerâmicas (Beleña et al. 2004).
Na Tabela 2.3 comparam-se as faixas das razões molares dos óxidos nas misturas reativas
consideradas durante a elaboração de um tipo de zeólitas sintética, denominada por Breck (1962) como
zeólita tipo S e, dos geopolímeros patenteados por Davidovits (1982).
Tabela 2.3 – Relações molares das misturas dos reagentes (matérias-primas + ativadores) de dois polímeros minerais (Davidovits 1982).
Relações molares dos óxidos nas misturas reativas
Zeolita S Geopolímero
Na2O / SiO2 0,3 – 0,6 (Na2O, K2O) / SiO2 0,20 – 0,28 SiO2/Al 2O3 6,0 – 25,0 SiO2/Al 2O3 3,50 – 4,50 H2O / Na2O 18,0 – 100,0 H2O / (Na2O, K2O) 15,0 – 17,50
Na2O / Al2O3 1,8 – 15,0 (Na2O, K2O) / Al2O3 0,80 – 1,20
2.5.6- Propriedades dos Geopolímeros
De acordo com o tipo de matéria-prima e com os parâmetros físico-químicos, os geopolímeros
possuem diversas propriedades, dentre as que se destacam as seguintes (Davidovits 2008, Duxson et al.
2007, Wang e Cheng 2003, Davidovits 2002):
• baixa temperatura de reação dos minerais das matérias-primas;
• rápida adesão;
• baixa retração;
• baixa condutividade térmica;
• resistência a altas temperaturas e ao choque térmico;
• estabilidade química ou resistência a corrosão;
Peralta-Sánchez M. G., 2015. Estudo da Viabilidade do Uso de Materiais de Baixo Valor Econômico do Quadrilátero Ferrífero na Fabricação de Materiais Cerâmicos.
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• alto grau de dureza;
• resistência à abrasão, compressão, fratura, flexão e tração.
2.5.7- Aplicações dos Geopolímeros
Para Davidovits (1991, 2008) o campo de aplicação dos geopolímeros é vasto, sendo utilizados
nas indústrias automotivas e aeroespacial, na metalurgia e fundições de materiais não-ferrosos, na
engenharia civil, na indústria de plásticos, etc., tanto em forma pura, como carga ou reforço de outros
materiais, assim:
• Em forma pura: na estocagem de produtos químicos tóxicos ou rejeitos radioativos, etc.
• Como carga: para a fabricação de concretos especiais, moldes para fabricação de peças
termoplásticas, etc.
• Como reforço: para a manufatura de moldes, em ferramentas, em fundição para a obtenção de
ligas de alumínio e metalurgia, etc.
• Como catalisador: na indústria química (Sazama et al. 2011).
Roy (1999) menciona ainda, dentre outras aplicações, o uso dos geopolímeros em construção civil
para a fabricação de pavimentos para rodovias, de dormentes de trilhos para ferrovias, na fabricação de
concretos resistentes a ácidos; na agricultura, como corretivo de solos para cultivo; na fabricação de
impermeabilizante de terrenos, de imobilização de barragens em obras hidráulicas, em sistemas de
irrigação, em comportas e revestimentos de barragens.
Contribuições às Ciências da Terra Série D, vol. 33, 97p.
31
CAPÍTULO 3
MATERIAIS E MÉTODOS
3.1 - MATERIAIS
As matérias-primas utilizadas nessa pesquisa foram as argilas cauliníticas e aditivos.
Sete foram as argilas coletadas nas fácies mais argilosas de três depósitos do Quadrilátero
Ferrífero:
− Fácies Arenito Coesivo Maciço identificada como ACM, Fácies Diamictito Branco identificada
como DB e Fácies Diamictito Vermelho identificada como DV, no depósito Padre Domingos,
sinclinal Moeda;
− Fácies Argilosa Maciça identificada como AM e Fácies Argilosa Friável identificada como FS, no
depósito Morro do Caxambu, localizado no sinclinal Dom Bosco.
− Fácies argilosa avermelhada denominada R1 e argilosa amarelada denominada R5 dos taludes a
um lado da rodovia BR-356, localizadas aproximadamente a 10 km da cidade de Itabirito (Figura
1.3 e Figura 1.6);
Os aditivos utilizados foram:
− Filito, denominado F, aflorante nos arredores do depósito do Morro do Caxambu com coordenadas
UTM 7743135, 0638438 (Figura 3.1A).
− Rejeitos de quartzito, denominados Q, foram coletados, com tamanhos variando entre seixos e
areia, em uma fábrica artesanal de placas para revestimento, na saída da cidade de Ouro Preto
(Figura 3.1B), em sentido à cidade de Mariana.
Figura 3.1 – A- Detalhe de ocorrência de filitos no Morro do Caxambu. B- Oficina de corte das placas de quartzito de onde são gerados rejeitos em forma de fragmentos e de areia.
Peralta-Sánchez M. G., 2015. Estudo da Viabilidade do Uso de Materiais de Baixo Valor Econômico do Quadrilátero Ferrífero na Fabricação de Materiais Cerâmicos.
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− Uma amostra de lama vermelha (LMV, Figura 3.2A e 3.2B), de Poços de Caldas, Minas Gerais,
visando o aproveitamento do seu conteúdo em Na2O, que foi doada pela Companhia Brasileira de
Alumínio – CBA.
Figura 3.2 – A- Amostras de lama vermelha natural, B – Amostras das matérias-primas de quartzito Q, das argilas cauliníticas ACM, DB, R1, FS e R5, filito F e da lama vermelha LMV, aquecidas à temperatura de 680 °C.
Adicionalmente, para a fabricação dos geopolímeros foi utilizado hidróxido de sódio P.A.
(99 %) em micropérolas da VETEC, como ativador alcalino (Figura 3.3A)e, para a conformação dos
corpos de prova, moldes plásticos cilíndricos de 50 ml de capacidade e diâmetro de 3,6 cm e, formas
desmontáveis em PVC denso, com dimensões médias de 3,2 cm x 3,2 cm x 3,5 cm (Figura 3.3B).
Figura 3.3 – A-NaOH em micropérolas utilizado na elaboração de soluções alcalinas. B – Moldes plásticos cúbicos em PVC e recipientes cilíndricos plásticos, ambas utilizadas na conformação dos corpos de prova geopoliméricos.
A
B A
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3.2 - MÉTODOS
3.2.1 – Amostragem e Preparação das Amostras
A amostragem das argilas e filitos foi realizada em pelo menos cinco pontos distribuídos da
base ao topo de cada fácies/talude selecionada, objetivando obter amostras bem representativas e
características. Para cada ponto de amostragem, aproximadamente 10 kg de amostras foram coletados.
Os rejeitos de quartzito foram coletados em três pontos, sendo um na descarga direta do
equipamento usado no corte úmido das placas, o segundo ponto no piso do local de trabalho e o
terceiro ponto na parte mais externa do local.
Cada amostra de argila, filito, quartzito e a lama vermelha foi secada por 72 horas a temperatura
média de 50 °C, homogeneizada, moída em moinho de bolas e peneirada a 35 mesh (0,425 mm) sendo,
em seguida, preparadas as amostras representativas para a conformação dos corpos de prova e análises
laboratoriais.
3.2.2 - Conformação dos corpos de prova
3.2.2.1 - Para Tijolos
Cada amostra composta de argila foi ajustada à umidade de 8,5 %, usando uma balança da
marca Marte, modelo ID200. Aproximadamente 40 gramas de cada amostra foram depositados em um
molde de aço para a conformação de corpos de prova prismáticos, de dimensões7,0 cm x 2,0 cm x 1,5
cm, usando a técnica de prensagem (Gaspar Jr. 2003), com a ajuda de uma prensa hidráulica da marca
ALFRED JAMSLER & Co ou utilizando uma prensa eletro-hidráulica digital da marca SOLOCAP,
modelo CL-100T. A pressão aplicada em cada corpo variou de acordo com a obtenção de corpos sem
fraturas, assim: 8 t para ACM, DB, R5, FS e AM; 3 t para DV; 2 t para R1 e; 5 t para todas as
misturas. A queima, desses corpos foi feita em duas temperaturas: 900 e 1.100 °C, em uma mufla da
marca GRION com quatro a cinco patamares de aquecimento: 100 °C durante 12 h, 400 °C durante2
h, 600 °C durante 2 h, 900 °C durante 3 h e, 1.100 °C durante 3 h. A Figura 3.4 mostra, de maneira
resumida, o procedimento de fabricação da cerâmica vermelha.
As temperaturas de queima de 900 e 1.100 °C utilizadas nesse trabalho correspondem,
respectivamente, aos valores mínimo e máximo empregados para a utilização de argilas comuns
(argilas cauliníticas) no setor da cerâmica vermelha (SEBRAE 2008).
Os ensaios preliminares de queima mostraram que somente para as amostras DV e R1 foi
possível obter corpos cerâmicos sem fraturas. Desta forma, para as amostras restantes (ACM, DB, R5,
FS e AM) foram feitas misturas com o aditivo filito (F) nas proporções de 5, 10 e 20 %. Para ACM
ainda foi necessário adicionar 25 % de F, para obter um resultado mais eficiente. Essas misturas foram
denominadas de acordo com o nome da amostra e o teor do aditivo, por exemplo, para ACM:
ACM+5F, ACM+10F, ACM+15F, ACM+25F.
Peralta-Sánchez M. G., 2015. Estudo da Viabilidade do Uso de Materiais de Baixo Valor Econômico do Quadrilátero Ferrífero na Fabricação de Materiais Cerâmicos.
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Figura 3.4– Metodologia de fabricação de peças de cerâmica vermelha. A- Fluxograma resumido da metodologia; B- Matéria-prima sendo homogeneizada; C- Balança para o controle e correção da umidade das misturas; D- Prensa hidráulica para a conformação dos corpos; E- Corpos de prova prontos a queima; F- Corpo cerâmico obtido após a queima.
Na Tabela 3.1são apresentados os tijolos elaborados com as argilas naturais, com as misturas de
argilas com filito e aquecidos a 900 e 1.100 °C, e os tijolos cujas superfícies foram modificadascom
solução alcalina.
Tabela 3.1– Tijolos obtidos a partir das argilas naturais, com as misturas de argilas com filito (F)e aquecidos a 900 e 1.100 °C, eos tijolos cujas superfícies foram modificadas com solução alcalina.
Amostra Aquecidas Aditivadas + Aquecidas Modificadas AMC
Todas aquecidas a900
e 1.100 °C
9.ACM + 15F 9.ACM + 15F 1.ACM + 25F -
DB 9.DB + 5F 9.DB + 5F 1.DB + 5F -
DV - 9.DV R1 - - R5 9.R5 + 5F 9.R5 + 5F
1.R5 + 10F - FS 9.FS + 5F 9.FS + 5F 1.FS + 10F -
AM 9.AM + 5F 9.AM + 5F 1.AM + 10F -
Contribuições às Ciências da Terra Série D, vol. 33, 97p.
35
3.2.2.2 - Para Geopolímeros
Previamente ao uso das matérias-primas, a literatura recomenda realizar a sua ativação térmica a
uma temperatura entre 500 e 850 °C (Geo-pol 2008), visando a desoxidrilação dos alumino-silicatos, o
que possibilita uma melhor reação da mistura total com o ativador. Para isso, cada matéria-prima
natural utilizada para a fabricação de geopolímeros, argilas caulinítica, rejeitos de quartzito e lama
vermelha, foi queimada a temperaturas próximas a 700 °C, por 5 horas, em uma mufla da GRION. A
Figura 1.10 mostra, de maneira resumida, a metodologia utilizada para a ativação alcalina, que foi
adaptada de Davidovits (Davidovits 1984, Davidovits 1982) e corresponde à elaboração do
geopolímero tipo Polissialato de sódio (Na-PS) (Davidovits 2008, Davidovits 1994).
Figura 3.5– Metodologia de fabricação de cerâmica avançada: ativação alcalina (geopolimerização). A- Fluxograma resumido da metodologia; B- Matérias-primas, reagente alcalino e materiais de plástico utilizados na geopolimerização; C- Gel formado a partir da mistura, na sua fase inicial da ativação alcalina; D- Gel depositado em moldes plásticos cilíndricos; E- Geopolímeros obtidos após o desmolde; F- Detalhe de um geopolímero obtido sem fraturas.
Na Tabela 3.2 são mostradas as relações molares entre os óxidos SiO2, Al2O3, Na2O e H2O, que
devem ser atingidas pelas misturas, para obter o geopolímero do tipo Na-PS (Davidovits 1982).
Dependendo das proporções e das características das espécies mineralógicas contidas nas matérias-
primas, pode mudar a metodologia de elaboração, assim como as características dos produtos obtidos
(Texeira-Pinto 2004).
Peralta-Sánchez M. G., 2015. Estudo da Viabilidade do Uso de Materiais de Baixo Valor Econômico do Quadrilátero Ferrífero na Fabricação de Materiais Cerâmicos.
36
Tabela 3.2– Relações molares entre os óxidos reagentes da mistura geopolimérica de acordo com Davidovits (1982).
Relação (mol / mol) SiO2 / Al2O3 3,50 a 4,50 Na2O / SiO2 0,20 a 0,28 H2O / Na2O 15,00 a 17,50
Na2O / Al2O3 0,80 a 1,20
A solução alcalina de hidróxido de sódio (NaOH) entre 13 e 15 M foi preparada 24 horas antes
do seu uso, tempo que permitiu sua reação total com a água destilada utilizada como solvente. O uso
desse ativador alcalino em forma de solução é recomendado na literatura (Davidovits 1982), porque a
reação da sua forma sólida com a água é extremamente exotérmica (UNEP 2002, Davidovits 1982),
podendo prejudicar as reações químicas que ocorrem entre os aluminossilicatos das matérias-primas e
os elementos alcalinos (Davidovits 1982).
Na elaboração dos geopolímeros foram testadas misturas em diversas proporções utilizando as
argilas cauliníticas DB, ACM, R5 e R1, o quartzito Q e a lama vermelha LMV para se obter, em
média, três corpos de prova por cada 100 gramas dessas misturas e com uma relação água/sólidos
(w/w) próxima a 0,38. Para cada mistura, calculou-se o volume (ml) de solução NaOH necessário para
atingir valores próximos às relações molares (Na2O/SiO2 e Na2O/Al2O3) mostradas na Tabela 3.2..
3.2.3 - Análises e Ensaios Laboratoriais
Análises granulométricas das matérias-primas foram feitas por peneiramento a úmido,
utilizando as peneiras 5, 10, 18, 35, 60, 120, 230 e 400 mesh, que representam os limites dos tamanhos
de partícula: cascalho, areia e silte + argila, de acordo com a escala de Wenthworth. Para essa análise,
50 g de cada amostra foram misturados com 500 ml de uma solução dispersante de metassilicato de
sódio 0,1 % p/v, agitados e mantidos em repouso por 12 horas. Em seguida, as misturas foram
novamente agitadas por 5 horas e peneiradas. O material retido em cada peneira foi secado a 70 ºC,
pesado e calculado o percentual de cada fração. O tamanho médio das partículas da fração silte
fino+argila (passante na peneira de 400 mesh) foi analisado através de um granulômetro a laser 1064
da marca CILAS, do laboratório de Análises de Particulados do Departamento de Engenharia de
Minas da UFOP.
Difratogramas de raios X, em preparações não orientadas (pó total), foram obtidos de cada
matéria-prima natural e dos corpos cerâmicos utilizando um difratômetro da marca RIGAKU
GEIGERFLEX D/MAX-B (com radiação monocromática CuKα), com faixa angular entre 2 e 70 º e
velocidade de leitura de 1,2 °/min e, das misturas e dos geopolímeros, com um difratômetro da marca
Panalytical Empyrean, com radiação CuKα acoplado com detector de estado sólido X’Celerator.
Contribuições às Ciências da Terra Série D, vol. 33, 97p.
37
Análises químicas dos elementos maiores e menores, de cada matéria-prima natural, foram
feitas utilizando o equipamento da marca Philips - Panalytical, modelo MagiX, com amostrador
automático PW 2540, equipado com tubo de ródio a 2,4 kW.
