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UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO CENTRO DE TECNOLOGIA E GEOCIÊNCIAS Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química P P E Q PPEQ - Programa de Pós- Graduação em Engenharia Química CEP. 50740-521 – Cidade Universitária- Recife - PE Telefaxs:0-xx-81- 21267289 DISSERTAÇÃO DE MESTRADO ESTUDO DO EFEITO DE ADITIVOS NAS PROPRIEDADES DO GESSO ALFA PRODUZIDO EM MEIO AQUOSO ALUNO: Rafael Augusto Domingos Pessoa de Melo ORIENTADORES: Prof. Dr. Mohand Benachour Prof. Dr. Valdemir Alexandre dos Santos RECIFE/PE Julho, 2013

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO CENTRO DE TECNOLOGIA E GEOCIÊNCIAS

Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química

P P E Q

PPEQ - Programa de Pós-Graduação em Engenharia

Química

CEP. 50740-521 – Cidade Universitária- Recife - PE

Telefaxs:0-xx-81- 21267289

DDIISSSSEERRTTAAÇÇÃÃOO DDEE MMEESSTTRRAADDOO

EESSTTUUDDOO DDOO EEFFEEIITTOO DDEE AADDIITTIIVVOOSS NNAASS PPRROOPPRRIIEEDDAADDEESS DDOO

GGEESSSSOO AALLFFAA PPRROODDUUZZIIDDOO EEMM MMEEIIOO AAQQUUOOSSOO

AALLUUNNOO:: RRaaffaaeell AAuugguussttoo DDoommiinnggooss PPeessssooaa ddee MMeelloo

OORRIIEENNTTAADDOORREESS:: PPrrooff.. DDrr.. MMoohhaanndd BBeennaacchhoouurr

PPrrooff.. DDrr.. VVaallddeemmiirr AAlleexxaannddrree ddooss SSaannttooss

RREECCIIFFEE//PPEE JJuullhhoo,, 22001133

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO

CENTRO DE TECNOLOGIA E GEOCIÊNCIA

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA QUÍMICA

RAFAEL AUGUSTO DOMINGOS PESSOA DE MELO

EESSTTUUDDOO DDOO EEFFEEIITTOO DDEE AADDIITTIIVVOOSS NNAASS PPRROOPPRRIIEEDDAADDEESS DDOO

GGEESSSSOO AALLFFAA PPRROODDUUZZIIDDOO EEMM MMEEIIOO AAQQUUOOSSOO

Recife/PE

Julho, 2013

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RAFAEL AUGUSTO DOMINGOS PESSOA DE MELO

EESSTTUUDDOO DDOO EEFFEEII TTOO DDEE AADDII TTII VVOOSS NNAASS PPRROOPPRRII EEDDAADDEESS DDOO

GGEESSSSOO AALL FFAA PPRROODDUUZZII DDOO EEMM MM EEII OO AAQQUUOOSSOO

Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química da Universidade Federal de Pernambuco - UFPE, como requisito para a obtenção de título acadêmico de Mestre em Engenharia Química.

Área de Concentração: Reatores Químicos e Tecnologia Mineral

Orientadores: Prof. Dr. Mohand Benachour

Prof. Dr. Valdemir Alexandre dos Santos

Recife/PE

Julho, 2013

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Catalogação na fonte Bibliotecária Margareth Malta, CRB-4 / 1198

M528e Melo, Rafael Augusto Domingos Pessoa de. Estudo do efeito de aditivos nas propriedades do gesso alfa produzido

em meio aquoso / Rafael Augusto Domingos Pessoa de Melo. - Recife: O Autor, 2013.

xiv, 66 folhas, il., gráfs., tabs. Orientador: Prof. Dr. Mohand Benachour. Co-Orientador: Prof. Dr. Valdemir Alexandre dos Santos. Dissertação (Mestrado) – Universidade Federal de Pernambuco. CTG.

Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química, 2013. Inclui Referências. 1. Engenharia Química. 2. Gipsita. 3. Gesso alfa. 4. Desidratação. 5.

Reator batelada. 6. Aditivos. I. Benachour, Mohand. (Orientador). II. Santos, Valdemir Alexandre dos. III. Título.

UFPE 660.2 CDD (22. ed.) BCTG/2013-247

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RAFAEL AUGUSTO DOMINGOS PESSOA DE MELO

EESSTTUUDDOO DDOO EEFFEEIITTOO DDEE AADDIITTIIVVOOSS NNAASS PPRROOPPRRIIEEDDAADDEESS DDOO

GGEESSSSOO AALLFFAA PPRROODDUUZZIIDDOO EEMM MMEEIIOO AAQQUUOOSSOO

Área de concentração: Reatores Químicos e Tecnologia Mineral

Dissertação de Mestrado apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química da Universidade Federal de Pernambuco, defendida e aprovada em 31 de Julho de 2013 pela banca examinadora constituída pelos seguintes membros:

________________________________________________ Orientador: Prof. Dr. Mohand Benachour

Departamento de Engenharia Quimica - UFPE

________________________________________________ Coorientador: Prof. Dr. Valdemir Alexandre dos Santos

Departamento de Engenharia Química - Unicap

________________________________________________

Examinador interno: Prof. Dr.José Marcos Francisco da Silva Departamento de Engenharia Química - UFPE

________________________________________________ Examinador externo: Prof. Dr.Abrahão Severo Ribeiro

Instituto Federal de Pernambuco - IFPE

________________________________________________ Membro Convidado: MSc. Luciano Peres

Instituto de Tecnologia de Pernambuco - Itep

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“Felicidade é ter o que fazer, ter algo que amar e ter algo que esperar”

ARISTÓTELES

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vii

AGRADECIMENTOS

A Cristo Jesus por ter permitido esta conquista. Este trabalho é pra teu louvor. Obrigado

Senhor.

A minha amada esposa Angélica pelo companheirismo e apoio, pela paciência e por

acreditar neste projeto junto comigo. Obrigado, meu amor. Amo você.

Aos meus pais Eliane e Carlos. Vocês dois me trouxeram até aqui e são dois grandes

alicerces na minha vida, não apenas para educação acadêmica, mas também para

educação da vida. Obrigado. Devo muito a vocês;

Ao Professor Mohand Benachour pela orientação, ensino e ajuda neste projeto de

mestrado;

Ao Professor Valdemir Alexandre pelas orientações e correções;

A Luciano Peres pelas informações concernentes ao estudo do gesso alfa;

À equipe de gesso do LPC-DEQ: Daniele de Castro, Danilo Emídio e Pedro Leis;

Aos funcionários e técnicos do LPC-DEQ.

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RESUMO

No presente trabalho, foi estudado a influência da natureza do aditivo sobre a formação

dos cristais de gesso-α pelo processo por via úmida e sobre as propriedades físicas e

mecânicas do gesso formulado, procurando trazer mais alternativas para o atual

processo industrial de produção de gesso tipo alfa. O minério conhecido como gipsita

(CaSO4.2H2O), abundantemente encontrado na natureza, pode ser convertido em semi-

hidrato (CaSO4.1/2H2O) através de uma reação de desidratação, e, comercialmente, em

um meio onde a temperatura seja maior que 100ºC. Dependendo das condições

operacionais da reação, pode-se obter semi-hidrato do tipo beta (gesso-β) ou do tipo alfa

(gesso-α). O gesso-β é facilmente produzido em fornos à pressão atmosférica,

resultando em um produto cristalinamente heterogêneo de baixo valor agregado. Por

outro lado, o gesso-α possui um processo de produção mais complexo que requer o

controle da pressão e a presença de aditivos. Para entender a influência da natureza dos

aditivos, foram utilizados o anidrido maléico (principal aditivo industrial), ácido

maleíco, citrato de potássio e ácido succínico na reação de desidratação da gipsita em

meio aquoso. Os ensaios foram realizados num reator batelada mecanicamente agitado,

no qual foram fixadas a temperatura de 130ºC, pressão de 32psi, agitação de 600RPM e

relação gipsita/água de 23/77 em massa. As amostras dos ensaios foram submetidas à

microscopia eletrônica para visualização dos cristais de semi-hidrato alfa. Essas análises

mostraram que a presença do aditivo, mesmo em concentrações baixas (0,1%) é de

fundamental importância no processo de formação do gesso-α considerado de boa

qualidade. Foram produzidos 3kg de gesso para cada tipo de aditivo para

caracterizações das propriedades físicas e mecânicas como tempo de pega, consistência,

espraiamento, densidade, absorção, resistência à flexão, resistência à compressão e

expansão. Os resultados obtidos desses ensaios mostraram que o tempo de pega e a

resistência à compressão e à flexão variam consideravelmente com a natureza do

aditivo. O citrato de potássio, por exemplo, apresentou tempo de pega cerca de quinze

vezes maior em relação ao anidrido maléico. No entanto apresentou resistência à

compressão e resistência à flexão cerca de 50% menores. Dessa forma, concluiu-se que

as propriedades físicas e mecânicas do gesso alfa podem variar dependendo do tipo de

aditivo utilizado, apresentando alternativas para o processo industrial.

Palavras chaves: Gipsita. Gesso alfa. Desidratação. Reator Batelada. Aditivos.

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ABSTRACT

In this work, we studied the influence of the nature of the additive on the formation of

plaster crystals-α by the wet process and on the physical and mechanical properties of

formulated plaster, looking to bring more alternatives to the current industrial process of

production of alpha plaster type. The mineral known as gypsum (CaSO4.2H2O), found

abundantly in nature, can be converted into plaster (CaSO4.1/2H2O) by a dehydration

reaction in an system where the temperature is higher than 100 ° C. Depending on the

operating conditions of reaction, one can obtain beta-type plaster (plaster-β) or type

alpha (α-plaster). The plaster-β is easily produced in ovens at atmospheric pressure,

resulting in a heterogeneous product with low added value. On the other hand, α-plaster

has a more complex manufacturing process that requires the pressure control and the

presence of additives. To understand the influence of the nature of the additives used

were maleic anhydride (main additive industry), maleic acid, potassium citrate and

succinic acid in the reaction of dehydration of gypsum in an aqueous medium. Assays

were carried out in a batch-type reactor mechanically stirred, which were set at a

temperature of 130 ° C 32 psi pressure, agitation 600RPM and gypsum / water relation

from 23/77 in mass. The test samples were subjected to electron microscopy for

visualization of alpha hemihydrate crystals. This analysis showed that the presence of

the additive, even at low concentrations (0.1%) is of fundamental importance in the

formation of plaster. It were produced 3kg of plaster for each type of additive for

characterization of physical and mechanical properties such as setting time, consistency,

spreading, density, absorption, flexural strength, compressive strength and expansion.

The results of these tests showed that the setting time and compressive strength and

flexural vary significantly with the nature of the additive, potassium citrate, for

example, setting time had about six times higher as compared to maleic anhydride,

however showed compression strength and flexural strength less than about 50%. Thus,

it is concluded that the physical and mechanical properties of alpha gypsum can vary

depending on the type of additive used, presenting alternatives for the industrial

process.

Keywords: Gypsum. Alpha plaster. Dehydration. Batch Reactor. Additives.

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LISTA DE FIGURAS

FIGURA 1 - Variedades de gipsita utilizadas na fabricação dos diferentes tipos

de gesso: a) cocadinha; b) Johnson ou pedra branca; c) Rapadura; d)

Alabastro ............................................................................................ 09

FIGURA 2 - ATG da gipsita, mostrando a perda de água combinada com

aumento da temperatura. ..................................................................... 13

FIGURA 3 - ATD da gipsita, mostrando as transformações sofridas pela gipsita em função da temperatura .................................................................. 13

FIGURA 4 - Microscopia eletrônica de varredura (MEV) em pastas de alfa-hemidrato.

