CENTRO UNIVERSITÁRIO DE BRUSQUE

SERVIÇO NACIONAL DE APRENDIZAGEM INDUSTRIAL TECNOLOGIA EM CERÂMICA

OBTENÇÃO DE CERÂMICA CELULAR POR MONOQUEIMA

RÁPIDA A PARTIR DE RESÍDUOS DE POLIMENTO

GLAUCO LUCKMANN

Tijucas, Agosto de 2007

GLAUCO LUCKMANN

OBTENÇÃO DE CERÂMICA CELULAR POR MONOQUEIMA RÁPIDA A PARTIR DE RESÍDUOS DE POLIMENTO

Trabalho de conclusão de curso

apresentado ao curso superior de

Tecnologia em Cerâmica como requisito

parcial à obtenção do título de Tecnólogo

em Cerâmica no Centro Universitário de

Brusque (UNIFEBE) em convênio com o

Serviço Nacional de Aprendizagem

Industrial (SENAI).

Orientador: Professor Dr. Adriano Michael

Bernardin

Tijucas, 2007

GLAUCO LUCKMANN

OBTENÇÃO DE CERÂMICA CELULAR POR MONOQUEIMA RÁPIDA A PARTIR DE RESÍDUOS DE POLIMENTO

Esta monografia foi julgada adequada à obtenção do grau de

Tecnólogo em Cerâmica e aprovado em sua forma final pelo Curso Superior de

Tecnologia em Cerâmica do Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial e do

Centro Universitário de Brusque.

Tijucas, Agosto de 2007.

Dr.Eng. Adriano Michael Bernardin

Orientador

Profa. Kenia Warmling Milanez

Coordenadora Técnica do Curso de Tecnologia em Cerâmica

Profo. Claudemir Aparecido Lopes

Coordenador Pedagógico do Curso de Tecnologia em Cerâmica

BANCA EXAMINADORA

Prof. Dr.Eng. Adriano M. Bernardin

SENAI/UNIFEBE

Profª. M.Eng. Kenia W. Milanez

SENAI/UNIFEBE

Profª. Drª. Glêdes Cabral de Albuquerque Viotti

SENAI/UNIFEBE

AGRADECIMENTOS

Pelo exemplo significativo de perseverança, dedicação e

responsabilidade, dedico esta monografia à minha família, em especial à meu

pai, Alinor Luckmann, fonte de grande sabedoria, conhecimento, ética e garra.

À minha esposa, Morgana Luckmann, incansável incentivadora de meus

projetos. Ao SENAI e UNIFEBE, ao corpo docente destas instituições de ensino

e seus colaboradores, e todos os envolvidos direta ou indiretamente com este

projeto, meu sincero obrigado!

6

LISTA DE TABELAS

Tabela 1. Especificações para o grês porcelanato (ISO 13006) ...................... 18

Tabela 2. Análise química e de fases das amostras ........................................ 34

7

LISTA DE FIGURAS

Figura 1. Difratograma do resíduo de polimento (LAMIR, 2007)...................... 35

Figura 2. Análise térmica diferencial da amostra de resíduo de polimento

(UNESC, 2007) ................................................................................................ 36

Figura 3. Evolução da densidade aparente dos corpos-de-prova sinterizados

em função da pressão de compactação e da temperatura de tratamento

(AUTOR, 2007) ................................................................................................ 37

Figura 4. Evolução da resistência mecânica por compressão diametral dos

corpos-de-prova sinterizados em função da pressão de compactação e da

temperatura de tratamento (AUTOR, 2007) ..................................................... 38

Figura 5. Evolução da expansão linear dos corpos-de-prova sinterizados em

função da pressão de compactação e da temperatura de tratamento (AUTOR,

2007) ................................................................................................................ 39

Figura 6. Evolução da absorção de água dos corpos-de-prova sinterizados em

função da pressão de compactação e da temperatura de tratamento (AUTOR,

2007) ................................................................................................................ 41

Figura 7. Microestrutura de amostra queimada a 1.190°C (MEV) (LABMAT,

2007) ................................................................................................................ 42

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SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO ............................................................................................. 11

1.1. Justificativa................................................................................................ 12

1.2. Objetivos ................................................................................................... 13

1.2.1. Principal.................................................................................................. 14

1.2.2. Específicos ............................................................................................. 14

2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA.................................................................... 15

2.1. Grês porcelanato....................................................................................... 15

2.1.1. Processo de fabricação do grês porcelanato ......................................... 16

2.1.2. Características técnicas do grês porcelanato......................................... 18

2.1.3. Matérias-primas para fabricação de grês porcelanato............................ 19

2.1.3.1. Argilominerais...................................................................................... 19

2.1.3.2. Caulim ................................................................................................. 20

2.1.3.3. Feldspatos........................................................................................... 20

2.1.3.4. Talco.................................................................................................... 21

2.2. Resíduos sólidos gerados pela indústria cerâmica ................................... 22

2.3. Cerâmica celular........................................................................................ 26

2.4. Oxidação do carbeto de silício .................................................................. 28

3. MATERIAIS E MÉTODOS............................................................................ 30

3.1. Caracterização das amostras.................................................................... 30

3.2. Preparação das amostras ......................................................................... 30

3.2.1. Resíduo de polimento do grês porcelanato ............................................ 31

3.2.2. Preparação dos corpos-de-prova ........................................................... 31

3.2.3. Sinterização das amostras ..................................................................... 31

3.3. Caracterização da cerâmica celular .......................................................... 32

3.3.1. Determinação da expansão linear.......................................................... 32

3.3.2. Determinação da densidade aparente (DAP)......................................... 32

3.3.3. Resistência mecânica por compressão diametral .................................. 33

3.3.4. Caracterização microestrutural............................................................... 33

4. RESULTADOS E DISCUSSÃO.................................................................... 34

4.1. Caracterização físico-química do resíduo ................................................. 34

4.2. Caracterização físico-mecânica e microestrutural das cerâmicas celulares

......................................................................................................................... 36

9

4.2.1. Densidade aparente ............................................................................... 36

4.2.2. Resistência mecânica por compressão diametral .................................. 38

4.2.3. Expansão linear após sinterização......................................................... 39

4.2.4. Absorção de água das amostras............................................................ 40

4.2.5. Microestrutura......................................................................................... 41

5. CONCLUSÃO............................................................................................... 43

REFERÊNCIAS................................................................................................ 45

10

RESUMO

Uma indústria cerâmica consome grande quantidade de matérias-primas; conseqüentemente, como em todas as indústrias, rejeitos também são gerados. Se estes resíduos puderem ser utilizados em novos produtos com bom valor agregado, como ocorre para as cerâmicas celulares, então o resíduo adquire status de matéria-prima, adquirindo assim valor monetário. As cerâmicas celulares são materiais de elevada porosidade que consistem de um arranjo regular e tridimensional de células ocas. Desta forma, o objetivo deste trabalho foi a utilização do resíduo de polimento de grês porcelanato na fabricação de cerâmicas celulares por monoqueima rápida. O resíduo de polimento foi caracterizado por análise química (FRX), de fases (DRX) e térmica (ATD). Os resíduos foram compactados por prensagem uniaxial (300 kgf/cm², 350 kgf/cm² e 400 kgf/cm²), secos e queimados em forno a rolos industrial (1.150°C, 1.170°C e 1.190°C de temperatura máxima de patamar). Em seguida as cerâmicas celulares obtidas foram caracterizadas quanto a sua densidade aparente, expansão linear, absorção de água e resistência mecânica à compressão diametral. A microestrutura também foi determinada (MEV). Os resultados obtidos mostram que é possível obter cerâmicas celulares por monoqueima rápida a partir de resíduos de polimento de grês porcelanato com boas características físico-mecânicas. Palavras-chave: resíduos sólidos industriais; reciclagem; monoqueima rápida; cerâmicas celulares.

11

1. INTRODUÇÃO

Até o final do século XX, a procura de produtos diferenciados, aliada

a novas tecnologias na tentativa de buscar novos mercados ou apresentar

soluções inovadoras, levou o homem a devastar as fontes naturais que

fornecem matérias-primas, resultando na escassez de várias dessas fontes, o

que promoveu uma degradação violenta e até então uma preocupação

relativamente baixa com os resultados desse processo (AUTOR, 2007).