Análises termodiferenciais (ATD) e termogravimétricas (ATG) das argilas naturais foram feitas
no intervalo de 25 a 1.100 °C, sob atmosfera de nitrogênio, e com taxa de aquecimento de 20 ºC/min,
com alumina como material padrão, com um equipamento da marca TA Instruments, SDT 2960,do
laboratório de Análises de Particulados do Departamento de Engenharia de Minas da UFOP.
O limite de liquidez e o índice de plasticidade das argilas naturais foram determinados de
acordo com as normas técnicas NBR 6459 (ABNT 1984a) e NBR 7180 (ABNT 1984b),
respectivamente, com um aparelho Casagrande da marca VIATEST-PATTROL, uma balança da
marca Marte, modelo AS 2000C e uma estufa da marca FABBE.
Para cada matéria-prima natural e para cada corpo cerâmico foi determinada a densidade usando
um multipicnômetro da marca Quantachrome com o gás hélio, assim como a superfície específica e a
porosidade pelo método de BET (Brunauer, Emmett e Teller), usando um analisador automático,
NOVA 1.000 da marca Quantachrome, com absorção de N2, a -196 ºC (77 °K) e desgasificação a 60
ºC durante 5 h, do laboratório de Análises de Particulados do Departamento de Engenharia de Minas
da UFOP.
Análises por microscopia eletrônica de varredura (MEV) foram efetuadas no Laboratório
Microlab do Departamento de Geologia, utilizando o microscópio eletrônico da marca JEOL JSM-
5510. Foi analisada a superfície dos corpos de prova crus e dos corpos cerâmicos (corpos de prova
queimados), após serem recobertos com grafite, sendo as condições de análise de 0,5 a 30 kV, com
resolução de 3,5 a 48 nm.
A quantificação da retração linear foi feita relacionando as dimensões dos corpos de prova
com as dos corpos cerâmicos (após queima a 900 e a 1.100 ºC).
Os valores de absorção de água, de acordo com a norma NBR 8947 (ABNT 1985), foram
obtidos relacionando o peso dos corpos cerâmicos secos com o seu peso após fervidos em água
durante duas horas.
Os ensaios mecânicos de resistência à compressão, de acordo com a norma NBR 6460 (ABNT
1984c), foram feitos utilizando a mesma prensa hidráulica da conformação dos corpos de prova.
Os geopolímeros foram submetidos a ensaios de resistência mecânica à compressão, utilizando
uma prensa eletro-hidráulica digital CL-100T, da marcaSOLOCAP. Os valores obtidos desses ensaios
foram relacionados com as normas da INMETRO (2001) e ABNT (2003, 1991, 1984d, 1983).
Peralta-Sánchez M. G., 2015. Estudo da Viabilidade do Uso de Materiais de Baixo Valor Econômico do Quadrilátero Ferrífero na Fabricação de Materiais Cerâmicos.
38
Contribuições às Ciências da Terra Série D, vol. 33, 97p.
39
CAPÍTULO 4
1CARACTERIZAÇÃO TECNOLOGICA DAS ARGILAS
CAULINÍTICAS PARA SUA UTILIZAÇÃO NA INDÚSTRIA
CERÂMICA
4.1.- RESUMO
Sete amostras compostas, representativas de três ocorrências de argila caulinítica do
Quadrilátero Ferrífero foram caracterizadas física, mineralógica e quimicamente visando seu uso na
indústria cerâmica. Apesar da presença predominante de caulinita, variações nos teores de Fe2O3 entre
2 a 44 %, refletidos pela presença de goethita e hematita, acarretam diferentes cores que variam entre
branco (ACM e DB), amarelo (R5), vermelho amarelado (FS) e vermelho (DV, R1 e AM). Corpos
cerâmicos foram queimados a 900 e 1.100 °C, sendo que as cores praticamente não mudaram após a
queima. Entretanto, somente corpos feitos com DV e R1 cumpriram as especificações técnicas para
cerâmica, não apresentando fraturas e atingindo altas resistências à compressão: 67,2 e 46,8 MPa,
respectivamente. Para as outras amostras foram testadas misturas com filito (F) nas proporções de 5,
10, 15, 20 e 25 % e queima a 900 e 1.100 °C. Os melhores resultados dos corpos cerâmicos, com
ausência de fraturas, resistências à compressão entre 54,6 e 35,0 MPa e que cumpriram as
especificações técnicas, foram obtidos nas proporções: ACM+15F, DB+5F, R5+5F, FS+5F, AM+5F e
queima a 900 ºC.
Palavras-chave: caulim, filito, cerâmica, Quadrilátero Ferrífero.
4.2.- ABSTRACT
Seven samples from three kaolin deposits of the Quadrilátero Ferrífero were characterized by
physical, mineralogical and chemical analyses in order to determine their use in the ceramic industry.
Despite the predominant presence of kaolinite, the variations in the Fe2O3 content from 2 to 44 %, due
to presence of goethite and hematite resulted in different colors, namely: white (ACM and DB),
yellow (R5), yellowed red (FS) and red (DV, R1 e AM). Specimens were burned at 900 and 1.100 ° C
and they almost didn’t change color. However, only specimens made with DV and R1 samples
reached the technical specifications for the ceramic industry, without fractures and with values of
compression strength of 67.2 and 46.8 MPa, respectively.
1Peralta-Sánchez M.G., Morales-Carrera A.M., Varajao A.F.D.C., Ferreira M.M., 2011. Viabilidade do uso de argilas cauliníticas do
Quadrilátero Ferrífero para a indústria cerâmica. Cerâmica (São Paulo. Impresso), v. 57, p. 254-262.
Peralta-Sánchez M. G., 2015. Estudo da Viabilidade do Uso de Materiais de Baixo Valor Econômico do Quadrilátero Ferrífero na Fabricação de Materiais Cerâmicos.
40
The other samples were made by mixing phyllite in the proportions of 5, 10, 15, 20 e 25 % and
burned at 900 and 1.100 °C. The bricks made with ACM+15F, DB+5F, R5+5F, FS+5F, AM+5F and
burned at 900 ºC reached the technical specifications for ceramic industry, without fractures and with
values of compression strength between 54.6 and 35.0 MPa.
Keywords: kaolin, phyllite, ceramic industry, Quadrilátero Ferrífero.
4.3. - INTRODUÇÃO
A ampla distribuição de depósitos argilosos cauliníticos no Quadrilátero Ferrífero despertou o
interesse pela sua pesquisa desde o início do século XIX (Gorceix 1884). Entretanto, apesar dos
inúmeros trabalhos (Ferreira 1983, D’Elboux e Ferreira 1975, Dorr 1969, Pomerene 1964, Johnson
1962, Guild 1957, Scorza 1939, Barbosa 1934, Derby 1906), estes, de caráter genérico, visaram
essencialmente a gênese destes corpos ficando o estudo da sua potencialidade para a indústria de
cerâmica em um segundo plano. Ressalta-se, portanto a importância dos trabalhos mineralógicos,
cristaloquímicos e micromorfológicos de detalhe (Santos et al. 2004; Santos e Varajão 2004; Santos
2003; Varajão et al. 1989a, 1989b, 1989c, 1990, 2000, 2001; Varajão 1988) que forneceram uma
caracterização detalhada de algumas ocorrências, dados estes imprescindíveis para estudos aplicativos.
Neste contexto estudos realizados nos corpos argilosos cauliníticos do depósito de Padre
Domingos (Santos 2003) e, do Morro do Caxambu (Santos e Varajão 2004) forneceram uma detalhada
caracterização desses corpos com a definição e descrição das diferentes fácies presentes, sendo
algumas destas selecionadas para o presente estudo, que objetiva a análise da viabilidade de sua
aplicação na indústria cerâmica.
4.4.- MATERIAIS E MÉTODOS
4.4.1. - Materiais
Foram estudadas argilas das três localidades no Quadrilátero Ferrífero (Figura 4.1): depósito de
Padre Domingos, localizado no sinclinal Moeda; Morro do Caxambu, no sinclinal Dom Bosco; e taludes
ao lado da rodovia BR-356.
No depósito de Padre Domingos as três fácies, previamente definidas (Santos 2003) como
arenito coesivo maciço (ACM), diamictito branco (DB) e diamictito vermelho (DV), foram utilizadas
como matérias primas neste estudo. No Morro do Caxambu, das quatro fácies previamente definidas
(Santos 1998, Santos et al. 1999, Varajão e Santos 2001): fragmentária, argilosa maciça, nodular e
argilosa friável, somente argilosa maciça (AM) e argilosa friável (FS) foram selecionadas devido ao
seu maior conteúdo na fração argila (< 2 mm). Amostras de dois taludes (R1 e R5) da rodovia BR-356,
Contribuições às Ciências da Terra Série D, vol. 33, 97p.
41
também foram coletadas. Adicionalmente, como material aditivo foi utilizado filito (F) da Formação
Fecho do Funil, Grupo Piracicaba, Supergrupo Minas, que é o embasamento destes depósitos.
Figura 4.1 – Localização das áreas de estudo no Quadrilátero Ferrífero, Minas Gerais.
A coleta das amostras foi realizada em pelo menos cinco pontos distribuídos da base ao topo
decada fácies/talude selecionada, com a finalidade de se obter amostras bem representativas e
características. Para cada ponto de amostragem, 10 kg de amostras foram coletados, secadas a
temperatura ambiente, destorroadas e homogeneizadas, sendo, em seguida, preparadas sete amostras
compostas, representativas de cadafácies/talude, e designadas com o mesmo nome da fácies/talude de
coleta.
4.4.2. - Métodos
Análises granulométricas por peneiramento a úmido, utilizando as peneiras 5, 10, 18, 35, 60, 120,
230 e 400 mesh, que representam os limites dos tamanhos de partículas: grânulo, areia e silte, de acordo
com a escala de Wenthworth, foram efetuadas. Para essa análise, 50 g de cada amostra foram misturadas
com 500 ml de uma solução dispersante de metassilicato de sódio 0,1 % p/v, agitadas e mantidas em
repouso por 12 horas. Em seguida, as misturas foram novamente agitadas por 5 horas e peneiradas. O
material retido em cada peneira foi secado a 70 ºC, pesado e calculado o percentual de cada fração. O
tamanho médio das partículas da fração silte fino+argila foi analisado através do granulômetro a laser da
Peralta-Sánchez M. G., 2015. Estudo da Viabilidade do Uso de Materiais de Baixo Valor Econômico do Quadrilátero Ferrífero na Fabricação de Materiais Cerâmicos.
42
marca CILAS, modelo 1064.
Difratogramas de raios X, em preparações não orientadas, foram obtidos no difratômetro da marca
RIGAKU GEIGERFLEX D/MAX-B (com radiação monocromática CuKα), com faixa angular entre 2 e
70 º e velocidade de leitura de 1,2 °/min. Análises termodiferenciais (ATD) e termogravimétricas (ATG)
foram feitas no intervalo de 25 a 1.100 °C, sob atmosfera de nitrogênio com um equipamento da marca
TA Instruments, SDT 2960 e com taxa de aquecimento de 20 ºC/min, com alumina como material
padrão.
Análises químicas dos elementos maiores e menores foram feitas utilizando o equipamento da
marca Philips - Panalytical, modelo MagiX com amostrador automático PW 2540, equipado com tubo de
ródio a 2,4 kW.
O limite de liquidez e o índice de plasticidade foram determinados de acordo com as NBR 6459
(ABNT 1984a) e NBR 7180 (ABNT 1984b), respectivamente, utilizando um aparelho Casagrande da
marca VIATEST-PATTROL, uma balança da marcaMarte, modelo AS 2000C da e uma estufa da marca
FABBE.
Para a preparação dos corpos de prova as amostras compostas foram peneirada a 35 mesh(0,425
mm) e designadas com o mesmo nome da fácies/talude de coleta. Corpos de prova prismáticos (7,0 cm x
2,0 cm x 1,5 cm) foram confeccionados com 8,5 % de umidade (Gaspar 2003), determinada com uma
balança da marcaMarte, modelo ID 200 da, utilizando a prensa hidráulica da marcaALFRED JAMSLER
& Co. A pressão aplicada variou de acordo com a obtenção de corpos sem fraturas, assim: 8 t para ACM,
DB, R5, FS e AM; 3 t para DV; 2 t para R1 e; 5 t para todas as misturas. A queima, em duas
temperaturas: 900 e 1.100 °C, foi realizada em uma mufla da marca GRION com quatro a cinco
patamares de aquecimento: 100 °C durante 12 h, 400 °C durante 2 h, 600 °C durante 2 h, 900 °C durante
3 h e, a 1100 °C durante 3 h.
Os ensaios de queima preliminares mostraram que somente para as amostras DV e R1 foi
possível a obtenção de corpos cerâmicos sem fraturas. Desta forma, para as amostras restantes (ACM,
DB, R5, FS e AM) foram feitas misturas com filito (F) nas proporções de 5, 10 e 20 %. Para ACM ainda
foi necessário a adição de 25 % de F, para obter um resultado mais eficiente. Essas misturas foram
denominadas de acordo com o nome da amostra e com o teor aditivo, por exemplo, para ACM:
ACM+5F, ACM+10F, ACM+15F, ACM+25F.
Para cada amostra composta, com aditivo e nos corpos cerâmicos foi determinada a densidade
usando um multipicnômetro da marcaQuantachrome com o gás hélio, assim como a superfície específica
e a porosidade pelo método de BET (Brunauer, Emmett e Teller) usando um analisador automático, da
marca Quantachrome, modelo NOVA 1000 com absorção de N2, a -196 ºC (77 °K) e desgasificação a 60
ºC durante 5 h.
A quantificação da retração linear foi feita relacionando as dimensões dos corpos de prova (em
Contribuições às Ciências da Terra Série D, vol. 33, 97p.
43
cru) com os corpos cerâmicos (após queima a 900 e a 1100 º C). Os valores de absorção de água, de
acordo com a norma NBR 8947 (ABNT 1985), foram obtidos relacionando o peso dos corpos cerâmicos
secos com o seu peso após fervidos em água durante duas horas. Os ensaios mecânicos de resistência à
compressão, de acordo com a norma NBR 6460 (ABNT 1984c), foram feitos utilizando a mesma prensa
hidráulica da confecção dos corpos de prova.
4.5 - RESULTADOS E DISCUSSÃO
Os resultados obtidos das análises granulométricas (Tabela 4.1) indicam que todas as amostras,
são predominantemente compostas por silte fino + argila (SF+A), com mais de 81 %, exceto R1 que
apresenta 46,5 % dessa fração. O diâmetro médio (DM) das partículas dessa fração varia entre 5,9 a13,0
µm; em F é 16,9 µm.
Tabela 4.1 – Distribuição de tamanho de partículas das matérias primas e do aditivo.
Grânulo Areia *SG **SF+A ***DM (µm)
Amostra #5 (%)
#10 (%)
#18 (%)
#35 (%)
#60 (%)
#120 (%)
#230 (%)
#400 (%)
<#400 (<0,031mm)
(%) Padre Domingos
ACM 0,00 0,00 0,14 2,13 3,06 1,34 0,51 0,21 92,61 8,8
DB 0,00 0,23 0,67 1,89 2,86 1,10 0,23 0,13 92,89 13,0
DV 4,66 0,66 0,91 1,52 0,06 2,63 0,18 1,18 88,20 7,1
Rodovia
R1 0,00 0,13 1,21 8,85 13,04 12,08 11,58 6,58 46,53 5,9
R5 0,00 0,00 0,27 6,19 7,66 3,26 0,74 0,51 81,37 12,0
Morro do Caxambu FS 0,00 0,00 0,07 0,19 1,23 2,86 5,53 0,06 90,06 11,9
AM 3,97 7,81 2,02 0,68 0,45 0,18 1,40 0,15 83,34 7,9 Aditivo
F 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,01 1,57 9,36 89,06 16,9 *SG: silte grosso; **SF+A: silte fino+argila; ***DM: diâmetro médio das partículas inferiores a # 400.