Fonte: adaptado de Singh e Middendorf (2007). ............................. 14

FIGURA 5 - Micrografia de pastas de beta-hemidrato.

Fonte: adaptado de Singh e Middendorf (2007) .............................. 15

FIGURA 6 - Estudo da hidratação do alfa e beta hemidrato, com variação da temperatura ao longo do tempo; razão água/gesso = 0,6. Fonte: Adaptado de Singh e Middendorf (2007). ........................... 16

FIGURA 7 - Hidratação do hemidrato em função do tempo. Fonte: Adaptado de Singh e Middendorf (2007). ........................... 17

FIGURA 8 - Desidratação da gipsita (3mm) a 125OC e Crescimento dos cristais. 18

FIGURA 9 - Desidratação da gipsita (100µm) a 125OC e Crescimento dos

cristais. ................................................................................................ 18

FIGURA 10 - Processo de produção de gesso alfa (desidratação com vapor) Fonte: adaptado de Peres, Benachour e Santos (2008). ..................... 28

FIGURA 11 - Processo de produção do gesso alfa (desidratação em meio aquoso) Fonte: adaptado de Peres, Benachour, Santos (2008). ...................... 29

FIGURA 12 - Representação Esquemática do Reator Batelada ................................ 31

FIGURA 13 -

Reator Batelada disponível no DEQ/UFPE. .......................................

32

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xi

FIGURA 14 - Coleta de Amostra de Gesso no Reator Batelada ............................... 33

FIGURA 15 - Filtração a Vácuo da Suspensão de Gesso .......................................... 33

FIGURA 16 - Massa de gesso filtrada contendo 10% de umidade. .......................... 34

FIGURA 17 - Curva de conversão de 300g de gipsita no reator para cada tipo de

aditivo. ................................................................................................ 35

FIGURA 18 - Esquema da série de reações para obtenção das amostras 1, 2 e 3. .... 36

FIGURA 19 - Analisador de Umidade GEHAKA IV 200. ....................................... 37

FIGURA 20 - Aparelho Vicat Modificado ................................................................ 39

FIGURA 21 - Procedimento Para Medida do Espraiamento da Pasta de Gesso ....... 40

FIGURA 22 - Aparelho de Vicat. .............................................................................. 42

FIGURA 23 - Moldes cúbicos para confecção de corpos de prova (aresta 50mm). 44

FIGURA 24 - Prensa Hidráulica. ............................................................................... 45

FIGURA 25 - Micrografias das amostras de gesso formuladas em laboratório com

os aditivos Ácido Maléico, Ácido Succínico, Sulfato de Sódio,

Succinato de Sódio, Cloreto de Cálcio e Citrato de Potássio. ............ 46

FIGURA 26 - Micrografia do gesso alfa formulado em laboratório com o aditivo

industrial anidrido maléico. ................................................................ 47

FIGURA 27 - Micrografias das amostras 1,2 e 3, mostrando a diferença no

tamanho dos cristais de gesso alfa. ..................................................... 49

FIGURA 28 - Água de cristalização em função da natureza dos aditivos ................. 51

FIGURA 29 - Consistência da pasta de gesso em função da natureza do aditivo ..... 52

FIGURA 30 - Espraiamento da pasta de gesso em função da natureza do aditivo. .. 52

FIGURA 31 - Tempo de pega inicial do gesso alfa em função da natureza do

aditivo. ................................................................................................ 53

FIGURA 32 - Tempo de pega final do gesso alfa em função da natureza do aditivo 53

FIGURA 33 - Densidade do gesso alfa em função da natureza do aditivo. .............. 54

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FIGURA 34 - Absorção do corpo de prova em função da natureza do aditivo. ........ 55

FIGURA 35 - Resistência à compressão do gesso alfa em função da natureza do

aditivo. ................................................................................................ 56

FIGURA 36 - Resistência à flexão do gesso alfa em função da natureza do aditivo. 56

LISTA DE TABELAS

TABELA 1 - Resumo das proriedades físicas e mecânicas do gesso alfa

formulado ............................................................................................ 57

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

ITEP - Instituto de Tecnologia de Pernambuco

MEV - Microscopia Eletrônica de Varredura

PGA - Pólo Gesseiro do Araripe

SEBRAE - Serviço Brasileiro de Apoio às Micro e Pequenas Empresas

IGE - Indústria de Gessos Especiais

SÍMBOLOS A Fator pré-exponencial

C Concentração do soluto na solução

Cb Comprimento da Face Lateral do Bloco

E Energia de Ativação

∆G Variação máxima da energia livre de Gibbs

G.H. Grau de Hidratação

H Altura da Face Lateral do Bloco

K Constante de Boltzman

Km Coeficiente de transferência de massa

Kn Constante de taxa de deformação dos núcleos

K ’ Constante de velocidade

L Comprimento do cristal

Lb Largura da Face Lateral do Bloco

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m Massa do cristal

Mb Massa do Bloco de Gesso

MEA Massa Específica Aparente do Gesso

MF Massa do Sólido Após Desidratação Térmica à 195ºC

M i Massa do Sólido Seco Após Secagem à 40ºC

MS Massa do Gesso Seco

MU Massa do Gesso Úmido

N Número dos núcleos no instante t

Nm Velocidade de agitação

n Ordem da reação

P Carga de Ruptura Para os Corpos de Prova

R Constante dos Gases Ideais

RM Resistência Mecânica à Compressão

S Superfície do Cristal

Se Seção Transversal de Aplicação da Carga

T Temperatura Absoluta

t Tempo

U Teor de Humidade

V Volume da solução

Vc Volume do Cristal

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SUMÁRIO RESUMO............................................................................................................ VII

ABSTRACT………………………………………………………………....... VIII

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS...................................................... IX

SÍMBOLOS........................................................................................................ IX

LISTA DE FIGURAS........................................................................................ X

1. INTRODUÇAO..............................................................................................

1.1 Objetivos ...................................................................................................

1.1.1 Objetivo Geral .................................................................................

1.1.2 Objetivos Específicos ......................................................................

1

4

4

4

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA..................................................................... 5

2.1 Gipsita..................................................................................................... 5

2.2 Produção de Gesso no Brasil................................................................... 9

2.3 Obtenção do Gesso Por Desidratação Térmica....................................... 10

2.4 Diferenciação Entre o Gesso Alfa e o Gesso Beta.................................. 13

2.5 Mecanismo de Formação e Crescimento do Cristal de Gesso-α............. 17

2.6 Elementos Sobre a Cristalização em Solução.......................................... 19

2.7 Aspectos Cinéticos.................................................................................. 19

2.8 Nucleação dos Cristais............................................................................. 22

2.9 Crescimento dos Cristais......................................................................... 24

2.10 Plantas Para Fabricação do Gesso Alfa................................................. 27

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

3.1 Unidade do Reator Batelada ................................................................... 30

3.2 Método Para Desidratação da Gipsita em Meio Aquoso no Reator

Batelada. .......................................................................................................

31

3.3 Estudo do Crescimento dos Cristais de Gesso Alfa Pela Adição de

Gesso Na Desidratação da Gipsita ................................................................

35

3.4 Métodos de Caracterização do Gesso ..................................................... 36

3.4.1 Água de Cristalização ................................................................... 36

3.4.2 Microscopia Eletrônica de Varredura –MEV. .............................. 38

3.4.3 Consistência de Trabalho. ............................................................. 38

3.4.4 Espraiamento. ............................................................................... 40

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3.4.5 Tempo de Pega. ............................................................................. 41

3.4.6 Densidade. ..................................................................................... 42

3.4.7 Absorção. ....................................................................................... 43

3.4.8 Resistência à Compressão. ............................................................. 44

4. RESULTADOS E DISCUSSÃO .................................................................. 46

4.1 Resultados preliminares. .......................................................................... 46

4.2 Resultados das MEVs do Estudo acerca do crescimento dos Cristais de

Gesso Alfa ..............................................................................................

49

4.3 Caracterização Ampla do Gesso Obtido Com os Aditivos Selecionados 51

5. CONCLUSÕES E PERSPECTIVAS........................................................... 57

5.1. Conclusões. ............................................................................................

5.2 Sugestões para trabalhos futuros. ...........................................................

57

59

6. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ....................................................... 61

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1

1 INTRODUÇAO

O minério gipsita é o sulfato de cálcio di-hidratado (CaSO4·2H2O), que ocorre em

diversas regiões do mundo apresentando um amplo e diversificado campo de

utilizações. O grande interesse pela gipsita é atribuído a uma característica peculiar que

consiste na facilidade de desidratação e reidratação. A gipsita perde 3/2 da água de

cristalização durante o processo de calcinação, convertendo-se a um sulfato de cálcio

hemidrato (CaSO4·1/2H2O), o qual ao ser misturado com água pode ser moldado e

trabalhado antes de endurecer e adquirir a consistência mecânica do di-hidratado

estável (BALTAR; BASTOS; LUZ, 2008).

Em processos “secos”, numa faixa de temperatura de 120 a 180°C, a gipsita é

desidratada em hemidrato-β ou gesso-β (CaSO4.½H2O). A transformação efetiva-se

com eliminação de água à pressão atmosférica e formação de cristais de estrutura aberta.

Em processos “úmidos”, com variação de temperatura entre 120ºC e 160ºC e pressões

acima da atmosférica, a gipsita é desidratada em hemidrato-α ou gesso-α. Uma

transformação cuidadosa e lenta permite a obtenção de cristais de forma alongada-

prismática ou de bastão. Porém, se o processo de transformação é rápido, cristais

principalmente de forma acicular ou de agulha são produzidos. O gesso-α assim obtido

é considerado de baixa qualidade. Quimicamente, não há diferenças entre a forma α e β

do gesso, mas em virtude da conformação e do tamanho dos cristais a superfície

específica apresentada pelo hemidrato-α é menor que do hemidrato-β. Ainda com

relação ao gesso-β, o gesso-α adquire uma consistência com uma quantidade de água de

mistura substancialmente menor e produz peças de maior densidade (menor porosidade)

e de maiores resistências mecânicas à compressão e à flexão. (BALTAR; BASTOS;

LUZ, 2008).

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2

Industrialmente, o gesso-α é empregado em confecção de moldes para utilizar na

indústria cerâmica, carga para papel convencional e reciclado, moldes para proteção de

peças de museu, molduras, ataduras cirúrgicas e moldes odontológicos. Todavia, essas

aplicações são relativamente novas o que explicaria a restrita literatura consagrada aos

processos reacionais de produção de gesso-α comparado ao do gesso-β cujas aplicações

são bem antigas, particularmente na área da construção. A procura do gesso-α vem

crescendo nestas últimas décadas devido às propriedades tecnológicas que ele apresenta,

principalmente, sua facilidade para ser trabalhado e as suas altas resistências mecânicas.

Atualmente, a demanda de mercado supera a oferta e o valor agregado do gesso-α

encontra-se alto, em torno de 10.000 US$/tonelada enquanto o gesso-β apresenta o valor

de 50 US$/tonelada em média (PERES, BENACHOUR, SANTOS, 2008).