Contudo, a sociedade atual prima pela preservação dos meios

naturais, de forma a buscar sua conservação pelos mais diversos métodos de

reaproveitamento dos materiais, no que atualmente é chamado de

�reciclagem�. Materiais potencialmente úteis tornam-se uma ameaça, uma vez

que poderiam ser usados como fontes de recurso alternativo. A reciclagem

contribui para um melhor ambiente, e em vários casos, uma forma de baratear

custos de produção, visto que também há uma redução do consumo de energia

(AUTOR, 2007).

O uso de materiais secundários resulta em uma economia de

energia substancial quando comparada à produção primária. Voltando a

atenção para as indústrias cerâmicas, vê-se que consomem grandes

quantidades de matérias-primas, e conseqüentemente, como em todo

segmento de indústria, acabam por produzir rejeitos. Esses rejeitos são

conhecidos como resíduos industriais (AUTOR, 2007).

Os resíduos gerados são normalmente depositados em aterros que

consistem, na sua maioria, de cacos (perdas do produto final), esmaltes

cerâmicos, cinzas de carvão, resíduos minerais, plásticos, metais, vidros,

papéis, óleo lubrificante, madeira, pedra abrasiva, resíduos resultantes dos

processos produtivos (como o polimento do grês porcelanato), dentre outros.

A recuperação e a reciclagem de resíduos que apresentam valor

econômico são formas mais atraentes para a solução dos problemas de

tratamento e destino final, tanto para os industriais como para os órgãos

estaduais de proteção e fiscalização ambiental. Este é um fator importante para

a redução do consumo dos recursos naturais e uma maneira de reduzir a carga

de poluentes lançados no meio ambiente (BONAR, 1996).

12

Dentre as mais diversas matérias-primas a serem conservadas e

recicladas estão os resíduos sólidos industriais advindos da cerâmica. É

justamente a reciclagem dos resíduos sólidos industriais cerâmicos o objetivo

deste trabalho de conclusão de curso.

Atualmente na região de Santa Catarina não há reciclagem dos

resíduos sólidos industriais cerâmicos oriundos do processo de polimento do

grês porcelanato. Esses resíduos cerâmicos são descartados diretamente em

aterros, sendo que as empresas cerâmicas vêm descartando as sobras de

polimento e pedras abrasivas há muito tempo, sem critério algum. Os resíduos

do processo de polimento do grês porcelanato são captados, armazenados e

filtrados por estações de tratamento de efluentes (ETE), que eliminam a água

residual e geram como subproduto o lodo. O subproduto do processo de

filtração, ou lodo, é armazenado em aterros (AUTOR, 2007).

Em virtude de um iminente problema de forte impacto ambiental, viu-

se a possibilidade de utilizar os rejeitos do processo de polimento do grês

porcelanato na fabricação de novos artefatos cerâmicos, as cerâmicas

celulares, que apresentam propriedades especiais como baixa massa � devida

baixa densidade obtida pela porosidade presente no material � e boa isolação

térmica e acústica.

1.1. Justificativa

Uma indústria cerâmica consome grande quantidade de matéria-

prima; conseqüentemente, como em todas as indústrias, rejeitos também são

gerados. Resíduos depositados em aterros de forma desordenada podem

trazer inúmeros problemas, como contaminação do solo, contaminação do

lençol freático, contaminação dos rios e lagos, surgimento de doenças e

redução dos recursos naturais não-renováveis, além de influenciar

negativamente o ciclo biológico da vegetação presente (MEDEIROS, 1999).

Hoje, a preocupação com meio ambiente ocupa um espaço muito

importante nas empresas. A conscientização dos profissionais os motiva a

trabalharem colaborando na solução de problemas atuais ou futuros. Os

resíduos gerados são normalmente depositados em aterros. Estima-se que a

cada três anos um hectare de terra seja ocupado por estes resíduos.

13

A reutilização e a reciclagem dos resíduos gerados pela indústria

cerâmica objetiva, entre outras atividades:

! A redução e/ou eliminação dos desperdícios, do consumo excessivo dos

recursos naturais como os minerais, água e gás natural;

! A reutilização e reaproveitamento dos materiais, pois o rejeito de uma

empresa pode ser considerado matéria-prima de outra;

! A reciclagem, que consiste na re-introdução de produtos finais,

subprodutos e resíduos em um novo ciclo de produção-consumo.

Desta forma, qualquer projeto que vise a utilização dos resíduos

sólidos gerados pelo processo de fabricação de revestimentos cerâmicos torna-

se interessante. Se estes resíduos puderem ser utilizados em novos produtos

com bom valor agregado, como ocorre para as cerâmicas celulares, então o

resíduo adquire status de matéria-prima, adquirindo assim valor monetário.

Este trabalho é a continuidade da pesquisa desenvolvida por SILVA

(2005). Em seu trabalho, Silva obteve laboratorialmente cerâmicas celulares

com adição de sobras de abrasivos, obtendo baixas densidades quando o

produto era queimado em forno de laboratório.

Porém, a principal questão resultante daquele trabalho foi em

relação à evolução microestrutural da cerâmica celular, ou seja, como ocorre a

expansão da cerâmica quando processada em forno industrial, utilizando

pressões de prensagem usuais na fabricação de placas cerâmicas e ciclos

térmicos rápidos, de até 90 min.

O uso das instalações existentes nas empresas de revestimentos

cerâmicos, com moinhos contínuos e descontínuos que poderiam ser utilizados

para a homogeneização do resíduo, o uso de atomizadores ou granuladores

para obter o pó cerâmico, o uso de prensas industriais de pequenos, médios e

mesmo grandes formatos, e finalmente o uso de secadores e fornos a rolos,

que tornariam a fabricação de placas cerâmicas celulares uma alternativa real

para forrações, divisórias e mesmo revestimentos cerâmicos convencionais.

1.2. Objetivos

Os principais objetivos deste trabalho são:

14

1.2.1. Principal

Utilização do resíduo de polimento de grês porcelanato na fabricação de

cerâmicas celulares por monoqueima rápida.

1.2.2. Específicos

• Utilização do resíduo do polimento de grês porcelanato na fabricação de

artefatos cerâmicos expandidos;

• Caracterização do resíduo de polimento por determinação de sua análise

química, de fases e comportamento térmico;

• Processamento do resíduo por técnicas de monoqueima rápida, variando-se

as condições de conformação (pressão específica de prensagem) e de

queima (temperatura de patamar);

• Determinação de características técnicas cerâmicas celulares produzidas,

como resistência mecânica à compressão, expansão térmica, absorção de

água e densidade aparente.

15

2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

Neste capítulo é descrito o produto denominado grês porcelanato,

seu processo de fabricação, suas principais características técnicas e as

matérias-primas utilizadas na sua fabricação (item 2.1). Os resíduos sólidos

gerados na indústria cerâmica são descritos no item 2.2. Finalmente, a

cerâmica celular, objeto de estudo deste trabalho, é descrita no item 2.3 e o

processo de oxidação do carbeto de silício no item 2.4.

2.1. Grês porcelanato

O revestimento cerâmico denominado �grês porcelanato�, �grês fino

porcelanato�, �granito cerâmico� ou �porcelanato� é um produto derivado do

grês fino, branco ou colorido, de procedência do norte europeu, o denominado

�steingut� alemão. Também é similar ao �fine stoneware� inglês. Todos estes

produtos têm em comum sua característica impermeabilidade e resistência ao

congelamento (BIFFI, 2002).

O nome �grês porcelanato� deriva de �grês�, denominação de

materiais cerâmicos com estrutura compacta, sendo caracterizados por uma

fase cristalina imersa em uma fase vítrea predominante; e �porcellanato�, termo

que se refere às características técnicas do produto, que substancialmente

lembram àquelas da porcelana. O grês porcelanato destaca-se pelas seguintes

características: elevada resistência à abrasão; resistência ao congelamento;

resistência a ácidos e álcalis; uniformidade de cores; impermeabilidade;

facilidade de manutenção; produto de fácil composição com outros

revestimentos (DE MEDEIROS, 2005).

O grês porcelanato assemelha-se à pedra natural, tendo, porém,

inúmeras características que superam o desempenho do mármore, granito,

pedra São Tomé, entre outras. O grês porcelanato destaca-se das pedras

naturais pela sua maior resistência ao ataque químico, sendo adequado ao uso

em laboratórios e indústrias; é impermeável, tendo maior resistência às

manchas, com maior facilidade de limpeza e não desenvolvendo manchas em

caso de infiltração de umidade (BIFFI, 2002).