As amostras da rodovia apresentam os mais altos valores de areia, sendo 18,1 % em R5 e 46, %
em R1. Nas amostras de Padre Domingos essa fração varia entre 5,3 e 7,2 % e nas do Morro do
Caxambu entre 4,7 e 9,9 %. No aditivo F essa fração areia atinge valores mínimos (1,6 %). A presença
de silte e pequenas proporções de areia nas amostras favorece a obtenção de algumas características das
cerâmicas, tal como não trincamento, retração, vitrificação, etc. (Araújoet al. 2000). Ramos et al. (2008)
concluíram que as proporções adequadas para cerâmica vermelha podem variar entre 4 a 7 % de areia, 29
a 50 % de silte e 45 a 62 % de argila.
Somente as amostras DV, AM e R1 contêm partículas de tamanho grânulo, atingindo um máximo
de 11,8 % em AM.
Peralta-Sánchez M. G., 2015. Estudo da Viabilidade do Uso de Materiais de Baixo Valor Econômico do Quadrilátero Ferrífero na Fabricação de Materiais Cerâmicos.
44
Valores de índice de plasticidade (IP) entre 17,0 e 51,6 (Tabela 4.2), portanto superior a 15,
indicam materiais altamente plásticos (Bittencourt 2001). Pode-se notar que o diâmetro médio das
partículas finas guarda relação com a plasticidade, pois as amostras com partículas menores refletem em
menores índices de plasticidade, enquanto as com partículas maiores, apresentam maiores IP. Já no
aditivo não foi possível obter valores de limites de Atterberg nem IP, portanto não apresentou
plasticidade.
Tabela 4.2– Características físicas das amostras: limite de liquidez (LL), limite de plasticidade (LP) e índice de plasticidade (IP).
Amostra
Limites de Atterberg IP LL LP
ACM 48,5 18,7 29,9 DB 53,8 2,2 51,6 DV 51,3 33,9 17,4 R1 28,9 7,5 21,4 R5 49,1 15,9 33,2 FS 60,4 23,6 36,8 AM 43,7 27 16,7
A mineralogia das sete amostras compostas (Figura 4.2 e 4.3) é similar, predominando caulinita e,
secundariamente, quartzo, hematita, feldspato, muscovita e goethita. As análises térmicas diferenciais
corroboraram esta composição. O filito (Figura 4.2 e 4.3) é constituído principalmente por muscovita
(M), caulinita (K) e quartzo (Q).
Nas misturas podem ser identificados todos os minerais contidos nas argilas e no aditivo F. Nos
corpos cerâmicos obtidos a 900 ºC (Figura 4.2 e 4.3) ainda pode ser identificada mica, quartzo, feldspato
e hematita, pois a estrutura cristalina da caulinita foi destruída e, a goethita transformou-se em hematita
(Watari 1982). Já nos corpos a 1100 ºC (Figura 4.2 e 4.3) além do quartzo e hematita aparece a mulita
(Mu), sendo esta bem evidente na amostra DV.
A composição química das amostras compostas indica a relação SiO2/Al2O3 próxima de 1 (Tabela
4.3). Exceção ocorre em R1 cuja relação é maior do que 5 devido ao alto conteúdo de quartzo (Figura
4.2D). Já no aditivo F, corroborando os dados mineralógicos, a sílica é quase o dobro do que a alumina,
devido presença predominante de muscovita. A presença deste mineral reflete no elevado teor em K2O
(7,9 %), que influencia diretamente no ponto de fusão das cerâmicas e na composição química das
misturas.
As cores apresentadas pelas amostras, de acordo com MUNSELL (1975): brancas para ACM
(5YR-8/1) e DB (5YR-8/1), vermelho amarelado (5YR-5/6) para FS, amarelo (10YR-8/6) para R5 e
vermelhas para AM (2.5YR-4/6), R1 (2.5R-4/8) e DV (2.5R-5/8) estão diretamente relacionadas ao
conteúdo em ferro. Assim, as amostras de cor branca possuem menores proporções de Fe2O3 com
valores próximos a 2 %, enquanto nas mais vermelhas como DV o conteúdo de ferro é maior a 44 %.
Após a queima, em geral, não houve mudança de cores, somente DV, R5 e AM apresentaram algumas
Contribuições às Ciências da Terra Série D, vol. 33, 97p.
45
variações, porém pouco significativas.
A. B. D. C. E.
Figura 4.2 – Difratogramas de raios X das amostras compostas de Padre Domingos (A, B, C), da rodovia (D, E), do aditivo F, das misturas e dos corpos cerâmicos sem fraturas obtidos a 900 ºC (9.) e 1.100 ºC (1.). K = caulinita, H = hematita, Q = quartzo, Fd = feldspato, M = muscovita, Go = goethita, Mu = mulita.
5 10 15 20 25 30 35 40 45 502θ
F
1.R5+10F
R5+10F
9.R5+5F
R5+5F
R5
Q
K K Q
M M
Go
H Q
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
1. ACM+25F
2θ
ACM+25F
9. ACM+15F
ACM+15F
F
ACM
M
Q K K Fd
M
K
M
Q
Go H
K
5 10 15 20 25 30 35 40 45502θ
1. DB+5F
9. DB+5F
DB
F
DB+5F
K K
K M
M
Go
Q
H Fd M
M
H Q K K
K
Q
Go
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
1. R1
2θ
9. R1
R1
H
5 10 15 20 25 30 35 40 45 502θ
1. DV
9. DV
DV
H
K K
K M M
Q
M Q Q
Go
Fd
Mu Mu
Peralta-Sánchez M. G., 2015. Estudo da Viabilidade do Uso de Materiais de Baixo Valor Econômico do Quadrilátero Ferrífero na Fabricação de Materiais Cerâmicos.
46
5 10 15 20 25 30 35 40 45 502θ
AM+10F
1.AM+10F
9.AM+5F
AM+5F
F
AMK K K M
M
Q
Go
H
Q
M
5 10 15 20 25 30 35 40 45 502θ
1. FS+10F
FS+10F
9. FS+5F
FS+5F
F
FSK K K M
M
Q
H
Q
Go
M
A. B.
Figura 4.3 – Difratogramas de raios X das amostras compostas do Morro do Caxambu, do aditivo F, das misturas e dos corpos cerâmicos sem fraturas obtidos a 900 ºC (9.) e 1.100 ºC (1.). K = caulinita, H = hematita, Q = quartzo, Fd = feldspato, M = muscovita, Go = goethita.
Tabela 4.3 – Composição química das amostras das argilas DB, DV e ACM (Padre Domingos), FS e AM (Morro do Caxambu) e R1 e R5 (Rodovia BR-356); e do aditivo F (Morro do Caxambu).
Amostra SiO2
(%) Al 2O3 (%)
Fe2O3 (%)
K2O (%)
TiO2 (%)
MgO (%)
P2O5 (%)
MnO (%)
CaO (%)
Na2O (%)
PF (%)
ACM 45,71 34,63 2,04 1,87 1,97 0,52 0,133 0,006 0,05 <0,001 12,56 DB 46,38 35,20 1,58 1,34 1,72 0,33 0,065 0,003 0,03 0,014 12,53 DV 24,32 18,18 44,25 1,58 0,82 <0,01 0,335 0,007 0,05 0,084 8,04 R1 70,67 12,89 10,48 0,50 0,83 <0,01 0,019 0,010 0,04 <0,001 4,58 R5 43,14 34,69 5,37 0,54 2,02 0,04 0,083 0,017 0,05 0,013 13,27 FS 40,22 27,16 17,76 0,96 1,80 0,13 0,063 0,011 0,03 0,043 10,90 AM 37,50 29,70 17,08 0,86 2,22 0,26 0,088 0,116 0,04 <0,001 11,46 F 50,33 26,29 8,91 7,92 1,02 0,63 0,050 0,004 0,05 0,334 4,11
A Tabela 4.4 mostra os valores de densidade, superfície específica por BET e porosidade para
as amostras compostas, antes e após a queima, e das misturas após a queima. Pode-se verificar o
aumento da densidade após a queima devido às mudanças que ocorrem com a estrutura cristalina dos
minerais: a caulinita é destruída e a goethita se transforma em hematita. Este incremento é marcante
nas amostras mais ricas em ferro, como DV e AM, que atingem após a queima valores de densidade
(d) superiores a 3 g/cm3 devido a presença predominante de hematita (d=5,26 g/cm3) emulita (d=3,23
g/cm3).
Em relação à superfície específica, tanto nos corpos cerâmicos obtidos a partir das amostras
compostas, quando com as misturas, observa-se que esses valores diminuem à medida que a
temperatura de queima aumenta e, portanto, também diminui a microporosidade. Essas mudanças são
mais evidentes nas amostras com maior teor de Fe2O3 como DV, onde o incremento de temperatura
propicia a brusca diminuição da superfície específica acompanhada pela diminuição da
Contribuições às Ciências da Terra Série D, vol. 33, 97p.
47
microporosidade e aparecimento de macroporos (Naomo e Fujiwara 1980) relacionados com o
aumento do tamanho de grão da hematita (Santana et al. 2001, Da Costa et al. 1992, Morales et al.
1984, Watari et al. 1982,).
Tabela 4.4 – Características físicas das amostras: densidade, superfície específica, porosidade. Somente são apresentadas as misturas queimadas a 900 ºC (9.) e a 1100 ºC (1.) que obtiveram corpos cerâmicos sem fraturas.
Amostra
Densidade (g/cm3)
Superfície específica
(m2/g)
Volume dos Microporos
(cm3/g)
ACM 2,70 27,63 0,0129 9.ACM 2,86 18,50 0,0086 9.ACM+15F 2,99 19,57 0,0092 1.ACM 2,85 9,92 0,0046 1.ACM+25F 2,95 3,54 0,0016 DB 2,66 19,54 0,0078 9.DB 2,90 15,70 0,0073 9.DB+5F 2,95 11,57 0,0054 1.DB 2,84 13,68 0,0063 1.DB+5F 3,01 1,88 0,0009 DV 3,21 36,67 0,0164 9.DV 3,49 14,07 0,0065 1.DV 3,62 2,64 0,0012 R1 2,83 10,16 0,0046 9.R1 2,95 6,53 0,0030 1.R1 2,98 0,78 0,0004 R5 2,74 26,87 0,0124 9.R5 2,94 20,71 0,0096 9.R5+5F 2,89 5,52 0,0031 1.R5 2,95 2,75 0,0010 1.R5+10F 3,09 3,44 0,0018 FS 2,69 27,04 0,0024 9.FS 2,95 11,60 0,0055 9.FS+5F 2,85 7,06 0,0033 1.FS 2,99 4,31 0,0019 1.FS+10F 2,85 3,71 0,0015 AM 2,92 22,80 0,1067 9.AM 3,21 16,57 0,0078 9.AM+5F 3,18 4,66 0,0031 1.AM 3,14 1,05 0,0005 1.AM+10F 3,29 0,84 0,0004
O aumento do tamanho do grão nas amostras, que é uma das características da sinterização
(Van-Vlack 1973), pode ser observado nas microfotografias obtidas através do MEV (Figura 4.4).
Nessas mostra-se também a presença de microfissuras que não foram observadas a olho nu nos corpos
cerâmicos.
Os ensaios tecnológicos apresentaram absorção de água (Tabela 4.5), entre 13,23 % para 9.R1
e 30,4 % para 9.R5+5F. De acordo com as especificações para tijolos cerâmicos esses valores devem
Peralta-Sánchez M. G., 2015. Estudo da Viabilidade do Uso de Materiais de Baixo Valor Econômico do Quadrilátero Ferrífero na Fabricação de Materiais Cerâmicos.
48
estar entre 8 e 25 % (INMETRO 2001). Assim, a maior parte dos corpos cerâmicos aqui obtidos
cumpre essas especificações. Entretanto, observações macroscópicas dos corpos de prova mostraram a
presença de microfissuras que podem ser relacionadas aos corpos de prova com maiores valores de
absorção de água, como o caso da amostra 9.R5+5F. Contudo, as proporções de absorção de água
podem ser relacionadas com a presença das microfissuras e com a porosidade dos corpos cerâmicos.
A retração linear (Tabela 4.5) mostrou o valor mínimo de 0,28 % para 9.ACM+15F e máximo
de 7,53 % para 1.AM+10F. Entretanto após queima dos corpos R1 houve uma pequena expansão das
dimensões em valores próximos a 0,5 %.
A resistência mecânica à compressão (Tabela 4.5) foi alta sendo, com um mínimo valor de
16,5 MPa para 1.FS+10F e o máximo de 67,2 MPa para 1.DV. Esses valores são superiores às
especificações técnicas para tijolos cerâmicos que indicam valores mínimos de 1 MPa (INMETRO
2001).
Tabela 4.5 – Valores de absorção de água, retração linear e resistência à compressão das amostras naturais e das misturas com filito para corpos queimados a 900 e 1100 ºC. Somente são apresentadas as misturas queimadas a 900 ºC (9.) e a 1100 ºC (1.) que obtiveram corpos cerâmicos sem fraturas.
Amostra
Absorção de água
(%)
Retração linear (%)
Resistência à compressão
(MPa) 9.ACM+15F 24,88 0,28 46,20 1.ACM+25F 16,27 3,94 31,68 9.DB+5F 24,05 0,98 54,64 1.DB+5F 18,85 4,35 26,85 9.DV 25,57 0,98 26,32 1.DV 16,79 5,48 67,22 9.R1 13,23 -0,57 44,06 1.R1 13,44 -0,43 46,81 9.R5+5F 30,40 1,55 36,47 1.R5+10F 21,58 5,49 29,70 9.FS+5F 29,16 1,27 39,79 1.FS+10F 19,13 5,34 16,50 9.AM+5F 25,24 1,41 35,03 1.AM+10F 14,26 7,53 16,88
Contribuições às Ciências da Terra Série D, vol. 33, 97p.
49
Figura 4.4- Fotomicrografias de microscopia eletrônica de varredura (MEV) dos materiais naturais e queimas a 900 e 1.100 °C. Com o aumento da sinterização a 1.100 ºC o tamanho dos poros aumenta.
Peralta-Sánchez M. G., 2015. Estudo da Viabilidade do Uso de Materiais de Baixo Valor Econômico do Quadrilátero Ferrífero na Fabricação de Materiais Cerâmicos.
50
4.6- CONCLUSÕES
As diferentes técnicas de análises usadas para a caracterização mineralógica, física e química
das argilas de três localidades do Quadrilátero Ferrífero, assim como o estudo tecnológico dos corpos
cerâmicos obtidos a partir dessas argilas naturais e de misturas com filito permitiram concluir que:
As amostras DV do depósito Padre Domingos e R1 do talude ao lado da rodovia, no Sinclinal
Moeda usadas no seu estado natural, são as que apresentaram as melhores características tecnológicas
e atingiram as especificações técnicas, resultando em corpos cerâmicos sem fraturas e resistências à
compressão superiores às normas. Tal fato pode ser atribuído aos maiores teores de Fe2O3 em DV e,
deste óxido em associação com SiO2 em R1.
As demais argilas naturais não atingiram as especificações para tijolos cerâmicos, sendo,
portanto necessário o uso do aditivo filito muscovítico para obtenção de características tecnológicas
adequadas, devido à presença de K2O que propicia a diminuição do ponto de fusão dos silicatos
(Santos 1992). Assim, foram usadas diferentes proporções para a obtenção de corpos cerâmicos sem
fissuras importantes e que atenderam as especificações requeridas. Os corpos cerâmicos queimados a
900 ºC podem ser considerados os que apresentaram melhores características tecnológicas com as
misturas de ACM, DB, R5 e FS, segundo as proporções de: ACM+15F, DB+5F, R5+5F, FS+5F,
AM+5F. Esses corpos cerâmicos apresentaram menor retração linear e maior resistência à compressão.
4.7- AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem a contribuição financeira da FAPEMIG (Fundação de Amparo à
Pesquisa do Estado de Minas Gerais) e do CNPq (Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e
Tecnológico) e, a colaboração técnica dos laboratórios de: materiais cerâmicos, difração de raios X,
fluorescência de raios X, microscopia eletrônica de varredura e geoquímica ambiental, do
Departamento de Geologia; BET e de tratamento de minérios do Departamento de Engenharia de
Minas; de análises térmicas do Departamento de Química e de ensaios mecânicos do Departamento de
Metalurgia da Universidade Federal de Ouro Preto (UFOP). Agradecemos ainda o suporte técnico do
Laboratório de Ensaios Cerâmicos (LABCER) do Departamento de Petrologia e Metalogenia, Instituto
de Geociências e Ciências Exatas, Universidade Estadual Paulista (UNESP).
