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ESTUDO DE MATÉRIA-PRIMA CERÂMICA PARA OBTENÇÃO DE ARGAMASSA EXPANSIVA PARA LAVRA DE ROCHAS ORNAMENTAIS Carlos Thiago Candido Cunha (1) , Hélio de Lucena Lira (1) , Gelmires de Araújo Neves (1) , Antônio Augusto Pereira de Sousa (1) Av. Aprígio Veloso, Nº 882, Bodocongó, Campina Grande - PB, CEP 58109-970 E-mail [email protected] (1) DEMa/ Laboratório de Engenharia de Materiais, Universidade Federal de Campina Grande (UFCG) RESUMO A indústria de rochas ornamentais tem grande relevância no mercado mundial, inclusive no Brasil, onde a Região Nordeste destaca-se por seu potencial geológico. O emprego de argamassa expansiva para demolição e corte de rochas, vem sendo um dos mais procurados pelas indústrias extrativas, por suas inúmeras vantagens, ante os outros métodos para lavra. Entretanto, o aspecto econômico inibiu o incremento do uso de argamassa expansiva, devido ao elevado custo, por se tratar de um produto importado. O objetivo deste trabalho é estudar algumas matérias- primas de origem nacional, especificamente minérios não-metálicos do nordeste brasileiro, visando a obtenção de argamassa expansiva. Realizaram-se ensaios de caracterização de uma argamassa expansiva comercial para utilizá-la como padrão, em seguida, desenvolveram-se várias composições de argamassa expansiva com diferentes aditivos. Os resultados obtidos indicaram a utilização do mineral calcita como principal matéria-prima para a obtenção do maior constituinte da argamassa expansiva, o CaO. Palavras-chave: Argamassa expansiva, rochas ornamentais, lavra INTRODUÇÃO As indústrias de rochas ornamentais têm grande relevância no mercado mundial. Tais rochas têm aplicações variadas, desde a própria ornamentação até a 1

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ESTUDO DE MATÉRIA-PRIMA CERÂMICA PARA OBTENÇÃO DE ARGAMASSA EXPANSIVA PARA LAVRA DE ROCHAS ORNAMENTAIS

Carlos Thiago Candido Cunha(1), Hélio de Lucena Lira(1), Gelmires de Araújo Neves(1), Antônio Augusto Pereira de Sousa(1)

Av. Aprígio Veloso, Nº 882, Bodocongó, Campina Grande - PB, CEP 58109-970 E-mail [email protected]

(1) DEMa/ Laboratório de Engenharia de Materiais, Universidade Federal de Campina Grande (UFCG)

RESUMO

A indústria de rochas ornamentais tem grande relevância no mercado mundial,

inclusive no Brasil, onde a Região Nordeste destaca-se por seu potencial geológico.

O emprego de argamassa expansiva para demolição e corte de rochas, vem sendo

um dos mais procurados pelas indústrias extrativas, por suas inúmeras vantagens,

ante os outros métodos para lavra. Entretanto, o aspecto econômico inibiu o

incremento do uso de argamassa expansiva, devido ao elevado custo, por se tratar

de um produto importado. O objetivo deste trabalho é estudar algumas matérias-

primas de origem nacional, especificamente minérios não-metálicos do nordeste

brasileiro, visando a obtenção de argamassa expansiva. Realizaram-se ensaios de

caracterização de uma argamassa expansiva comercial para utilizá-la como padrão,

em seguida, desenvolveram-se várias composições de argamassa expansiva com

diferentes aditivos. Os resultados obtidos indicaram a utilização do mineral calcita

como principal matéria-prima para a obtenção do maior constituinte da argamassa

expansiva, o CaO.