16

Tem maior resistência à abrasão, sendo recomendado para áreas de

altíssimo tráfego. Também, sua uniformidade de cores na mesma peça e entre

peças permite um efeito estético agradável aos olhos. São mais leves, com

menor espessura e maior resistência mecânica, sendo mais fáceis de

transportar e manusear. Deste modo há maior facilidade para seu

assentamento: um assentador de cerâmica tradicional poderá assentar o grês

porcelanato (HECK, 1996; DE MEDEIROS, 2005).

2.1.1. Processo de fabricação do grês porcelanato

O controle da produção do grês porcelanato inicia-se na seleção das

matérias-primas. É fundamental manter a homogeneidade do lote e atender às

especificações, a fim de evitar variações de tonalidade e variações na

fusibilidade da composição.

As demais etapas do processo também necessitam de controle para

que se possam prever as características do produto final. A moagem é uma

etapa crítica, onde o controle sobre o tamanho das partículas deve ser mantido

para garantia das condições de compactação e características do produto pós-

queima (DE MEDEIROS, 2005).

Na atomização é necessário manter-se um estreito intervalo de

viscosidade da suspensão cerâmica, a fim de garantir a estabilidade do padrão

do pó atomizado. Variações no tamanho do grânulo significam variações na

tonalidade do produto acabado. O tempo de repouso da massa recém

atomizada não poderá ser inferior a 36 h, para garantir a homogeneização da

umidade.

A prensagem é a etapa onde, além da conformação, busca-se uma

redução da porosidade interna. A pressão específica de compactação varia de

400 kgf/cm² a 500 kgf/cm2, requerendo-se para esta finalidade prensas

hidráulicas com capacidade de até 5.000 t. A variação da densidade aparente

deverá ser mínima para evitar deformações e desvios na ortogonalidade. O uso

de moldes isostáticos é imprescindível (HECK, 1996; BIFFI, 2002).

Para a fabricação de produtos decorados com sais solúveis, a

temperatura da peça deve ser rigorosamente controlada para garantir uma

penetração dos sais entre 1,5 mm a 2,0 mm. Os produtos decorados são

17

críticos, pois o desvio na planaridade das peças deverá ser mínimo, pois no

processo de polimento a camada removida deverá ser uniforme para evitar as

diferenças de tonalidade (DE MEDEIROS, 2005).

Na queima do grês porcelanato a sinterização em presença de fase

líquida viscosa é o processo de densificação que mais contribui para a baixa

porosidade final das peças, conferindo-lhes as propriedades desejadas. Neste

contexto, a queima é entendida como o processo global de tratamento térmico

de uma composição cerâmica, resultando em eliminação de umidade,

eliminação de materiais carbonosos e voláteis, desidroxilação, oxidação,

decomposições e, finalmente, a sinterização do corpo cerâmico e o

amolecimento dos materiais vítreos (BIFFI, 2002).

Para que a composição apresente um intervalo de sinterização

adequado, é imprescindível que esta apresente características específicas

durante a queima: desenvolvimento de fase líquida suficiente, com viscosidade

apropriada, para que a peça possa alcançar a porosidade desejada; no

intervalo de queima, a variação da quantidade de fase líquida e sua

viscosidade devem ser graduais com a temperatura, para que as alterações de

contração linear, absorção de água e deformação piroplástica também o sejam.

A etapa seguinte é uma inovação na produção de revestimentos

cerâmicos: o polimento. O brilho é uma característica bastante procurada pelos

consumidores de revestimento, pois além do efeito estético facilita também a

limpeza. O equipamento usado para conferir brilho às peças vem acoplado a

outro equipamento que as retifica, de maneira que todas possuam exatamente

o mesmo tamanho. A retificação também é realizada nas peças de grês

porcelanato natural (produto não polido) (DE MEDEIROS, 2005).

No polimento, alguns poros fechados que se encontram distribuídos

no interior da peças são abertos para a superfície, podendo levar a uma

diminuição da resistência às manchas, o que é indesejável, pois com o uso

pode haver a deterioração da superfície. Como já mencionado, é fundamental o

controle do tamanho, forma e a interligação dos poros. O produto ideal é

aquele que apresenta uma microestrutura composta de poros isolados e de

tamanho inferior a 15 µm (HECK, 1996).

A classificação das placas é feita em máquinas semi-automáticas,

onde o operador avalia somente os defeitos estéticos e a tonalidade. Os

18

defeitos relativos à planaridade e dimensão são avaliados por sensores

eletrônicos.

Deste modo, o grês porcelanato é um produto de revestimento que

combina características estéticas com alta técnica, o que o torna indicado para

ambientes de alto tráfego como escolas, hospitais, shopping centers,

supermercados, indústrias e câmaras frigoríficas, dentre outros. Devido suas

características e versatilidade na combinação de cores é especialmente

indicado para ambientes residenciais onde o efeito estético é um requisito

importante (BIFFI, 2002; MEDEIROS, 2005).

2.1.2. Características técnicas do grês porcelanato

O grês porcelanato possui uma absorção de água baixíssima. Em

função disso, está classificado no grupo BIa, segundo a Norma Internacional

ISO 13.006 (tabela 1).

Tabela 1. Especificações para o grês porcelanato (ISO 13006)

características técnicas ISO 13006 ISO 10545

largura e comprimento (%) ± 0,5 Parte 2

espessura (%) ± 5,0 Parte 2

retitude de lados (%) ± 0,5 Parte 2

ortogonalidade (%) ± 0,6 Parte 2

planaridade (%) ± 0,5 Parte 2

absorção de água (%) ≤ 0,5 Parte 3

resistência a flexão (Mpa) ≥ 35 Parte 4

carga de ruptura (N) ≥ 1.300 Parte 4

resistência à abrasão profunda

(não esmaltados) mm3 ≤ 175 Parte 6

resistência ao congelamento Por acordo Parte 6

resistência química Máx. classe B Parte 13

Fonte: ABNT, 1997.

19

2.1.3. Matérias-primas para fabricação de grês porcelanato

As principais matérias-primas utilizadas na fabricação do grês

porcelanato são os argilominerais, entre eles principalmente o caulim, e os

feldspatos, sendo também utilizados minerais acessórios como talco e silicato

de zircônio como agente branqueador.

2.1.3.1. Argilominerais

O termo argila é empregado para designar um material inorgânico

natural, com partículas pequenas, que apresenta comportamento plástico

quando adicionada uma determinada quantidade de água, e esta plasticidade

pode ser expressa em um consistente aumento de resistência mecânica nas

amostras, na passagem do estado verde para o seco. Do ponto de vista de

tamanho de partícula, a fração argila corresponde ao conjunto de partículas

inferiores a 2 µm ou 4 µm, segundo as escalas de Atterberg e Wentworth,

respectivamente (GOMES, 1988; DEER et al., 1992; MOTTA et al., 2004).

Mineralogicamente, as argilas são constituídas predominantemente

de argilominerais (filossilicatos), e seus tipos mais comuns são formados de

folhas tetraédricas (T) de silício e octaédricas (O) de alumínio, e com menor

freqüência de magnésio e/ou ferro. Constituem unidades estruturadas na

proporção 1:1 (TO) ou 2:1 (TOT). Além do arranjo estrutural, o espaçamento

basal dessas unidades é típico dos argilominerais dos diversos agrupamentos,

destacando-se os grupos da caulinita, ilita e esmectita como os mais

importantes do ponto de vista cerâmico.

Juntamente com as partículas de argilominerais ocorrem outros

minerais, geralmente nas frações silte (2µm<Φ<0,62mm) e areias (Φ>0,62mm).

Nesses tamanhos maiores, o mineral mais comum é o quartzo, seguido de

micas, feldspatos e minerais opacos (MOTTA et al., 2004).

As argilas são uma matéria-prima básica para todas as massas

cerâmicas. Nas massas cerâmicas para grês porcelanato desenvolvem uma

série de funções, dentre as quais: aportar uma coloração clara na queima;

conferir características ligantes e plasticidade à massa cerâmica; aportar

propriedades reológicas, facilitando a fluidez; conferir com as próprias

20

características fundentes uma boa densidade; aportar características

mecânicas ótimas nos sinterizados. Para o grês porcelanato são utilizadas

freqüentemente misturadas entre si, tanto argilas relativamente pouco

plásticas, ricas em caulinita, como argilas particularmente plásticas, mais ricas

em minerais argilosos como ilita e montmorilonita (BIFFI, 2002).

