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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
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
2
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.
3
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
4
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
5
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.
6
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.
7
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.
8
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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