Palavras-chave: Argamassa expansiva, rochas ornamentais, lavra

INTRODUÇÃO

As indústrias de rochas ornamentais têm grande relevância no mercado

mundial. Tais rochas têm aplicações variadas, desde a própria ornamentação até a

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construção civil. Sua aceitação acentuou-se nos últimos anos, fazendo com que as

empresas investissem em pesquisas na área, a fim de aperfeiçoar suas técnicas e

inovar em conhecimento.

A Região Nordeste é uma das áreas mais requeridas quanto à pesquisa e

exploração dessa atividade industrial, que está em grande expansão e influencia

significativamente a balança comercial do Brasil.

Os granitos da Região Nordeste são exclusivos e de formação geológica

específica, por exemplo, pegmatitos, predominando maciço rochoso, cujo método de

lavra é de custo alto. Contudo, essa raridade de granito dessa região brasileira tem

grande aceitação internacional, conseguindo agregar valor comercial ao produto.

Conseqüentemente, deve-se empregar tecnologia avançada, que melhore os

processos produtivos em qualidade e quantidade.

A tecnologia que utiliza argamassa expansiva é baseada no processo de

hidratação do óxido de cálcio, com retardadores, que promovem o aumento

volumétrico devido à reação química, gerando uma pressão expansiva dentro dos

furos lineares na rocha, o suficiente para o desmonte da mesma. Inúmeras são as

suas vantagens para lavra, pois é necessário o mínimo de perfurações na rocha,

além de não provocar impacto ambiental e ser de simples aplicação não

necessitando assim de mão-de-obra qualificada. Outra vantagem importante é a

resposta no corte, resultando em cortes lineares contribuindo para o melhor

aproveitamento e acabamento dos blocos de granito. O uso de explosivos muitas

vezes não se obtém tal definição e irregularidades são comuns nos blocos. A

desvantagem, hoje, do uso de argamassa expansiva é o seu elevado custo, por se

tratar de um produto importado.

O campo de ação da argamassa expansiva é praticamente ilimitado: serve para

romper, cortar e demolir rochas, betões e cimentos armados (1). É liberada de modo

progressivo e gradual, eliminando completamente todos os perigos e limitações que

são típicas do uso de explosivos, inclusive é o mais apropriado em áreas urbanas,

onde o uso dos mesmos é proibitivo. É um produto altamente ecológico, pois além

de não ser explosivo, não produz gases e nem deixa resíduos nocivos.

A argamassa expansiva funciona através de reação química que ocorre

quando é misturado com certa quantidade de água (30-35% do peso do produto).

Esta reação causa a dilatação da mistura, que aumenta o seu volume inicial em até

quatro vezes (2). Logo, ela age em função do próprio inchamento, exercendo nas

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paredes do furo uma força unitária superior a 8.000 toneladas por metro quadrado,

provocando o aparecimento de rachas (1). É necessária apenas a sua conservação

em local seco e em recipientes invioláveis, evitando o contato com umidade e

consequentemente uma expansão antecipada.

Seu efeito expansivo resulta em corte linear, sem a necessidade de uso de

explosivos, rompedores, cunhas, fios diamantados ou outros métodos de corte de

rocha. A argamassa expansiva reduz o número de perfurações, aumentando assim

a produção e a qualidade do produto obtido. Seu alto efeito de expansão permite

cortes na vertical e horizontal, em blocos soltos, em bancadas ou em pranchas (3).

As composições das argamassas expansivas comercializadas não são

informadas pelos fabricantes, constituindo-se em segredo industrial. Entretanto, as

patentes internacionais, embora divergentes entre si, oferecem subsídios quanto à

composição da argamassa expansiva:

Segundo Kawano et al.(4) essas argamassas são preparadas pela pulverização

de um clinquer obtido principalmente pela mistura de óxidos de cálcio, óxidos de

silício (SiO2) e sulfato de cálcio (CaSO4). No entanto, Miki et al.(5) substitui o SiO2

pelo Al2O3. Também estão presentes outros tipos de óxidos, como o de ferro e

magnésio em menores quantidades. Deve-se calcinar o clínquer a alta temperatura,

entre 1350 e 1550 °C.