2.1.3.2. Caulim

O nome caulim deriva de Kauling, localidade da China da qual foram

extraídas as primeiras amostras. A fórmula da caulinita é a seguinte:

Al2O3.2SiO2.2H2O. O caulim apresenta-se em massa compacta, terrosa,

microcristalina, de dureza 1 na escala Mohs, massa específica 2,6 e brilho

baixo de madrepérola. O caulim é o produto em que se transformam em

profundidade os aluminossilicatos (feldspatos, plagioclásios, feldspatóides)

contidos nas rochas. Ocorre uma hidrólise dos silicatos com solubilização dos

íons alcalinos e alcalino-terrosos sob a forma de carbonatos, permanecendo

insolúveis os silicatos hidratados de alumínio que, devido à elevada

temperatura e pressão, cristalizam (GOMES, 1988; DEER et al., 1992; MOTTA

et al., 2004).

O emprego do caulim em cerâmica está restrito a cerca de 10% da

produção mundial, enquanto encontra grande uso na indústria de papel como

branqueador e material de carga. Além de conferir brancura à massa, a

caulinita é uma portadora fundamental do óxido de alumínio (Al2O3), que

durante a fase de vitrificação da massa cerâmica torna-se um regulador do

equilíbrio das reações. De fato, a alumina pode tomar parte na formação de

uma fase vítrea do tipo silicaluminosa em associação com elementos alcalinos

fundentes, ou também é encontrado, predominantemente no final da queima,

como mulita (3Al2O3.2SiO2), que pela sua estrutura em forma de agulhas atua

como um �esqueleto� aos produtos obtidos, contribuindo para o aumento da

resistência mecânica (BIFFI, 2002).

2.1.3.3. Feldspatos

21

Os feldspatos desenvolvem um papel fundamental nas massas

cerâmicas de grês porcelanato. De fato, deve-se a estes minerais a elevada

gresificação e a alta resistência mecânica que registram os produtos no final da

queima. Os feldspatos são os minerais mais difundidos nas rochas eruptivas,

das quais constituem cerca de 60%, além do que estão presentes como

constituintes mineralógicos essenciais em quase todas as rochas eruptivas. Os

feldspatos são definidos como silicaluminatos de metais alcalinos e alcalino-

terrosos. Do ponto de vista químico, distingue-se em ortoclásio, K(AlSi3O8),

feldspato potássico; albita, Na(AlSi3O8), feldspato sódico; e anortita,

Ca(Al2Si2O8), feldspato cálcido (DEER et al., 1992; BIFFI, 2002).

Albita e anortita dão lugar a uma série isomórfica de cristais mistos,

disseminados nas rochas eruptivas (intrusivas ou extrusivas) denominados

plagioclásios, entre os quais se podem citar: oligoclásio, andesina, labradorita,

bitownita. Junto aos feldspatos há uma categoria de minerais denominados

feldspatóides, como a leucita e a nefelina.

Os feldspatos encontram grande emprego na cerâmica onde é

necessário atingir um alto grau de gresificação, como em massas cerâmicas

tipo grês porcelanato, �vitreous china�, porcelana e em monoqueima

semigresificada. O comportamento cerâmico mais característico dos minerais

feldspáticos é a notável fusibilidade e a formação, com os outros elementos

presentes, de eutéticos que possibilitam atingir a gresificação mesmo a

temperaturas relativamente baixas (DEER et al., 1992).

Elemento básico para as propriedades fundentes é o teor de álcalis

no mineral. O valor teórico de K2O e de Na2O nos feldspatos potássico e sódico

é de 16,9% e de 11,8%, respectivamente. Quanto mais o teor em álcalis se

aproxima do valor teórico, mais aumenta o valor comercial do feldspato. As

quantidades em que é adicionado às massas cerâmicas dependem muito do

caráter fundente do feldspato, isto é, da quantidade de álcalis presente no

mineral (BIFFI, 2002).

2.1.3.4. Talco

Trata-se de um filossilicato de magnésio, de fórmula

3MgO.4SiO2.H2O e de composição química típica formada por 63,5% de SiO2,

22

31,7% de MgO e 4,8% de H2O. O talco ocorre em rochas ultrabásicas

metamorfizadas, mas também como elemento de substituição da tremolita e da

olivina em dolomitas silicosas que sofreram metamorfismo. O talco é o

constituinte principal dos materiais de depósitos de importância econômica

designados por �pedra de sabão� ou esteatitos; blocos destes materiais são

utilizados para isolamento térmico e elétrico. O talco é utilizado em cerâmica; o

pó de talco é usado como lubrificante e como base em tintas e papel, entre

outros produtos (DEER et al., 1992).

A utilização do talco nas massas cerâmicas resulta em aumento na

resistência às manchas (a partir de valores acima de 1,6% em massa);

aumenta o módulo de ruptura à flexão em até 30%; parece favorecer as

operações de polimento quando a microporosidade é mínima; reduz o

coeficiente de dilatação térmica; favorece o aumento da brancura, quando em

presença de zircônio (BIFFI, 2002).

2.2. Resíduos sólidos gerados pela indústria cerâmica

A coleta de sobras de produtos novos ou em fim de vida é o primeiro

passo para a reciclagem. O segundo passo é a transformação de resíduos em

matérias-primas secundárias que podem ser realimentadas no processo

produtivo. A reciclagem não é algo novo. É tão antiga quanto a humanidade, e

pode muito bem ter surgido quando um caçador da idade da pedra lascou seu

machado de sílex e percebeu que os fragmentos fariam boas pontas de flechas

(BIDONE, 2001).

Mas a reciclagem realmente se estabeleceu com a Revolução

Industrial. Metais redundantes, ferrosos e não ferrosos, tornaram-se materiais

padrão para a indústria metalúrgica. Papel velho poderia ser reduzido a sua

forma de polpa e assim formado em um novo papel. Hoje, esta é uma indústria

totalmente internacional. É responsável por coletar, separar, processar e

comercializar uma vasta gama de materiais � os subprodutos das indústrias de

manufatura e os produtos em fim de vida.

O comércio internacional de materiais secundários é necessário para

suprir fundições, moinhos de papel, indústrias têxteis, de borracha, entre

outras, com materiais de estoque para uma posterior produção ambientalmente

23

correta. Por que é importante reciclar? A utilização padrão dos materiais é, em

teoria, circular, um tipo de movimento perpétuo, onde substâncias primárias

extraídas da natureza são transformadas em produtos que eventualmente

tornam-se redundantes e podem ser reciclados (RESID, 1999; SENAI, 2000;

VILHENA, 2000; BIDONE, 2001).

Sem reciclagem, o movimento se transforma em uma série de

eventos sem uma resolução lógica. Materiais potencialmente úteis tornam-se

uma ameaça, em vez de serem retidos como um recurso. A reciclagem

contribui para um melhor ambiente. O uso de materiais secundários resulta em

uma economia de energia substancial quando comparada à produção primária.

A economia de energia para o aço é de 74%, de 95% para o alumínio, 85%

para o cobre, 65% para o chumbo, 64% para o papel e 80% para os plásticos.

A produção secundária é menos poluente que a primária. A

produção de papel reciclado significa 35% a menos de poluição de água e 74%

a menos de poluição do ar. Os materiais secundários não estão uniformemente

distribuídos ao redor do mundo; são transportados em escala considerável de

áreas onde são abundantes para regiões onde há demanda. Um terço das 600

milhões de toneladas de materiais processados pela indústria de reciclagem

anualmente são comercializados internacionalmente. Anualmente esta indústria

fatura 160 bilhões de dólares, com investimentos anuais em pesquisa e

desenvolvimento de 20 bilhões de dólares. Mais de 1,5 milhão de pessoas

estão diretamente empregadas pela indústria de reciclagem no mundo (RESID,

1999; SENAI, 2000; VILHENA, 2000; BIDONE, 2001).

Especificamente, na indústria de revestimentos cerâmicos de Santa

Catarina não há reciclagem dos resíduos sólidos. Os resíduos sólidos

industriais são descartados diretamente em aterros. As empresas cerâmicas

vêm descartando as sobras de produtos de esmaltação e de polimento (pedras

abrasivas) há muito tempo, sem critério algum. Os resíduos de esmaltação,

que são as sobras do processo de aplicação dos esmaltes, tintas e aditivos, a

úmido, são captados, armazenados e filtrados para eliminar a água residual. O

produto do processo de filtração, a chamada torta, é então aterrada (BUDNI,

1988; MEDEIROS, 1999).