Contribuições às Ciências da Terra Série D, vol. 33, 97p.
51
CAPÍTULO 5
1ATIVAÇÃO ALCALINA DE SUPERFÍCIES CERÂMICAS
VISANDO MELHORAR AS PROPRIEDADES FÍSICAS
5.1- RESUMO
Um estudo de caracterização tecnológica foi realizado com sete amostras compostas,
representativas de três ocorrências de argila caulinítica do Quadrilátero Ferrífero, Minas Gerais, Brasil,
visando seu uso na indústria cerâmica. Como resultado deste trabalho foram obtidos corpos cerâmicos
sem fraturas e com resistências à compressão superiores a 16 MPa. Entretanto, o menor valor de
absorção de água (AA) foi de 13 % para os corpos cerâmicos de uma única amostra, enquanto que
para as demais os valores variaram entre 24 e 30 %. A absorção de água máxima de 20 % e a
resistência mecânica mínima de 6,5 MPa são especificações técnicas para o uso de argilas na obtenção
de telhas como produtos cerâmicos. Dessa maneira, esse trabalho visou diminuir os altos valores de
absorção de água dos corpos cerâmicos, obtidos a partir das seis amostras de argilas, que não atingem
as especificações técnicas, através de ensaios que permitam modificar as superfícies desses corpos por
ativação alcalina. Após esses ensaios, os corpos cerâmicos apresentaram menores valores de AA, entre
6,8 e 23,7 %, e aumentaram os valores de resistência mecânica à compressão, entre 38,4 e 60,0 MPa.
Palavras-chave: cerâmica, caulim, filito, ativação alcalina, Quadrilátero Ferrífero.
5.2- ABSTRACT
A study of technological characterization was conducted with seven composite samples, representing
three occurrences of kaolinitic clay from the Quadrilátero Ferrífero, Minas Gerais, Brazil, aiming their usein
ceramic industry. As a result of this work were obtained ceramic bodies with no fractures and
compressive strengths exceeding 16 MPa. However, the lowest value of water sorption was 13% for
the ceramic bodies of a single sample, while for the others the values ranged between 24 and 30%. The
water absorption of up to 20% and the minimum strength of 6.5 MPa are technical specifications for
the tiles fabrication. Thus, this work aimed to reduce the high values of water absorption of ceramic
bodies, obtained from six samples of clays, which do not reach the technical specifications. Essays of
alkaline activation were used to modify the surfaces of the ceramic bodies. After these essays, the
ceramic bodies showed lower levels of water sorption, between 6.8 and 23.7%, and increased the
values of compressive strength between 38.4 and 60.0 MPa.
Keywords: ceramic industry, kaolin, phyllite, alcalin activation, Quadrilátero Ferrífero.
1PERALTA-SÁNCHEZ M.G., Morales-Carrera A.M., VARAJAO A.F.D.C. 2011. Modificação de Superfícies Cerâmicas através
deAtivação Alcalina. In: Edgar Berrezueta Alvarado; María José Domínguez-Cuesta. (Org.). Técnicas aplicadas a la caracterización y aprovechamiento de recursos geológico-mineros. 1ed.Oviedo: Instituto Geológico y Minero de España, 2011, v. II, p. 194-203.
Peralta-Sánchez M. G., 2015. Estudo da Viabilidade do Uso de Materiais de Baixo Valor Econômico do Quadrilátero Ferrífero na Fabricação de Materiais Cerâmicos.
52
5.3 - INTRODUÇÃO
Estudos de caracterização mineralógica foram feitos em amostras compostas de argilas de sete
depósitos localizados no Quadrilátero Ferrífero (Figura 5.1), no estado de Minas Gerais, ao sudoeste
de Brasil (Peralta-Sánchez et al. 2011, Ferreira 2010, Morales-Carrera et al. 2010a, Morales-Carrera et
al. 2010b, Peralta-Sánchez et al. 2010, Varajão 2007). Essas amostras foram ACM, DB e DV do
depósito de Padre Domingos (Santos 2003); R1 e R5 de um corte em uma rodovia próxima a esse
depósito e; FS e AM do depósito Morro do Caxambu (Santos e Varajão 2004, Santos e Varajão 2001,
Santos 2003, Santos 1998, Santos et al. 1999)
Figura 5.1 – Localização das áreas de estudo no Quadrilátero Ferrífero, no estado de Minas Gerais, Brasil.
A mineralogia das sete amostras compostas é similar, predominando caulinita e,
secundariamente, quartzo, hematita, feldspato, muscovita e goethita. Todas as amostras são altamente
plásticas, com valores de índice de plasticidade superiores a 15, sendo mais de 81 % das partículas
correspondentes à fração silte fino + argila. A sua composição química indicou a relação SiO2/Al 2O3
próxima de 1 exceto para R1, cuja relação é maior a 5 devido ao alto conteúdo de quartzo.
De acordo com Munsell (1975), as cores apresentadas pelas amostras são: branco para ACM
(5YR-8/1) e DB (5YR-8/1), vermelho amarelado (5YR-5/6) para FS, amarelo (10YR-8/6) para R5 e
Contribuições às Ciências da Terra Série D, vol. 33, 97p.
53
vermelho para AM (2.5YR-4/6), R1 (2.5R-4/8) e DV (2.5R-5/8). Essas cores estão diretamente
relacionadas com o conteúdo em ferro. Assim, as amostras de cor branca (ACM e DB) possuem
menores proporções de Fe2O3 com valores próximos a 2 %, a amarela (R5) com 5,4 %, a vermelha R1
com 10,5 %; FS e AM com valores em torno de 17 % e, a mais vermelha (DV) com mais de 44 %.
Com essas amostras moídas foram confeccionados os corpos de prova em forma de tijolos e
queimados a 900 °C. Nesses corpos, ainda pode ser identificados mica, quartzo, feldspato e hematita,
pois a estrutura cristalina da caulinita foi destruída e, a goethita transformou-se em hematita (Moreira,
1994).
As principais especificações técnicas a serem consideradas para corpos cerâmicos em forma
de telhas são, além da ausência de fraturas, a absorção de água (AA) deve ser menor a 20 % e a
resistência à compressão mínima deve ser de 6,5 MPa (Morete 2006). Somente os corpos obtidos com
R1 se ajustaram a essas três especificações, se apresentando sem fraturas, com AA em torno de 13 % e
com resistência à compressão superior a 44 MPa. Entretanto, os corpos feitos com DV não
apresentaram fraturas e a resistência à compressão foi maior a 32 MPa, valores esses que estão dentro
das especificações técnicas porém, AA foi superior a 25 %. Já os demais corpos mostraram-se muito
fraturados, devido a isso foram testadas misturas com diferentes proporções de filito (F) da mesma
região.
O filito é constituído principalmente por muscovita (M), caulinita (K) e quartzo (Q). A sílica é
quase o dobro do que a alumina, devido presença predominante de muscovita. A presença deste
mineral se reflete no elevado teor em K2O (7,9 %), que influencia diretamente no ponto de fusão das
cerâmicas e na composição química das misturas (Moreira 1994, Avgustinik 1983, Mackenzie 1957).
As misturas das argilas com filito foram feitas nas proporções ACM+15F, DB+5F, R5+5F,
FS+5F e AM+5F e usadas na conformação dos corpos, com a mesma metodologia e dimensões acima
mencionadas, e queimadas a 900 ºC. Após a queima, somente as cores dos corpos DV, R5 e AM
apresentaram variações pouco significativas, em relação às argilas naturais. Esses corpos não
apresentaram fraturas, as resistências à compressão foram superiores a 28 MPa e, AA variou entre 24 e
30 %.
Considerando o valor máximo de 20 % de AA para telhas, os corpos feitos com as seis últimas
amostras mencionadas acima (DV natural e a cinco misturadas com filito) não atingem essa
especificação técnica. Dessa maneira, nesse trabalho objetivou-se modificar as superfícies dos corpos
cerâmicos através de ativação alcalina para diminuir os valores de AA.
Peralta-Sánchez M. G., 2015. Estudo da Viabilidade do Uso de Materiais de Baixo Valor Econômico do Quadrilátero Ferrífero na Fabricação de Materiais Cerâmicos.
54
5.3.1. - Revisão teórica sobre ativação alcalina
A ativação alcalina é um processo de modificação físico-químico de materiais inorgânicos,
frequentemente silico-aluminosos-ferrosos, através das suas misturas e com materiais alcalinos,
sólidos ou líquidos, tais como calcário, cal, hidróxidos de sódio e/ou potássio (Touma 2000,
Davidovits 1984, Glukhovsky et al. 1980). Esse processo, ainda pouco compreendido (Pinto 2004), é
empregado desde tempos antigos na fabricação de argamassas, utilizando-se argilas calcinadas e
moídas ou cinzas vulcânicas (pozolanas naturais) em misturas com cal (Davidovits e Davidovits,
1999, Roy 1989, Davidovits e Courtois 1981, Glukhovsky 1959). Na atualidade o mesmo principio é
utilizado na fabricação de cimentos especiais baseados no tipo Portland (Brough e Atkinson, 2002,
Roy et al. 1995, Brouns e Van-Loo 1992, Glukhovsky et al. 1980) e, na elaboração de um novo
material denominado geopolímero que também é chamado de polímero inorgânico ou polímero
mineral (Davidovits e Sawyer 1985, Davidovits 1984, 1982).
O estudo dos materiais alcalinamente ativados têm sido alvo de constantes pesquisas, desde a
década dos anos 1940 (Roy 1999), devido à diversidade de materiais que podem ser utilizados e às
propriedades técnicas atingidas pelos corpos obtidos, tais como: rigidez, resistência mecânica, inércia
química e estabilidade físico-química (Provis et al. 2009, Davidovits 2008, Duxson et al. 2006, Roy
1999).
Os geopolímeros são materiais obtidos a partir de reações físico-químicas em que ocorre a
dissolução das espécies alumino-silicáticas, das matérias primas de partida, em soluções altamente
alcalinas. Essas dissoluções se transformam em uma fase de gel até solidificar e, após um tempo de
curado, são obtidos materiais sólidos altamente resistentes (Davidovits 2002). O termo geopolímero
foi patenteado por Davidovits em 1984 para designar uma família de polímeros inorgânicos
constituídos por tetraedros de SiO4e AlO4, ligados alternadamente por oxigênios (Pinto 2007).
Os geopolímeros quimicamente são conhecidos por polissialatos, que são constituídos por uma
grande cadeia molecular de silício, oxigênio e alumínio. O termo sialato é a abreviação para silico-
óxido-aluminato (Si-O-Al) (Davidovits 1991).
5.4. - MATERIAIS E MÉTODOS
5.4.1 - Materiais
As matérias primas, a partir das que foram confeccionados os corpos cerâmicos usados nesse
trabalho, são seis argilas e um filito provenientes de três localidades no Quadrilátero Ferrífero (Figura
5.1). Assim, arenito coesivo maciço (ACM), diamictito branco (DB) e diamictito vermelho (DV) do
depósito de Padre Domingos, no sinclinal Moeda; argilosa maciça (AM) e argilosa friável (FS) do
Morro do Caxambu, no sinclinal Dom Bosco; e R5 de um talude ao lado da rodovia BR-356, próximo
Contribuições às Ciências da Terra Série D, vol. 33, 97p.
55
a Padre Domingos. O filito (F) provém da Formação Fecho do Funil, Grupo Piracicaba, Supergrupo
Minas, que é o embasamento desses depósitos.
Cada amostra foi moída até a granulometria 35 mesh (0,425 mm). Com DV natural e, com as
misturas das outras cinco argilas e filito nas proporções ACM+15F, DB+5F, R5+5F, FS+5F e
AM+5F, com 8,5 % de umidade, foram conformados, por prensagem, os corpos em forma de tijolos
com dimensões aproximadas de 7 x 2 X 1,7 cm e queimados a 900 °C. Os corpos cerâmicos obtidos
receberam a mesma denominação da amostra e mistura utilizada. Esses corpos foram submetidos aos
ensaios de modificação das suas superfícies usando uma solução alcalina.
5.4.2 – Métodos
5.4.2.1 - Preparação da solução alcalina e modificação das superfícies dos corpos cerâmicos
A solução alcalina foi preparada com NaOH a concentração 12 M.
Os corpos cerâmicos foram submergidos nessa solução durante 15 minutos, tempo suficiente
para umedecer totalmente as suas superfícies. Após esse tempo os corpos foram retirados, recobertos
com filme plástico e colocados em uma estufa, da marca FABBE, a uma temperatura média de 85 °C,
por 24 horas, visando acelerar o processo de geopolimerização das superfícies.
5.4.2.2 - Determinação da absorção de água (AA)
Para esse ensaio utilizou-se uma balança analítica digital da marca Marte, modelo AS 2000C e
foi baseado na norma NBR 8947 (ABNT 1985) cujo procedimento indica:
− Secar o corpo cerâmico em estufa a (105 ± 5)ºC, até massa constante. Obtém-se assim a
massa seca da telha (MS), em gramas.
− Imergir o corpo em um recipiente com água fervê-lo durante 2 h e deixar esfriar até
temperatura ambiente, mantendo-o sempre coberto pela água.
− Retirar o excesso de água da superfície do corpo usando um pano úmido e medir sua massa.
Obtém-se assim a massa da telha em estado saturado de água (MU), em gramas.
− Finalmente, a absorção de água, AA, expressa percentualmente, é o quociente entre a massa
de água absorvida pelo corpo de prova saturado de água e a massa seca do corpo, tal como
indicado na fórmula 1:
(1)
100(%) ⋅−=S
SU
M
MMAA
Peralta-Sánchez M. G., 2015. Estudo da Viabilidade do Uso de Materiais de Baixo Valor Econômico do Quadrilátero Ferrífero na Fabricação de Materiais Cerâmicos.
56
5.4.2.3 - Determinação da resistência à compressão
Para esse ensaio utilizou-se uma prensa hidráulica, da marca ALFRED JAMSLER & Co e foi
baseado norma NBR 15270-3 (ABNT 2005), tal como segue:
− A prensa deve estar equipada com dois pratos de apoio, de aço, um dos quais deve ser
articulado, atuando na face superior do corpo cerâmico de modo que assegure a distribuição
uniforme dos esforços no corpo.
− Mede-se a largura (L), altura (H) e o comprimento (C) de cada face de trabalho do corpo
cerâmico, para determinar a área da superfície de trabalho.
− Se necessário deve ser feita a regularização das faces de trabalho através do recobrimento
das suas superfícies, com pasta de cimento ou argamassa, com espessura até 3 mm, ou por
meio de uma retífica. Nesse trabalho, poucas superfícies precisaram regularização, e foi
suficiente um leve polimento com uma lixa.
− Todos os corpos devem ser ensaiados de modo que a carga seja aplicada na direção do
esforço que o bloco deve suportar durante o seu emprego, sempre perpendicular ao
comprimento e na face destinada ao assentamento (área maior).
− O corpo deve ser colocado na prensa de modo que o seu centro de gravidade esteja no eixo
de carga dos pratos da prensa.
− Proceder ao ensaio de compressão de forma que a tensão aplicada se eleve
progressivamente à razão de (0,05 ± 0,01) MPa/s.
− A resistência à compressão de cada corpo cerâmico (expressa em megapascals) é obtida
dividindo-se a carga máxima (FM, expressa em newtons) obtida no ensaio pela média das
áreas brutas das duas faces de trabalho de cada bloco (Am, expressa em milímetros
quadrados), tal como indicado na fórmula 2.
(2)
5.4.2.4 - Análises texturais através do microscópio eletrônico de varredura
As imagens texturais das superfícies dos corpos cerâmicos foram obtidas com aumento de 900x,
nos corpos antes da queima, após a queima a 900 °C e após a modificação das superfícies, utilizando-
se um microscópio eletrônico da marca JEOL JSM-5510, de 0.5 a 30 kV, com resolução de 3,5 a 48
nm, com recobrimento de grafita.