De acordo com Moyer et al.(6) também é formado o clínquer de uma mistura,

onde ele destaca o uso de óxido de cálcio (80 – 95%), cimento portland, hidróxido de

cálcio (Ca(OH)2) e carbonato de cálcio (CaCO3). Já conforme a patente Rice et. al.(7)

o clínquer consiste em CaO, Al2O3 e CaSO4, que depois de pulverizado é acrescido

de cimento portland e gesso novamente. Segundo Suzukawa et. al.(8) o clínquer é obtido da temperatura de 1000 a

1400ºC e contem CaO (60%), CaF2 (30%) e Al2O3 que depois de pulverizado é

acrescido de óxido de alumínio novamente e gesso (CaSO4) (1,0 - 3,5%).

Apesar das diferenças observa-se que todas obedecem ao princípio da cinética

e termodinâmica desse processo químico onde a argamassa (clinquer pulverizado)

sofre hidratação em uma velocidade relativamente baixa, mas com aumento

volumétrico e grande pressão de expansão por umidade. No controle da cinética da

reação tem sido sugeridos o uso de compostos orgânicos, das funções ácidos

carboxílicos, álcoois, com o objetivo de retardar a hidratação dos óxidos da

argamassa.

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Conforme Minegishi et al.(9), a argamassa expansiva, para as suas devidas

aplicações, deve possuir três propriedades relacionadas com a reação de

hidratação, que são:

1) o início da reação deve ocorrer após um determinado tempo, ou seja, após a

adição de água, devendo-se ter tempo suficiente para a colocação da mistura no

furo de forma adequada ou suficiente;

2) a mistura injetada no furo deve expandir de forma que exerça pressão na

estrutura a ser desmontada ou demolida de forma eficaz, sem transbordamento;

3) durante a reação deve existir pressão expansiva suficiente para o corte da

estrutura em um período de tempo relativamente curto.

Dependendo da sua aplicabilidade as argamassas geralmente são compostas

de cimento associado a outros aditivos. Segundo Maia (10), o cimento conhecido

como portland, é obtido também de uma mistura de componentes, estão

selecionados abaixo os três principais e mais comuns:

- O próprio clínquer portland: material inorgânico obtido por cozedura, até

princípio de fusão (clinquerização ou sinterização), do correspondente cru (mistura

fina, homogênea e doseada de matérias-primas calcárias e argilosa, contendo

basicamente CaO, SiO2, Al2O3 e Fe2O3).

- Carga ou filer: material geralmente o calcário, que, moído em determinadas

proporções com o clínquer, melhoram algumas propriedades do cimento, tais como

a aptidão a sua manipulação, a exsudação e retração.

- Reguladores de presa ou retardadores de pega: materiais naturais ou

produtos artificiais , que adicionados aos outros constituintes do cimento, e moídos

com eles, asseguram a regulação do tempo de presa (pega). Utilizam geralmente

sulfatos de cálcio naturais, como o gesso ou produtos obtidos como subprodutos de

processos industriais.

Diante de tais considerações vê-se o emprego do cimento portland, como

aditivo constituinte da argamassa expansiva, comparado aos referenciais das

patentes internacionais.

Sendo esta argamassa expansiva à base de óxidos e caso a utilização de

cimento, há a necessidade de promover o retardamento do início da pega, por meio

de aditivos retardadores e incorporadores de ar, a fim de que suas características

iniciais de dosagem sejam garantidas por um período apropriado. Observa-se que

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tais aditivos e também o filer (tomando-se o calcário), possuem a mesma

funcionalidade do cimento comum.

O objetivo deste trabalho é estudar algumas matérias-primas de origem

nacional, especificamente minérios não-metálicos do nordeste brasileiro, visando a

obtenção de argamassa expansiva.