Deste modo, este trabalho de conclusão de curso visa uma

alternativa ao descarte de resíduos sólidos gerados pela indústria cerâmica

24

(resíduos de esmaltação e de polimento), pela utilização destes resíduos em

novos produtos, com bom valor agregado, como é o caso de produtos

cerâmicos expandidos, as chamadas cerâmicas celulares. Estes produtos têm

utilidade na indústria de construção civil, tanto como componentes de lajes �

substituindo polímeros expandidos (Isopor®) � como divisórias internas �

substituindo madeira e papel. Deve-se ressaltar que estes produtos têm

excelentes características de conforto térmico e acústico.

Outro resíduo resultante no processo de fabricação de um cerâmico

é a denominada �quebra�. São produtos acabados que apresentam algum tipo

de defeito e por isso são desclassificados no setor de classificação. Outros

tipos de resíduos sólidos são as cinzas de carvão mineral procedentes dos

tanques de decantação de efluentes líquidos gerados nas fornalhas

(MEDEIROS, 1999).

Há ainda os rejeitos das valas de decantação dos efluentes líquidos

do setor de esmalte e tintas, como também o material decantado nas valas de

captação de efluentes líquidos existente no interior da fábrica, no setor de

esmaltadoras, todos denominados �raspas� de esmaltes.

As cinzas geradas a partir da queima do carvão mineral são

constituídas basicamente de sílica (SiO2) e alumina (Al2O3), que

correspondem à cerca de 50% e 30% da sua massa, respectivamente. As

cinzas do carvão mineral são resíduos sólidos potencialmente poluidores, tanto

devido ao pH da sua drenagem, quanto devido à solubilização dos elementos

presentes na sua composição química, que reflete a composição do carvão

suprindo-se os elementos voláteis (BUDNI, 1988; MEDEIROS, 1999).

Os efluentes líquidos são compostos basicamente por substâncias

inorgânicas e insolúveis. Os corantes contêm óxidos de Al, Co, Zr, Si, Cr, Zn,

Ni, Ca e Sn; os esmaltes contêm SiO2, B2O3, Na2O e PbO; as resinas

sintéticas contêm compostos orgânicos; as tintas contêm Pb, Ca, Si, Al, Fe, Cr

e Mn; além de haver sólidos finos em suspensão (argilas, restos de fritas,

silicatos).

O problema dos resíduos sólidos abrange aspectos relacionados a

sua origem e produção, bem como os conceitos de inesgotabilidade e os

reflexos de comprometimento do meio ambiente, principalmente do solo, ar e

25

água. Portanto, a definição de resíduos, suas origens e formação, dependem

dos diversos fatores, como hábitos e atividade econômica, entre outros.

Nem todo resto é considerado coisa que não serve, desde que este

�resto� possa ser reutilizado ou reciclado. Os resíduos sólidos, ou nos estados

sólido e semi-sólido, são os que resultam de atividades da comunidade de

origem industrial, doméstica, hospitalar, comercial, agrícola, de serviços. Os

resíduos podem ser considerados uma fonte altamente poluidora do meio

ambiente, afetando a qualidade de vida no planeta (BONAR, 1996;

MEDEIROS, 1999; VILHENA, 2000).

Porém, as concentrações de resíduos também vão aumentando;

muitas vezes tornam-se economicamente inviáveis, impossibilitando a técnica

de tratamento. A evolução e melhoria tecnológica para o tratamento de

resíduos dependem da estrutura e do consumo da produção.

As indústrias consideravam os resíduos como um mal necessário,

diante do seu objetivo que era fabricar seu produto. Mas os industriais já se

conscientizaram, interagindo com os problemas sociais e ambientais da

comunidade onde desempenham suas atividades, uma vez que o mercado

também exige essa preocupação por parte dos empresários (SENAI, 2000).

Para definir um gerenciamento adequado de tratamento aos

resíduos sólidos faz-se necessário melhor conhecê-los, ou seja, classificá-los.

Os resíduos sólidos industriais podem ser classificados como perigosos e não

perigosos. Para uma indústria, esta diferenciação é importante e faz-se

necessária, uma vez que o gerenciamento para cada tipo de resíduo é muito

diferente, levando em consideração a tecnologia e custos (BIDONE, 2001).

No processo de fabricação do grês porcelanato polido o material

utilizado para o polimento das peças é a pedra abrasiva, que pode ser à base

de partículas de diamante ou de carbeto de silício. Como os revestimentos

cerâmicos polidos, tanto grês porcelanato quanto grês polido, têm alto valor

agregado, o consumo das pedras abrasivas está crescendo muito. Em 1996 a

única empresa produzindo grês porcelanato no Brasil era a Eliane

Revestimentos Cerâmicos. Atualmente, além da empresa Eliane, Cecrisa,

Ceusa, Itagrês e Portobello produzem tanto grês porcelanato quanto grês

polido, gerando grande quantidade de resíduos e sobras de pedras abrasivas.

26

Estas sobras de pedras abrasivas não têm outro destino a não ser

os aterros, como é comum a todos resíduos gerados pela indústria cerâmica no

Brasil. Porém, há outra possível destinação para as sobras. Nos anos 1970,

Espanha e Itália enfrentavam o mesmo problema com relação às sobras de

pedras para polimento. Várias soluções foram encontradas, sendo uma das

mais efetivas o uso das pedras contendo carbeto de silício em sua composição

como agentes promotores de expansão em produtos cerâmicos (BERNARDIN

et al., 2006).

O carbeto de silício, em determinada temperatura (inicialmente a

1.000°C ou mesmo temperaturas menores em determinadas condições), reage

com o oxigênio gerando CO e CO2 além de sílica. Se adicionado a um

cerâmico com temperatura de transição vítrea (Tg) inferior à temperatura de

decomposição do SiC, o produto resultante sofrerá uma expansão volumétrica

devido à reação do SiC com O2 associada ao início do amolecimento do

material cerâmico, cuja superfície será impermeável à passagem do gás

resultante da decomposição para o exterior da peça. O produto resultante será

o material cerâmico expandido, denominado cerâmica celular. Sua aplicação

varia desde um componente para preenchimento de lajes nas construções, até

a fabricação de divisórias com excelentes propriedades termoacústicas.

A seguir será dada uma breve introdução aos materiais cerâmicos

celulares, dando ênfase aos materiais obtidos neste trabalho pela técnica de

formação de gases, e em seguida alguns comentários sobre a ação do

oxigênio sobre o carbeto de silício, o agente formador de gases utilizado nas

cerâmicas celulares produzidas a partir de resíduos de polimento do grês

porcelanato.

2.3. Cerâmica celular

Apesar de sua origem recente, as cerâmicas celulares vêm

dominando o cenário das cerâmicas porosas e são as que têm apresentado

maior potencial de aplicação. Sua utilização como componentes estruturais tem

sido um dos mais importantes avanços no campo de separação sólido-fluido

nas últimas décadas, merecendo destaques nas áreas metalúrgica, automotiva

27

e petroquímica. Cerâmicas celulares são materiais de elevada porosidade que

consistem de um arranjo regular e tridimensional de células ocas.

Com relação a seu processamento, várias rotas estão disponíveis

para obtenção de cerâmicas celulares, como compactação isostática a quente

(HIP) sem cápsula, formação de bolhas (ou gases) em uma suspensão ou em

estado verde durante tratamento térmico adequado, sinterização reativa,

controle das condições de sinterização para se obter uma densificação parcial,

empilhamento de grânulos ou fibras pré-sinterizados, métodos aero-gel e sol-

gel, pirólise de vários aditivos orgânicos ou principalmente o método de

esponja polimérica, provavelmente o mais estudado e que utiliza impregnação

de resinas poliméricas (BERNARDIN et al., 2007).

O método de formação de bolhas (gases) foi patenteado pela

primeira vez em 1973. Neste método, uma mistura contendo os constituintes

desejados é tratada de modo a envolver um gás o qual cria bolhas, tornando o

material esponjoso. Sunderman e Viedt misturaram argilas a diversos

propelentes como carbeto e hidróxido de cálcio, sulfato de alumínio e peróxido

de hidrogênio. Em meio ácido podem ser utilizados metais que evolvem

hidrogênio, como Mg, Ca, Cr, Mn, Fe e Co; em meio básico normalmente é

utilizado Al. Mesmo neste caso etapas de secagem e sinterização são

necessárias para desenvolver um esqueleto cerâmico de suporte (BERNARDIN

et al., 2007).