O Arranjo Produtivo Local (APL)-Gesso do Araripe-PE para a produção de gesso

e seus derivados no País, com participação de 94% da produção total brasileira,

alcançou um reconhecimento internacional em relação à qualidade de seus produtos, o

que tem justificado a introdução dos produtos do Araripe na Pauta de Importações da

AGEX/PROJEX. Todavia, algumas observações importantes justificam o

desenvolvimento e adequação desses produtos no mercado interno e externo como, por

exemplo:

- as empresas no Brasil que fabricam gesso alfa são poucas e a Indústria de

Gessos Especiais - IGE (Araripina-PE) é a única empresa no Brasil com equipamentos

de alta tecnologia (Alemã) para a produção de gesso alfa por via úmida, processo mais

promissor visto que o gesso alfa formulado é de melhor qualidade com produção e

produtividade maiores que daqueles obtidas por via seca;

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3

- os gessos tipo IV e V (gesso odontológico) produzidos no Brasil a partir de

gesso alfa oriundo principalmente do processo por via seca, são ainda considerados de

baixa qualidade pelo mercado interno;

- Os gessos dentais tipo IV e V apresentam um maior valor agregado por conta de

seu desempenho e dos preços dos materiais similares disponíveis no mercado;

- Crescimento da demanda do uso do gesso dental tipo IV e V pelo mercado

interno e externo, devido às exigências dos ortodontistas e protéticos que cada vez mais

procuram um gesso dental de alta resistência à compressão, com maior precisão

geométrica; baixa expansão e boa fluidez para manipulação.

Os gessos dentais tipo I, II e III são os tipos produzidos no Brasil há mais de 20

anos em alta escala com boa aceitação; os tipo IV e V, são gessos especiais, de alta

precisão e qualidade e que até 5 anos atrás, eram importados dos Estados-Unidos e

Alemanha que já produzem um gesso alfa de alta qualidade.

Atualmente existem no mercado brasileiro gessos tipo IV e V, nacional e

importado. A grande maioria dos fornecedores nacionais compra o gesso alfa da

Alemanha e dos Estados-Unidos e realizam as misturas no Brasil, adicionando corantes

e aditivos para obter o produto desejado (PERES, BENACHOUR, SANTOS, 2008).

A tecnologia de produção do gesso-α é sofisticada e as informações disponíveis

raras. A natureza dos aditivos especiais, incorporados para a melhoria das propriedades

mecânicas do gesso-α e o mecanismo de ação deles no processo reacional da

desidratação da gipsita é de pouca divulgação tendo em vista os óbvios impactos

econômicos envolvidos na comercialização deste material, de aplicação nobre em

especial na área de saúde (odontologia e ortopedia). Com o desenvolvimento de cristais

que confere ao gesso dental uma característica de boa fluidez, baixa expansão e alta

resistência, sem a utilização de fluidificantes e aditivos que encarecem o produto, pode-

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4

se formular um gesso especial alfa, com menos custo, maior competitividade e

qualidade no mercado. Estudos fundamentais de termocinética e dos fenômenos de

aditivação em processo de produção do gesso-α por via úmida, se tornam

imprescindíveis no alcance dessa tecnologia que, hoje, é do domínio de um círculo

reduzido de países. Uma tecnologia dominada e um processo de aditivação controlado

podem garantir um aumento da produção e da produtividade com redução do custo do

gesso-α, lhe conferindo uma alta competitividade no contexto de um mercado

globalizado.

1.1 Objetivos

1.1.1 Geral

O presente trabalho de pesquisa tem por objetivo principal estudar os efeitos de

aditivos sobre as propriedades físicas e mecânicas do gesso-α, por via úmida em escala

laboratorial. O intuito é trazer uma contribuição ao processo industrial de produção de

gesso do tipo alfa por via úmida, que utiliza o anidrido maléico como principal aditivo.

1.1.2 Específicos

• Estudar a morfologia dos cristais de gesso alfa através de microscopia eletrônica

de varredura por diferentes aditivos utilizados;

• Produzir uma quantidade de gesso alfa suficiente em laboratório para cada tipo

de aditivo para realização caracterizações físicas e mecânicas (tempo de pega,

espraiamento, densidade, absorção, resistência à flexão e resistência à

compressão) para identificação da natureza e da concentração do aditivo que

favorece a obtenção do melhor gesso alfa.

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5

2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1 Gipsita

Os depósitos de gipsita têm sua origem, em geral, devido à precipitação do

sulfato de cálcio contido em águas marinhas submetidas à evaporação (PEREIRA,

1973), os depósitos mais importantes de gipsita do Brasil encontram-se na Região do

Araripe em Pernambuco.

Segundo Angelleri e seus colaboradores (1982), pode-se encontrar o minério de

gipsita sob três formas: selenita (forma bem cristalina e transparente), alabastro

(variedade maciça, translúcida) e o espato-cetim (variedade fibrosa, opaca). As minas

de gipsita podem conter um percentual de anidrita natural (anidrita I), outras variedades

de anidrita podem ser produzidas com a desidratação térmica da gipsita. A anidrita II

(beta-anidrita), que é a forma relativamente insolúvel, é produzida pela desidratação da

gipsita em altas temperaturas (1 hora a 900oC) e a anidrita III (gama-anidrita), que é a

forma relativamente solúvel, é produzida pela desidratação da gipsita em temperaturas

não tão elevadas (1 hora a 140-200oC) sendo esta última bastante instável frente a

umidade passando facilmente a hemidrato (ANGELLERI et al., 1983).

A gipsita é um minério pouco solúvel em água e solúvel em HCl (2M). É um dos

minérios de dureza mais baixa (riscado pela unha) só perdendo para o talco (MgO).

Angelleri e seus colaboradores (1982) citam as seguintes propriedades do mineral

gipsita, Composição Química: CaO (32,5%), SO3-(46,6%), H2O (20,9%);

Densidade:2,30 a 2,37 g/cm3. ( Comercialmente, o minério de gipsita é considerado

puro quando se compõe basicamente de sulfato de cálcio dihidratado contendo 79,0%

de sulfato de cálcio e 21,0% de água de cristalização.)

Em muitos países da Europa também é bastante encontrada a gipsita sintética

obtida a partir dos gases de combustão de carvão mineral impregnado de SO2, em

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colunas de lavagem onde passa, em contracorrente, um leite de cal (Ca(OH)2), dando

origem ao sulfato de cálcio dihidratado (gipsita sintética) (PERES, BENACHOUR,

SANTOS, 2008).

A gipsita pode ser utilizada na forma natural ou calcinada. A forma natural é

bastante usada na agricultura e na indústria de cimento (BALTAR; BASTOS; LUZ,

2008). A gipsita e a anidrita podem ser empregadas para obtenção de ácido sulfúrico,

sulfato de amônio e sulfato de magnésio. Emprega-se gipsita moída como carga para

papel, na fabricação de tintas, discos, pólvora, botões e fósforos, e no acabamento de

tecidos de algodão. Ela é utilizada como distribuidor e carga em inseticidas, é

adicionada à água empregada na fabricação de cerveja, quando se deseja aumentar sua

"dureza", e é usada no polimento de chapas estanhadas. Também pode ser empregada

para obtenção de enxofre elementar, e na construção de estradas asfaltadas (PEREIRA,

1973).

A gipsita calcinada é intensamente utilizada pela indústria de construção civil.

Quando calcinada em temperatura adequada, obtém-se industrialmente o hemidrato

beta, ou gesso beta, desidratando-se parcialmente o minério de gipsita a pressões

próximas à pressão atmosférica (SANTOS, 1996). Durante a hidratação do hemidrato

forma-se uma pasta que em seguida endurece, recompondo o sulfato de cálcio

dihidratado. Para acelerar ou retardar a pega, podem ser utilizados aditivos especiais,

dependendo da finalidade desejada (PERES, BENACHOUR e SANTOS, 2008).

A principal aplicação do gesso nos países industrializados é na produção de pré-

fabricados, tais como bloquetes, e chapas divisórias e de revestimento. Também é

bastante utilizado em estuque. Além dessas aplicações, usa-se o gesso: na confecção de

moldes para as indústrias metalúrgicas e de plásticos; em moldes artísticos, ortopédicos

e dentários; como agente desidratante, como aglomerante do giz e na briquetagem de

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carvão. O gesso não é combustível e resiste ao fogo por longo tempo. Por este motivo,

ele é bastante utilizado no isolamento de áreas que oferecem riscos a explosão

(RIBEIRO, 2006).

A gipsita é obtida a partir de lavra subterrânea ou a céu aberto. No Pólo Gesseiro

do Araripe, a lavra ocorre a céu aberto em pequenas profundidades, facilitando a

retirada do minério. Em alguns casos, porém, existem situações em que é vantajoso

realizar a lavra da gipsita subterrânea. Alguns fatores devem ser levados em

consideração para que a lavra da gipsita realizada a céu aberto seja viável. A lavra a céu

aberto é bastante recomendado para minerar corpos com conformações horizontais que

permitam altas taxas de produção e baixos custos unitários de produção (BALTAR;

BASTOS; LUZ, 2008).

A lavra da gipsita consiste, basicamente, na remoção da camada de estéril

(material argiloso com cobertura vegetal), expondo o corpo mineral. Obedecendo a um

"plano de fogo" são feitos alguns furos no corpo mineral exposto, carregando-os com

explosivos, e executando a detonação (operação conhecida como desmonte). Em

seguida, os blocos de minério com cerca de 1m3 são reduzidos a pedaços menores

(matações) e embarcados para ser enviados a planta de calcinação ou para outras

plantas, como por exemplo: fabricantes de cimento. Algumas minas possuem

instalações de britagem, moagem e separação granulométrica, o que permite maior

redução e controle das dimensões e distribuição granulométrica do minério (PERES,

BENACHOUR; SANTOS, 2008).

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As variedades mineralógicas encontradas no Pólo Gesseiro do Araripe são

conhecidas na região como:

• Cocadinha: a Figura 1(a) apresenta um tipo de gipsita estratificada com raros

filmes de argila verde;

• Pedra Johnson ou Pedra Branca: a Figura 1(b) apresenta uma variedade mais

pura, com a coloração variando de branco a creme, e caracteriza-se por

apresentar uma estrutura com “nódulos” e “estrelas”;

• Rapadura: é uma variedade estratificada que apresenta filmes milimétricos de

argila verde. Figura 1(c);

• Alabastro: a Figura 1(d) apresenta uma variedade maciça e transparente, muito

usado em esculturas. Tipo que se caracteriza por apresentar problemas na

calcinação devido ao seu caráter fibroso que promove anisotropia;

Segundo Baltar, Bastos e Luz (2004), a utilização desses tipos de gipsita depende do

produto que a que se destina obter. As variedades cocadinha, rapadura e pedra Johnson

passam por um processo de separação manual, etapa na qual são separadas a gipsita

contaminada com argila da gipsita pura. Depois da separação essas variedades são

denominadas juntas como gipsita do tipo A, mais pura, usada para produzir gesso beta

e gesso alfa. Os tipos: alabastro, boró e anidrita são utilizados na fabricação de cimento

ou na agricultura, enquanto que a selenita é utilizada em polarizadores.

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a) b)

c) d)

Figura 1 - Variedades de gipsita utilizadas na fabricação dos diferentes tipos de gesso:

a) cocadinha; b) Johnson ou pedra branca; c) Rapadura; d) Alabastro

2.2 Produção de Gesso no Brasil

Atualmente, o Brasil possui a sexta posição na produção de cimento, o que indica

que nós construímos muito, enquanto que a produção de gesso ainda é bastante reduzida

com relação ao potencial de nossas reservas de Gipsita (PERES, BENACHOUR,

SANTOS, 2008). A produção mundial de gipsita chega a 103 milhões de toneladas/ano,

enquanto que a produção brasileira chega a 1 milhão de toneladas/ano sendo que 94%

desta produção ocorre no estado de Pernambuco, na Região do Araripe, localizada entre

os estados do Ceará, Piauí e Pernambuco sendo que este último é o estado com maiores

reservas conhecidas (PERES, BENACHOUR, SANTOS, 2008). O Pólo Gesseiro do

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Araripe é constituído pelas seguintes cidades: Araripina, Trindade, Ipubi, Bodocó,

Ouricuri sendo que a cidade de Araripina detém a maior produção da região.