MATERIAIS E MÉTODOS

Inicialmente foi utilizada uma amostra de argamassa expansiva comercial

(fornecida pela empresa Fugi - Mármores e Granitos S.A.), onde se realizou ensaios

de caracterização, a fim de obter os parâmetros necessários para o desenvolvimento

de novas formulações.

A argamassa expansiva possui grande porcentagem de óxidos de cálcio, CaO.

Tomaram-se, portanto, amostras de calcita, mineral rico em CaCO3 e abundante na

região nordeste, afim do mesmo ser um dos aditivos a constituir a argamassa

expansiva e por este ser o responsável na obtenção do CaO, através da calcinação.

Realizou-se calcinação em três temperaturas distintas (1000ºC, 1200ºC e 1400ºC),

procurando assim determinar qual a temperatura mais adequada no processo de

obtenção do CaO. Para tanto foram caracterizadas amostras de calcita da empresa

Armil – Mineração do Nordeste Ltda. e da Jand Química Ind. e Com. Ltda.

Outros aditivos selecionados para compor a argamassa foram o cimento

Portland (empresa Cimpor do Brasil), calcário e controladores de pega (retardadores

e aceleradores) como sulfatos, carboidratos e cloretos. Em todo o processo, cada

componente foi peneirado em malha ABNT #200.

Quanto à caracterização dos materiais, realizou-se técnicas normalmente

usadas para materiais inorgânicos: difração de raios-X, análise química, análise

térmica diferencial (ATD), análise termogravimétrica (ATG) e analise granulométrica.

A análise de expansão e tempo de pega foi realizada em um recipiente plástico de

100ml, onde no mesmo colocou-se 3,5ml de água (hidratação a 35%) seguido da

amostra a ser expandida (no caso 10 gramas de argamassa em cada ensaio).

RESULTADOS E DISCUSSÃO

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Na Tabela I é apresentada a composição da argamassa expansiva comercial

obtida pela análise química. Podemos comprovar o alto teor de CaO e teores

significativos de SiO2 e MgO presentes na argamassa.

Tabela I. Composição da argamassa expansiva comercial

Composição SiO2 Fe2O3 Al2O3 CaO MgO Na2O K2O RI PR

Percentagem

em peso (%)

3,76 0,40 traços 63,00 3,63 0,90 1,69 0,44 25,90

Na Figura 1 são apresentados os gráficos da ATD e ATG da argamassa

comercial. Na ATD, podem-se observar dois picos endotérmicos de grande

intensidade; o primeiro em torno de 520°C indicando a presença de Ca(OH)2 na

argamassa, já o outro pico próximo a 900°C, indica a presença do CaCO3. Na ATG

da argamassa, podemos observar perdas de massa características: entre 23ºC e

296ºC há uma perda de 4,26% relativo a perda de água absorvida, de 296ºC a

687ºC ocorreu uma perda de massa de 18,71% referente a perda de hidroxilas (OH),

por fim de 687ºC a 969ºC há uma perda da ordem de 6,47%, indicando a perda de

CO2.

0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0

0

5

1 0

1 5

2 0

2 5

Dt (

ºC)

T e m p e r a t u r a ( º C )

A T D d a A r g a m a s s a E x p a n s iv a

0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 03 5

3 0

2 5

2 0

1 5

1 0

5

0

Perd

a de

mas

sa (%

)

T e m p e ra tu ra (ºC )

A T G A rg a m a s s a E xp a n s iv a

Figura 1. Gráfico obtido da ATD e ATG da argamassa expansiva

Na Figura 2, encontram-se as curvas das análises térmicas diferenciais das

amostras de calcita da empresa Armil (CaCO3 AR) e da Jand Química (CaCO3 P.A.).

Destes gráficos, pode-se concluir que tais amostras são formadas basicamente de

CaCO3, caracterizado pela ocorrência do pico endotérmico entre 900ºC e 980ºC. Há

também picos menores: próximo aos 100ºC referente à pequena presença de água

e próximo aos 260ºC devido à presença de carbonato de magnésio.