O método de formação de bolhas por evolução de gases utilizando

Al metálico em meio básico tem sido utilizado comercialmente no Brasil para a

produção de concretos celulares, onde Al metálico é adicionado à mistura

fresca do cimento, que é um meio básico, causando assim a formação de

bolhas.

Agentes espumantes como sílica gel, negro de fumo, talco e mica

podem ser adicionados para dar uniformidade na formação da espuma, mas

também CFC�s já foram utilizados com muita facilidade por formarem finas

gotas dispersas em uma suspensão, com auxílio de um surfactante para

dispersar o gás e estabilizar as bolhas.

O método de formação de bolhas permite a obtenção de espumas

de poros fechados de pequenas dimensões, o que não é possível com as

técnicas de impregnação. Utilizando este método, podem-se obter cerâmicas

28

celulares com densidades tão baixas quanto 0,2 g/cm³ sem dificuldades

(BERNARDIN et al., 2007). Este método é o mais adequado para o uso de

resíduos industriais como matéria-prima para fabricação de espumas

cerâmicas a partir da evolução de gases, objeto de estudo deste trabalho.

Como o carbeto de silício (SiC) presente no resíduo de polimento é o

agente de expansão considerado neste trabalho, o próximo item descreve a

ação do oxigênio sobre este material.

2.4. Oxidação do carbeto de silício

O carbeto de silício foi descoberto acidentalmente em 1890 por

Edward G. Acheson, um assistente de Thomas Edison, quando estava fazendo

um experimento de síntese de diamantes. Acheson imaginou que o novo

material fosse um composto de carbono e alumina presente na argila, levando-

o a chamá-lo �carborundum�, nome ainda utilizado em algumas ocasiões. O

carbeto de silício ocorre naturalmente em alguns meteoritos, porém muito

raramente e em pequenas quantidades. Como descobridor do SiC Acheson foi

o primeiro a sintetizá-lo passando uma corrente elétrica através de uma mistura

de argila e carbono. Hoje o SiC ainda é produzido via reação em estado sólido

entre areia (dióxido de silício) e coque de petróleo (carbono) a temperaturas

muito elevadas em um forno a arco elétrico (RASHED, 2002; ASTM, 1973).

A formação de SiC a partir da reação entre silício e carbono ocorre

em temperaturas abaixo do ponto de fusão do silício. A reação contrária,

formando SiO (gás) ou SiO2 (sólido) e CO ou CO2 (ambos gases) ocorre por

reação do SiC em presença de atmosfera oxidante.

Em geral o SiC tem uma excelente resistência à oxidação até

1.650°C. Porém, esta resistência depende muito da porosidade aberta e do

tamanho de partícula, o que determina a área superficial exposta ao oxigênio.

Quanto maior a área superficial maior a taxa de oxidação. Cineticamente, o SiC

é estável em ar até 1.000°C. entre 1.000°C e 1.150°C a oxidação superficial é

termodinamicamente favorecida e resulta na formação rápida de um fino filme

de sílica (SiO2). Acima de 1.150°C o filme de sílica espessa e densifica,

resultando em uma difusão mais lenta do oxigênio, diminuindo a taxa de

29

oxidação, pois passa a prevalecer um mecanismo de oxidação passiva

(RASHED, 2002).

Os fatores que afetam a estabilidade e integridade da camada de

sílica como um filme protetor incluem a presença de impurezas no material,

que tendem a diminuir a viscosidade do filme de sílica, aumentando assim a

mobilidade em massa dos agentes oxidantes. Acima de 1.650°C reações

interfaciais entre o filme de sílica e o substrato de SiC tornam-se aparentes,

resultando na formação de SiO volátil e CO gasoso. Estes produtos gasosos

tendem a romper o filme de sílica, abrindo novamente novos canais para mais

oxigênio difundir e a oxidação continua (RASHED , 2002).

Neste caso o mecanismo de oxidação muda do modo passivo, onde

o filme de SiO2 é denso e estável, para o modo ativo, onde a camada de sílica

é porosa e fraca. A presença de vapor de água em uma atmosfera oxidante

também faz com que o filme de sílica seja mais poroso, aumentando a taxa de

oxidação de materiais feitos de SiC. Em geral, a taxa de oxidação de SiC é

mais lenta em ar seco e aumenta em pressões parciais de O2, CO2 e H2O.

30

3. MATERIAIS E MÉTODOS

Neste trabalho foram utilizados resíduos fundentes do processo de

polimento do grês porcelanato. O carbeto de silício contido no próprio resíduo é

o agente expansor e o resíduo fundente a base dos corpos cerâmicos para os

artefatos expandidos. Ambos os materiais encontram-se misturados nas tortas

formadas a partir dos efluentes tratados na ETE da empresa Portobello, que

doou o resíduo para estudo. Como mencionado anteriormente, a técnica de

formação da cerâmica celular obtida é a de formação de bolhas ou gases

durante sinterização do resíduo em forno a rolos industrial.

Neste capítulo são descritas as técnicas de caracterização do

resíduo obtido na ETE da empresa Portobello (3.1), a preparação das amostras

(3.2) e a caracterização das cerâmicas celulares obtidas (3.3).

3.1. Caracterização das amostras

Amostras do resíduo de polimento de grês porcelanato foram

encaminhadas ao Laboratório de Análises em Minerais e Rochas (LAMIR) do

Departamento de Geologia da Universidade Federal do Paraná (UFPR) para

determinação de sua composição química, por fluorescência de raios X (FRX),

e mineralógica, por difração de raios X (DRX). As análises químicas foram

realizadas em pérola fundida, por fluorescência de raios X (Philips PW2400).

As análises de fases foram realizadas com as amostras secas, pulverizadas,

por difração de raios X (Philips PW 1830). As fases foram identificadas com

auxílio do aplicativo X�Pert HighScore (Philips).

As amostras do resíduo também foram submetidas à análise térmica. O

ensaio foi realizado nos laboratórios do curso de Engenharia de Materiais da

Universidade do Extremo Sul Catarinense, UNESC, sendo utilizado um sistema

de análise térmica diferencial BP Engenharia modelo RB3000, com taxa de

aquecimento de 10°C/min. Os resultados de todas as análises encontram-se no

capítulo 4.

3.2. Preparação das amostras

31

São descritas a amostragem do resíduo e sua homogeneização

(3.2.1), a preparação dos corpos-de-prova (3.2.2) e a sinterização das

amostras (3.2.3).

3.2.1. Resíduo de polimento do grês porcelanato

O resíduo chamado de �lodo�, proveniente do setor de polimento,

passa por um processo de prensagem em um equipamento chamado filtro-

prensa na Estação de Tratamento de Efluentes (ETE), para retirada da água

residual, sendo depois armazenado em aterros.

As amostras utilizadas foram coletadas no aterro (depósito de

resíduo) da Cerâmica Portobello. A coleta das amostras foi feita em três pontos

diferentes do aterro; em seguida, estas foram misturadas em uma só amostra

de referência, visando maior homogeneidade; logo após a amostra de

referência foi mantida em estufa durante 24h à temperatura de 110°C, para se

obter um material seco e sem umidade.

3.2.2. Preparação dos corpos-de-prova

O resíduo homogeneizado foi umedecido com água (6% em massa),

granulado manualmente e então compactado em uma prensa do Laboratório

de Processos Cerâmicos do SENAI Tijucas (SACMI PL) com pressões de

compactação de 300 kgf/cm², 350 kgf/cm² e 400 kgf/cm², formando corpos-de-

prova cilíndricos (50 mm de diâmetro e 8 mm de altura). Foram compactados

trinta corpos-de-prova para cada formulação.

3.2.3. Sinterização das amostras

Após compactação, os corpos-de-prova foram secos em estufa

(110°C por 24 h) e então sinterizados em forno a rolos industrial do Laboratório

de Processos Cerâmicos do SENAI Tijucas. Foram utilizadas três curvas para

verificar qual o ciclo era o mais adequado para o desenvolvimento do produto,

32

com base na caracterização térmica (ATD) do resíduo de polimento, e também

em estudo inicial desenvolvido por SILVA (2005).

As curvas de sinterização utilizadas foram: ciclo industrial em forno a

rolos de 70 min com três máximas temperaturas de patamar, 1.150°C, 1.170°C

e 1.190°C, sendo as amostras queimadas sobre uma grelha de amianto e as

peças tratadas em forno vazio.