Três empresas multinacionais que são as maiores produtoras de gesso do mundo

possuem unidades no Brasil. A Lafarge possui uma unidade em operação no Brasil em

Petrolina-PE, enquanto que a Knauf e a BPB estão se instalando na região sudeste do

Brasil. A maior empresa brasileira produtora de gesso é a Supergesso S/A localizada no

Pólo Gesseiro do Araripe.

2.3 Obtenção do Gesso Por Desidratação Térmica

Segundo Santos (1996) e Daligand (1985) quando se aquece o minério de

gipsita, de 20ºC a 1250⁰C, pode-se obter cinco fases do sulfato de cálcio:

a) Na temperatura ambiente tem-se o minério de gipsita (sulfato de cálcio dihidratado);

b) Em temperaturas de 100⁰C tem-se início a desidratação da gipsita para formação dos

hemidratos alfa ou beta, a formação de um ou do outro irá depender das condições de

operação. A esta temperatura a cinética da reação é muito lenta, sendo assim em

processos industriais, a velocidade requerida de produção é conseguida trabalhando-se

em uma faixa de temperatura entre 140 e 160⁰C (SANTOS, 1996);

CaSO4·2H2O CaSO4· 1/2H2O + 1,5 H2O (Eq.01)

c) Quando a temperatura de 200⁰C é alcançada o hemidrato perde quase toda a sua água

de cristalização e obtém-se uma anidrita solúvel (instável), denominada anidrita III. A

anidrita solúvel, de fórmula CaSO4·εH2O, indica que este produto pode conter água de

cristalização, embora em baixo teor (CINCOTTO; AGOPYAN; FLORINDO, 1988), ε

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variando entre 0,11 a 0,06. Este tipo de anidrita confere ao gesso uma redução em suas

propriedades mecânicas, devido às condições adversas em que é formada no processo

(excesso de temperatura). Sendo muito reativa, transforma-se em hemidrato com a

umidade do ar (DALIGAND, 1985):

CaSO4.1/2H2O CaSO4.εH2O + (1-ε)·1/2H2O (Eq.02)

Sendo a produção de anidrita, às vezes, possível diretamente da gipsita (SANTOS,

1996):

CaSO4·2H2O CaSO4·εH2O + (1-ε)·2H2O (Eq.03)

d) A transformação de Anidrita III em II ocorre para o beta-hemidrato, quando a

temperatura alcança 350⁰C (SANTOS, 1996), e para o alfa-hemidrato, quando a

temperatura do sólido calcinado atinge 220⁰C (DALIGAND, 1985);

CaSO4. εH2O CaSO4 + ε·H2O (Eq.04)

HEXAGONAL ORTORRÔMBICA

A anidrita II, ou anidrita insolúvel, pode ser obtida de 350 a 800⁰C. Entre 700 e

800⁰C, é denominada de gesso “calcinado até a morte”. Sua calcinação entre 400 e

500⁰C, produz uma anidrita utilizada como um dos constituintes dos gessos de

construção, principalmente o gesso de revestimento de parede, por conferir resistências

especiais à erosão e à compressão para a mistura final (SANTOS, 1996).

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e) Quando se calcina o minério de gipsita acima de 800⁰C (SANTOS, 1996) ou à

1230⁰C, a anidrita II transforma-se em anidrita I, que é bastante similar a anidrita

natural encontrada no minério de gipsita, com hidratação extremamente difícil

(DALIGAND, 1985);

CaSO4 II CaSO4 I (Eq.05)

ORTORRÔMBICA CÚBICA DE FACES

CENTRADAS

f) Quando se atinge temperaturas de calcinação acima de 1250⁰C, tem-se a

decomposição da anidrita I em óxido de cálcio e anidrido sulfúrico (DALIGAND,

1985);

CaSO4 I CaO + SO2 + 1/2O2 (Eq.06)

A figura 2 mostra a perda de água combinada total da gipsita formando anidrita solúvel

ou anidrita III, a perda de massa total mostrada no gráfico é de 20,63%. A gipsita passa

por duas transformações até chegar a anidrita como mostra os picos endotérmicos da

figura 3; a primeira transformação termina em 190ºC e corresponde à formação do

hemidrato e a segunda transformação, que termina em 227ºC, corresponde à formação

da anidrita III.

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Figura 2 - Diferença da perda de massa ( Dm(%) ) de água combinada com aumento da temperatura

Fonte: elaborado pelo autor

Figura 3 - Transformações sofridas pela gipsita em função da temperatura Fonte: elaborado pelo autor

2.4 Diferenciação Entre o Gesso Alfa e o Gesso Beta

Dependendo do processo de produção, o hemidrato a ser produzido poderá

possuir duas formas diferentes: alfa e beta. Normalmente, a forma alfa é produzida por

métodos úmidos, enquanto que a forma beta é produzida por via seca, utilizando para as

duas formas, o sulfato de cálcio dihidratado como matéria prima (SINGH;

MIDDENDORF, 2007).

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As formas alfa e beta do hemidrato reagem de modos diferentes quando

misturados com a água, assim como os produtos obtidos a partir destas duas formas

apresentam diferenças em relação as suas características mecânicas. Quando a mesma

razão água/gesso é utilizada na hidratação das formas alfa e beta-hemidratos, os

produtos obtidos a partir da forma alfa irão apresentar maiores resistências. Segundo

Singh e Middendorf (2007), a formação dos cristais destas duas formas difere apenas no

tamanho, e no arranjo dos cristais.

As Figuras 4 e 5 apresentam as micrografias de pastas de gesso alfa e beta,

mostrando que a forma do hemidrato alfa apresenta cristais com melhor formação

(maiores, mais afiados e mais transparentes), absorvem menos água do que a forma

hemidrato beta, pois possui menor área superficial. Na forma hemidrato beta os cristais

apresentam-se menores, com partículas semelhantes a escamas, sem formação pré-

definida, apresentando maior absorção de água para atingir uma pasta com consistência

igual à forma hemidrato alfa, pois possui maior área superficial (SINGH;

MIDDENDORF, 2007).

Figura 4 – Microscopia eletrônica de varredura (MEV) em pastas de hemidrato alfa

Fonte: adaptado de Singh e Middendorf (2007)

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Figura 5 – Micrografia de pasta de hemidrato beta

Fonte: adaptado de Singh e Middendorf (2007)

A hidratação dos hemidratos alfa e beta possuem comportamentos semelhantes,

porém com algumas diferenças: o período de indução do alfa-hemidrato é mais curto

quando comparado ao beta-hemidrato, que subseqüentemente se hidrata mais rápido

devido a sua área superficial (SINGH; MIDDENDORF, 2007). A Figura 6 apresenta a

variação de temperatura em função do tempo, para a hidratação de dois hemidratos (alfa

e beta), utilizando a mesma razão água/gesso= 0,6.

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Figura 6 – Estudo da hidratação dos hemidratos beta e alfa, com variação da temperatura ao longo do tempo; razão água/gesso = 0,6

Fonte: Adaptado de Singh e Middendorf (2007)

Singh e Middendorf (2007) ressaltaram que, o sulfato de cálcio constitui grupos

de ligações inorgânicas que tem sido utilizado pelo homem desde os tempos ancestrais.

A reação mais comum deste tipo de grupo trata-se da adição de água (líquido) ao sulfato

de cálcio hemidrato (CaSO4·0,5H2O) para a formação do dihidratado (CaSO4·2H2O).

A Figura 7 apresenta uma forma geral da cinética de reação do tipo sigmoidal

que identifica três regiões: um período de indução, um período de aceleração e um

período de reação lenta ou conclusão da hidratação.

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Figura 7– Hidratação do hemidrato em função do tempo Fonte: Adaptado de Singh e Middendorf (2007)

2.5 Mecanismo de Formação e Crescimento do Cristal de Gesso-αααα

Nos últimos anos, reconheceu-se que a possibilidade de aproveitamento da técnica

de produção do gesso por via úmida, através da desidratação da gipsita em água, é

bastante ampla. Alguns fatores são decisivos no sucesso do emprego do gesso como

aglutinante, dentre eles, pode-se citar a natureza da gipsita utilizada, a temperatura de

desidratação e o tamanho e forma das partículas hemidratadas.

Um mecanismo de transformação da gipsita em meio aquoso em hemidrato é

proposto por SATAVA (1974) cuja desidratação de um único cristal de gipsita sob

condições hidrotérmicas foi observada por microscopia.

Constate-se que no inicio do processo, embriões ou núcleos do hemidrato se

formam na superfície do cristal do dihidrato, na direção não paralela ao eixo normal da

seção do cristal da gipsita de forma cilíndrica. Contudo, à medida que os núcleos

crescem formando os cristais do hemidrato, estes, por sua vez, crescem de forma

paralela ao eixo da seção da partícula de gipsita primária. O mecanismo da reação de

desidratação da gipsita em meio aquoso ocorre de forma topoquímica, ou seja, da

superfície do grão de gipsita para seu interior, enquanto ocorre o crescimento

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simultâneo dos cristais do hemidrato. Na etapa final do processo, observa-se que a

medida que os cristais de hemidrato crescem, sacrificam os cristais do dihidratado

residuais que se dissolvem, enquanto que o transporte de massa ocorre na fase líquida.

Figura 8 – Desidratação da gipsita (3mm) a 125OC e Crescimento dos cristais Fonte: adaptado de SATAVA (1974)

Figura 9 - Desidratação da gipsita (100µm) a 125OC e Crescimento dos cristais Fonte: adaptado de SATAVA (1974)

A desidratação de monocristais de gipsita requer temperaturas superiores a 117OC.

Acima desta temperatura a superfície da gipsita é mais solúvel que o hemidrato

(SATAVA, 1974). Se o cristal de gipsita for suficientemente grande “pelo menos

1mm”, resultando assim uma superfície de contato pequena com a água, um cristal

compacto de hemidrato é formado não havendo a dissolução completa do cristal

primário (SATAVA, 1971). Neste caso, apenas a reação topoquímica é importante e

cristais de gesso beta podem ser formados, apresentando uma forma de agulha. A

preparação de um gesso de alta qualidade requer partículas de hemidrato não porosos. A

desidratação topoquímica resulta em pseudomorfos porosos das partículas iniciais do

dihidratado com uma grande área superficial. As propriedades do gesso formado são

similares aquelas do material preparado pelo processo a seco (alta relação água/gesso e

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baixas resistências).

Propriedades de gesso dependem em grande parte das características da

microestrutura, tais como morfologia de cristal e tamanho, propriedades juntas de

matriz e da estrutura do poro (BAOHONG GUAN,2010).

2.6 Elementos Sobre a Cristalização em Solução

Estudos de cristalização em soluções aquosas ou não aquosas são de grande

interesse. Isto se deve a incidência deste fenômeno na natureza e seu longo uso em

vários processos industriais. A cristalização em solução é um processo complexo que

envolve vários estágios para formação dos cristais. A cristalização inclui a preparação

das soluções supersaturadas, a formação dos núcleos dos cristais ou embriões, o

crescimento dos cristais e a recristalização. Cada uma destas etapas é afetada por

numerosos fatores, sendo assim, a cinética global do processo de cristalização função de

muitas variáveis. Os principais fatores se resumem na temperatura, o grau de

supersaturação da solução, o nível de agitação, a composição da fase líquida e a

natureza e o teor das impurezas presentes na solução.