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0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0- 8 0

- 6 0

- 4 0

- 2 0

0

2 0

4 0

Dt(º

C)

C a C O 3 A R C a C O 3 P A

T e m p e r a t u r a ( º C )

Figura 2. Análises térmicas diferenciais das amostras de calcita

A partir da calcinação dessas amostras de calcário, realizaram-se novamente

ensaios de ATD. Na Figura 3, encontram-se três amostras de CaO AR calcinadas a

1000ºC, 1200ºC e 1400ºC e uma amostra de CaO P.A. calcinada a 1400ºC.

Percebe-se picos referentes a água absorvida próximo dos 190ºC, e outros

característicos da presença de carbonato de magnésio nessas amostras. Há um

pico endotérmico de grande intensidade em torno dos 495ºC, em todas as amostras,

referente a presença de hidroxilas (OH-), esse mesmo pico é de pequena

intensidade na amostra de CaO AR à 1400ºC, sendo portanto, o mais adequado

para formulação das argamassas expansivas.

0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0- 4

- 2

0

2

4

6

8

1 0

1 2

1 4

1 6

1 8

2 0

2 2

2 4

Dt (

ºC)

T e m p e r a t u r º C )

C a O A R à 1 0 0 0 º C C a O A R à 1 2 0 0 º C C a O A R à 1 4 0 0 º C C a O P A à 1 4 0 0 º C

a (

Figura 3. Curvas de ATD das 4 amostras de CaO selecionadas pós-calcinação

Partindo dos resultados obtidos e do referencial teórico, desenvolveram-se

várias composições, com diferentes porcentagens. Todas as argamassas seguiram

o seguinte padrão: CaO (70-95%), Cimento portland (3-20%), CaCO3 (3-20%) e

retardador (1-7%). Algumas apresentaram expansão e consistência significativa,

conforme podemos observar na Tabela II abaixo. O tempo de início da pega na

argamassa padrão é de 1 hora, nas desenvolvidas cerca de 6 horas, tempo que

posteriormente foi ajustado pela adição de cloretos.

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Tabela II. Resultados de expansão, consistência e tempo de pega das argamassas

Argamassa CaO CaCO3 cimento retardador Vo (ml) V (ml) ∆V (ml)

Padrão - - - - 6 35 29

A1* 80% 5% 10% 5% 7 35 28

A2* 80% 10% 5% 5% 7 34 27

A3* 80% 8% 8% 4% 7 36 29

A4* 85% 7% 4% 4% 7 37 30

Vo = volume inicial, V = volume expandido e ∆V = variação de volume

* argamassas que apresentaram resultados mais favoráveis dentre as 30 desenvolvidas

Foi observado, que dependendo do retardador empregado a expansão pode

variar nas argamassas entre si, podendo chegar a resultados indesejáveis.

Baseados nessas argamassas, realizou-se um ensaio de ATD, sem o aditivo

retardador na composição. Tal gráfico, na Figura 4, comparado ao da argamassa

comercial, verifica-se as mesmas características: dois acidentes endotérmicos, o

primeiro indicando a presença do Ca(OH)2 (495ºC) e o outro indicando a presença

do CaCO3 (835ºC).

0 200 400 600 800 1000

-10

-5

0

5

10

15

20

25

Dt (

ºC)

Temperatura (ºC)

Argamassa Expansiva Comercial Argamassas sem retardador

Figura 4. Gráfico das ATD`s das argamassas desenvolvidas sem retardador

comparada a argamassa expansiva padrão

Das análises granulométricas feitas nas argamassas obteve-se a relação entre

diâmetros de partículas da Tabela III. As argamassas desenvolvidas em laboratório

foram preparadas em malha ABNT #200, observa-se a necessidade de uma

moagem prévia para que a argamassa desenvolvida chegue ao padrão da

comercial. Tal parâmetro é de suma importância pois melhorará a consistência,

empregando assim menor quantidade de aditivos plastificantes.