Após tratamento térmico as peças foram caracterizadas quanto a

sua densidade aparente, expansão linear, absorção de água e resistência

mecânica por compressão diametral.

3.3. Caracterização da cerâmica celular

As amostras expandidas de cerâmica celular foram analisadas

quanto a sua densidade, expansão linear e resistência mecânica por

compressão diametral. Também foi analisada a microestrutura da amostra

tratada a 1.190°C.

3.3.1. Determinação da expansão linear

Antes de se iniciar a sinterização das amostras, foi realizada a

medição das dimensões iniciais (Li) das mesmas com um paquímetro. Após

sinterização foi efetuada a medição das dimensões finais (Lf), também com

paquímetro, para se calcular a expansão média das peças, utilizando-se a

equação 1. Foram utilizadas dez amostras para cada tratamento. O ensaio foi

realizado no Laboratório de Processos Cerâmicos do SENAÏ Tijucas.

100.Lf

LiLf(%)ansãoexp

−= (1)

3.3.2. Determinação da densidade aparente (DAP)

A determinação da densidade aparente foi realizada com as

amostras já sinterizadas, após expansão. Para determinação da DAP foi

33

utilizado o método de imersão em mercúrio. O ensaio foi realizado no

Laboratório de Processos Cerâmicos do SENAÏ Tijucas

Para o cálculo da densidade aparente (DAP) por imersão em

mercúrio foi utilizada a equação 2, onde DAP é a densidade aparente (g/cm³);

Ms a massa da amostra sinterizada (g); Mm a massa da amostra submersa em

mercúrio (g) e dHg a densidade do mercúrio (13,5325 g/cm³). Os resultados de

densidade aparente são expressos em g/cm³.

HgAP dMmMs

D = (2)

3.3.3. Resistência mecânica por compressão diametral

O ensaio foi realizado em uma máquina universal de ensaios (EMIC

DL 10000) com velocidade de aplicação de carga de 10 mm/min. Para este

ensaio foram utilizadas cinco amostras para cada tratamento. O ensaio foi

realizado no Laboratório de Processos Cerâmicos do SENAÏ Tijucas.

A tensão de ruptura à flexão na compressão é expressa em kgf/cm²

e foi calculada pela equação 3, onde P é a força aplicada para ruptura (kgf); D

é o diâmetro do corpo-de-prova (cm) e t sua espessura (cm), segundo ASTM C

496:

DtπP2

σruptura = (3)

3.3.4. Caracterização microestrutural

A microestrutura das cerâmicas celulares foi determinada por

microscopia eletrônica de varredura (MEV). Foi utilizado um microscópio Philips

XL 30, sendo a amostra recoberta com ouro e utilizada uma tensão de

operação de 20kV. O ensaio foi realizado no Laboratório de Caracterização

Microestrutural do Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade

Federal de Santa Catarina (UFSC).

34

4. RESULTADOS E DISCUSSÃO

Neste capítulo são discutidos os resultados de caracterização do

resíduo de polimento (4.1) como também da densidade aparente obtida (4.2.1),

expansão após queima (4.2.2), da resistência mecânica por compressão

diametral (4.2.3) e análise microestrutural (4.2.4) das cerâmicas celulares

obtidas.

4.1. Caracterização físico-química do resíduo

A tabela 2 apresenta os resultados da análise química e de fases

das amostras de resíduo de polimento utilizado neste estudo.

Tabela 2. Análise química e de fases das amostras

amostra SiO2 Al2O3 Fe2O3 TiO2 CaO MgO K2O Na2O P.F. fases

resíduo 59,5 17,3 0,7 0,3 1,6 5,3 2,8 3,6 5,6 Q, Z, Al

onde: Q é quartzo; Z é zircão (SiO2.ZrO2) e Al é albita.

Fonte: LAMIR, 2007

Como pode ser observado o resíduo de polimento é composto por

quartzo (JCPDS 83-0539), zircão (JCPDS 71-0991) e albita (JCPDS 01-0739),

ou seja, as fases majoritárias de uma massa de grês porcelânico, figura 1.

Nesta amostra não se identificou mulita, fase que normalmente se desenvolve

após a queima dos grês porcelanatos.

Deve-se ressaltar a quantidade de alcalinos e alcalino-terrosos

presentes neste material, de 13,3% em massa dos óxidos de cálcio, sódio,

magnésio e potássio, o que demonstra a boa vitrificação da amostra.

35

Figura 1. Difratogramas dos resíduos de polimento e do abrasivo. Qz

é quartzo; Zr é zircônio (SiO2·ZrO2); Ab é albita; Hlt é halita

(NaCl); Dlm é dolomita; Clt é calcita; Mgn é magnesita; Cln é

clinocloro; Plt é portlandita (Ca(OH)2).

O ensaio de análise térmica da amostra de polimento (figura 2)

mostra uma série de acidentes endotérmicos entre 57°C e 402°C relativos à

decomposição de resíduos carbonosos presentes na amostra. Deve-se

salientar que as amostras foram obtidas no filtro-prensa da estação de

tratamento de efluentes da empresa. Em 1.103°C verifica-se um pico

endotérmico relativo à temperatura de transição vítrea (Tg) da amostra.

Esta temperatura indica o ponto onde as partículas do resíduo

deixam de ser um sólido rígido e começam a adquirir viscosidade, ou seja, é a

temperatura onde o resíduo vítreo começa a ser trabalhável. Acima desta

temperatura a amostra começa a se transformar em uma massa viscosa e

plástica, selando a superfície e assim retendo os gases gerados pela oxidação

do carbeto de silício, causando assim a expansão dos corpos-de-prova. E o

início da formação das cerâmicas celulares.

36

Figura 1. Análise térmica diferencial da amostra de resíduo de polimento

(UNESC, 2007)

4.2. Caracterização físico-mecânica e microestrutural das cerâmicas celulares

A partir da caracterização do resíduo de polimento foram obtidos

corpos-de-prova para três pressões de compactação: 300 kgf/cm², 350 kgf/cm²

e 400 kgf/cm². Para cada condição de compactação foram sinterizadas

amostras em três patamares máximos distintos: 1.150°C, 1.170°C e 1.190°C.

Em seguida, os corpos celulares foram caracterizados quanto a sua densidade

aparente, resistência mecânica à compressão diametral, absorção de água e

expansão linear.

4.2.1. Densidade aparente

Com o aumento da temperatura de tratamento, a densidade

aparente (DAP) dos corpos-de-prova sinterizados (compactados nas três

pressões específicas) torna-se cada vez menor, isso devido à expansão

proporcionada pela oxidação do carbeto de silício a partir de 1.000°C (figura 3),

aumentando a quantidade de poros na matriz vítrea.

37

Figura 2. Evolução da densidade aparente dos corpos-de-prova sinterizados

em função da pressão de compactação e da temperatura de tratamento

(AUTOR, 2007).

É interessante observar a pequena variação de densidade aparente

em função da pressão específica de prensagem, sendo que a variação de

densidade aparente é função principalmente da temperatura de tratamento: a

1.150°C a densidade média varia de 1,98 g/cm³ quando as amostras são

compactadas a 300 kgf/cm², a 1,95 g/cm³ quando compactadas a 400 kgf/cm³.

Porém, a 1.170°C a densidade aparente média estabiliza-se a 1,29 g/cm³ para

qualquer pressão de compactação.

Infelizmente as amostras tratadas a 1.190°C fraturaram dentro do

forno, não sendo possível a determinação das propriedades dos cerâmicos

tratados a esta temperatura. SILVA (2005) obteve densidades aparentes

médias tão baixas quanto 0,3 g/cm³ com as amostras tratadas a 1.180°C em 20

min de patamar, mas em forno muflado de laboratório.

Deste modo, percebe-se a grande influência que o tratamento

térmico � em função da temperatura máxima e tempo de patamar � causa na

expansão das amostras quando se utiliza resíduo vítreo para fabricação de

cerâmicas celulares.