)(
)()(
2M
mmA
NFMPaRC
m
=
Contribuições às Ciências da Terra Série D, vol. 33, 97p.
57
5.5- RESULTADOS E DISCUÇÃO
De acordo com a Tabela 4.1 os valores de absorção de água dos corpos cerâmicos, obtidos com
DV natural e com as misturas das cinco amostras compostas de argila e com filito, inicialmente
apresentaram valores de AA entre 24,0 e 30,4 %. Após a modificação das superfícies por ativação
alcalina, esses valores diminuíram para a faixa entre 6,8 e 23,7 %. Assim sendo, pode-se verificar que
houve diminuição dos valores de AA, porém ainda se tem um valor acima de 20 %.
Em relação à resistência à compressão os valores que inicialmente já eram considerados altos,
variando entre 28,5 e 47,4 MPa, após a modificação das superfícies aumentaram ainda mais, até
valores entre 38,4 e 60,0 MPa.
Tabela 5.1 – Valores de absorção de água e resistência à compressão dos corpos cerâmicos obtidos a 900 ºC, antes e após a modificação das superfícies.
Amostra Superfície Absorção de água
(AA) (%)
Resistência à compressão
(MPa)
ACM+15F
natural 24,88 47,43
modificada 11,02 52,29
DB+5F
natural 24,05 47,20
modificada 18,61 52,63
DV
natural 25,57 32,67
modificada 11,92 38,41
R5+5F
natural 30,40 36,47
modificada 23,71 39,06
FS+5F
natural 29,16 28,48
modificada 13,86 60,05
AM+5F
natural 25,24 35,03
modificada 6,81 43,20
Observações ao microscópio eletrônico de varredura (MEV) das superfícies dos corpos
cerâmicos mostraram que inicialmente as superfícies se apresentam porosas (Figura 5.1A). Após a
queima a 900 °C (Figura 5.1B) se tornaram menos porosas e mais homogêneas, porém com algumas
microfissuras. Entretanto, após a ativação alcalina (Figura 5.1C) essas microfissuras foram reduzidas,
pois foram recobertas por fibras e placas superpostas originadas na ativação alcalina das superfícies.
Essas texturas se apresentam maiores em R5+5F o que influencia no seu maior valor de AA, tal
observado na Tabela 5.1.
Peralta-Sánchez M. G., 2015. Estudo da Viabilidade do Uso de Materiais de Baixo Valor Econômico do Quadrilátero Ferrífero na Fabricação de Materiais Cerâmicos.
58
Figura 5.2- Fotomicrografias de microscopia eletrônica de varredura (MEV) com aumento de 900x; A- das superfícies dos corpos de prova (cru); B- dos corpos cerâmicos a 900 °C e; C- dos corpos cerâmicos a 900 °C e com a superfície modificada. Nas figuras C-, são observadas uma aparente dissolução e modificação das superfícies em todos os corpos.
Contribuições às Ciências da Terra Série D, vol. 33, 97p.
59
5.6- CONCLUSÕES
De posse nos resultados obtidos após o ensaio de ativação alcalina das superfícies dos corpos
cerâmicos, feitos a partir de argila natural (DV) e de misturas de argila com filito (ACM+15F, DB+5F,
R5+5F, FS+5F e AM+5F) e, queima a 900 °C se conclui que o objetivo proposto inicialmente, que era
diminuir a absorção de água, foi atingido. Essa diminuição variou entre 6,7 e 17,2 % em relação aos
valores que apresentavam os corpos antes dos ensaios. Porém, somente um corpo cerâmico (R5+5F)
manteve o valor acima de 20 %, que é o máximo recomendado para telhas. Novos ensaios de ativação
alcalina serão necessários a fim de testar modificações na metodologia e/ou concentração utilizada.
Ouro aspecto interessante desse trabalho é que, os valores de resistência à compressão dos
corpos cerâmicos que antes do ensaio (entre 28,5 e 47,4 MPa) já eram superiores ao mínimo de 6,5
MPa recomendado para telhas, após o ensaio aumentaram ainda mais, atingindo valores entre 38,4 e
60,0 MPa.
As microfraturas observadas através do MEV nas superfícies dos corpos cerâmicos queimados
a 900 °C superfícies foram reduzidas após a ativação alcalina, pela presença de fibras e placas
superpostas originadas na reação entre a superfície silico-aluminosa do corpo cerâmico com a solução
alcalina.
Como observação final, resta salientar que essas argilas efetivamente podem ser utilizadas na
indústria cerâmica como telhas, após ativação alcalina de DV natural ou das misturas de argila + filito
(ACM, DB, FS e AM).
5.7- AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem a contribuição financeira do Conselho Nacional de Desenvolvimento
Científico e Tecnológico (CNPq) e da Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Gerais
(FAPEMIG), a colaboração técnica dos laboratórios de: materiais cerâmicos, difração de raios X,
fluorescência de raios X, microscopia eletrônica de varredura e geotecnia, do Departamento de
Geologia e de ensaios mecânicos do Departamento de Metalurgia da Universidade Federal de Ouro
Preto (UFOP).
Peralta-Sánchez M. G., 2015. Estudo da Viabilidade do Uso de Materiais de Baixo Valor Econômico do Quadrilátero Ferrífero na Fabricação de Materiais Cerâmicos.
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Contribuições às Ciências da Terra Série D, vol. 33, 97p.
61
CAPÍTULO 6
1ATIVAÇÃO ALCALINA DE MISTURAS DE MATERIAIS
SILICÁTICOS DE BAIXO INTERESSE ECONÔMICO
6.1- ABSTRACT
This study comprises of the evaluation of tailings of quartzite (Q) of a marble factory and three
samples of kaolinite clays (DB, R1 and R5) without economic value of the Quadrilátero Ferrífero
region, in Minas Gerais (MG) state, Brazil, for their use in geopolymers by alkaline activation.
Mixtures of Q+R5, Q+DB, R1+R5 and R1+DB were obtained considering the molar ratio SiO2/Al 2O3
of nearly 4.0. All geopolymers showed homogeneous and crack-free surfaces with compressive
strength values between 11 and 20 MPa, which exceeds the minimum value for use in brick masonry.
However, despite the highest compressive strength value (nearly 20 MPa) of the mixture
33%Q+67%DB, the water absorption was also high (28 %). A reduction of this value to 20% was
obtained, while maintaining the high compressive strength value, when the geopolymer was calcined
at 680 °C. The mineralogy of the products obtained indicated the formation of sodalite and zeolite
species which are common in geopolymers. The mixes of Q + DB which showed the best
technological properties were mixed with 10 and 20 % of red mud, a toxic waste of aluminum refining
from the region of Poços de Caldas, MG, in the same molar ratio SiO2/Al 2O3 ~ 4.0.
The red mud was used taking advantage of its high content Na2O content in order to replace the
alkaline reagent used in the activation. Although the geopolymers showed the same mineralogy they
showed lower a compressive strength (~ 10 MPa) and a lower water absorption (< 25 %), but within
the proper specifications for their use red ceramic brick masonry, according to Brazilian Standards
(ABNT 7170 and 7171). The results of this study enable to not only increase the value of raw
materials for their use in the ceramic industry provided, but also provide an environmentally
appropriate destination for both quartzite and red mud that are environmental pollutants.
Keywords: Geopolymer; Tailing of Quartzite; Red Mud; Kaolinite Clay; Quadrilátero
Ferrífero; Ceramic.
1ARTIGO SUBMETIDO NA REVISTA APPLIED CLAY MINERAL: Peralta-Sánchez M. G., Varajão A. F. D. C., Morales-Carrera A. M.,
Silva C. C. G. 2015. The use of low economic value materials for the production of geopolymers.Applied Clay Mineral. Xxxx, xxx p.
Peralta-Sánchez M. G., 2015. Estudo da Viabilidade do Uso de Materiais de Baixo Valor Econômico do Quadrilátero Ferrífero na Fabricação de Materiais Cerâmicos.
62
6.2 - INTRODUCTION
The quartzite occurrence in the Quadrilátero Ferrífero region, an important geological province
in the Minas Gerais state, Brazil, is common and is predominantly utilized for obtaining plates for
floors and coverings (Jordt-Evangelista et al. 2001) and their processing is generally artisanal (Leite
and Gonçalves-Fujaco, 2013; Lima et al. 2007). This activity has caused environmental problems in
the region between Ouro Preto and Mariana cities due to inadequate final disposal of waste generated
during its processing (Leite and Gonçalves-Fujaco, 2013; Russo, 2011; Meyer et al. 2005). Other very
common raw material in this region, but with low economic interest for their high content of oxides
and hydroxides of iron, are kaolinite clays.
Previous mineralogical and technological studies performed on kaolinite clays from three
deposits in the Quadrilátero Ferrífero (Peralta-Sánchez et al. 2013, Peralta-Sánchez et al. 2011;
Ferreira, 2010; Morales-Carrera et al. 2010a; Morales-Carrera et al. 2010b) showed that only samples
with high content in iron (> 44.0 %) and silica (> 70.0 %) could be used in their natural state for the
production of red ceramics, i.e. without the addition of other raw materials (Ferreira, 2010; Peralta-
Sánchez et al. 2013; Peralta-Sánchez et al. 2011; Morales-Carrera et al. 2010b).
The red mud is a toxic residue generated after the dissolution of bauxite in the aluminum
industry (Barrand and Gadeau, 1981). It is composed of insoluble oxides (mainly iron, silicon and
aluminum) dispersed in an alkaline medium (Galembeck et al. 2009). Red mud is the main problem
faced by refineries aluminum because it is produced in large volumes (between 0.7 to 0.9 t per tonne
of alumina produced - Abal, 2000) and is highly aggressive to the environment and difficult to store
(Menezes et al. 2002). The sample of red mud used in this research came from the southern region of
Minas Gerais, specifically Poços de Caldas, where there is an important aluminum industry.
In order to find an application for the kaolinite clays, powders and fragments of quartzite, using
simple and clean methodologies, whilst taking into consideration their high SiO2 and Al2O3 content,
they were used for the fabrication of geopolymers by alkaline activation. The mixes which resulted in
geopolymers with the best technological properties were used for further testing with the addition of
red mud taking advantage of its high Na2O content as a partial replacement for the alkaline reagent
used in the activation.
The geopolymers are cements or inorganic binders produced from the alkaline activation of
aluminosilicate materials (Davidovits, 2008). Due to their physical and chemical characteristics such
as high hardness and compressive strength (up to ~ 80 MPa), as well as thermal and chemical
resistance, they have various industrial applications, standing out as a substitute for mortar or concrete
aggregates, cement, plastics, among other products used in construction (Davidovits, 2008;
Davidovits, 1994) and in the chemical industry (Sazama et al. 2011).
Contribuições às Ciências da Terra Série D, vol. 33, 97p.
63
Alkaline activation has been the target of continuous research since the 1940s when the use of
slag in the production of Portland cement was studied (Roy et al. 1999) and alkali cements
(Glukhovsky et al. 1983, 1980). The term geopolymer was introduced by Davidovits (1976) and
patented as a manufacturing method for a new polymer material called mineral polissialato. This
invention relates to a mineral polycondensation process for molding products, at temperatures from
ambient to less than 120 °C, based on methods for fabricating synthetic zeolites (Davidovits, 1982).
Initially, the geopolymers were made from natural materials such as kaolin and soon extended
to the use of secondary materials and industrial by-products such as blast furnace slag, ash and
industrial waste, ceramics, mining tailings, recycled and mortars (Xu and Van Deventer, 2011, 2000;
Davidovits 2008, 2002, 1991; Komnitsas Zaharaki, 2007; Xu et al. 2002; Roy, 1999). These materials
were activated with strongly alkaline solutions, the most common being sodium hydroxide and/or
potassium (Teixeira, 2004).
6.3 –MATERIALS
Three types of raw materials and an alkaline solution were used:
• A sample of quartzite (Q), in fragments and powder, collected in a workshop located in the
city of Ouro Preto (Peralta-Sanchez et al. 2012).
• Three samples of kaolinite clays were collected: one, labeled DB, in Padre Domingos kaolin
mine (Santos, 2003); and two, labeled R1 and R5, in the slopes of the BR 356 precisely at 37.2
Km and 38.3 Km, respectively. The BR 356 connects Belo Horizonte, capital of Minas Gerais
State, to Ouro Preto.
• A sample of red mud (LMV), produced in the Bayer process of aluminum refined from the
region of Poços de Caldas/MG, as additive supplier of alumina, silica and as a substitute for
commercial sodium hydroxide (NaOH).
• An alkaline activator solution, also known as alkaline reagent, was prepared with 13 M NaOH
and 43.39 M H2O.
• Additionally, PVC plastic molds were used, with cubic form for molding of the geopolymers
and plastic film.
6.4 - METHODS
6.4.1 - Preparation of Raw Materials and Mixtures.
The raw materials were dried, ground (< 0.425 mm) and homogenized. The clays were activated
thermally, for 5 h, at the temperature of 680 °C for dehydroxylation of clay minerals (Elimbi et al.
Peralta-Sánchez M. G., 2015. Estudo da Viabilidade do Uso de Materiais de Baixo Valor Econômico do Quadrilátero Ferrífero na Fabricação de Materiais Cerâmicos.
64
2011). Four mixtures were prepared considering the molar ratios proposed by Davidovits (1982 -
Table 6.1), which relates the total number of moles between SiO2/Al 2O3, Na2O/SiO2, H2O/Na2O and
Na2O/Al2O3 oxides. For this research was considered the molar ratio SiO2/Al 2O3 ~ 4.0. The
percentages of SiO2 and Al2O3 were obtained from the chemical composition of raw materials (Table
6.2), thus of Q and R1 were the suppliers of SiO2 while DB and R5 were the suppliers of Al2O3. The
mixtures were named according to the proportions of the raw materials used as well: 34%Q_66%R5;
33%Q_67%DB; 49%R1_51%R5 and 48%R1_52%DB. In further tests, samples of Q and DB were
mixed with 10 and 20% of LMV, considering the same molar ratio as described above for the
geopolymers 34%Q_56%DB_10% LMV e 34%Q_46%DB_20%LMV.
Table 6.1- Molar ratios of the mixtures according to geopolymerization of Davidovits (1982).
Oxides Relations Molar ratio
SiO2 / Al2O3 3.50 to 4.50
(Na2O, K2O) / SiO2 0.20 to 0.28
H2O / ( Na2O, K2O ) 15.00 to 17.50
(Na2O, K2O) / Al2O3 0.80 to 1.20
6.4.2 - Development of Geopolymers
The alkali reagent was added to each mixture in a dosage based on the molar ratio proposed by
Davidovits (1982 - Table 6.1), being Na2O/SiO2 ~ 0.27.
The final fluid mixture (mixture of raw materials + alkaline reagent) was deposited in the mold
of PVC, with dimensions of 3.2 x 3.2 x 3.5 cm, which were covered with plastic wrap and kept at rest
for 24 hours at room temperature (between 20 and 23 °C). After this time, the molds were placed in an
oven at 60 °C for 72 hours (Mustafa Al Bakri et al. 2011; Van Jaarsveld et al. 2002). During this
period, known as the cure time, the hardening of the geopolymers is accelerated by heating (Duxon et
al. 2006; Davidovits, 1984). After the cure, the bodies were removed from the molds, completely
covered with plastic film and placed back in the oven at 60 °C for three days. Then, the bodies were
removed from the oven and continued to cure at room temperature. After 28 days the geopolymers
were subjected to compressive strength testing.
Contribuições às Ciências da Terra Série D, vol. 33, 97p.
65
Table 6.2- Chemical composition of raw clay (DB, R1, R5 and FS) and quartzite (Q) (Peralta-Sánchez et al. 2011.) which was the reference to reach the molar ratios for the geopolymers.
6.4.3 - Firing trials
The natural geopolymers, 34%Q_66%R5, 33%Q_67%DB, 49%R1_51%R5 e 48%R1_52%DB
were calcined at temperatures of 680, 900 and 1,000 °C in a muffle, Grion brand, using up to four
levels (110 °C for 12 hours, 680 °C for two hours, 900 °C for three hours and 1000 °C for three
hours). These tests were aimed at assessing the stability of geopolymers at temperatures of thermal
activation of raw materials (680 °C) and minimum firing to red ceramic (900 and 1000 °C).