2.7 Aspectos Cinéticos

A cristalização ou a transformação de fases líquido-sólido envolve duas etapas: a

de nucleação, caracterizada pelo aparecimento de pequenas regiões com arranjo

ordenado de átomos (no caso de metais) ou moléculas (para outros materiais); e a de

crescimento, onde estas regiões, após se estabilizarem como núcleos da nova fase,

crescem formando cristais (ASKELANO, 1984; WUNOERLlCH, 1976).

A obtenção de formas sólidas de um composto é frequentemente levada a cabo

por cristalização em solução ou a partir de fundidos. Classicamente, o processo de

cristalização é descrito em dois passos, nucleação e crescimento dos cristais, com a

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forma física resultante a ser a consequência da relação cinética entre estes dois

processos elementares.

A Teoria Clássica da Nucleação (CNT) é a teoria mais simples e mais

amplamente usada que descreve o processo de nucleação. Embora a CNT tenha sido

originalmente derivada da condensação do vapor em líquido, também tem sido

empregue “por analogia” para explicar a precipitação de cristais a partir de soluções

sobressaturadas e fundidos. A descrição termodinâmica deste processo foi desenvolvida

até ao final do século XIX por Gibbs, que definiu a variação da energia (∆G) como a

soma da variação da energia livre para a transformação de fase (∆GV) e a variação da

energia livre para a formação da superfície (∆GS).

A taxa de nucleação (I), que é igual ao número de núcleos formados por unidade

de tempo e por unidade de volume, é expressa na forma da equação de Arrhenius como:

(01)

Onde A é o fator pré-exponencial com valor teórico igual a 1030núcleos/cm3.s, E

é a energia de ativação para a transformação líquido-sólido, k a constante de Boltzmann

e T a temperatura absoluta (ERDEMIR, et al., 2009).

A nucleação pode ocorrer por dois mecanismos: o homogêneo e o heterogêneo.

Na nucleação homogênea, as flutuações espontâneas na densidade do líquido permitem

a formação da forma sólida mais estável, enquanto a nucleação heterogênea é

impulsionada por impurezas ou pela superfície de contacto com o líquido. A nucleação

heterogênea é o mecanismo predominante em processos industriais. Os processos de

nucleação dependem basicamente de dois fatores: a supersaturação do meio e a tensão

interfacial. A supersaturação é tida como a medida de forças termodinâmicas que levam

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à formação da fase sólida, enquanto a tensão interfacial é uma medida termodinâmica

do trabalho reversível necessário para aumentar a interface entre o líquido e o soluto.

Estes fatores são pontos a serem considerados na cristalização, uma vez que

deles depende a taxa de crescimento de um determinado cristal e dos seus diferentes

polimorfos. Ressalta-se também a importância de um estudo detalhado do papel de cada

solvente e impureza presente no processo de cristalização, pois estes têm influência

direta na possível formação de polimorfos durante a purificação do material.

A nucleação envolve a formação de agregados de moléculas que excederam um

tamanho crítico e são, portanto, estáveis. Uma vez que o núcleo cristalino se formou,

este começa a crescer pela incorporação de outras moléculas, no cristal em crescimento.

A velocidade de crescimento de um cristal é diretamente proporcional ao

sobrearrefecimento, sobressaturação e inversamente proporcional à viscosidade da

solução. Quanto mais alta é a viscosidade, mais difícil se torna a troca de matéria entre a

fase líquida e a superfície do cristal e mais lento será seu crescimento. Devido à

interações atrativas entre os cristais, os grandes cristais que podem ser observados

durante a cristalização são normalmente formados por pequenos cristais unidos por

ligações fracas. A morfologia dos cristais é determinada por condições internas e

externas. A cinética de cristalização depende da velocidade de formação do núcleo, bem

como da velocidade de crescimento dos cristais. O tamanho e a forma dos cristais

dependem da relação entre estes dois fatores. Normalmente, o arrefecimento lento

resulta em cristais grandes, enquanto que o arrefecimento rápido produz cristais

menores.

A forma cristalina resultante do processo de cristalização pode variar com o grau

de supersaturação. A temperatura pode ser considerada como a segunda variável mais

importante que afeta o resultado da cristalização num sistema polimórfico. O solvente,

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os aditivos (e impurezas), a interface e o pH foram classificados como fatores

secundários que afetam o processo de cristalização, principalmente através do seu efeito

no grau de supersaturação, Em suma, para aumentar a probabilidade de descobrir todas

as formas relevantes, o espaço de variáveis que contribui para a diversidade de formas

sólidas deve ser abrangido o mais amplamente possível (BERNSTEIN, 2008).

2.8 Nucleação dos Cristais

A formação dos cristais respondem as mesmas leis que quantificam qualquer

fenômeno de aparição de uma nova fase. A aparição espontânea de uma nova fase

ocorre quando o sistema se encontra em estado de não equilíbrio, ou que a ruptura de

equilíbrio seja suficiente para permitir a formação de uma nova fase.

A formação dessa nova fase é associada à aparição de núcleos ou embriões de

volume bem definido e uma camada separando a nova fase da fase inicial residual. O

teor mínimo da nova fase capaz de independência própria pode ser chamado de núcleo

ou embrião. Ele é o centro de cristalização da nova fase.

Na cristalização em solução, a formação de núcleos ocorre somente em soluções

supersaturadas. Chamam-se soluções supersaturadas aquelas que apresentam

concentração de sólido maior que da solução saturada. Todavia, a definição de núcleo é

sujeita a discordância, segundo Kuznetsov e seus colaboradores (1999), o núcleo é um

cristal de dimensão muito pequena. Outros investigadores (CHRISTIANSEN, 1954)

não consideram o núcleo como sendo um cristal, mas como um complexo estável de

íons em molécula estável apto para um crescimento posterior.

Contudo, independente da sua estrutura inicial, a formação do núcleo obedece a

certas leis gerais. Estas incluem a relação entre o grau de supersaturação da solução e o

número de núcleos formados por unidade de tempo e por unidade de volume, ou seja, a

taxa de formação dos núcleos.

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23

A Taxa de formação dos núcleos por unidade de volume é dada pela seguinte

expressão:

Sendo: N = número de núcleos;

t = tempo (s);

V =volume da solução onde ocorre a cristalização ( L).

Quando o grau de supersaturação da solução aumenta, a taxa de formação dos

núcleos aumenta e o núcleo se torna de tamanho maior (MANRICH, et al., 1980).

Outros fatores podem, também, afetar a taxa de formação dos núcleos, eles se compõem

essencialmente do grau de agitação e da presença de impurezas na solução.

As dimensões do núcleo dependem da natureza do soluto presente na solução e

das condições de cristalização. O núcleo é considerado uma partícula cujo tamanho

atinge uma dimensão mínima qualificada de crítica. Partículas de dimensões menores

que o valor críticos encontram-se dissolvidas ou dissociadas em suas componentes da

estrutura original.

Leis quantificando a taxa de formação de núcleos foram desenvolvidas em meios

chamados de “puros” (ausência de impurezas). A velocidade de formação dos núcleos,

nestas condições pode ser apresentada por uma lei análoga a lei cinética de reação

química, ou seja:

Sendo: kN= constante de taxa de formação dos núcleos

n= ordem da reação

c=concentração do soluto na solução

dt

dN

V

1rN =

nNN Ckr =

(02)

(03)

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24

2.9 Crescimento dos Cristais

O crescimento dos cristais envolve dois principais processos: a difusão das

partículas até a superfície do cristal crescente, e a incorporação destes na rede da

estrutura do cristal. O segundo processo pode ser dividido em várias estágios: a

adsorção das partículas na superfície, sua migração ao longo da superfície e, finalmente,

uma incorporação à rede do cristal (VOLMER, 1939). Dependendo da etapa

controladora, a taxa de crescimento é descrita por uma das várias equações relativas a

cada uma das etapas envolvidas no processo global de crescimento dos cristais. Assim,

a taxa de crescimento se encontra influenciada pelos mesmos fatores que afetam o

processo de nucleação. Esses fatores incluem principalmente a temperatura, o grau de

agitação da solução, a presença de impurezas, o nível da supersaturação e a viscosidade.

Muitas equações diferentes podem ser encontradas na literatura que utilizam inúmeros

fatores diferentes, porém, todas essas equações baseiam-se em um processo que tem

início com a formação de um núcleo esférico (SHELBY,1997; ZARZYCKI.1991)

A taxa de crescimento dos cristais pode ser expressa de diferentes maneiras.

Pode ser apresentada como função do tempo de uma dimensão linear, superfície,

volume ou massa do cristal. Assim, escreve-se:

- A taxa linear de crescimento dos cristais:

Sendo: L=comprimento do cristal (µm)

dt

dLrL = (04)

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25

- A taxa de crescimento de superfície:

Sendo: S=superfície do cristal (µm²)

- A taxa de crescimento do volume:

Sendo: Vc= volume do cristal (µm³)

- A taxa de crescimento da massa

Sendo: m= massa do cristal (mg)

A velocidade de crescimento dos cristais é, muitas vezes, assimilada a um

crescimento linear. Entende-se que o deslocamento das diferentes faces do cristal ocorre

com um ângulo de 90º em relação ao plano da face, ou seja, a movimentação das faces

do cristal se faz de modo paralelo. Todavia, em muitos casos, as taxas de crescimento

individual das diferentes faces do cristal são diferentes.

A taxa de crescimento dos cristais pode ser avaliada por várias técnicas. Elas são

constituídas essencialmente pelo método de medição da condutividade elétrica da

solução, as observações óticas do crescimento dos cristais e a avaliação do crescimento

da massa do cristal por pesagem (MANRICH, et al., 1980).

A dependência complexa da velocidade de crescimento dos cristais de vários

fatores resultou no desenvolvimento de várias teorias. Das principais, pode-se citar: a

teoria da difusão e a teoria termodinâmica de GIBBS-Volmer (KUZNETSOV, 1999).

dt

dSr S =

dt

dVr c

V =

dt

dmrm =

(05)

(06)

(07)

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A presença de um cristal num meio de uma solução supersaturada induz a

formação de uma camada ao redor da partícula. A concentração da substância

cristalizante varia, segundo a teoria da difusão, através da espessura do filme da

concentração C, igual a concentração do soluto na solução, até a concentração Co que

representa a solubilidade máxima da substância cristalizante, para uma determinada

temperatura, na superfície do cristal.

A taxa de crescimento é, muitas vezes, avaliada pela seguinte equação:

Sendo: S=superfície do cristal (µm²)

km= coeficiente de transferência de massa (µm.s-1)

A teoria termodinâmica de GIBBS-Volmer é baseada na consideração que o

processo de crescimento do cristal ocorre camada por camada. De acordo com a teoria

de crescimento dos cristais de Volmer (1954), supõe-se a existência de uma camada de

adsorção de espessura fina na interface líquido/sólido. A camada se forma de modo

seguinte: partículas de substância cristalizante perdem uma parte da energia quando

atingem a interface do cristal. Após atingir a superfície, elas possuem, ainda, um certo

movimento na superfície. Essa migração das partículas na superfície do cristal é análoga

as moléculas do gás em sistema bidimensional. Considera-se que um equilíbrio entre

camada de adsorção e a solução se estabelece instantaneamente.