1,00

1,20

1,40

1,60

1,80

2,00

2,20

300 350 400pressão (kgf/cm²)

DAP

(g/c

m³) 1150°C

1170°C

38

4.2.2. Resistência mecânica por compressão diametral

Com relação à resistência mecânica por compressão diametral das

amostras sinterizadas observa-se a redução da resistência mecânica com o

aumento da temperatura de tratamento. Esta redução ocorre devido ao

aumento da quantidade e tamanho de poros com o aumento da temperatura de

tratamento: a resistência à compressão diametral média das amostras reduziu

de 10,1 MPa a 11,5 MPa (no intervalo entre 300 kgf/cm² a 400 kgf/cm² de

pressão de compactação) para 1150°C, para 2,50 MPa a 4,96 MPa (nas

mesmas condições), a 1.170°C, como demonstra a figura 4.

Figura 3. Evolução da resistência mecânica por compressão diametral dos

corpos-de-prova sinterizados em função da pressão de compactação e da

temperatura de tratamento (AUTOR, 2007).

Também houve variação da resistência à compressão diametral

entre as pressões de compactação, sendo mais intensa para 1.170°C de

tratamento térmico, com uma variação de 98,4% entre as pressões de 300

kgf/cm² e 350 kgf/cm², sendo que a variação reduz-se para 38,4% entre 300

kgf/cm² e 400 kgf/cm².

Apesar da redução da resistência mecânica com o aumento

temperatura de tratamento, verifica-se que o produto apresenta resistência

0,00

2,00

4,00

6,00

8,00

10,00

12,00

14,00

300 350 400pressão de compactação (kgf/cm²)

resi

stên

cia

à co

mpr

essã

o (M

Pa)

1150°C1170°C

39

mecânica adequada para várias aplicações, como por exemplo, o uso na

construção civil substituindo o concreto celular ou mesmo substituindo as

argilas expandidas utilizadas no preenchimento de lajes. Não foi possível a

análise das peças tratadas a 1.190°C, devido à perda das amostras no

processo de queima.

4.2.3. Expansão linear após sinterização

As amostras, depois de sinterizadas, apresentaram uma expansão

relativamente alta e gradativa com o aumento da temperatura de tratamento

térmico (figura 5), ficando claro que com o aumento da temperatura a expansão

tende sempre a aumentar, devido a maior porosidade gerada. Isto resulta de

dois fatores que se complementam: com o aumento de temperatura ocorre

maior formação de fase vítrea e diminuição de sua viscosidade, o que aumenta

a impermeabilidade das amostras, que retêm mais gases. Em segundo lugar

com aumento da temperatura aumenta a taxa de oxidação do SiC, resultando

em maior liberação de CO, CO2 e até mesmo SiO gasoso.

Figura 4. Evolução da expansão linear dos corpos-de-prova sinterizados em

função da pressão de compactação e da temperatura de tratamento (AUTOR,

2007).

-

2,0

4,0

6,0

8,0

10,0

12,0

14,0

16,0

300 350 400pressão (kgf/cm²)

expa

nsão

line

ar (%

)

1150°C1170°C

40

Deve-se observar que com o aumento da pressão de compactação

ocorre uma diminuição da expansão linear, mostrando que amostras muito

compactas diminuem a oxidação das partículas de carbeto de silício presentes

no resíduo de polimento, diminuindo assim a formação de gases de reação.

Novamente, é grande o efeito da temperatura sobre a expansão

linear após queima: um aumento de apenas 20°C na temperatura de

tratamento causa um aumento médio de expansão de 1,7% a 3,1%, para as

amostras tratadas a 1.150°C, e 12,3% a 13,8%, quando as amostras são

tratadas a 1.170°C. Não foi possível a análise das peças tratadas a 1.190°C,

devido à perda das amostras no processo de queima.

4.2.4. Absorção de água das amostras

Apesar de o resíduo ser vítreo, as amostras apresentaram absorção

de água significativa para produtos vitrificados (figura 6). Neste caso, o

aumento da temperatura de tratamento causou um aumento na absorção de

água média. É interessante notar que para a pressão de compactação de 350

kgf/cm², para ambas as temperaturas de tratamento, houve a maior absorção

de água média: a 1.150°C foi de 1,80%, subindo para 3,17% a 1.170°C. Esta

absorção pode ser problemática dependendo da aplicação que se faça da

cerâmica celular obtida.

41

Figura 5. Evolução da absorção de água dos corpos-de-prova sinterizados em

função da pressão de compactação e da temperatura de tratamento (AUTOR,

2007)

Não foi possível a análise das peças tratadas a 1.190°C, devido à

perda das amostras no processo de queima.

4.2.5. Microestrutura

Finalmente, na figura 7 pode-se perceber a microestrutura das

amostras queimadas a 1.190°C, onde há em média 6,5 poros por cm linear da

amostra analisada. Os poros podem atingir até 500 µm de diâmetro, e são

totalmente fechados e arredondados, o que pode explicar a boa resistência

mecânica do produto, apesar da baixa densidade. Especula-se que o produto

apresenta boa isolação térmica e acústica, porém estas propriedades não

foram analisadas neste estudo.

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

300 350 400pressão (kgf/cm²)

abso

rção

d'á

gua

(%)

1150°C1170°C

42

Figura 6. Microestrutura de amostra queimada a 1.190°C (MEV) (LCM, 2007)

Como a produção em escala desse tipo de material não tem

precedente, há a possibilidade de serem realizados testes em escala maior de

produção, semi-industrial, por atomização, conformação em prensa hidráulica e

queima do material em forno a rolos a uma temperatura próxima a 1.200ºC.

Uma alternativa para o processo de atomização seria confeccionar as peças

por moagem via seca, umidificação e conformação por extrusão, obtendo-se

blocos de cerâmica expandida.

43

5. CONCLUSÃO

A composição químico-mineralógica dos resíduos de polimento do

grês porcelanato é, basicamente, uma massa de grês porcelanato, contendo

grande quantidade de óxidos alcalinos e alcalino-terrosos, com presença de

quartzo, albita e zircão. A quantidade de óxidos fundentes permite a obtenção,

durante queima, de corpos vítreos que impermeabilizam a superfície das

amostras se estas forem tratadas acima de sua Tg, que para o resíduo

estudado é de aproximadamente 1.100°C, causando a formação de poros por

transformação de gases gerados pela oxidação de carbeto de silício contido

nos resíduos.

Com relação à densidade aparente, há grande influência da

temperatura máxima de tratamento térmico na expansão das amostras quando

se utilizam resíduos vítreos para fabricação de cerâmicas celulares devido à

porosidade formada. Não houve grande efeito na densidade quando a pressão

de compactação foi variada para uma mesma temperatura de tratamento.

Para resistência mecânica à compressão diametral das amostras,

observa-se que com o aumento da temperatura de tratamento houve

diminuição da resistência: o aumento da temperatura de tratamento térmico de

1.150°C para 1.170°C causou a diminuição da resistência à compressão de

11,9 MPa (média entre as pressões de compactação) para 3,7 MPa. A variação

de pressão de conformação em uma mesma temperatura também causou

variação da resistência à compressão, sendo que o máximo das resistências

ocorre para a pressão de conformação de 350 kgf/cm².

A expansão linear das amostras é muito afetada pela temperatura de

tratamento: um aumento de apenas 20°C na temperatura máxima de

tratamento causa um aumento médio de expansão de 650%. Com o aumento

da pressão de compactação em uma mesma temperatura ocorre diminuição da

expansão linear, mostrando que amostras muito compactas diminuem a

oxidação das partículas de carbeto de silício presentes no resíduo de

polimento, diminuindo assim a formação de gases de reação e a expansão

final.

Para a absorção de água das amostras, o aumento da temperatura

de tratamento causou um aumento na absorção de água média. A pressão de

44

compactação também altera a absorção em uma mesma temperatura de

tratamento. A 1.170°C a absorção média é de 3%.

Com relação à microestrutura das amostras, estas se apresentam

com poros de vários tamanhos totalmente arredondados, mostrando a

eficiência do processo de formação de bolhas a alta temperatura pela utilização

de carbeto de silício.

Com este projeto espera-se a obtenção de artefatos cerâmicos

expandidos com boas características mecânicas, térmicas e acústicas.

Produtos de tal natureza poderiam ser utilizados como substitutos ao

poliestireno expandido na preparação de lajes em edifícios, adicionados na

massa de artefatos cerâmicos como blocos de concreto ou similares em

percentuais a definir, e também substituir papel e madeira nas divisórias

internas. Deste modo, além da utilização de resíduos industriais sólidos, estar-

se-ia evitando a degradação do meio ambiente pelo corte de árvores ou pela

geração de mais resíduos devido ao uso de materiais poliméricos.

45

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