6.4.4 - Compressive Strength Test
Natural geopolymers obtained after 28 days of curing and calcined at 680 and 900 °C were
subjected to compressive strength testing, using a hydraulic press, SOLOCAP brand, LM-02 model,
Digital Dynamometry Appea, according with NBR 15270-3 (ABNT, 2005) and C 67 – 03a (ASTM,
2003).
6.4.5- Mineralogical, Physical and Morphological Analysis
Mineralogical analysis of geopolymers were made on an X-ray Diffractometer, (PANalytical
Empyrean brand) equipped with high temperature furnace (Anton Paar brand, model 1000N TCU
(temperature control unit)).
The color displayed by geopolymers obtained after 28 days of curing (natural) and calcined at
680, 900 and 1,000 °C were analyzed according to the Munsell scale (Munsell, 1975).
Density and surface area were measured using a High Speed Gas Sorption equipment
(Quantachrome brand, NOVA 1000 model).
Surface images of geopolymers were obtained using a Scanning Electron Microscope (SEM)
(JEOL brand, JSM-5510 model), from 0.5 to 30.0 kV, with resolution from 3.5 to 48.0 nm, graphite
coating and 500 x magnifications.
Sample Chemical Composition (%)
SiO2 Al 2O3 Fe2O3 TiO2 MnO MgO CaO Na2O K2O P2O5 PPC
DB 46.76 35.49 1.59 1.73 0.00 0.33 0.03 0.02 1.35 0.07 12.63
R1 70.67 12.89 10.48 0.83 0.00 0.01 0.04 0.00 0.50 0.02 4.58
R5 43.14 34.69 5.37 2.02 0.02 0.04 0.05 0.01 0.54 0.08 13.27
Q 86.74 4.30 3.70 0.20 0.01 0.01 0.07 0.05 0.22 0.01 4.70
LMV 16.49 24.88 28.00 3.79 0.43 0.05 2.33 9.12 1.55 0.42 12.95
Peralta-Sánchez M. G., 2015. Estudo da Viabilidade do Uso de Materiais de Baixo Valor Econômico do Quadrilátero Ferrífero na Fabricação de Materiais Cerâmicos.
66
6.5 - RESULTS AND DISCUSSION
During the geopolymerization, which was conducted in several steps, it was observed that after
a few minutes (~ 5 min) the plastic mixture became a gel and remained in this state for about 12
minutes while it was tapped in order to transfer the gel to plastic molds, where it began the curing
period. The hardening of the mixtures initiated between three and five hours after obtaining the
mixture, which took the shape of the mold.
The molar ratios of the geopolymers reached the range of values proposed by Davidovits (1982
- Table 1.1), except the H2O/Na2O ratio that ranged between 7.80 and 11.45 (Table 6.3) due to the
need to get a ceramic plastic mass for each mixture. The proportions of SiO2 + Al2O3 in the
geopolymers reached the highest values, between 77.06 and 85.15% (Table 3).
The colors of the geopolymers (ASTM, 2010; MUNSELL, 1975) were white (5YR-8/1) to
33%Q_67%DB; yellow (5YR-6/8) to 34% Q_66% R5; pink (5YR -83) to 34%Q_ 56%DB_10% LMV
and 34%Q_ 46%DB_20% LMV; red (2.5YR-6/8) to 49%R1_51%R5; and red (2.5YR-6/6) to
48%R1_52%DB. These colors depended on the concentration of Fe2O3 in the raw materials (Table
6.3). After heating at 680 °C, the bodies showed small white blemishes (millimeter spots), which
increased after calcination at 900 and at 1,000 °C (Verduch and Solana, 2000).
Table 6.3 - Molar ratios and proportions of SiO2 + Al2O3 and Fe2O3, and the mixtures prepared for the fabrication of geopolymers.
Geopolymer
Molar Ratio %
SiO2/Al2O3 Na2O/SiO2 H2O/ Na2O Na2O/Al2O3 (SiO2+Al2O3) Fe2O3
34%Q_66%R5 4.00 0.27 9.28 1.09 82.32 4.80
33%Q_67%DB 4.04 0.27 7.80 1.09 85.15 2.29
49%R1_51%R5 3.99 0.27 9.50 1.08 80.64 7.87
48%R1_52%DB 4.01 0.27 8.04 1.08 82.88 5.86
34%Q_56%DB_10%LMV 4.17 0.27 11.45 1.10 81.15 4.95
34%Q_46%DB_20%LMV 4.06 0.27 10.84 1.09 77.06 7.59
The values of compressive strength ranged between 11.96 and 19.81 MPa (Table 6.4), and the
maximum value was for the mixture 33%Q_67%DB. These values increased on average by 5 %, from
11.45 to 21.01 MPa after calcination at 680 °C (Table 6.4). The geopolymers prepared with Q, DB and
LMV resulted in bodies with lower compressive strength compared to those mentioned above,
between 9.43 and 10.61 MPa (Table 6.4). The compressive strength values of both geopolymers,
natural and heated at 680 °C (Table 6.4), are well above the values of solid bricks of soil-cement
(2.0 MPa - ABNT, 1984), and solid bricks ceramic masonry (4.0 MPa - ABNT, 1983). Due to its
silica-alkaline and high compressive strength, geopolymers obtained in this research can be classified
Contribuições às Ciências da Terra Série D, vol. 33, 97p.
67
as "Class H" (~ 20 MPa), which is a reference for sand-lime blocks used in masonry (ABNT, 2003).
However, the compressive strength values obtained are lower than the compressive strength of similar
alkali cements (~ 80 MPa - Geopol, 2009), but are within the common values for Portland cement
(ASTM C 150 - 02a, 2007). After calcination at 900 °C, the geopolymers have lost much of their
initial compressive strength (> 64%), while the bodies calcined at 1,000 °C had been deformed and
were discarded.
Table 6.4 - Physical properties of natural geopolymers and calcined at 680 and at 900 °C
The percentage of water absorption for natural geopolymers (Table 6.4) varied between 19.4
and 28.2 %; in calcined at 680 °C ranged between 22.0 and 26.3 %; and for the geopolymers made
with red mud the values were lower than 25.0 %. The geopolymer 33%Q_67%DB + 680 °C (with the
highest compressive strength) reached 20.0 % water absorption, which is within the limits of
absorption for massive soil-cement bricks and ceramic masonry blocks according to NBR 8491
(ABNT, 1984) and NBR 7171 (ABNT, 1992), respectively.
The linear shrinkage of geopolymers calcined at 680 °C showed generally low values
(< 2.3 %) which increased to 5.7 % on bodies calcined at 900 °C (Table 6.4).
The highest values of surface area are between 4.0 and 10.5 m2/g in natural geopolymers,
which were reduced to values between 1.1 and 2.2 m2/g in geopolymers calcined at 900 °C (Table
6.4). Generally, the density reached values around 2.5 g/cc for all geopolymers (Table 6.4).
These results show that there is a direct relationship between the temperature increase and the
Geopolymer
Compressive strength (MPa)
Water Absorption
(%)
Linear Shrinkage
(%)
Surface Area (m2/g)
Density (g/cc)
34%Q_66%R5 14.88 26.58 - 7.602 2.628
34%Q_66%R5 + 680 °C 15.68 21.83 1.25 4.993 2.554
34%Q_66%R5 + 900 °C 5.32 20.28 3.08 1.479 2.715
33%Q_67%DB 19.81 27.80 - 10.526 2.366
33%Q_67%DB + 680 °C 21.01 20.00 2.04 2.363 2.401
33%Q_67%DB + 900 °C 4.98 19.28 5.35 1.141 2.697
49%R1_51%R5 10.96 28.19 - 3.984 2.316
49%R1_51%R5 + 680 °C 11.45 26.32 2.28 2.521 2.207
49%R1_51%R5 + 900 °C 3.53 25.11 4.50 1.467 2.653
48%R1_52%DB 12.70 19.42 - 5.282 2.399
48%R1_52%DB + 680 °C 13.35 22.00 1.31 2.363 2.424
48%R1_52%DB + 900 °C 4.01 21.13 5.67 2.250 2.697
34%Q_ 56%DB_10% LMV 10.61 24.83 - 6.109 2.605
34%Q_ 46%DB_20% LMV 9.43 24.47 - 8.787 2.742
Peralta-Sánchez M. G., 2015. Estudo da Viabilidade do Uso de Materiais de Baixo Valor Econômico do Quadrilátero Ferrífero na Fabricação de Materiais Cerâmicos.
68
A: 33%Q_67%DB
B:33%Q_67%DB 680 °C
°2θ KαCu °2θ KαCu
C:33%Q_67%DB 900 °C
D:33%Q_67%DB 1.000 °C
linear shrinkage, whereas the opposite is true for the relationship between temperature and water
absorption. The relationship between temperature and surface area is also inversely proportional. This
fact can be explained due to the higher sintering that occurs when the geopolymers are heated at 900
°C, which was verified in the SEM images (Figure 6.3C).
The mineralogical analysis by X-ray diffraction of natural geopolymers indicated the
predominant presence of quartz, with minor proportions of mica and clinochlore, while there was the
formation of sodalite (Sd) and zeolites LTA (Figure 6.1A). The formation of sodalite in the
geopolymers is common due to the addition of the sodium alkaline reagent in the mixture containing
silica and alumina. The presence of zeolites is associated with the alkaline hydrolysis of alumina and
silica, however, their formation is unusual at temperatures < 100 °C (Mackinnon et al. 2010). The
mineralogy of geopolymers calcined at 680 °C (Figure 6.1B) indicated mainly zeolite A (Za), quartz
(Q) and sodalite (SD). In geopolymers heated at 900 and 1000 °C (Figures 6.1C and 6.1D), quartz
predominated and nepheline (NaAlSiO4-N) was formed from the transformation of zeolites and
sodalite (Mercury, 2010, Maia et al. 2008). The presence of quartz occurs until its complete
dissolution by the alkaline solution, as can be seen in SEM images (Figure 6.3).
Figure 6.1 - A representative X-ray diffractograms of: 33%Q_67%DB natural and calcined at B: 680 °C; C: 900 °C; and D: 1,000 °C, indicating quartz (Q), mica (M ), clinochlore (Cl), sodalite (Sd), zeolites LTA (ZTA), zeolites A (Za) and nepheline (N).
Contribuições às Ciências da Terra Série D, vol. 33, 97p.
69
°2θ KαCu
34%Q_ 56%DB_10% LMV
The mineralogical analysis of red mud indicated the predominant presence of sodalite, quartz,
hematite, gibbsite and micas, common minerals in red mud (Brunori, 2005); however in the
geopolymers, the gibbsite disappears, as is shown in 34%Q_56%DB_10%LMV (Figure 6.2).
Figure 6.2 – X-ray diffractogram of 34%Q_56%DB_10%LMV geopolymer, with quartz (Q), mica (M), hematite (H), sodalite (Sd) and zeolites A (Za).
All natural geopolymers and those calcined at 680 °C, showed smooth, compact and
homogeneous surfaces without cracks. Textures observed by SEM indicated microporous surfaces
including quartz grains forming part of the geopolymer matrix in both natural (Figure 6.3A and 6.3E)
and calcined (Figure 6.3B).
The surfaces of geopolymers calcined at 900 °C showed occasionally a matrix with microcracks
and lesser porosity (Figure 6.3C) reflected in the decreased absorption of water sampled in Table 6.4.
The bodies heated at 1000 °C, despite showing micro-fractures, displayed glazed, regular and
homogeneous surfaces, suggesting partial melting (sintering) of the matrix (Figure 6.3D).
Peralta-Sánchez M. G., 2015. Estudo da Viabilidade do Uso de Materiais de Baixo Valor Econômico do Quadrilátero Ferrífero na Fabricação de Materiais Cerâmicos.
70
Figure 6.3– SEM images of mixtures of quartzite and kaolinite, geopolymer, where A: natural geopolymer 33%Q_67%DB; B: geopolymer 33%Q_67%DB calcined at 680 °C; C: geopolymer 33%Q_67%DB calcined at 900 °C; D: geopolymer 33%Q_67%DB calcined at 1,000 °C; E: 34%Q_ 56%DB_10% LMV. Showing quartz grain (Q), matrix porous (M), microcracks (m) and sintered surface (s).
Contribuições às Ciências da Terra Série D, vol. 33, 97p.
71
6.6- CONCLUSIONS
The formation of sodalite and zeolite as well as high values of compressive strength and
homogeneous matrices observed in the SEM images, prove that the products obtained in this study are
geopolymeric materials.
The methodology used for the manufacture of geopolymers included temperature of 60 °C,
which is much lower than the temperatures used in traditional ceramics (which are around 1,000 °C
with consequent generation of environmental pollutants). This already represents a valuable energy
reduction in addition to reducing environmental pollution during the manufacture of ceramics.
When looking at geopolymers calcined at temperatures of 680, 900 and 1,000 °C, only those
calcined at 680 °C, which is the temperature of thermal activation of clays, showed a slight increase in
values of compressive strength and water absorption. It is therefore not justified the use of high
temperatures in geopolymers for the ceramic industry.
The addition of 10 to 20 % of the red mud in the geopolymer mixtures has reduced,
respectively, in 6 and 12 % of the consumption of commercial alkaline solution (13.0 M NaOH),
initially used in the fabrication of the first geopolymers. The products showed lower compressive
strength, however this is an environmentally friendly option for the immobilization of the toxic
alkaline residue.
This study has shown that another type of ceramic material for masonry can be produced in a
simpler and cleaner way, valuing mineral resources without industrial interest. Its manufacturing
encompasses an environmentally friendly destination for pollutants from mining wastes such as
tailings of quartzite from the marble factories of Ouro Preto and the red mud of Poços de Caldas.
6.7- ACKNOWLEDGMENTS
The authors acknowledge the financial assistance of the CNPq (Conselho Nacional de
Desenvolvimento Científico e Tecnológico), the FAPEMIG (Fundação de Amparo a Pesquisa de
Minas Gerais), as well as the technical collaboration of laboratories: X-ray diffraction, X-ray
fluorescence, scanning electron microscopy and ceramic materials from the Department of Geology
and, laser particle size by BET and treatment of ores from the Department of Mines, at the Federal
University of Ouro Preto (UFOP), Minas Gerais, Brazil. We acknowledge the Vmetais-CBA for the
sample of red mud.
Peralta-Sánchez M. G., 2015. Estudo da Viabilidade do Uso de Materiais de Baixo Valor Econômico do Quadrilátero Ferrífero na Fabricação de Materiais Cerâmicos.
72
Contribuições às Ciências da Terra Série D, vol. 33, 97p.
73
CAPÍTULO 7
1ATIVAÇÃO ALCALINA DE MISTURAS DE MATERIAIS
SILICÁTICOS E SUA CARACTERIZAÇÃO TECNOLÓGICA
COMO MATERIAL FILTRANTE
7.1- RESUMO
Argilas cauliníticas de baixo aproveitamento econômico, oriundas do Quadrilátero Ferrífero,
Minas Gerais, Brasil e um resíduo do beneficiamento de alumínio, conhecido como lama vermelha,
foram utilizadas neste estudo. Com essas matérias-primas foram preparadas misturas que foram
ativadas alcalinamente adicionando soluções de NaOH (∼ 13 mol/L) visando obter corpos cerâmicos
denominados geopolímeros. Esse processo de ativação alcalina é designado geopolimerização. As
matérias-primas utilizadas proporcionaram importantes componentes químicos-mineralógicos
necessários para a obtenção de geopolímeros. A caracterização tecnológica dos geopolímeros mostrou
altos valores de resistência mecânica à compressão (> 18 MPa), absorção de água maior do que 20 %,
além da formação de minerais do grupo das zeólitas. Ensaios de filtragem utilizando esses
geopolímeros como filtros de águas ácidas contendo metais pesados mostraram eficientes tornando as
soluções lixiviadas alcalinas a ligeiramente ácidas com uma importante redução do conteúdo de metais
pesados. Esses resultados permitem oferecer um destino ambientalmente correto às lamas vermelhas,
consideradas como poluentes ambientais, na obtenção de produtos cerâmicos para sua aplicação no
tratamento de águas residuais ácidas.