)CoC(kSdt

dmm −= (08)

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27

A taxa de crescimento do cristal é controlada pela velocidade de captura das

partículas da camada de adsorção para a estrutura da rede do cristal. Das colisões entre

partículas na camada de adsorção resulta a formação de núcleos bidimensionais. De

acordo com a teoria de GIBBS a formação dos núcleos bidimensionais conduz a

variação da energia livre. O valor máximo desta pode ser relacionado com a taxa linear

de crescimento dos cristais pela equação seguinte:

Sendo: k’ = constante de velocidade

T=temperatura absoluta

∆G= variação máxima da energia livre de Gibbs

R=constante dos gases ideais

2.10 Plantas Para Fabricação do Gesso Alfa

Atualmente se produz o gesso alfa através de dois processos: o primeiro por

aquecimento da gipsita em autoclaves (sob pressão de vapor), e o segundo por

aquecimento da gipsita em meio líquido (PERES; BENACHOUR; SANTOS, 2008). A

seguir, uma descrição sucinta dos principais processos de produção do gesso alfa:

a) Produção de gesso com vapor: a produção do gesso alfa utilizando vapor

consiste basicamente na britagem do minério para redução de seu tamanho, na

alimentação do autoclave aquecido com vapor, onde ocorre a reação de desidratação, a

secagem do gesso britado, a moagem e estocagem do gesso alfa (PERES;

BENACHOUR; SANTOS, 2008). A Figura 10 apresenta um fluxograma de produção

de gesso alfa utilizando o vapor na desidratação das pedras de gipsita. As pedras são

colocadas sobre os vagões, e transportadas para dentro de um autoclave. O hemidrato

RT

G

L e'kr∆−

= (09)

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28

alfa, obtido com a calcinação em autoclave, passa por uma modificação na estrutura

cristalina do gesso resultando em um produto mais homogêneo. Como consequência,

após a mistura com água, obtém-se um produto com maior resistência mecânica e

menor consistência. Essa última característica possibilita a trabalhabilidade da mistura

com uma menor relação água/gesso. Dentre as principais aplicações do gesso alfa estão:

(1) bandagens de alta resistência; (2) matrizes para indústria cerâmica; (3) indústria de

modelagem (usados por artistas plásticos); (4) ortopedia; (5) odontologia e (6) indústria

automobilística. O gesso odontológico pode ser do tipo III ou do tipo IV. Esse último,

um produto mais nobre, obtido a partir de aditivos e que se caracteriza por uma menor

consistência, maior resistência mecânica e menor expansão (BALTAR; BASTOS; LUZ,

2008).

Figura 10 – Processo de produção de gesso alfa (desidratação com vapor) Fonte: adaptado de Peres, Benachour e Santos (2008)

b) Produção de gesso em meio líquido: a produção do gesso alfa em meio líquido

consiste basicamente na moagem da gipsita, imersão em água para maceração,

bombeamento para um reator fechado e aquecido com camisa de vapor onde se processa

a reação de desidratação. A suspensão do gesso alfa é centrifugada e secada. Em

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29

seguida, o gesso é moído e transferido para um silo de estocagem. O mais importante no

processo de produção de gesso alfa, é que os seus cristais podem ter formatos

predefinidos. Assim são obtidas pastas de alta fluidez e peças de gesso com alto

desempenho mecânico (PERES; BENACHOUR; SANTOS, 2008).

A Figura 11 apresenta um fluxograma de produção do gesso alfa em meio líquido.

Figura 11 – Processo de produção do gesso alfa (desidratação em meio aquoso) Fonte: adaptado de Peres, Benachour, Santos (2008)

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30

3 MATERIAIS E MÉTODOS

3.1 Unidade de Reator Batelada

O reator esquematizado na Figura 12 é um sistema de tipo batelada,

mecanicamente agitado, de capacidade de 2L com controle simultâneo da temperatura e

da velocidade de agitação. A sua confecção com aço inox suporta uma pressão máxima

de 1900psi e temperatura de até 350ºC, permitindo, dessa forma, simular em escala

laboratorial, uma planta de produção de gesso alfa em meio aquoso. Quando o sistema

reacional em meio aquoso é aquecido no reator, uma pressão de vapor correspondente

surgirá como consequência da evaporação da fase fluida, essa pressão em temperaturas

acima de 100ºC é suficiente para o processo de formação do hemidrato alfa, ressaltando

que também pode-se obter uma determinada pressão deseja pela adição de um gás inerte

ao reator. Amostras podem ser retiradas através da válvula de purga (S1) pela ação da

gravidade ou pelo topo (válvla S2) quando o sistema possui pressão acima da

atmosférica. De acordo com os trabalhos de Pereira (2012), os parâmetros otimizados

para desidratação da gipsita em meio aquoso no reator correspondem à temperatura de

130ºC e velocidade de agitação igual a 600RPM.

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31

Figura 12 : Representação Esquemática do Reator Batelada Fonte : adaptado de Pereira (2012)

E1 = Alimentador

S1 = Válvula de purga do reator

S2 = Saída da Amostra por Pressão

V1 = Válvula de Ar Comprimido

V2 = Válvula de recuperação das Amostras

V3 = Válvula de Alívio

M = Agitador

I = Controlador de Temperatura e Velociade de agitação/ Indicador de pressão

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Figura 13 - Reator Batelada disponível no DEQ/UFPE Fonte: elaborado pelo autor

3.2 Método Para Desidratação da Gipsita em Meio Aquoso no Reator em Batelada.

A desidratação da gipsita foi realizada no reator em batelada, utilizando-se a

temperatura de 130ºC, velocidade de agitação de 600RPM e relação pó/água de 23/77

em massa. Em cada batelada o reator é carregado com 300g gipsita em 1004g de água

destilada (aproximadamente 1000ml de água destilada) e 0,3g de aditivo (equivalente a

0,1% da massa de gipsita), em seguida, o reator é fechado cuidadosamente para evitar

folgas e vazamentos. Veste-se então a camisa de aquecimento no reator e ajusta-se a

temperatura e velocidade de agitação desejada no controlador. Após duas horas de

reação, desliga-se o aquecimento, baixa-se a temperatura do reator até uma temperatura

entre 90ºC a 99ºC, abre-se levemente a válvula de alívio do reator para diminuir a

pressão até pressão atmosférica e retira-se a amostra através da válvula de purga. A

Figura 14 mostra a retirada da suspensão gesso pela parte inferior do reator.

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Figura 14 – Coleta de Amostra de Gesso no Reator Batelada Fonte: elaborado pela autor

Após retiradas do reator, as amostras devem ser imediatamente filtradas a vácuo para

retirada de 90% de toda água, resultando em uma massa úmida de gesso que é levada ao

micro-ondas por 3 minutos em potência máxima para retirada da umidade. As Figuras

15 e 16 mostram a filtração à vácuo da suspensão de gesso. A eficiência da filtração

dependerá das propriedades reológicas da suspensão.

Figura 15 – Filtração a vácuo da suspensão de gesso Fonte: elaborado pelo autor

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Figura 16 – Massa de gesso filtrada contendo 10% de umidade Fonte: elaborado pelo autor autor

O tempo de aquecimento do sistema até atingir temperatura constante depende da massa

total do sistema e da eficiência da agitação. Ensaios para determinação do tempo de

desidratação da gipsita foram feitos para cada tipo de aditivo com concentração de

0,1%. A curva de conversão da figura 17 mostra que a gipsita atinge praticamente

conversão completa a partir de 2 horas de reação independentemente do aditivo

utilizado.

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Figura 17 – Curva de conversão de 300g de gipsita no reator batelada para cada tipo de aditivo

Fonte: elaborado pelo autor

3.3 Estudo do Crescimento dos Cristais de Gesso Alfa com cristais de gesso

Participando da Reação.

Foi estudado se a presença de cristais de gesso alfa já formados presentes na

mistura reacional funcionariam como núcleos de cristalização, que, por adição das

moléculas de hemidrato do soluto da solução saturada formariam cristais maiores que os

iniciais. Inicialmente foi preparado uma suspensão contendo 300g de gipsita, 1000ml de

água destilada e 0,3g de anidrido maléico no reator. Realizou-se a reação de

desidratação a uma temperatura de 130ºC durante 2 horas, e após esse tempo o gesso

produzido foi coletado, filtrado e secado. Foram misturados 150g do gesso alfa

formados na primeira reação com 150g de gipsita e foi preparada uma nova batelada,

porém sem o aditivo. Repetiu-se esse procedimento mais uma vez, obtendo-se as

amostras 1, 2 e 3 de gesso, conforme Figura 18, que foram analisadas em microscopia

eletrônica de varredura.

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36

Figura 18 – Esquema da série de reações para obtenção das amostras 1, 2 e 3. Fonte: elaborado pelo autor

3.4 Métodos de Caracterização do Gesso

Neste tópico descreve-se a metodologia para as caracterizações do gesso

formulado como: água de cristalização, consistência, espraiamento, tempo de pega

inicial e final, densidade, absorção, resistência à compressão e resistência à flexão

3.4.1 Água de cristalização

Para a determinação da umidade e grau de hidratação contida no hemidrato,

utilizou-se um equipamento termo-balança, conforme Figura 19 (modelo GEHAKA IV

Reação

Secagem MEV

Reação

Seca ME

Reaçã

Gi

Ges

Aditi

Gi

Ges

Gipsita Anidrido Maléico

Gesso

Reação

Secagem MEV

Gipsita

Reação Gipsita

MEV

Gesso

Secagem

Amostra 1

Amostra 3

Amostra 2

Gesso

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200), que utiliza a técnica de infravermelho para determinar a umidade. Para quantificar

a umidade, colocou-se uma quantidade de material no interior do equipamento a

temperatura constante de 40⁰C, por um período de 30 minutos (ou até massa constante),

e em seguida realizou-se a leitura no equipamento. Na determinação do grau de

hidratação (ou água livre), o procedimento é similar ao da umidade, alterando apenas a

temperatura para 195⁰C. Foi considerado o valor médio de três determinações como o

valor representativo para umidade e água de cristalização. Calcula-se o Grau de

Hidratação aplicando-se a seguinte equação:

U (%) = [ (Mi – M1) / Mi ] x 100 (9)

G.H (%) = [ (M1 - MF) / M1 ] x 100 (10)

Sendo:

U (%) = Teor de umidade;

G.H (%) = Grau de hidratação;

M i = Massa do sólido inicial (g);

M1 = Massa do sólido seco após secagem à 40⁰C (g);

MF = Massa do sólido após desidratação térmica à 195⁰C (g);

Figura 19 – Analisador de umidade GEHAKA IV 200 Fonte: adaptado de Filho (2010)

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3.4.2 Microscopia eletrônica de varredura - MEV

Com objetivo de acompanhar as modificações ocorridas nos cristais, pequenas

frações de corpos de prova foram analisadas em um microscópio eletrônico de varredura

(FEI – Modelo QUANTA 200F), à baixo vácuo. As amostras foram colocadas nos

porta-amostra e envolvidas por uma fita dupla-face de carbono, para melhora a

condutividade antes de serem analisadas. As micrografias foram elaboradas no

Departamento de Física e no Departamento de Química da UFPE.

3.4.3 Consistência de trabalho

Pode-se conceituar consistência normal de trabalho de uma pasta com a razão

entre a quantidade de água e a massa de um aglomerante hidráulico (no caso gesso

calcinado) de forma que se obtenha uma mistura de adequada trabalhabilidade. No

instante em que uma determinada quantidade de água, suficientemente superior à teórica

necessária à hidratação é misturada ao gesso, a pasta resultante apresentará uma

consistência tanto mais fluida quanto maior o fator água-gesso, tanto mais plástica

quanto menor esse fator, apresentando, consequentemente, trabalhabilidade

diferenciada. O fator água-gesso influencia substancialmente propriedades da pasta

como tempo de pega inicial, tempo de pega final, consistência e resistência à

compressão e a flexão.