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Tabela III. Resultados das análises granulométricas a laser das argamassas

Argamassa

Diâmetro em 10% das partículas

Diâmetro em 50% das partículas

Diâmetro em 90% das partículas

Diâmetro médio das partículas

Padrão 2,98 µm 16,93µm 53,88µm 23,3µm

Desenvolvida 5,20µm 25,68µm 51,50µm 27.35µm

CONCLUSÕES

Das análises feitas nas argamassas expansivas, calcário e CaO, pode-se

chegar as seguintes conclusões:

- A argamassa expansiva é formada basicamente por CaO, este é o

responsável pela expansão via hidratação. Outros componentes também estão

presentes: SiO2, MgO e pequenos teores de Fe2O3, Al2O3, Na2O e K2O.

- A amostra de calcário da empresa Armil apresenta condições ideais para sua

utilização e obtenção do CaO e sua melhor temperatura para calcinação é 1400ºC.

- A formulação da argamassa expansiva obteve resultado satisfatório com a

seguinte composição: CaO,CaCO3, cimento, retardador nos teores estudados.

- A consistência pode ser melhorada pela diminuição da granulometria das

partículas partindo de uma moagem prévia e/ou adição de plastificantes. O tempo

de pega e início de expansão podem ser controlados pela adição de cloretos que

aceleraram a pega.

AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem ao PIBIC/CNPq, a empresa Fugi - Mármores e Granitos

S.A. e ao Banco do Nordeste (através do Fundeci) pelo apoio à pesquisa.

REFERÊNCIAS

1. ROGERTEC. Cimento expansivo. www.rogertec.com.br. Acesso em

fevereiro de 2005.

2. CHIMICAEDILE. Cimento expansivo. www.chimicaedile.com.br. Acesso

em janeiro de 2005.

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3. CAIMEX. Produtos Kayati SL-CRAS. www.caimex.com.br. Acesso em

janeiro de 2005.

4. KAWANO, et al. Patente nº 4,316,583. www.patft.uspto.gov. 1982.

Acesso em fevereiro de 2005.

5. MIKI et al. Patente nº 3,510,326. www.patft.uspto.gov. 1970. Acesso

em janeiro de 2005.

6. MOYER, Jr, et al. Patente nº 4,205,994. www.patft.uspto.gov. 1980.

Acesso em fevereiro de 2005.

7. RICE E., et al. Patente nº 4,419,136. www.patft.uspto.gov. 1983.

Acesso em fevereiro de 2005.

8. SUZUKAWA, et al. Patente nº 4,452,637. www.patft.uspto.gov. Acesso

em fevereiro de 2005.

9. MINEGISHI, et al. Patente nº 4,409,030. www.patft.uspto.gov. 1983

.Acesso em fevereiro de 2005.

10. MAIA, José Nunes. Indústria Cimenteira. ICTE. p 3-15.Lisboa. 2002.

STUDY OF CERAMIC RAW MATERIALS TO OBTAIN EXPANSIVE MORTAR TO DESMOUNT OF ORNAMENTAL ROCK

ABSTRACT

The ornamental rock industry has a great importance in the world marketing and the

Brazilian northeast region are detach in this context. The use of expansive mortar to

cut and demolish rocks has been increase due to the several advantages compared

with other methods. However, the economic aspects inhibit the use of this expansive

mortar due to the elevate cost and the importation. The aim of this work is to study

some raw materials from the Brazilian northeast region to prepare expansive mortar.

It was done the characterization of a commercial expansive mortar and used as

standard. It was developed several expansive mortar compositions with different

additives. The results showed the use of calcite mineral as the main raw materials to

obtain the expansive mortar.

Key-Words: expansive mortar, calcite, characterization

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