Palavras-chave: argila, lama vermelha, geopolímero, cerâmica, água ácida.
7.2- ABSTRACT
This study used kaolinitic clays of low economic use from the Quadrilátero Ferrífero, Minas
Gerais state, Brazil, and aluminum smelting residue, known as red mud. Mixtures were prepared with
these raw materials which were submitted to alkaline activation by addition of NaOH solutions
(∼ 13 M/l) to obtain ceramic bodies called geopolymers. This activation process is called alkaline
geopolymerization. The raw materials used provided important chemical-mineralogical components
necessary for obtaining geopolymers. The technological characterization of geopolymers showed high
values of mechanical strength (> 18 MPa), water absorption higher than 20 %, as well as the formation
1PERALTA-SÁNCHEZ M. G., Morales-Carrera A.M., VARAJAO, A.F.D.C. 2013. Ativação alcalina de misturas de materiais silicáticos de
baixo aproveitamento industrial do Quadrilátero Ferrífero-MG-Brasil e avaliação do produto como material filtrante de águas residuais. Técnicas Aplicadas a la Caracterización y Aprovechamiento de Recursos Geológicos-Mineros. Volumen IV: Transferencia Tecnológica. 1ed. Madri: Instituto Geologico y Minero de España, 2013, v. IV, p. 128-140.
Peralta-Sánchez M. G., 2015. Estudo da Viabilidade do Uso de Materiais de Baixo Valor Econômico do Quadrilátero Ferrífero na Fabricação de Materiais Cerâmicos.
74
of the zeolite mineral group. Assays filtration using the geopolymers as filters of acidic waters
containing heavy metals proved efficient by making the leached solution alkaline to slightly acidic
with a significant reduction in the content of heavy metals. These results point to an environmentally
correct use for the red mud, considered as an environmental pollutant, in obtaining ceramic products
for application in acidic wastewater treatment.
Keywords: clay, red mud, geopolymers, ceramic, acid water.
7.3 - INTRODUÇÃO
O interesse por materiais alcalinamente ativados tem sido alvo de constantes pesquisas desde
1940 (Roy 1999) devido à diversidade de materiais que podem ser utilizados para este fim, a pouca
agressividade ao meio ambiente e às propriedades técnicas atingidas pelos corpos obtidos, tais como
rigidez, resistência mecânica e química e estabilidade físico-química (Provis et al. 2009, Davidovits
2008, Duxson et al. 2006, Roy 1999).
Os estudos de materiais cerâmico-alcalinos geopoliméricos tais como solo-cimento “soil
silicate” misturando silicatos-cálcico-hidratado (CSH) com fases alumino-silicáticas tiveram inicio na
Rússia na década de 1950 (Glukhovsky 1965, 1959). Nesses estudos observou-se que o processo de
formação de solo-cimento é similar ao processo natural de transformação de rochas vulcânicas em
zeólita sob baixa pressão e temperatura. Posteriormente, em 1972, foi denominado como
“geopolímero” um corpo tridimensional, composto por monômeros tetraédricos de alumino-silicato
([SiO4]4- e [AlO4]
5-), obtido a baixa temperatura e em curto período de tempo (Davidovits 1988). Por
fim, em 1982 foi patenteada a síntese (obtenção) deste “geopolímero” ou polímero mineral
(Davidovits 1982).
Os geopolímeros, certamente denominados como polímeros inorgânicos (Duxson et al. 2007,
Davidovits e Sawyer 1985, Davidovits 1984, 1982) são elaborados a partir do processo de modificação
físico-química de diversas matérias-primas inorgânicas, frequentemente silico-aluminosas-ferrosas,
por ativação com materiais alcalinos, sólidos ou líquidos, tais como calcário, cal, hidróxidos de sódio
e/ou potássio (Davidovits 2008, Touma 2000, Davidovits 1984, Glukhovsky et al. 1980). Esse
processo foi empregado em tempos antigos na fabricação de argamassas, utilizando-se argilas
calcinadas e moídas ou cinzas vulcânicas (pozolanas naturais) em misturas com cal (Davidovits e
Davidovits 1999, Roy 1989, Davidovits e Courtois 1981, Glukhovsky 1959). Na atualidade o mesmo
principio é utilizado na fabricação de cimentos especiais do tipo Portland (Brough e Atkinson 2002,
Roy et al. 1995, Brouns e Van-Loo 1992, Glukhovsky et al. 1980). As matérias-primas utilizadas na
elaboração dos geopolímeros podem ser de origem natural, resíduos industriais ou sintética e
frequentemente são misturadas em uma proporção molar total de Si:Al entre 1 e 6.O processo de
Contribuições às Ciências da Terra Série D, vol. 33, 97p.
75
ativação alcalina é também denominado de geosíntese ou geopolimerização em que as espécies
alumino-silicáticas das matérias-primas são dissolvidas em soluções altamente alcalinas. Essas
dissoluções se transformam em uma fase de gel até solidificar e, após um tempo de confinamento, que
impede a perda de umidade, denominada como cura, formam materiais sólidos com propriedades
físicas, químicas e mecânicas elevadas quando comparadas com outros materiais utilizados na
construção civil como cimentos e argamassas (Davidovits 2002).
Para o presente estudo foram elaboradas misturas de duas argilas cauliníticas provenientes do
Quadrilátero Ferrífero, no estado de Minas Gerais, Brasil com uma lama vermelha, resíduo do
beneficiamento de alumínio, coletada no sul desse estado. Essas matérias-primas atualmente não
apresentam valor industrial, pelo contrário, as lamas vermelhas representam um perigoso poluente
ambiental.
As proporções das matérias-primas utilizadas na pesquisa teve como fundamento principal a
relação dos seus óxidos de sílica e alumina na mistura final, considerando os valores referenciais das
relações molares propostas por Davidovits (1982).
7.4 - MATERIAIS
Duas amostras de argilas cauliníticas denominadas R1 e ACM, oriundas de dois depósitos do
Quadrilátero Ferrífero (Santos, 1998, Santos, 2003), previamente caracterizadas para sua aplicação em
cerâmica vermelha (Peralta-Sánchez et al. 2011, Ferreira 2010, Morales-Carrera et al. 2010a, Morales-
Carrera et al. 2010b, Peralta-Sánchez et al. 2010, Varajão 2007), foram selecionadas por apresentar
maiores percentuais de SiO2 + Al2O3 (> 60 %). Como aditivo foi utilizado uma lama vermelha (LMV),
resíduo industrial da obtenção de alumínio, que contribuiu com porcentagens importantes de Na2O (∼
9,0 %) e Si2O + Al2O3 (> 40 %).
Cada matéria-prima foi secada em uma estufa da marca Heraeus Instruments, modelo
Thermion T., a 60 °C, moída, utilizando um moinho tubular com bolas de cerâmica como carga
moedora, até 100 % do material passar na peneira de 35 mesh (0,425 mm). A queima das matérias-
primas e dos corpos de prova foi realizada em um forno com controle digital, da marca GRION. Para a
preparação das soluções alcalinas foram utilizados NaOH (P.A.) da marca VETEC–Química Fina,
LTDA. com 99 % de pureza. Para a moldagem dos corpos de prova foram utilizados moldes cúbicos
desmontáveis de 50 ml, de PVC de alta resistência.
Os geopolímeros obtidos foram submetidos a ensaios mecânicos de resistência à compressão,
utilizando uma prensa hidráulica da marca SOLOCAP, modelo LM-02, Digital Dynamometry Appea.
Para os ensaios de filtragem foram utilizadas duas colunas de lixiviação de vidro, de 30,0 cm
de altura e 2,5 cm de diâmetro interno (Saria et al. 2006). As colunas foram preenchidas com cerca de
Peralta-Sánchez M. G., 2015. Estudo da Viabilidade do Uso de Materiais de Baixo Valor Econômico do Quadrilátero Ferrífero na Fabricação de Materiais Cerâmicos.
76
142,0 g de geopolímeros secos, britados e peneirados em três faixas granulométricas (menor a 2,0 mm,
entre 2,0 e 6,0 mm e entre 6,0 e 7,0 mm) e colocados de forma ascendente dentro de cada coluna
(Figura 7.1), formando um leito filtrante de aproximadamente 22,0 cm de altura. Adicionalmente foi
utilizado geotêxtil e bolhas de vidro (∅∼3,0 mm), para a retenção do material fino (Abreu, 2012). A
água ácida filtrada nas colunas foi elaborada com a diluição do conteúdo de uma pilha alcalina comum
numa solução de ácido sulfúrico (1 mol/L), seguidamente essa solução foi diluída em partes iguais
misturando com água destilada até atingir um pH próximo a 2.
Figura 7.1– Fotografias do trabalho feito durante a pesquisa com geopolímeros. A- Corpos de prova durante sua conformação e curado em moldes plásticos cúbicos. B- Corpos de prova cúbicos e testados mecanicamente. C- Geopolímero britado e peneirado em três faixas granulométricas. D- Colunas de lixiviação.
Contribuições às Ciências da Terra Série D, vol. 33, 97p.
77
7.5 - MÉTODOS
7.5.1 - Ativação das matérias-primas e preparação das misturas
Cada matéria-prima seca e moída foi ativada termicamente submetendo-a a uma temperatura
de 680 °C durante cinco horas, objetivando a desidroxilação dos argilominerais (Elimbi et al., 2011,
van Jaarsveld et al., 2002). Seguidamente, foram calculadas as quantidades (proporcionais) de cada
matéria-prima, tendo como base as relações molares dos seus óxidos NaO2/Al 2O3, NaO2/SiO2,
NaO2/SiO2 e H2O/ Na2O, segundo Davidovits (1982, Tabela 7.1). Dessa maneira, foi obtida a mistura
com 42,09 % de R1, 34,33 % de ACM, 8,48 % de LMV e 15,10 % de NaOH, representando uma
massa total de 654,48 gramas. A adição de NaOH à mistura foi feita na forma de uma solução alcalina
13 mol/l. Com essa massa foram obtidos aproximadamente 11 corpos geopoliméricos.
Tabela 7.1 - Faixa de valores das relações molares entre os óxidos componentes das misturas a serem usadas para ativação alcalina e posterior obtenção de geopolímeros, de acordo com Davidovits (1982).
7.5.2 - Preparação da solução alcalina, elaboração dos geopolímeros e ensaios mecânicos.
Foram adicionados 520,00 gramas de NaOH a 781,00 ml de H2O, o que representa uma
concentração de 13,00 mol/L de NaOH e 43,39 mol/L de H2O em um litro de solução alcalina.
A mistura total (matérias-primas + solução alcalina) foi depositada em moldes de PVC,
cobertos com filme plástico e mantidos em repouso por 24 horas à temperatura ambiente (~ 23 °C).
Após esse tempo, os moldes foram colocados na estufa a 65 °C por 72 horas (van Jaarsveld et al.
2002). Nesse período, o endurecimento é acelerado e o geopolímeros atinge grande parte da sua
resistência total (~ 70 %), que aumenta durante o tempo de cura (Duxon et al. 2006, Davidovits 1984).
Imediatamente após a sua formação, os corpos foram desmoldados, recobertos totalmente com papel
filme e, colocados novamente na estufa à mesma temperatura até completar 5 dias. Por fim, foram
retirados da estufa, continuando com a cura à temperatura ambiente por 28 dias, obtendo-se desta
forma, corpos geopoliméricos com dimensões aproximadas de 3,2 cm x 3,2 cm x 3,5 cm. Todos os
geopolímeros feitos a partir de uma única mistura foram denominados S010_Geopolímero.
Os corpos geopoliméricos obtidos foram submetidos a ensaios mecânicos de resistência à
compressão, de acordo com a norma NBR 15270-3 (ABNT 2005).
(Na2O, K2) / SiO2 0,20 to 0,28
SiO2 / Al2O3 3,5 to 4,5 H2O / (Na2O, K2O) 15 to 17,5
(Na2O, K2O) / Al2O3 0,8 to 1,20
Peralta-Sánchez M. G., 2015. Estudo da Viabilidade do Uso de Materiais de Baixo Valor Econômico do Quadrilátero Ferrífero na Fabricação de Materiais Cerâmicos.
78
Visando observar possíveis mudanças nas superfícies dos corpos geopoliméricos e nas suas
características físicas esses foram queimados a 400 °C (Kong e Sanjayan 2010, Van-Jaarsveld et al.
2002).
7.5.3 - Análises mineralógicas e físicas
Foram feitas análises mineralógicas das matérias-primas naturais (argilas e lama), das
matérias-primas ativadas termicamente e dos geopolímeros obtidos utilizando um difratômetro da
marca Panalytical, modelo Empyrean, com câmera de alta temperatura da marca Anton Paar, modelo
TCU 1000N (Temperature Control Unit).
As análises de densidade, superfície específica e porosidade foram realizadas no equipamento
High Speed Gas Sorption da marca QUANTACHROME, modelo NOVA 1000.
7.5.4 - Análises microtexturais
As imagens texturais das superfícies dos corpos geopoliméricos, antes e após a queima a 400
°C, foram obtidas com aumento de 900x, utilizando-se um microscópio eletrônico da marca JEOL
JSM-5510, de 0.5 a 30 kV, com resolução de 3,5 a 48 nm, com recobrimento de grafita.
7.5.5 - Ensaio de coluna de lixiviação
O ensaio de lixiviação foi realizado adicionando lentamente a solução ácida dentro da coluna
até completar um volume de 650 ml. A cada 120 ml adicionados à coluna foi coletada uma amostra de
10 ml de água filtrada até completar seis amostras. Análises químicas do conteúdo de metais em
solução foram realizadas nas seis amostras coletadas e também na água ácida original, utilizando um
equipamento ICP OES (Inductivily Coupled Plasma Optical Emission Scpectrometry).
7.6 - RESULTADOS
A composição química da amostra R1 indica um maior conteúdo de SiO2 (> 70 %), a amostra
ACM contém um alto porcentagem de Al2O3 (34,63 %) e na amostra LMV um importante teor de
Na2O (9,12 %) além de seus conteúdos de SiO2 eAl2O3. Nas matérias-primas a relação molar
SiO2/Al 2O3 variou entre 1,12 e 9,30 e no geopolímero foi de 4,09. Entretanto, nos geopolímeros a
relação molar Na2O/SiO2 foi de 0,27, a Na2O/Al2O3 de 1,40 e a H2O/Na2O de 11,00. Esses valores
foram atingidos tendo como referências os propostos por Davidovits (1982), com exceção das relações
molares de água (Tabela 7.2). O ajuste da água nos geopolímeros elaborados nesse trabalho foi feito
de forma empírica, devido a que quando foram utilizados os valores propostos por Davidovits os
geopolímeros ficaram incoerentes e fracos.
Contribuições às Ciências da Terra Série D, vol. 33, 97p.
79
Tabela 7.2 - Composição química das matérias-primas (R1, ACM e LMV) e do geopolímero obtido (S010_Geopolímero). A relação molar entre os óxidos SiO2 e Al2O3, atingido na mistura para fabricar o geopolímero, é referente aos valores propostos por Davidovits (1982).
SiO2 (%)
Al 2O3 (%)
Fe2O3 (%)
Na2O (%)
CaO (%)
TiO2 (%)
PPC (%)
**SiO 2/Al 2O3
Na2O / Si2O
Na2O/Al 2O3
H2O / Na2O
R1 70,67 12,89 10,48 0,001 0,04 0,82 4,58 9,30
ACM 45,71 34,63 2,04 0,001 0,05 1,97 12,56 2,24
LMV 16,49 24,88 28,00 9,120 2,33 3,79 12,95 1,12
S010_ Geopolímero*
47,19 19,57 7,54 11,98 0,23 1,35 7,39 4,09 0,27 1,40 11,00
*geopolímero: 42,41% R1 + 34,59% ACM + 8,54% LMV + 14,46% NaOH em peso, ou 50%R1 + 40%ACM + 10%LMV em peso.