A determinação da consistência normal esta preconizada pela norma NBR

12128, que utiliza o aparelho de Vicat modificado (Figura 20). Este aparelho é

composto de um suporte sustentando uma haste móvel de diâmetro e comprimento

compatível com o suporte. Na extremidade inferior da haste está acoplada uma sonda

cônica de alumínio com ângulo de ápice 53º08’ e altura de 45mm. A haste pode ser

fixada em qualquer posição desejada através do ajuste de uma trava e possui um

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indicador acoplado que permite a leitura da escala graduada em milímetros, ligada ao

suporte.

Figura 20 – Aparelho de Vicat Modificado Fonte: adaptado de Filho (2010)

Com intuito de determinar a consistência das amostras de gesso para cada tipo

de aditivo, pesou-se uma determinada quantidade da amostra de gesso, e outra de água

destilada. A massa da amostra de gesso pesada foi polvilhada, no período de 1 minuto,

sobre a água contendo retardador (Citrato de Sódio). A mistura ficou em repouso por

um período de dois minutos, para que hidratação do gesso pudesse ocorrer. Misturou-se

a pasta por um minuto (em torno de um movimento circular por segundo), a fim de se

obter uma pasta uniforme. A quantidade de água necessária para a hidratação do gesso

irá depender do seu grau de desidratação. O excesso de água adicionada durante a

preparação da pasta será eliminado através de secagem, após a reidratação completa e

solidificação (PERES; BENACHOUR; SANTOS, 2008). Após a preparação, transferiu-

se imediatamente a pasta para o molde, fazendo uma raspagem do excesso sobre o

molde. A superfície cônica foi baixada até a superfície da pasta quando foi feita a

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primeira leitura. Deixou-se descer a haste lentamente até o fim da penetração do cone na

pasta, realizando-se uma nova leitura na escala.

3.4.4 Espraiamento

O espraiamento funciona como uma segunda metodologia para determinação da

consistência de trabalho. A Figura 21 mostra o procedimento para determinação do

espraiamento. A pasta de gesso preparada com determinada consistência é colocada no

anel de Vicat no centro de uma placa de vidro liso com medidas de diâmetro graduadas

em cm. Quando o anel é retirado, a pasta se espraia no vidro apresentando diâmetro

variável com a quantidade de água de amassamento da mistura. O fator água-gesso que

representa a consistência normal da pasta equivale ao que conduzir a um diâmetro

médio definido.

Figura 21 – Procedimento para Medida do Espraiamento da Pasta de Gesso Fonte: elaborado pelo autor

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3.4.5 Tempo de Pega

A pega ou endurecimento ocorre quando se misturam o gesso com a água, dando

origem a uma pasta. Esta combinação é acompanhada da elevação da temperatura, de

pequena expansão do seu volume, e da passagem do estado pastoso para o sólido,

caracterizando o final da pega, momento em que os cristais de gipsita estão presentes

em número suficiente e são capazes de suportar tensão, por exemplo as introduzidas

pela agulha de Vicat. Para a determinação dos tempos de início e fim de pega, foi

adotado o procedimento descrito pela norma NBR 12128 e EB – 22. Inicialmente

tomaram-se quantidades de água e de gesso de acordo com a relação determinada no

ensaio de consistência normal, sem adição de retardador. Em seguida, a massa da

amostra de gesso foi polvilhada, no período de 1 minuto sobre a água. A mistura ficou

em repouso por um período de 2 minutos para a hidratação. O cronômetro foi acionado

no momento em que a amostra de gesso entrou em contato com a água. O marcador foi

ajustado, e deixou-se a agulha penetrar na pasta lentamente. Após cada penetração,

limpou-se a agulha, e movimentou-se a base ligeiramente, perfurando a massa com uma

distância mínima de 5 milímetros de um furo para o outro, e a 10 milímetros do

contorno da face exterior. O tempo de início de pega é caracterizado pelo tempo

decorrido a partir do momento em que o gesso tomou contato com a água, até o instante

em que a agulha do aparelho de Vicat (Figura 22) não penetrar mais no fundo da pasta,

isto é, aproximadamente a 1 milímetro da base. O tempo de fim de pega é caracterizado

pelo tempo decorrido a partir do momento em que o gesso tomou contato com a água,

até o instante em que a agulha do aparelho de Vicat não mais deixar impressão na

superfície da pasta.

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Figura 22 – Aparelho de Vicat

Fonte: adaptado de Filho (2010)

3.4.6 Densidade

A densidade dos corpos de prova (cúbicos) foi determinada utilizando-se o

método a relação entre sua massa e seu respectivo volume. Nesta metodologia os corpos

de prova têm seus pesos medidos secos, após secagem por um período de 48 horas, a

uma temperatura de 45⁰C, até a massa constante. Em seguida, os corpos foram

colocados em um dessecador por um período de 24 horas, e só foram retirados

imediatamente antes dos ensaios. Foram selecionadas duas faces laterais (não opostas)

para cada corpo de prova, e com o auxílio de um paquímetro, foram realizadas as

medidas do comprimento, da largura e da altura. Em seguida, pesou-se em uma balança

semi-analítica, a massa referente a cada corpo de prova. Desta forma, a massa específica

aparente foi calculada pela seguinte expressão:

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MEA = [ Mb / (Cb · Lb · H) ] (13)

Sendo:

MEA = Massa específica aparente do bloco de gesso (g/cm3);

Mb = Massa do bloco de gesso (g);

Cb = Comprimento da face lateral do bloco (cm);

Lb = Largura da face lateral do bloco (cm);

H = Altura da face lateral do bloco (cm);

3.4.7 Absorção

A determinação da absorção de água foi realizada segundo a metodologia

disposta na norma NBR 6220.

Em um bécher ferveu-se até ebulição uma quantidade suficiente de água de modo a

manter todos os corpos de prova imersos. Os corpos de prova foram pesados e em

seguida colocados no recipiente com água, descontinuando o aquecimento, por onde

permaneceram por duas horas, mantendo-os sempre cobertos pela água. Transcorridas

as duas horas, os corpos de prova foram retirados da água e o excesso de água da

superfície foi seco até que o corpo não apresentasse mais brilho.De acordo com a

equação abaixo, foram calculadas a porcentagem de absorção de água para cada

consistência.

Onde:

= massa do gesso úmido

= massa do gesso seco

(14)

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44

3.4.8 Resistência a Compressão

A resistência mecânica à compressão é um parâmetro calculado em função da

carga de ruptura aplicada em corpos de prova. Para a realização dos ensaios de

compressão, foram adotados os procedimentos descritos na norma NBR 12129 (MB-

3470) e EB – 22. A preparação dos corpos de prova foi feita em moldes de aço inox

(Figura 23), e a prensa (Figura 24) utilizada para execução do ensaio encontra-se

conforme os padrões mínimos estabelecidos pela norma supracitada. Posicionou-se uma

das faces, que não a superior, no centro da placa de ensaio, e aplicou-se uma carga

continuamente, numa razão de 250 a 750 Newtons por superfície, até a ruptura dos

corpos. O valor da resistência a compressão (RM), em mega Pascal (MPa) é dado pela

fórmula abaixo:

RM = P / Se (15)

Sendo:

RM = Resistência mecânica à compressão (MPa);

P = Carga de ruptura para os corpos de prova (Newtons);

Se = Seção transversal de aplicação da carga (mm2)

Figura 23 – Moldes cúbicos para confecção de corpos de prova (aresta 50 mm) Fonte: adaptado de Filho (2010)

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Figura 24 – Prensa hidráulica Fonte: adaptado de Filho (2010)

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4 - RESULTADOS E DISCUSSÃO

4.1 Resultados Preliminares

Visando a analisar o efeito da natureza do aditivo sobre a morfologia de gesso

alfa produzido em meio aquoso, foram utilizados os aditivos seguintes: Anidrido

Maléico, Ácido Maléico, Ácido Succínico, Sulfato de Sódio, Succinato de Sódio,

Cloreto de Cálcio e Citrato de Potássio.

Os gessos formulados foram caraterizados pela microscopia eletrônica da varredura e os

resultados obtidos são apresentados na Figura 25 e 26.

Figura 25 – Micrografia do gesso alfa formulado em laboratório com aditivo industrial

Anidrido Maléico.

Fonte: elaborado pelo autor.

Anidrido Maléico

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(a) (b)

(c) (d)

(e) (f)

Figura 26 – Micrografias das amostras de gesso formuladas em laboratório com os

aditivos a) Ácido Maléico, b) Ácido Succínico, c) Sulfato de Sódio, d) Succinato de

Sódio, e) Cloreto de Cálcio e f) Citrato de Potássio.

Fonte: elaborado pelo autor.

Ácido Maléico Ácido Succínico

Sulfato de Sódio Succinato de Sódio

Cloreto de Cálcio Citrato de Potássio

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A forma do cristal, obtida da indústria de cristalização, pode ter maior efeito em

propriedades importantes da lama (slurry) e do produto seco. A morfologia do cristal

afetará as propriedades reológicas da suspensão, a filtração ou a eficiência da

centrifugação, a densidade do sólido bem como as propriedades do fluxo do sólido. A

forma do cristal pode variar com a velocidade de crescimento do cristal e a nucleação

influenciada pela natureza do aditivo. Observou-se experimentalmente que as

suspensões de gesso obtidas com o Anidrido Maléico, Ácido Maléico e Citrato de

Potássio possuíam melhor fluidez o que contribui consideravelmente na etapa de

filtração, comportamento que é devido à morfologia compacta de seus cristais como

observado nas Figuras 25 e 26. Por outro lado, estruturas cristalinas alongadas

semelhantes a agulhas como as obtidas com Ácido Succínico, sulfato de Sódio e

Succínato de Sódio são capazes de formar grades diminuindo a fluidez da suspensão,

dificultando a etapa de filtração ou centrifugação.

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4.2 Micrografias do Estudo Acerca do Crescimento dos Cristais de Gesso Alfa.

(a)

(b)

(c)

Figura 27 - Micrografias das amostras 1,2 e 3, mostrando a diferença no tamanho dos

cristais de gesso alfa

AMOSTRA 2

AMOSTRA 1

AMOSTRA 3

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O gesso formado inicialmente na amostra 1 possui forma compacta como mostrado na

Figura 27 (a). Esses cristais de gesso se dissolvem juntamente com a gipsita na segunda

reação; e dessa solução precipitam-se novos cristais de hemidratos um pouco maiores

como mostrado na Figura 27(b). A morfologia dos cristais mostrados na Figura 27(b) é

semelhante àquela dos cristais formados na primeira reação porque ainda há presença de

aditivo oriundo da primeira reação. A Figura 27(c) mostra que. Na Figura 27 (c), não

há presença dos cristais originais e todo gesso precipitou em forma de acidulas

(agulhas). Na terceira reação o aditivo estava completamente ausente, favorecendo a

formação de cristais alongados.

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51

4.3 Caracterização Ampla dos Gessos Obtidos Com os Aditivos Selecionados.

A seguir estão apresentados os diferentes resultados de caracterizações obtidos

em função dos diferentes aditivos selecionados a saber: anidrido maléico, ácido

maléico, citrato de potássio e ácido succínico. As caracterizações efetuados envolvem

principalmente: água de cristalização, consistência, espraiamento, tempo de pega inicia

e final, densidade, absorção, resistência a compressão e flexão e expansão

4.2.1 Água de cristalização

Figura 28: Água de cristalização em função da natureza do aditivo.

Analisando a Figura 28, observa-se que o teor de água de cristalização ficou em torno

de 5.95% a 6,2%, caracterizando assim uma formação de hemidrato alfa com conversão

da gipsita praticamente completa.

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Figura 29 - Consistência da pasta de gesso alfa em função da natureza do aditivo.

Observando a Figura 29, constata-se que independentemente da natureza do aditivo

usado a consistência apresentou um mesmo valor, sendo este igual a 40%.