** relação molar: mol/mol.
As análises mineralógicas por difração de raios-X das amostras naturais (R1 e ACM) mostraram
a presença predominante de quartzo, com menores proporções de caulinita, mica e hematita; caulinita,
mica e feldspato em ACM; no aditivo LMV foi observada a presença de sodalita e gibbsita, e em
menores proporções mica e quartzo (Figura 7.2). A sodalita é comum devido à adição de solução de
NaOH quente (> 200 °C) nos digestores de alumina do processo Bayer e a gibbsita é o resíduo não
dissolvido do minério de alumínio nesses digestores (Silva Filho, et al., 2007, Shreve e Brink Jr,
1977). A sodalita tem importância como mineral de sódio (Na4Al 3Si3O12Cl), pois é um dos
componentes comuns nos geopolímeros (Silva e Sagoe-Crenstil, 2009).
Figura 7.2 – Difratogramas de raios X, das matérias-primasnaturais (R1 e ACM) e do resíduo lama vermelha (LMV) mostrando a presença de quartzo (Q) e mica (M) em (A, B e C); hematita (H) em (A e B); feldspato (Fd) e caulim (K) em (B); sodalita (Sd) e gibbsita (Gb) em (C).
Peralta-Sánchez M. G., 2015. Estudo da Viabilidade do Uso de Materiais de Baixo Valor Econômico do Quadrilátero Ferrífero na Fabricação de Materiais Cerâmicos.
80
Em ACM queimada a 680 °C não aparece mais a caulinita, pois sua estrutura cristalina é
destruída a alta temperatura. Hematita, quartzo, mica e sodalita estão presentes no geopolímero
(S010_Geopolímero) e, também aparecem minerais de zeólita, que estão relacionados com a hidrólise
alcalina da sílica e alumina (Figura 7.3), porém não é comum sua formação a temperaturas < 100 °C e
pressão ambiente (Mackinnon et al. 2010, Provis et. al. 2005), que foi o caso da obtenção desse
geopolímero. A zeólita tem uma ampla aplicação como material filtrante, para a remoção de íons e na
neutralização de águas ácidas (peneiras moleculares) (Tounsi et al. 2009, Corrêa et al. 1995).
Figura 7.3– Difratogramas de raios X, das matérias-primas naturais queimadas a 680°C: R1_680°C (A) e ACM_680°C (B); do resíduo de lama vermelha aquecida à mesma temperatura: LMV_680°C (C); e do geopolímero sintetizado: S010_Geopolímero (D) mostrando a presença de quartzo (Q), mica (M), hematita (H), sodalita (Sd) e da formação de espécies mineralógicas de zeólitas (Z) no geopolímero.
Observações ao microscópio eletrônico de varredura das superfícies dos corpos
geopoliméricos antes da queima a 400°C mostraram a presença de poros de tamanhos e formas
variadas, predominando as formas ovaladas e abundante presença de microporos (Figura 7.4A). Após
a queima a 400 °C (Figura 7.4B) as superfícies se mostraram menos porosas e mais homogêneas,
porém com algumas microfissuras.
Contribuições às Ciências da Terra Série D, vol. 33, 97p.
81
Figura 7.4 – Fotomicrografias obtidas por microscopia eletrônica de varredura, com aumento de 900 vezes, das superfícies de dois corpos geopoliméricos. A- superfície porosa obtida a 65°C apresentando uma matriz porosa; B- superfície obtida a 400°C que apresenta microfissuras (m) e uma aparente menor porosidade.
Os ensaios mecânicos de resistência à compressão, realizados com os corpos geopoliméricos
mostraram que, com um tratamento térmico entre 220 e 400 °C a sua resistência aumenta de 18,80 MPa
para 24,61 MPa porém, diminui a sua superfície específica (Tabela 7.3).
Tabela 7.3 - Principais características físicas dos geopolímeros. S010_65°C: correspondente ao processo normal de curado dos geopolímeros; S010_220°C: após aquecimento do curado a 220°C por cinco horas; S010_400°C: queimado a 400°C por cinco horas.
As análises químicas das seis amostras de água filtrada através da coluna de lixiviação, com o
geopolímero como meio filtrante, mostraram que houve um rápido aumento do pH até 10 em relação à
amostra ácida inicial (pH = 1,4). Isto pode ter relação direta com o meio filtrante que é alcalino-sódico.
Nas seguintes coletas da água filtrada o pH diminuiu até que na sexta coleta tornou-se ligeiramente ácida
(pH~5). Em relação ao conteúdo de metais pesados, o cromo (Cr) se apresenta no pH alcalino e ácido
estando ausente no pH próximo de 7, o chumbo (Pb), Arsénico (As) e Cadmio (Cd) estão presentes na
solução a partir de pH próximos de 7, e ausentes na solução lixiviada nos pH alcalinos (Tabela 7.4).
S010_65 °C x três dias
S010_220 °C x cinco horas
S010_400 °C x cinco horas
Densidade (g/cm3) 2,72 2,45 2,53
Densidade Aparente (g/cm3) 1,40 1,38 1,35
Superfície Específica (m2/g) 4,29 1,90 2,53
Superfície Específica microporos (m2/g)
5,80 2,36 3,06
Absorção de água (%) 24,09 20,31 23,82
Tamanho médio dos poros (Å) 8,83 6,48 14,48
Resistência à compressão (MPa) – 28 dias.
18,80 18,94 24,61
Retração linear (%) ---- < 0,5 ∼1
Peralta-Sánchez M. G., 2015. Estudo da Viabilidade do Uso de Materiais de Baixo Valor Econômico do Quadrilátero Ferrífero na Fabricação de Materiais Cerâmicos.
82
Tabela 7.4– Análises dos principais metais pesados contidos na solução ácida lixiviante e nos lixiviados coletados da coluna com geopolímero.
pH As Cd Co Cr Zn Cu Pb (mg/litro)
Solução ácida (Sol. Ac.) 1,40 0,8370 0,2474 60,90 0,2672 16,31 0,037 0,2456
N° de Coletas: N° 1 10,00 *n.q n.q 0,0172 0,4764 n.q n.q n.q N° 2 8,94 n.q n.q n.q 0,2460 n.q n.q n.q N° 3 8,73 n.q n.q 0,0116 0,0147 0,0196 n.q n.q N° 4 7,41 n.q n.q 2,5110 n.q 0,3087 n.q 0,0489 N° 5 7,03 0,3079 0,1103 7,0300 n.q 1,2040 n.q 0,0678 N° 6 4,96 0,3259 0,1262 8,6900 0,0282 2,1600 0,0368 0,0577
*n.q.: não foram observadas.
7.7- CONCLUSÕES
O referido estudo mostrou a possibilidade de utilizar recursos sem valor econômico industrial,
como são as argilas cauliníticas do Quadrilátero Ferrífero, e resíduos poluentes, que são as lamas
vermelhas, em benefício do meio ambiente.
A aplicação tecnológica dos geopolímeros como meios filtrantes de água poluídas resultaram
em águas recuperadas. Isto é, água inicialmente ácida e poluída, foi recuperada atingindo um pH
alcalino a ligeiramente ácido com reduzidas concentrações de metais pesados. A formação de zeólita a
baixa temperatura pode ter contribuído amplamente nesses resultados, pois por suas características
físico-químicas é bastante utilizada como meio filtrante. A alta resistência mecânica dos produtos
obtidos vem contribuir na facilidade para o seu manuseio, locação e transporte.
O presente trabalho demonstra que esta tecnologia de ativação alcalina de materiais de baixo
interesse industrial associados a resíduos poluidores pode ser adaptada para sua utilização no controle
ambiental de derrames de líquidos contaminantes e do pH das águas ácidas de mineração.
7.8- AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem a contribuição financeira do Conselho Nacional de Desenvolvimento
Científico e Tecnológico (CNPq), da Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Gerais
(FAPEMIG), da Companhia. Brasileira de Alumínio. Assim também agradecem a colaboração técnica
dos laboratórios de: materiais cerâmicos, difração de raios X, geoquímica, microscopia eletrônica de
varredura e geotecnia, do Departamento de Geologia; tratamento de minérios e particulados, do
Departamento de Minas e; de ensaios mecânicos do Departamento de Metalurgia da Universidade
Federal de Ouro Preto (UFOP).
Contribuições às Ciências da Terra Série D, vol. 33, 97p.
83
CAPÍTULO 8
CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES
Neste capítulo são apresentadas as conclusões de acordo com os produtos obtidos. Assim, o
subtítulo de cerâmica vermelha inclui os capítulos 4 e 5 que aborda a obtenção de produtos cerâmicos
a partir de matérias-primas (naturais ou misturadas) queimadas a 900 e 1.110 ºC. Já o subtítulo
geopolímeros inclui os capítulos 6 e 7 e aborda a obtenção de corpos cerâmicos a partir de misturas de
matérias-primas previamente ativadas termicamente até ~700 ºC e logo ativadas alcalinamente a
temperaturas variando entreado ambiente (média de 25ºC) até120 ºC.
8.1- PARA CERÂMICA VERMELHA
As diferentes técnicas de análises usadas para a caracterização mineralógica, física e química
das argilas de três localidades do Quadrilátero Ferrífero, assim como o estudo tecnológico dos corpos
cerâmicos obtidos a partir dessas argilas naturais e de misturas com filito permitiram concluir que as
amostras DV do depósito Padre Domingos e R1 do talude ao lado da rodovia, no Sinclinal Moeda
usadas no seu estado natural, são as que apresentaram as melhores características tecnológicas e
atingiram as especificações técnicas recomendadas para cerâmica vermelha, resultando em corpos
cerâmicos sem fraturas e resistências à compressão superiores às normas, 67,22 MPa para DV e 46,81
MPa para R1, após queima a 1.100 °C. Esses corpos apresentaram também baixos valores de retração
linear (RL < 1,0 %) e de absorção de água (AA < 22,0 %). Tal fato pode ser atribuído aos maiores
teores de Fe2O3 em DV e, deste óxido em associação com SiO2 em R1. O óxido de ferro sendo um
fundente atuou como ligante e redutor da porosidade em DV e R1 e,a sílica minimizou a RL em R1.
As demais argilas naturais (ACM, DB, R5, FS e AM) não atingiram as especificações para
tijolos cerâmicos, sendo, portanto necessário o uso do aditivo filito muscovítico (F) nas proporções de
5, 10, 15, 20 e 25 % e queima a 900 e 1100 °C para a consecução de características tecnológicas
requeridas no setor da cerâmica vermelha. Dessa maneira foram obtidas as misturas das cinco argilas
com filito, nas proporções ACM+15F, DB+5F, R5+5F, FS+5F, AM+5F, que permitiram obter corpos
cerâmicos queimados a 900 °C com características físicas similares às obtidas com DV e R1, isto é,
sem fraturas e resistências à compressão superiores às normas, porém a resistência à compressão
variou entre 54,6 e 35,0 MPa, RL foi < 1,6 % e AA entre 30,4 e 24,1 %.
Os tijolos cerâmicos acima obtidos, isto é, os fabricados a partir das mesmas misturas
ACM+15F, DB+5F, R5+5F, FS+5F, AM+5F, foram submetidos a ensaios adicionais de modificação
de suas superfícies submergindo os corpos em soluções alcalinas de NaOH, no intuito de estudar as
possíveis modificações nas suas características tecnológicas. Assim, resultaram em um moderado
aumento da resistência mecânica para valores entre 60,0 e 38,4 MPa e uma importante diminuição da
AA em todos os corpos, atingindo um máximo de 23,7 % para R5+5F e os demais corpos com valores
Peralta-Sánchez M. G., 2015. Estudo da Viabilidade do Uso de Materiais de Baixo Valor Econômico do Quadrilátero Ferrífero na Fabricação de Materiais Cerâmicos.
84
menores do que 18,6 %. A diminuição nos valores de AA está relacionada com a impregnação dos
poros dos corpos cerâmicos com o gel Na-Si-Al produzida durante a reação das superfícies cerâmicas
com a solução alcalina. Já a RL não foi significativa nos corpos modificados, nem nos posteriores
geopolímeros.
Como conclusão final dessa primeira parte da pesquisa, resta salientar que os produtos
cerâmicos fabricados a partir das argilas naturais do Quadrilátero Ferrífero, dessas argilas misturadas
com filito e a ativação alcalina das superfícies dos corpos cerâmicos atingiram as normas técnicas
requeridas para seu uso na construção civil, na forma de tijolos. Assim sendo, foi possível valorizar
essas argilas e o filito, sem valor econômico atual, como matérias-primas para a indústria cerâmica
vermelha,
8.2- PARA GEOPOLÍMEROS
Na seguinte fase da pesquisa, para a fabricação de geopolímeros as duas argilas, DB (do
depósito de Padre Domingos) e R5 (de cortes da rodovia BR-356), que apresentaram os maiores
conteúdos de SiO2 + Al2O3 (> 77 %) e baixas percentagens de Fe3O2 (< 6 %) foram utilizadas em
misturas com a argila R1 ou com rejeitos de quartzito (Q), cuja função foi de ser aditivos pozolânico
(SiO2> 70 %). Os geopolímeros nas correspondentes proporções das matérias-primas utilizadas
34%Q_66%R5; 33%Q_67%DB; 49%R1_51%R5; 48%R1_52%DB apresentaram corpos sem fraturas
e altas resistências mecânicas à compressão (entre 19,8 e 11,0 MPa). Porém, somente o corpo
48%R1_52%DB atingiu valores de AA < 19,4 % enquanto os demais foram de até 28,2 %. O posterior
aquecimento dos corpos de prova geopoliméricos à temperatura de 680 °C demostrou um leve
aumento na resistência mecânica (entre 21,0 e 11,5 MPa) o que não justifica o emprego de elevadas
temperaturas nesses corpos.
Geopolímeros que incluíram 10 e 20 % de lama vermelha (LVM), como aditivo visando
reduzir o consumo do ativador alcalino, em misturas com a argila DB e com Q forneceram o
geopolímero 34%Q_56%DB_10%LMV, que apresentou as melhores características tecnológicas, isto
é, sem fraturas, alta resistência à compressão (10,6 MPa) e AA de 24,8 %. Nesse ensaio foi possível
reduzir em 6,0 % a utilização do reagente alcalino (NaOH).
O geopolímero 50%R1_40%ACM_10%LMV (S010), sem fraturas, com 18,8 MPa de
resistência à compressão e AA de 24,1 % se mostrou muito eficiente como meio filtrante de águas
poluídas e ácidas, com pH inicial de 1,4. Após a filtragem essas águas reduziram as concentrações de
metais pesados e houve uma importante redução da sua acidez, até pH = 5. A formação de zeólita a
baixa temperatura pode ter contribuído de maneira favorável nesses resultados.
Contribuições às Ciências da Terra Série D, vol. 33, 97p.
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A elaboração dos geopolímeros colocou em evidencia uma pequena variabilidade de
resultados tecnológicos obtidos com as três amostras de argila (ACM, DB e R5) que são quimicamente
e mineralógicamente parecidas, em misturas com dois aditivos pozolânico diferentes (Q ou R1), os
fatores que influenciaram essa divergência nos resultados não foram determinados neste trabalho.
Por tudo o acima explicado é importante salientar que a grande vantagem que apresentam os
geopolímeros em relação aos corpos cerâmicos queimados é que a metodologia de fabricação dos
primeiros não precisa de altas temperaturas, representando assim uma importante redução de custos
energéticos durante sua produção, além de que permitem aproveitar e indicar um destino final
ambientalmente correto para dois poluentes como são atualmente os rejeitos de quartzito e
principalmente a lama vermelha, considerados como problemas ambientais para as regiões onde são
produzidos.
Finalmente, é preciso sugerir futuras avaliações tanto da metodologia quanto das variáveis
operacionais durante a preparação das matérias-primas, ativadores, cuidados nos corpos de prova,
dentre outros, para um possível melhoramento da qualidade e das características físicas, químicas e
tecnológicas dos produtos geopoliméricos.
Recomenda-sedar continuidade às pesquisas iniciadas nessa tese, tanto na área dos
geopolímeros assim como em cerâmica tradicional queimada, visando novas misturas com matérias-
primas naturais e de rejeitos oriundos do Quadrilátero Ferrífero.
Peralta-Sánchez M. G., 2015. Estudo da Viabilidade do Uso de Materiais de Baixo Valor Econômico do Quadrilátero Ferrífero na Fabricação de Materiais Cerâmicos.
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Contribuições às Ciências da Terra Série D, vol. 33, 97p.
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