Figura 30 - Espraiamento da pasta de gesso alfa em função da natureza do aditivo

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Em função da natureza do aditivo, o espraiamento apresentou valores compreendidas

entre 55mm e 65mm, sendo o maior espraiamento (65mm) obtido com o uso do

anidrido maleíco, sendo assim a pasta de gesso alfa formulado com anidrido maleíco

apresenta uma maior trabalhabilidade quanto a sua aplicação na confecção de moldes.

Figura 31 - Tempo de pega inicial do gesso alfa em função da natureza do aditivo

Figura 32 - tempo de pega final de gesso alfa em função da natureza do aditivo

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Analisando a Figura 31 e 32, evidencia-se maiores tempo de pega inicial e final com

utilização do citrato de potássio e ácido succinico enquanto com uso de anidrido

maléico e ácido maléico, os tempos inicial e final foram os menores.

Figura 33 - Densidade do gesso alfa em funçaõ da natureza do aditivo

Analisando a Figura 33, nota-se que a densidade de gesso alfa obtido com anidrido

maléico e citrato de potássio foram as maiores atribuindo assim, nesstas condições, uma

menor porosidade com consequente elevação das propriedades mecânicas. Dos aditivos

usados, a aplicação do ácido succinico não foi favorável a formulação de gesso alfa de

alta densidade (0,505 g/mL) com formação de maiores poros na massa do sólido.

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Figura 34 - Absorção das pastas de gesso alfa em função da natureza do aditivo

Conforme a Figura 34, a tendência de uma maior absorção ocorre na ordem seguinte

dos aditivos: Anidrido maléico<ácido maléico<citrato de potássio<ácido succínico. Sua

explicação pode ser relacionada a uma redução da porosidade de gesso alfa formado a

medida que se aplica o ácido succinico para anidrido maleico passando pelo citrato de

poatássio e ácido maléico.

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Figura 35 - Resistência a compressão do gesso alfa em função da natureza do aditivo.

Figura 36 - Resistência a flexão do gesso alfa em função da natureza do aditivo.

Observando a Figura 35 e 36, evidencia-se que o gesso alfa obtido com uso do aditivo

anidrido maléico apresentou os maiores valores da resistência a compressão e flexão. As

propriedades mecânicas têm tendência a diminuir na ordem seguinte: anidrdio

maléico>ácido maléico>citrato de potássio>áccido succínico.

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Tabela 1 – Resumo das proriedades físicas e mecânicas do gesso alfa formulado

Anidrido

Maléico

Ácido

Maléico

Citrato de

Potássio

Ácido

Succínico

A.C (%) 6,2 5,95 6 6

Consistência

(%)

40

40

40

40

Espraiamento

(cm)

65

62

55

60

T.P. Inicial

(mim)

8,83

7,83

80

50

T.P. Final

(mim)

23

19,5

150

75

Densidade

(g/ml)

0,815

0,73

0,86

0,505

Absorção

(%)

8,84

9,59

13,37

16,37

Resistência à

Compressão

(kgf/cm²)

239,1

193,3

124,25

101,56

Resistência à

Flexão

(kgf/cm²)

20,375

13,75

10,219

9,314

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5 - CONCLUSÕES E PERSPECTIVAS

5.1 Conclusões

Concluímos que é possível reproduzir e simular a planta industrial de produção

de gesso alfa em meio aquoso em laboratório utilizando um reator em batelada,

permitindo a formulação de um gesso alfa considerado de boa qualidade quando

comparado ao gesso comercial. A prática de ensaios em laboratório para produção de

gesso alfa permitirá a execução de experimentos que seriam economicamente inviáveis

em escala industrial. O anidrido maléico formou um gesso com melhores propriedades

mecânicas em relação aos outros aditivos estudados. O ácido maléico apresentou

propriedades físicas e mecânicas próximas do gesso formado com anidrido maléico, este

resultado mostra a viabilidade da utilização do ácido maléico como alternativa para

produção de gesso em meio aquoso. Estudos de microscopia eletrônica de varredura

aplicados a gessos alfa formados em meio aquoso com uso de diferentes aditivos

mostram cristais compactos próximos a forma esférica quando se utiliza anidrido

maléico, ácido maléico, citrato de potássio. Cristais alongados são formados quando se

utiliza ácido succínico. A pasta formada com esses cristais apresenta baixa fluidez,

dificultando processo de separação gesso/água como filtração e centrifugação. Essa

característica reológica indesejada se torna mais pronunciada quando se tem cristais

ainda mais alongados e finos semelhantes a agulhas; é o caso do gesso produzido com

sualfato de sódio, succinato de sódio e cloreto de cálcio.

Os cristais de hemidrato que participam do processo de desidratação da gipsita

irão se dissolver juntamente com a gipsita, formando novos cristais de hemidrato. A

morfologia dos novos cristais dependerá da presença e da natureza do aditivo.

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Estudos de caracterização mais amplos envolvendo a medição de água de

cristalização, consistência, espraiamento, tempo de pega inicial e final, densidade,

absorção, resistência a compressão e flexão e expansão mostram:

- Água de cristalização: produção de gesso alfa com conversão total da gipsita

independentemente da natureza do aditivo;

- Consistência: idêntica e igual a 40% para todos os aditivos usados;

- Espraiamento: a pasta de gesso alfa formulado com anidrido maleíco apresenta

uma maior trabalhabilidade quanto a sua aplicação na confecção de moldes;

- tempo de pega inicial e final: maiores com utilização do citrato de potássio e

ácido succinico e menores com uso de anidrido maléico e ácido maléico;

- Densidade: maior com uso dos aditivos anidrido maléico e citrato de potássio;

-Absorção: ocorre na ordem seguinte dos aditivos: Anidrido maléico<ácido

maléico<citrato de potássio<ácido succínico;

- resistência a compressão e flexão e expansão: ocorre na ordem seguinte: anidrdio

maléico>ácido maléico>citrato de potássio>áccido succínico.

5.2 Sugestões Para Trabalhos Futuros

Das sugestões para trabalhos futuros para dar prosseguimento essas pesquisas, pode

citar:

- Uso de outras tipos de gipsita: rapadura, cocadinha e alabastros;

- Uso de resíduos de gesso da construção e demolição (RCDs);

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- Avaliação de outros parâmetros operacionais do processo: granulometria da

partículas de gipsita, a relação pó/água , tempo de maceração da gipsita e outros

aditivos.

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6 - REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

• ANGELLERI, F.B.; CARDOSO, S.R.; SANTOS, P. S. "As Gipsitas brasileiras

e sua aplicação como gesso na indústria cerâmica-Parte I", Cerâmica, 28 (156),

p.471-479, 1982.

• ANGELLERI, F.B.; CARDOSO, S.R.; SANTOS, P. S. "As Gipsitas brasileiras

e sua aplicação como gesso na indústria cerâmica-Parte II", Cerâmica, 29 (157),

p.23-28, 1983.

• ASKELANO, O.R. -"The Science and Engineering of Materiais". Wadsworth,

Inc., Belmont, USA, p.762, 1984.

• BALTAR, C. A. M.; BASTOS, F. F. e LUZ, A. B. Rochas & minerais

industriais: gipsita. 2. ed. Rio de Janeiro: CETEM/MCT, p.989, 2008.

• BAOHONG GUAN, Interaction between α-calcium sulfate hemihydrate and

superplasticizer from the point of adsorption characteristics, hydration and

hardening process,2010.

• BERNSTEIN, J., Crystal Polymorphism, Engineering of Crystalline Materials

Properties, Springer Netherlands, p.87, 2008.

• CINCOTTO, M. A.; AGOPYAN, V.; FLORINDO, M.C. "O gesso como

material de construção - Composição Química (1ª Parte)", Tecnologia das

Edificações, Editora PINI, p.53-56, São Paulo. 1988,

• CHRISTIANSEN,R.L.,Mechanisms and Kinetics of HydrateFormation,

Annals of the New York Academy of Sciences, v. 715, p. 283, 1954;

• DALIGAND, D, "Le plâtre et ses téchniques de production", Ciments, Bétons,

Plâtres , Chaux, 2 (753), p.83-88,1985.

Page 77: UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO‡ÃO... · ii universidade federal de pernambuco centro de tecnologia e geociÊncia programa de pÓs-graduaÇÃo em engenharia quÍmica rafael

62

• ERDEMIR, D., LEE, A., et all, Accounts of Chemical Research, 42, p. 621

2009.

• FILHO, Hilário J. B. de L. Tratamento dos Resíduos de Gesso da Construção e

da Demolição – RCD para a Produção de Gesso Beta Reciclado. Dissertação de

Mestrado. Recife, PE: UFPE, 2010

• KUZNETSOV YU.G., MALKING A.J., MCPHERSON A.,” AFM studies of

the nucleation and growth mechanisms of macromolecular crystals”, Journal of

crystal Growth 196, p. 491-492, 1999

• MANRICH, S., ZANOTTO, E., et all, Polímeros: Ciência e Tecnologia,

“Aplicabilidade da Teoria Clássica da Nucleação Modificada (CD-CNT) à

Cristalização de Polímeros”, 1980

• PEREIRA, E. B. Perfil Analítico da Gipsita. Ministério das Minas e Energias.

Departamento Nacional da Produção Mineral. Rio de Janeiro, Boletim no. P.15-

19, 1973.

• PEREIRA, Pedro L. de M. Estudo da Reação de Desidratação da Gipsita em

Meio Aquoso Num Reator Batelada para Produção de Gesso Alfa. Dissertação

de Mestrado. Recife, PE: UFPE, 2012

• PERES, L. S.; BENACHOUR, M.; SANTOS, V. A. “Gesso: Produção e

Utilização na Construção Civil.”, 2. Ed. Recife: SEBRAE, vol. 1, p.119, 2008.

• RIBEIRO, A. S., Produção de Gesso Reciclado a Partir de Resíduos Oriundos da

Construção Civil. Dissertação de Mestrado. Programa de Mestrado em

Engenharia Urbana da Universidade Federal da Paraíba. 105 p. 2006.

Page 78: UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO‡ÃO... · ii universidade federal de pernambuco centro de tecnologia e geociÊncia programa de pÓs-graduaÇÃo em engenharia quÍmica rafael

63

• SANTOS, V. A., Análise cinética da reação de desidratação térmica da gipsita

na obtenção do gesso beta. Tese de Doutorado. Departamento de Engenharia de

Sistemas Químicos e Informática. Universidade Estadual de Campinas.

Campinas: p.170, 1996.

• SATAVA, V. "Kinetics of dehydration of gypsum in liquid water", Zem.-Kalk-

Gips, 24 (6), p.248-252. 1971.

• SATAVA V. "Equilibrium in system CaSO4.2H2O-CaSO4.1/2H2O-H2O",

Journal Am Ceram Soc, 57 (9), p.385-387. 1974.

• SHELBY, J. E. Introduction to glass science and technology. New York State

College of Ceramics at Alfred University: The Royal Society of Chemistry, p.

12-30, 1997.

• SINGH, N. B.; MIDDENDORF, B. Calcium sulphate hemihydrates hydration

leading to gypsum crystallization. Progress in Growth and Characterization of

Materials. Gorakhpur (India), v. 53, p. 57-77, 2007.

• Volmer M., “ Kinetik der phasenbildung”, Th Steinkopf Verlag, 1939.

• WUNOERLlCH, B. -"Macromolecular Physics. vol2 Crystal Nucleation,

Growth, Annealing". Academic Press, Inc., London, U.K., p.461,1976.

• ZARZYCKI, J. Glasses and the vitreous state. New York: Cambridge

University Press, p. 23-75, 1991.